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有机工质朗肯循环驱动反渗透海水淡化建模研究

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有机工质朗肯循环驱动反渗透海水淡化建模研究

作者：马晓林华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

在当前淡水资源匮乏、能源短缺与环境污染的形势下,发展高效的清洁能源海水淡化技术成为热点。有机工质朗肯循环因其在低品位热源利用方面的优势,可将工业余热、太阳能、生物质能、地热能等同反渗透海水淡化耦合联系起来,成为当下节能... 详细信息

在当前淡水资源匮乏、能源短缺与环境污染的形势下,发展高效的清洁能源海水淡化技术成为热点。有机工质朗肯循环因其在低品位热源利用方面的优势,可将工业余热、太阳能、生物质能、地热能等同反渗透海水淡化耦合联系起来,成为当下节能与海水淡化交叉领域研究的热点。本文围绕有机工质朗肯循环驱动反渗透海水淡化技术开展研究。针对有机工质朗肯循环侧,首先针对前人研究相对较少的带回热有机工质朗肯循环建立分别基于热力学第一定律与热力学第二定律的平衡、评价模型。随后采用耦合热源的窄点温差方法求解并比较带回热循环与普通循环的运行参数、输出功及各部件的（火用）损。最后得出结论,带回热有机朗肯循环相对普通循环具有更高的（火用）效率与更低的运行压力水平,膨胀机输出功可提升5.1%,膨胀机进口压力可降低17%;带回热循环能提升（火用）效率的原因主要在于降低了凝汽器处的（火用）损,而优化凝汽器的运行可进一步提升系统（火用）效率。因此,本文又针对有机工质朗肯循环凝汽器处的传热优化问题展开研究,采用气液两相流理论对内分液结构流型调控管建立数学模型,并分析证明了其可实现流型调控与管内气液两相流冷凝的传热强化。模型计算结果与实验数据吻合较好,最终得出结论在气相流速较低、液相流速较高的条件下可在竖直管内实现最优化流动与传热的第二类工况。针对反渗透海水淡化侧,本文首先采用经典反渗透海水淡化理论对组成海水淡化厂的最基本单元——卷式膜元件建立数学模型,随后采用实验数据与海水淡化厂实测数据从多角度验证了模型的准确性。采用模型分析得出结论,适当增加供水压力,尽量降低供水盐度,合理选择供水容积流量,是提升产水回收率,降低盐通率进而提升膜元件工作性能的有效措施。本文随后在膜元件的数学模型基础上,建立评价有机工质朗肯循环驱动反渗透海水淡化厂经济性的数学模型,采用模型比对了该类海水淡化厂与常规海水淡化厂的产水成本,得出结论,引入有机朗肯循环驱动可降低海水淡化厂的产水成本,另外,提高海水淡化厂各部件的能源效率、增大厂容量、选址于盐度较低海域也是提升海水淡化厂经济性的有效措施。

关键词：有机工质朗肯循环反渗透 (火用)效率流型调控数学模型经济性

柴油机不同主机工况下水蒸气朗肯循环和有机工质朗肯循环性能对比

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能源工程 2019年第2期39卷 83-88页

作者：贾乐平力蔡振琦焦乾峰上海理工大学能源与动力工程学院上海200093

为了充分利用柴油机的余热能量,根据余热分布特性设计了水蒸气朗肯循环系统和有机工质朗肯循环系统,用来回收柴油机排气能量、进气中空气冷却能量以及冷却系统的能量,并利用Aspen Plus软件对这两种循环系统进行流程模拟,比较水蒸气朗肯... 详细信息

为了充分利用柴油机的余热能量,根据余热分布特性设计了水蒸气朗肯循环系统和有机工质朗肯循环系统,用来回收柴油机排气能量、进气中空气冷却能量以及冷却系统的能量,并利用Aspen Plus软件对这两种循环系统进行流程模拟,比较水蒸气朗肯循环系统和有机工质朗肯循环系统在不同的柴油机主机工况下,这三种指标的变化曲线。结果表明这两种循环系统的净输出功率、热效率、热回收效率都随着柴油机主机工况的增大而增大;在相同的柴油机主机工况下,有机工质朗肯循环系统的净输出功率、热回收效率大于水蒸气朗肯循环系统,而有机工质朗肯循环系统热效率小于水蒸气朗肯循环系统。

关键词：水蒸气朗肯循环有机工质朗肯循环 Aspen Plus 效率

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向心透平有机工质朗肯循环发电设备设计

自动化仪表 2019年第2期40卷 15-18,22页

作者：朱弢李健郑洪财南京天加热能技术有限公司江苏南京210037

针对目前国内向心透平类有机工质朗肯循环发电设备在行业内相对较少的现状,对该类设备的关键部件、控制系统进行了研究、设计和测试,阐述了设计指标的参考依据和整体设计过程。使用R245fa作为有机工质,向心透平作为膨胀机,发电机选用交... 详细信息

针对目前国内向心透平类有机工质朗肯循环发电设备在行业内相对较少的现状,对该类设备的关键部件、控制系统进行了研究、设计和测试,阐述了设计指标的参考依据和整体设计过程。使用R245fa作为有机工质,向心透平作为膨胀机,发电机选用交流异步发电机。通过PID算法,可实现设备在不同热源场合下的自动调节;通过软启动器等硬件,可减小异步发电机对电网的冲击;通过动态功率因数补偿装置,可保证功率因数满足分布式发电的上网要求。测试过程验证了设计的控制逻辑和算法的准确性。该设备具有安装、并网简单,稳定性高,操作方便等优点。研究结果表明,向心透平类有机工质朗肯循环发电设备具有很好的热点转换效率,可作为低温地热、余热发电装备的解决方案之一,也为不同形式的有机工质朗肯循环发电设备的进一步对比、研究提供了参考。

关键词：余热发电地热发电有机工质朗肯循环向心透平异步发电机膨胀机

有机工质向心透平变工况性能预测及系统性能分析

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太阳能学报 2019年第12期40卷 3409-3416页

作者：韩中合赵若丞范伟华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室

在以工业烟气余热为热源的有机朗肯循环系统中,当工业生产过程发生调整时烟气参数会发生变化,导致系统热力参数有所改变,向心透平偏离设计工况运行,且在变工况时透平性能的变化直接影响系统热力性能。以150℃低温烟气为热源,采用R245fa... 详细信息

在以工业烟气余热为热源的有机朗肯循环系统中,当工业生产过程发生调整时烟气参数会发生变化,导致系统热力参数有所改变,向心透平偏离设计工况运行,且在变工况时透平性能的变化直接影响系统热力性能。以150℃低温烟气为热源,采用R245fa为工质,确定设计工况,对向心透平进行设计。采用CFD软件模拟透平在设计工况和热源参数变动导致的变工况条件下的运行状况,提出重构过程法求解透平热力性能参数,对透平变工况热力特性进行预测,分析变工况时透平性能与系统热力性能的关系。结果表明,变工况时透平相对内效率呈现先增大后减小的趋势,功率相对设计工况下降了35.258 kW。在透平各项损失中余速损失最大,当热源温度在130℃以下时摩擦损失系数的增大仅次于余速损失系数;热源温度降低则系统热效率下降,与透平相对内效率相比,理想循环热效率对系统热效率的影响更大。

关键词：有机工质朗肯循环向心透平变工况系统热力性能重构过程法

一种新型太阳能喷射式电热(冷)联供系统的热力性能及经济性分析

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动力工程学报 2021年第8期41卷 684-691页

作者：罗迟孙培杰章恺吕小静翁一武上海交通大学中英国际低碳学院上海200240 上海宇航系统工程研究所上海201109 上海交通大学机械与动力工程学院动力机械与工程教育部重点实验室上海200240

提出了一种新型的太阳能喷射式电热(冷)联供系统,该系统基于有机工质朗肯循环和喷射式制冷循环,利用太阳能光热,通过简单阀门切换实现电冷联供和电热联供。针对西北地区冬季/夏季典型太阳辐照强度,计算系统发电功率和制热(冷)功率,研究... 详细信息

提出了一种新型的太阳能喷射式电热(冷)联供系统,该系统基于有机工质朗肯循环和喷射式制冷循环,利用太阳能光热,通过简单阀门切换实现电冷联供和电热联供。针对西北地区冬季/夏季典型太阳辐照强度,计算系统发电功率和制热(冷)功率,研究了系统的发电供热(制冷)能力,并从经济性方面进行系统性分析。结果表明:在西北地区太阳辐照强度条件下,该系统能独立满足建筑物的日常用电和供热(制冷)需求;在夏季,最大发电功率为5.42 kW,最大制冷功率为7.26 kW;在冬季,最大制热功率为2.96 kW;系统的电力生产成本为0.755元/(kW·h),相比其他发电系统,在保证低成本的同时,该系统环保可靠且具备供热(制冷)功能。

关键词：太阳能有机工质朗肯循环电热(冷)联供喷射制冷

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采用螺杆膨胀机的ORC系统特性试验研究

机械工程学报 2017年第24期53卷 177-183页

作者：郭霆沈九兵孔祥雷张震江苏科技大学能源与动力学院镇江212003

有机工质朗肯循环(Organic Rankine cycle,ORC)能回收工业余热产生高压蒸气,并由膨胀机输出机械功,是一种具有广泛应用前景的节能技术。工质泵和膨胀机作为ORC循环运行的两大核心机械,实现不同热源流量或温度条件下,工质泵频率和膨胀机... 详细信息

有机工质朗肯循环(Organic Rankine cycle,ORC)能回收工业余热产生高压蒸气,并由膨胀机输出机械功,是一种具有广泛应用前景的节能技术。工质泵和膨胀机作为ORC循环运行的两大核心机械,实现不同热源流量或温度条件下,工质泵频率和膨胀机转速的匹配,可有效提高ORC循环效率。基于ORC循环的热力学分析,选用R245fa作为循环工质,采用适用性广、可靠性高的螺杆膨胀机,设计并搭建了ORC系统试验台,根据试验结果,重点研究螺杆膨胀机转速、工质泵频率及蒸发器出口过热度对系统性能的影响。结果表明:膨胀机转速的增加会使得系统中工质的循环流量上升,但对蒸发压力的影响较小;存在与工质泵频率相匹配的最佳膨胀机转速,使得系统的循环热效率达到最大;工质泵频率增加时,工质的循环流量和蒸发温度也随之增大,蒸发器换热量、膨胀机输出功率及系统循环热效率都有所上升;蒸发器出口过热度的变化基本不会影响系统热效率。

关键词：螺杆膨胀机有机工质朗肯循环特性研究

渔船引擎余热ORC发电系统热力设计及性能分析

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渔船引擎余热ORC发电系统热力设计及性能分析

作者：游聪华中科技大学

学位级别：硕士

当今世界,一次能源的日益枯竭和人口增长所带来能源需求攀升之间的矛盾逐渐加剧,在不断开发新能源的同时,如何改进传统的能源利用方式,提高能源利用率也是一项重要的科研课题,而基于有机朗肯循环(ORC)余热回收发电技术是一条可行且具有... 详细信息

当今世界,一次能源的日益枯竭和人口增长所带来能源需求攀升之间的矛盾逐渐加剧,在不断开发新能源的同时,如何改进传统的能源利用方式,提高能源利用率也是一项重要的科研课题,而基于有机朗肯循环(ORC)余热回收发电技术是一条可行且具有前景的技术路线。与传统的蒸汽循环相比,有机朗肯循环针对低品位热源可实现较高的热电转化效率,尤其在工业余热利用上具有广阔的发展空间。本文以渔船引擎尾气为热源,对带回热器的有机朗肯循环余热发电系统进行热设计,对比分析了包括正戊烷、R123、R245fa、R245ca、NOVEC649和R1233ZD在内的六种有机工质,基于常规热经济性指标和?评价指标,综合考虑工质安全性和环保性,最终确定了NOVEC649作为最优工质。利用Matlab中的Simulink模块搭建了该余热发电系统的仿真模型,以运行参数如工质蒸发压力和冷凝温度为变量进行了仿真计算和优化分析。通过对比有无回热器的有机朗肯循环,定量计算各项性能指标以分析其对系统的影响。基于仿真模拟参数,以NOVEC649为工质搭建了实际渔船尾气ORC系统,在系统安全稳定运行后得到多组实验数据,分析实验数据得到了系统的运行规律和评价指标。该有机朗肯循环发电系统验证了对船舶引擎尾气进行回收发电的可行性,结合模拟以及实验数据,对不同有机工质的ORC系统运行参数进行了对比分析,定量分析得到参数对系统性能的影响并得到设定工况下的最优值。实际的渔船余热回收发电系统所发电能可供给船舶日常电能消耗,提高了船舶运行的经济性。

关键词：余热利用渔船引擎尾气有机工质朗肯循环发电系统性能分析

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带叶片盘式透平流动特性模拟与性能分析

带叶片盘式透平流动特性模拟与性能分析

作者：陈曦华中科技大学

学位级别：硕士

随着传统化石能源的短缺以及环境污染问题的加重,清洁与可再生能源以及余热资源的回收利用逐渐成为当前能源领域的一个重点研究方向。有机工质朗肯循环(ORC)是低品位热能利用的一种有效途径,如何为ORC系统选取合适的动力设备在近年来成... 详细信息

随着传统化石能源的短缺以及环境污染问题的加重,清洁与可再生能源以及余热资源的回收利用逐渐成为当前能源领域的一个重点研究方向。有机工质朗肯循环(ORC)是低品位热能利用的一种有效途径,如何为ORC系统选取合适的动力设备在近年来成为了该领域的一个研究热点。盘式透平作为一种非常规的透平形式,具有成本低廉、易于小型化等优势,特别适用于小规模ORC系统。但是运行转矩低、效率低的缺陷制约了盘式透平的商业应用。本文在传统盘式透平的结构基础上增加叶片,设计了新型的盘式透平结构,并对改进后的带叶片盘式透平建立了三维数学模型。所建立的带叶片盘式透平数学模型可以计算出透平相邻盘片间的狭缝通道内部的流体速度、压力分布状况,并可以计算透平运行转矩、输出功率以及透平效率。论文还利用CFD软件‘Fluent17.0’对带叶片盘式透平的单个狭缝通道的内部流动进行了数值模拟计算,并利用数值模拟结果验证了本文建立的数学模型的可行性。在此基础上,利用本文建立的数学模型对带叶片盘式透平与传统无叶盘式透平的性能进行了对比分析。计算结果表明,以空气为工质的盘式透平在增加叶片后转矩提升近一倍,透平效率由20%提升至55.31%。论文最后建立了使用带叶片盘式透平为原动机的小规模太阳能热发电ORC发电系统仿真分析模型,研究了不同工质和运行参数对ORC发电系统性能的影响。研究结果表明,系统循环热效率与有机工质的蒸发温度成正比。其中,当使用R123为工质时,系统的循环热效率可达16.98%。论文的研究表明,带叶片盘式透平具有结构紧凑、成本低廉、效率相对较高等优点,是适用于小规模低温热源ORC发电系统的动力设备之一。

关键词：盘式透平叶片数学模型数值模拟有机工质朗肯循环

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有机朗肯循环在低温余热利用领域的应用分析

锅炉制造 2021年第4期 61-64页

作者：杨见森陈雷安徽省特种设备检测院安徽合肥230051

本文计算比较了R134a,R245fa,R141b三种典型有机工质在特定传热条件下的朗肯循环热效率情况,最后选择R134a作为系统循环工质。以某化工厂温度为105℃的排空蒸汽余热为案例,提出了有机工质朗肯循环的简化模型,并且在理论上对其进行了热... 详细信息

本文计算比较了R134a,R245fa,R141b三种典型有机工质在特定传热条件下的朗肯循环热效率情况,最后选择R134a作为系统循环工质。以某化工厂温度为105℃的排空蒸汽余热为案例,提出了有机工质朗肯循环的简化模型,并且在理论上对其进行了热效率和火用效率的分析。依据条件通过计算选择了压比为4的螺杆膨胀机代替了传统的汽轮机,计算出R134a流量以及蒸发器的结构参数,利用软件对蒸发器的传热进行了数值模拟。

关键词：余热有机工质朗肯循环螺杆膨胀机数值模拟