基于混合工质的中低温有机朗肯循环系统仿真模拟与实验研究

作     者：张昌远 

作者单位：河南科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐斌;商潭苏

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：有机朗肯循环 热力学分析 非共沸混合工质 温度滑移 

摘      要：有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)系统将有机工质作为能量载体,可以将低品位热能转变为高品位电能的技术,具有结构简单、维护方便、安全性高、环境友好等优点,不仅可以提高一些传统工业设备的能源利用率,也可以提高地热能、太阳能等清洁能源的利用率,使其在中低温余热方面有着广阔的应用前景。ORC系统的工作介质的选择是专家学者探究的重点问题之一。由于非共沸混合工质的温度滑移特性,近年来,对于以非共沸混合工质的ORC系统的研究备受关注。本文采用模拟计算与实验相结合的方式,研究对比纯工质与混合工质的热力性能,从ORC系统的热力学仿真分析、非共沸混合工质的物性参数分析、非共沸混合工质的选取、纯工质与非共沸混合工质的ORC系统稳态实验等方面开展研究工作。建立ORC系统热力学计算模型,利用MATLAB与REFPROP软件进行热力学仿真计算,根据环保与安全要求等,优选出6种不同纯工质R1233zd(E)、R134a、R152a、R1234yf、R1234ze(E)、R245fa作为备选工质,并仿真模拟研究热力学参数对6种备选工质的ORC系统性能影响以进一步优选,研究表明:对于中低温余热,R245fa、R1233zd(E)的系统综合性能比其余工质具有优势。将6种备选工质利用“沸点差法混合出10组混合工质,利用MATLAB与REFPROP相结合的方式对混合工质进行优选,研究表明:温度滑移最大的混合工质通常较高沸点的组元占比(质量比)大于0.5,在模拟条件下,热物性较好的纯工质优于其混合工质。由于10组混合工质中R1234ze(E)/R1233zd(E)的系统综合性能最优,故选为实验工质,实验探究其热力性能,并对热物性较好的纯工质优于其混合工质这一结果进行了实验验证。利用基本的ORC实验台,以纯工质R1233zd(E)和质量比为0.9/0.1、0.7/0.3的混合工质R1233zd(E)/R1234ze(E)作为系统的工质进行系统的稳态实验。对蒸发压力、热源温度和工质流量对系统的影响实验分析得出:适当的增加蒸发压力可以提高3种工质的系统净输出功率、热效率和热回收效率;工质流量的升高可以增加系统的净输出功率和热回收效率,纯工质R1233zd(E)、质量比为0.9/0.1混合工质R1233zd(E)/R1234ze(E)和质量比为0.7/0.3的混合工质R1233zd(E)/R1234ze(E)的系统在工质流量300 L/h比218 L/h的净输出功率分别提高了30.3%、36.7%和38.2%,3种工质的系统热回收效率提高了大约0.3～0.4%,而系统热效率随工质流量的增加而下降,工质流量从218 L/h增加到300 L/h,3种工质系统热效率下降了约0.1～0.2%;热源温度的提高可以增加系统净输出功率,热源温度从140℃提高到185℃使纯工质R1233zd(E)、质量比为0.9/0.1的混合工质R1233zd(E)/R1234ze(E)及质量比为0.7/0.3的混合工质R1233zd(E)/R1234ze(E)的系统的净输出功率分别大约提升了12.9%、10.7%和12.8%,3种工质的系统随着热源温度的升高热效率、热回收效率下降,分别下降了0.2～0.4%、0.3～0.5%。通过纯工质与混合工质的对比实验表明:在实验控制了冷却水温度及流量后,以相同的泡点冷凝温度工况下,随着R1234ze(E)质量占比的增加,系统性能下降,验证了模拟结果,实验表明在一定冷凝条件下,混合工质热力性能并不总优于纯工质的热力性能,在定泡点冷凝温度工况下,拥有热物性能更好的纯工质的系统性能优于其混合工质的系统性能。