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基于分液冷凝采用R600a/R601a混合物有机闪蒸循环性能分析

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中国电机工程学报 2022年第7期42卷 2615-2622页

作者：庞小兵葛众解志勇徐坚谢建斌王亚琦汤翀赵伟王柯兰云南大学建筑与规划学院云南省昆明市650500

建立分液冷凝有机闪蒸循环(liquid-separation condensation organic flash cycle,LSOFC)的热力学模型,采用R600a/R601a为循环工质。研究热源温度为100~150℃时,摩尔组分对LSOFC系统不分液情况下净输出功率以及单位输出功率所需总的换... 详细信息

建立分液冷凝有机闪蒸循环(liquid-separation condensation organic flash cycle,LSOFC)的热力学模型,采用R600a/R601a为循环工质。研究热源温度为100~150℃时,摩尔组分对LSOFC系统不分液情况下净输出功率以及单位输出功率所需总的换热面积(A_(per))的影响。同时在系统净输出功率最大的情况下,探讨了热源温度150℃时,分液干度以及摩尔组分对LSOFC系统净输出功率以及A_(per)的影响规律。并对LSOFC系统分液与不分液时A_(per)进行比较。结果表明,与R600a和R601a相比,热源温度为100、110~130、140℃和150℃,且R600a/R601a混合物摩尔组分分别为0.2/0.8、0.1/0.9、0.9/0.1及0.7/0.3时,LSOFC系统的净输出功率最大,且一般情况下,采用分液冷凝可有效减少系统的A_(per)。当热源温度为150℃,R601a摩尔组分为0.9时,分液冷凝系统的A_(per)相对于不分液情况最大减少了23.33%,只有当热源温度为100℃,R601a摩尔组分为0.5、0.6及0.7时,采用分液冷凝系统的A_(per)会较不分液有所增加。

关键词：分液冷凝非共沸工质有机闪蒸循环净输出功率换热面积

基于分液冷凝有机闪蒸循环分液干度分析及优化

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热科学与技术 2022年第1期21卷 67-75页

作者：袁志鹏张凇源葛众解志勇鄢银连黄桂冬谢建斌云南大学建筑与规划学院云南昆明650504 昆明冶金高等专科学校冶金与矿业学院云南昆明650033

分液冷凝是一种新兴的强化传热方法,可以显著提高冷凝传热系数。将分液冷凝应用于有机闪蒸循环(OFC),采用R227ea、R236ea、R245fa、R600、R601、R600a、R601a、R1234ze和R1234yf为循环工质,分别研究了进口干度、分液干度、冷却水温升和... 详细信息

分液冷凝是一种新兴的强化传热方法,可以显著提高冷凝传热系数。将分液冷凝应用于有机闪蒸循环(OFC),采用R227ea、R236ea、R245fa、R600、R601、R600a、R601a、R1234ze和R1234yf为循环工质,分别研究了进口干度、分液干度、冷却水温升和质流密度对冷凝器换热面积的影响。研究结果表明:当进口干度较大时,换热面积会随着分液干度的增大而先减小后增大;当分液干度较小时,分液干度越接近进口干度换热面积越小。采用分液冷凝后的冷凝器换热面积相对不分液时减少13.2%~55.3%,且相对减少量随着进口干度的增大而减小。

关键词：分液冷凝有机闪蒸循环换热面积进口干度分液干度

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倾斜管内有机工质分液冷凝特性研究

倾斜管内有机工质分液冷凝特性研究

作者：王大维哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

能源技术的进步需要有机工质在冷凝过程中高效换热,因此对于常规尺度通道内有机工质冷凝换热的机理研究以及强化传热技术的研发一直是能源技术领域的重点研究课题之一。本文针对有机工质R245fa在倾斜管内冷凝换热研究的不足,自主设计并... 详细信息

能源技术的进步需要有机工质在冷凝过程中高效换热,因此对于常规尺度通道内有机工质冷凝换热的机理研究以及强化传热技术的研发一直是能源技术领域的重点研究课题之一。本文针对有机工质R245fa在倾斜管内冷凝换热研究的不足,自主设计并搭建了有机工质流动冷凝试验台,基于海底热液有机朗肯循环发电系统运行参数开展了倾斜管内R245fa流动冷凝和联箱分液冷凝相变传热的试验研究和数值模拟研究。流动冷凝的试验结果表明:倾斜角度增加时光滑分层流逐渐消失且分层流的区域不断减小。冷凝总压降随质量流速增加呈现非线性增加趋势,质量流速小于200kg/m·s时各个入口干度条件下总压降值接近;小于临界干度时总压降增加缓慢,超过临界干度后总压降增加迅速;总压降随倾斜角度的增加没有明显变化。平均冷凝换热系数随质量流速增加而增大并在低质量流速时增加更快;入口干度增加时平均冷凝换热系数增大,不同干度条件下平均冷凝换热系数的变化率具有较大差异;平均冷凝换热系数随着倾斜角度增加先增大后减小,倾斜角度15.1°时平均冷凝换热系数具有极大值。分液冷凝试验中采用单孔联箱分液,依据分液孔位置和孔径的不同分为4种结构。试验结果表明:相同结构下联箱内的气液分离状态受到入口条件影响,入口干度小于0.5时存在较为稳定的漏液速率能够实现有效分液,入口干度进一步提高后漏液速率剧烈波动直至气相击穿,分离效率随着入口干度的增加先增大后减小,入口干度为0.11时分离效率最大为97.0%。联箱内的积液高度取决于漏液速率的大小,漏液速率增大时积液高度增加。结构改变对分离特性的影响规律是分液孔靠近出口支管时漏液速率增加,靠近入口支管时漏液速率减少,联箱倾斜15°放置后积液高度上升同时漏液速率降低。分液效率降低时管内平均干度减小,联箱分液对于强化管内冷凝换热效果的作用也随之减弱。倾斜管内冷凝的数值模拟研究中采用SST K-omega湍流模型、VOF多项流模型和Lee冷凝相变传质模型。冷凝传热系数的数值模拟结果与实验值相差在7.9%～13.5%。数值模拟结果表明:靠近壁面处时温度梯度较大,液膜厚度随着质量流速的增加而减小;冷凝换热系数随着质量流速的增加而增大,随着换热温差的增加而增大,随着倾斜角度的绝对值增加先增加后减小;倾斜角度变化时,冷凝换热系数以0°为界呈现先增加后减小的正弦变化趋势,在±15°时出现极大值。

关键词：冷凝换热分液冷凝倾斜管试验研究

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外盘管微通道分液冷凝热泵热水器的研究

外盘管微通道分液冷凝热泵热水器的研究

作者：陈柳杏广东工业大学

学位级别：硕士

空气源热泵热水器具有安全性、环保性和高效性的特点。2020年我国提出“碳达峰”和“碳中和”目标,强调了绿色环保的高质量发展方向。尽管热泵热水器达到了较成熟的水平,但是性能提升仍是研究重点。热泵热水器实验研究能够评估系统整体... 详细信息

空气源热泵热水器具有安全性、环保性和高效性的特点。2020年我国提出“碳达峰”和“碳中和”目标,强调了绿色环保的高质量发展方向。尽管热泵热水器达到了较成熟的水平,但是性能提升仍是研究重点。热泵热水器实验研究能够评估系统整体性能,建立理论模型是揭示系统特性和性能优化的有效手段。冷凝器是热泵热水器重要组成部分,提升其传热性能对系统COP提升具有重要意义。分液冷凝技术能够提升传热系数同时减小压降,运用该技术能够提升热泵热水器性能。本文建立了外盘管微通道分液冷凝热泵热水器模型。换热器模型采用“准静态”和“单元-管子-管程”分层次计算方法,考虑了流动压降,划分加热时间为若干步长。根据分液效率、能量守恒和质量守恒计算分液过程。搭建热泵热水器实验平台,对模型验证,结果表明,模型预测精度高。分液冷凝水箱和普通冷凝水箱压力偏差分别为0.66%和0.59%,温度为6.28%和3.30%;分液热泵热水器压力平均误差为5.29%,功率为4.49%,加热时间为2.78%。实验研究热泵热水器在干球温度/湿球温度分别为27℃/19℃、20℃/15℃、7℃/6℃工况下的系统性能变化,热泵热水器在27℃/19℃工况下平均制热量更高,加热时间缩短,COP最大。在名义工况下,对比热泵热水器不同加热方式发现,在相同换热器结构下,热泵热水器静态加热时性能优于混水加热,普通热泵热水器COP提升10.33%,分液热泵热水器提升6.92%。利用冷凝水箱模型详细对比带/不带分液隔板的冷凝器局部传热特性。分液冷凝器在第二管程、第五管程和第六管程传热量分别比普通冷凝器平均高2.50%、126.81%和107.95%,其传热系数仅在第二管程和第三管程进口处得到提升,压降比普通冷凝器平均低34.48%。优化管程后传热量、加热时间和两相面积占比比普通冷凝器分别高78.20W,少160s,高7.62%。利用分液冷凝热泵热水器模型,优化冷凝器管程和分液隔板的分液效率,四管程至七管程COP最大值管程布置分别为9873、76644、765333、5544333,对应分液效率分别为0.4、0.7/0.2、0.7/0.2、0.8/0.2/0.2,COP分别提升1.68%、3.84%、3.84%、2.64%。管程布置为765333、分液效率为0.7/0.2的系统与原型分液系统相比,优势在加热前期,在整个加热过程,冷凝器进口压力平均增大7.83%、温度平均升高4.89%、耗电量减少7.16×10J、加热时间缩短8.55%、COP值增加0.27,能效等级达到一级。本文通过实验发现外盘管微通道冷凝空气源热泵热水器性能受环境和加热方式影响较明显。建立模型合理优化换热器,有效提升换热器传热效果和系统COP,证明了气液分离技术能够提升热泵热水器性能,优化潜力很大。

关键词：热泵热水器分液冷凝仿真模拟管程优化

基于分液冷凝的非共沸工质有机闪蒸—朗肯循环系统性能研究

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基于分液冷凝的非共沸工质有机闪蒸—朗肯循环系统性能研究

作者：庞小兵云南大学

学位级别：硕士

传统热力循环对热能的利用效率较低,有机闪蒸-朗肯循环(OFRC)结合闪蒸循环和朗肯循环各自的优势,以非共沸混合物为循环工质,能够高效地利用中低温的清洁能源。非共沸工质会导致换热器成本增加,而分液冷凝能增强非共沸工质在冷凝过程中... 详细信息

传统热力循环对热能的利用效率较低,有机闪蒸-朗肯循环(OFRC)结合闪蒸循环和朗肯循环各自的优势,以非共沸混合物为循环工质,能够高效地利用中低温的清洁能源。非共沸工质会导致换热器成本增加,而分液冷凝能增强非共沸工质在冷凝过程中的传热,改善OFRC的经济性。本文基于分液冷凝技术对采用非共沸工质的OFRC系统进行了研究,主要包括变热源工况和采用分液冷凝情况下不同摩尔组分工质对系统热性能与经济性的影响以及冷凝器运行参数对系统经济性的影响,结论如下:(1)OFRC系统的热性能会随着热源温度的增加而提升。在140-200℃热源温度范围内,使OFRC系统热性能表现最佳的组分均为非共沸工质组分。系统的净输出功率相较纯工质R600最大增加了12.05%、19.12%、16.71%和14.86%;热效率最大增加了7.30%、9.39%、6.65%和7.53%;系统(火用)效率和(火用)回收效率的变化分别与其热效率和净输出功率保持一致。(2)非共沸工质的摩尔组分不同,采用分液冷凝后产生的效果也不同。热源温度为120℃,R600摩尔组分为0.1、0.2和0.3时,采用分液冷凝后OFRC系统的热性能会变差。其净输出功率相较不分液情况最大分别减小了14.33%、8.41%和0.88%;热效率降低了11.94%、6.97%和0.58%。而R600的摩尔组分取值为0、0.4-0.9和1时,采用分液冷凝不会影响OFRC系统的热性能。(3)采用非共沸工质时OFRC系统的经济性会变差。热源温度为100-200℃时,系统的比功面积相较R600最大分别增加了41.62%、49.12%、39.83%、50.85%、62.00%和65.92%;SIC最大增加了3.57%、30.50%、1.76%、0.49%、0.63%和0.87%。热源温度为100℃和120℃时,系统EGC最大增加了2.98%、2.33%。(4)采用分液冷凝后系统的换热面积会减小,经济性得到改善。热源温度为120℃,R600摩尔组分为0.1和0.2时,最小的冷凝器换热面积所对应的分液干度为0.1;摩尔组分为0、0.3-1时,分液干度为0.3。在上述分液干度下,OFRC系统的比功面积相较不分液时最大减小了27.54%;系统的SIC最大减小了1.78%;系统的EGC最大减小了3.33%。(5)选择R600摩尔组分为0.1和0.4为工质的代表组分,G较小时分液冷凝的效果会更好,但OFRC系统的换热面积会增加。分液冷凝效果受T、V和d的影响,在不同的R600摩尔组分下会有不同的表现。总体而言,较小的T、较大的G、V和d能够使系统的经济性表现更好。

关键词：中低温热能有机闪蒸-朗肯循环非共沸工质分液冷凝参数优化

基于分液冷凝的R245fa/pentane混合工质朗肯循环多目标优化

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化工学报 2018年第5期69卷 2040-2048页

作者：黄仁龙罗向龙梁志辉陈颖广东工业大学材料与能源学院广东广州510006

有机朗肯循环(ORC)是一种利用低温余热进行发电的热电转换技术。由于热源温位低,导致其效率不高,设备投资成本高。因此,本文从降低系统成本和提高其热力性能角度出发,把分液冷凝技术运用于双压蒸发的非共沸ORC系统,利用NSGA-Ⅱ多目标算... 详细信息

有机朗肯循环(ORC)是一种利用低温余热进行发电的热电转换技术。由于热源温位低,导致其效率不高,设备投资成本高。因此,本文从降低系统成本和提高其热力性能角度出发,把分液冷凝技术运用于双压蒸发的非共沸ORC系统,利用NSGA-Ⅱ多目标算法对基本ORC(BORC),气液分离-双级蒸发ORC(DSORC),串联双级蒸发ORC(STORC)和分液冷凝-双级蒸发ORC(TLORC)四种系统的净输出功和比成本(SIC)进行优化对比。优化结果表明:在BORC系统中,多维偏好线性规划法(LINMAP)优化得出的点表明非共沸工质的净输出功分别要比纯R245fa和纯pentane高5.6%和14.0%。在DSORC系统中,LINMAP点表明非共沸工质的净输出功要比R245fa和pentane分别高1.2%和6.3%;在所研究的四种系统中,Pareto Front表明TLORC系统SIC最低,比BORC系统低5.4%,同时净输出功比BORC系统高4.86%。

关键词：热力学算法优化有机朗肯循环非共沸工质分液冷凝双级蒸发

分液冷凝器在HFC410A空调系统的替换实验研究

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制冷学报 2012年第5期33卷 26-31页

作者：邓立生陈颖莫松平华楠陈二雄广东工业大学材料与能源学院广州510006

汽液分离式冷凝器是一种管内高效冷凝换热器,它采用了一些强化换热手段,如多管程平行流冷凝、中间排液以及优化管子数目等。这里将该分液冷凝器用于HFC410A空调系统中,并进行了性能测试。结果表明：使用分液冷凝器后,HFC410A的制冷能力... 详细信息

汽液分离式冷凝器是一种管内高效冷凝换热器,它采用了一些强化换热手段,如多管程平行流冷凝、中间排液以及优化管子数目等。这里将该分液冷凝器用于HFC410A空调系统中,并进行了性能测试。结果表明：使用分液冷凝器后,HFC410A的制冷能力仅为原系统的96.4%,EER值为原来的93.8%,该分液冷凝器无法实现替换目的。通过分析发现,HFC410A对分液冷凝器的热力性能影响较大,HFC410A在分液冷凝器的气液分离效果变差,不再维持HCFC22在分液冷凝器中表现出来的近等温冷凝过程;在相同的冷凝温度下,HFC410A系统的循环质量流量较HCFC22系统减少1.2%~9.2%时,分液冷凝器的压降提高39.1%~52.6%。

关键词：热工学制冷性能焓差法分液冷凝

分液冷凝非共沸工质朗肯循环结构优化及变工况运行调控方法

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分液冷凝非共沸工质朗肯循环结构优化及变工况运行调控方法

作者：黄仁龙广东工业大学

学位级别：硕士

有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,简称ORC)是一种将低品位热能转化为电能的技术,由于其结构简单、压力适宜、操作方便,被广泛运用于回收工业余热、太阳能、地热能等,成为当前发电技术的研究热点。其目前面临着高成本、变工况运行性... 详细信息

有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,简称ORC)是一种将低品位热能转化为电能的技术,由于其结构简单、压力适宜、操作方便,被广泛运用于回收工业余热、太阳能、地热能等,成为当前发电技术的研究热点。其目前面临着高成本、变工况运行性能差的问题。本论文围绕提高中低温热能驱动ORC的热-经济性目标展开研究,主要从以下三方面着手。首先,对非共沸工质基本ORC系统进行热力学优化分析。相比传统发电系统,ORC面临着热力性能低下的问题,学者们因此对纯工质ORC进行了深入而广泛的研究,然而纯工质等温相变的特性限制了系统性能的提升。非共沸工质在相变期间具有温度滑移的现象,能更好地匹配冷热源,从而提升系统热力性能。建立了非共沸工质ORC系统热力学分析模型,对非共沸工质简单ORC进行热力学第一定律分析和?分析,通过与纯工质基本ORC对比验证非共沸工质ORC的优势,揭示其热力学性能提升的原因,并对冷热源参数进行敏感性分析。对比结果表明,在相同的冷热源条件下,非共沸工质ORC系统纯输出功比纯工质ORC高10.17%。其次,在非共沸工质ORC系统的基础上,研究分液冷凝-双压蒸发非共沸工质ORC(LMZORC)系统。由于非共沸工质相比纯工质传热传质阻力较大,非共沸工质ORC热力学性能的提升往往是以牺牲经济性为代价,同步改善相变传热温度匹配与及降低换热器面积将能有效的提升系统经济性能。提出分液冷凝-多压蒸发非共沸工质ORC系统,建立了新系统热-经济分析和优化模型,基于GAMS建模求解,分析分液冷凝换热强化与及蒸发端换热匹配改善对ORC性能提升的贡献,并对LMZORC进行敏感性分析,探讨运行参数对LMZORC的影响,验证非共沸工质分液冷凝-双压蒸发ORC系统的优势。最后,探讨分液冷凝-组分调控非共沸工质ORC系统(LCZORC)变工况运行策略。ORC在实际运行中,气候环境往往会变化很大,系统性能极度容易受到周围环境温度的影响,这会严重削弱ORC系统性能。本文提出了基于分液冷凝调节ORC组分的思路,来改善工质和冷源匹配匹配性能,利用分液冷凝器,对非共沸工质的组分进行调控,使工质和一年四季环境空气温度曲线得到很好匹配;建立了组分调控过程模型和系统优化模型,采用多压蒸发来改善蒸发端,提出基于分液冷凝-组分调控串联多压非共沸工质ORC(LCMZORC);开展了单压和双压组分调控ORC的热力学分析研究,以验证循环变工况调节优势。本文围绕着提高ORC的热-经济性为目标,建立和设计了基于分液冷凝-组分调控单压和双压非共沸工质ORC系统流程。所提出的分液冷凝-组分调控思路能为中低温分液冷凝非共沸工质ORC系统流程设计提供一定的理论指导和参考价值。

关键词：非共沸工质有机朗肯循环分液冷凝组分调控多压蒸发

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分液冷凝技术在空气源热泵热水器的应用研究

分液冷凝技术在空气源热泵热水器的应用研究

作者：林旭广东工业大学

学位级别：硕士

空气能作为一种可再生能源,在环境越来越受到大众重视的今天,已然成为一种优质的清洁能源。而空气源热泵热水器（ASHPWH）以其良好的节能性能被公认为一项高新技术,并得到了广泛的推广和应用。本文对ASHHPWH进行了仿真模拟以及实验研究... 详细信息

空气能作为一种可再生能源,在环境越来越受到大众重视的今天,已然成为一种优质的清洁能源。而空气源热泵热水器（ASHPWH）以其良好的节能性能被公认为一项高新技术,并得到了广泛的推广和应用。本文对ASHHPWH进行了仿真模拟以及实验研究。在实验研究方面,对ASHPWH在不同工况下的运行情况进行研究。实验结果显示在变工况运行工况下,平均换热量提高了9.36%,加热时间缩短了10.71%,系统性能系数COP提升了0.39%。其主要原因是蒸发温度平均提高了3.39℃,制冷剂质量流量平均增大了1.93g/s。还进一步分别对使用微通道分液冷凝器（LMC）以及传统微通道冷凝器（CMC）的ASHPWH进行对比实验研究。实验中为了进一步分析冷凝器与水箱同系统性能间的关系,在传统的整体性能实验的基础上还加入了分时实验。结果表明与使用CMC的CHPWH对比,使用LMC的LHPWH的平均功率降低了4.31%,系统性能系数COP提高了4.88%。进一步对比LMC与CMC的差异,发现LMC的平均压降降低更小且制冷剂分布更加均匀,平均换热系数也更高。红外热成像（FLIR）也证明了联箱中的气液分离装置对LMC的换热起到优化作用。若在此基础上对对LMC的管程进行优化,有望使ASHPWH获得更高的整体性能。在仿真模拟方面,本文建立适用于ASHPWH的冷凝器与水箱模型的动态模型,并使用实验研究中的实验数据对该模型行验证。结果表明该模型的计算结果与实验数据的最大误差控制在30%以内,平均误差在20%左右。并用该验证后的模型对CMC以及LMC进行管程优化设计。结果表明管程数对冷凝器的性能有较大的影响,LMC在管程优化设计中有极大的潜力。综合上述研究结果表明,分液冷凝技术在ASHPWH这类非稳态系统中也可以起到降低压降同时增大换热系数的效果,在ASHPWH中使用管程布置合理的LMC将可以显著提高其热力学性能。

关键词：微通道分液冷凝热泵热水器仿真模拟管程优化