（热能工程专业论文）改进型的太阳能低温有机朗肯循环研究.pdf

摘要 在对纯工质和非共沸混合工质进行了理论和实验分析的基础上，展开了对太 阳能低温热电转换系统的研究，旨在明确回热器对采用不同工质系统性能的影响 程度，从而提高能量转换效率。 首先对纯工质r 2 4 5 f a 的太阳能低温朗肯回热循环进行了理论分析，分析表 明膨胀机的乏气存在较大的过热度，具有较大的回热潜力。回热后，系统的热效 率和热力学完善度得到了提高，集热器面积和冷却水流量最大可以减少7 0 0 和 1 3 1 7 ，因而系统的经济性也得到提高。 基于上述理论分析，对r 2 4 5 f a 为工质的太阳能低温朗肯回热循环进行了实 验研究，实验系统主要包括太阳能平板集热器、膨胀阀、冷凝器、储液器和工质 泵。实验研究表明，在工质流量恒定时，采用回热循环没有明显提高朗肯循环效 率，反而由于集热器出口的工质过热度有所增大，造成了集热器效率有所降低。 当适当增加系统工质的流量后，系统的输出功和集热器效率均得到明显提高，系 统总效率最大达到2 4 2 ，较回热前提高了近两倍。 由于非共沸工质应用于太阳能低温朗肯循环系统中能够降低系统的不可逆 损失，从而改善循环性能，因此对不同混合比例下的r 2 4 5 f a r 1 5 2 a 进行了理论 研究。研究表明，非共沸混合工质的循环效率低于纯工质r 2 4 5 f a ，但是随着r 1 5 2 a 组分的增加，混合工质的输出功要高于纯工质r 2 4 5 f a 。回热器主要利用的是膨 胀机出口乏气显热，随着r 1 5 2 a 组分的增加，混合工质回热量减少，并且传热窄 点移动到换热器内部。同时，利用不同质量配比能够得到具有较大的体积流量和 较小膨胀比的工质，可设计高效率、低转速的膨胀机。 最后，针对非共沸工质的太阳能低温朗肯循环进行了实验研究，研究表明由 于混合工质具有较大的蒸发潜热，因此相同的太阳辐射下，混合工质m 3 ( r 2 4 5 f a r 1 5 2 a ，0 7 0 3 ) 的集热器平均效率比纯工质r 2 4 5 f a 高7 9 1 ，同时混 合工质表现出了较小的过热度，因此系统的循环效率和总效率均高于纯工质。由 于混合工质冷凝散热量的增加及传热性能的下降，因此工质m 3 在冷凝器的出口 出现了不完全冷凝现象。 关键词：太阳能低温朗肯循环非共沸混合工质回热 a b s t r a c t t h i sp a p e rd e a l sw i t ht h el o w - t e m p e r a t u r es o l a rt h e r m o e l e c t r i c i t yc o n v e r s i o n s y s t e mb a s e do nt h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no fp u r ew o r k i n g f l u i d a n dz e o t r o p i cm i x t u r e s 。t h em a i no b j e c t i v ei st oc l a r i f yt h ei n f l u e n c ed e g r e eo f s y s t e mp e r f o r m a n c ef o r d i f f e r e n tw o r k i n gf l u i d sb yu s i n gr e g e n e r a t o r ，t h e r e b y e n h a n c i n gt h e r m a le n e r g yc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y f i r s t l y ，t h et h e o r e t i c a lt h e r m o d y n a m i ca n a l y s i si sc o n d u c t e db a s e do nt h el o w t e m p e r a t u r es o l a rr a n k i n ec y c l ew i t hr e g e n e r a t i o nb yu s i n gr 2 4 5 f a r e s u l t ss h o w t h a t t h ev a p o rl e a v i n gt h et u r b i n eh a sal a r g ed e g r e eo fs u p e r h e a t i n ga n dt h e r ei sag r e a t p o t e n t i a l t or e c o v e r yt h i ss e n s i b l eh e a tf o rr e g e n e r a t i o n a f t e ri n t r o d u c i n ga r e g e n e r a t o rt h es y s t e mt h e r m a le f f i c i e n c y ，t o g e t h e rw i t ht h es y s t e mt h e r m o d y n a m i c d e g r e eo fp e r f e c t i o n h a sb e e ni n c r e a s e d t h ec o l l e c t o ra r e aa n dw a t e rf l o wc o u l db e r e d u c e da tt h em a x i m u mo f7 0 0p e r c e n ta n d13 17p e r c e n tr e s p e c t i v e l y t h u s ，t h e s y s t e me c o n o m i c a le f f i c i e n c yc o u l db ei m p r o v e d a c c o r d i n g t ot h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s m e n t i o n e da b o v e ，a ne x p e r i m e n t a l p r o t o t y p eo fr e g e n e r a t i v el o w t e m p e r a t u r e s o l a r - h e a t e dr a n k i n ec y c l es y s t e mi s c o n s t r u c t e da n dt e s t e db yu s i n gr 2 4 5 f a t h ei n s t a l l a t i o nc o n s i s bo faf l a tp l a t e c o l l e c t o r ( s t a t i c ) ，at h r o t t l i n gv a l v e ，a na i rc o o l e dc o n d e n s e r ，al i q u i dr e c e i v e ra n da w o r k i n gf l u i dp u m p e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h ew o r k i n g f l u i di sa ta c o n s t a n tf l o w ，t h et h e r m a le f f i c i e n c y i sn o ti m p r o v e do b v i o u s l yb yu s i n gt h e r e g e n e r a t o r b u ti n c r e a s et h ed e g r e eo fs u p e r h e a t i n ga tt h ec o l l e c t o ro u t l e t ，r e d u c i n gt h e c o l l e c t o re f f i c i e n c y i nt h ef o l l o w i n gp r o c e d u r e ，t h er e g e n e r a t i v ec y c l ec o m b i n e dw i t h a p p r o p r i a t ei n c r e a s i n gt h ef l o wr a t e o ff l u i di sc a r r i e do u t t h ep o w e ro u t p u ta n d c o l l e c t o re f f i c i e n c ya r ei m p r o v e dr e m a r k a b l yw i t ht h ef l o wi n c r e a s i n g ，a n dt h eo v e r a l l s y s t e me f f i c i e n c yr e a c h e dt h em a x i m u m o f 2 4 2p e r c e n t , w h i c hi n c r e a s e dn e a r l yt w i c e c o m p a r e dw i t hn o n - r e g e n e r a t i o n z e o t r o p i cm i x t u r e sc a nb eu t i l i z e dt oi m p r o v et h ec y c l ep e r f o r m a n c eo w i n g t o p o s s i b l er e d u c t i o no ft h et h e r m o d y n a m i ci r r e v e r s i b i l i t yi nt h el o wt e m p e r a t u r es o l a r r a n k i n ec y c l e i nt h ep a p e rt h ec y c l ep e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n tm a s sf r a c t i o no f r 2 4 5 f a r l5 2 ah a sb e e na n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et h e r m a le f f i c i e n c yo f z e o t r o p i cm i x t u r e sa r el o w e rt h a np u r ef l u i dr 2 4 5 f a ，b u tw i t ht h ei n c r e a s i n go f r l 5 2 a ， t h ep o w e ro u t p u to fz e o t r o p i cm i x t u r e sa r eh i g h e rt h a np u r ef l u i dr 2 4 5 f a t h e r e g e n e r a t o rm a i n l yu s e st h es e n s i b l eh e a to fe x p a n d e re x i tv a p o r a n dt h er e c o v e r yh e a t i sr e d u c e dw i t ht h ei n c r e a s eo fr 15 2 a ，a n dt h ep i n c hp o i n to ft h er e g e n e r a t o rw i l l m o v et ot h ei n s i d eo ft h eh e a te x c h a n g e r m e a n w h i l e ，i tc o u l db ea c q u i r e df l u i d s w h i c hh a v el a r g e rv o l u m e t r i cf l o w sa n dl o w e rv o l u m e t r i ce x p a n s i o nr a t i of r o m d i f f e r e n tm a s sf r a c t i o nb l e n d i n g ，w h i c hh e l p st od e v i s et h eh i g he f f i c i e n ta n dl o w r o t a t i o n a ls p e e de x p a n d e r f i n a l l yt h ec y c l ep e r f o r m a n c e so fz e o t r o p i cm i x t u r e sh a v e b e e np e r f o r m e d b a s e d o nt h ee x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e d u et ob u l kl a t e n th e a to fz e o t r o p i cm i x t u r e sd u r i n g e v a p o r a t i o n t h ec o l l e c t o re f f i c i e n c yo fm 3 ( r 2 4 5 f a r 15 2 a ，0 7 0 3 ) i sh i g h e rt h a n p u r ef l u i dm l ( r 2 4 5 f a ) u n d e rt h es a m es o l a rr a d i a t i o n a tt h es a m et i m ez e o t r o p i c m i x t u r e sh a v es m a l ld e g r e eo fs u p e r h e a t i n g ，c o n s e q u e n t l yt h et h e r m a le f f i c i e n c ya n d o v e r a l le f f i c i e n c ya r eh i g h e rt h a nm 1 o w n i n gt ot h ed e g r a d a t i o no ft h eh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n ta n dl a r g ea m o u n to fc o n d e n s a t i o nh e a tr e j e c t i o n ，t h ep e r f o r m a n c eo f i n c o m p l e t ec o n d e n s a t i o no fm 3h a sb e e nf o u n d a tt h ec o n d e n s e ro u t l e t k e yw o r d s ：s o l a re n e r g y , l o w t e m p e r a t u r er a n k i n ec y c l e ，z e o t r o p i cm i x t u r e s ， r e g e n e r a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得基壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：爻建五 签字日期： 聊年岁月另1 日 ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤凄盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：互建立 签字日期：弘哆年f 月方f 日 翩虢名力 签字嘲呷年，月加 1 1 研究背景及意义 第章绪论 作为非o e 第二。据统计， 第章绪论 次能源消费中的比重由1 9 8 0 年的7 2 2 下降到2 0 0 6 年的6 9 4 ，其他能源比重 由2 7 8 上升到3 0 6 ，其中可再生能源和核电比重由4 0 提高到7 2 t 3 1 。可 以看出，受到石油和天然气价格的影响，煤炭仍在我国能源供应中仍占主导地位。 由于化石燃料属于一次能源，其存储量有限，并且能源的迅速消耗也带来了一系 列环境问题，如二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物的排放等，因此，能源和环境问 题已经成为全世界共同关注的重大问题，开发和利用可再生能源是进一步解决能 源和环境的有效途径。 近年来，可再生能源在世界范围内得到迅速发展，据预测，世界水电和其他 可再生能源的消费量将从2 0 0 5 年的3 5 x 1 0 1 5 b t u ( 3 6 9 x 1 0 l s k j ) 增长到2 0 3 0 年的 5 9 x 1 0 b b t u ( 6 2 2 x 1 0 1 5 k j ) ，年均增长率为2 1 t 2 1 。图1 2 显示了世界长期可再 生能源发电的潜力，生物质能和太阳能将是增长最快的两种新能源，并且可再生 能源的发电初投资也有望下降，下降的速度依赖于每一种技术的熟练程度和推广 程度。 1 2 0 1 0 0 车8 0 0 0 誊 釜6 0 0 0 裂4 0 0 0 2 0 o 生物质 永风久拜j 缒潮汐波浪 缝热 图1 2 世界长期可再生能源发电的潜力【4 】 我国也加大能源结构调整力度，为了提高可再生能源与清洁能源的比重，国 家先后出台了( n - - i 再生能源中长期发展规划和( n - - i 再生能源“十一五”发展规 划。可再生能源中长期发展规划提出，力争到2 0 10 年使可再生能源消费 量达到能源消费总量的1 0 ，到2 0 2 0 年达到1 5 的发展目标。按照这一规划， 到2 0 1 0 年，我国可再生能源年利用量将达到3 亿吨标准煤，比2 0 0 5 年增长近一 倍。 1 2 太阳能热发电系统概况 鉴于太阳能是一种清洁的能源，太阳辐射的热能可以直接被利用，而不会对 环境造成污染；另一方面，太阳能的不会像化石燃料那样被迅速消耗殆尽，太阳 2 第一章绪论 能的利用是一个长久性的过程，而且太阳能分布的广泛性，也为各国竞相研究提 供了平等的机会，因此太阳能热发电系统一直是国内外研究的热点。 1 9 5 0 年前苏联设计建造了世界第一座塔式太阳能热发电小型试验装置，随 后1 9 7 6 年法国在比利牛斯山区建成了座电功率1 0 0 k w 的塔式太阳能热发电系 统。进入8 0 年代以来，由于石油危机促使美国、意大利、法国等发达国家投资 兴建了一批试验性太阳能热发电站。据不完全统计，仅在1 9 8 1 1 9 9 1 年的1 0 年 间，全世界建成了2 0 多座5 0 0 k w 以上的太阳能热发电系统，推动了太阳能热发 电技术的发展和商业化进程。其中比较典型的是美国与以色列联合组建的鲁兹 ( l u z ) 太阳能热发电国际有限公司，该公司自1 9 8 0 年开始进行太阳热发电技 术研究，主要开发槽式太阳能热发电系统，5 年后进入商品化阶段，可生产 1 4 - - - 8 0 m w 的系列化发电装置，并且从1 9 8 5 年至1 9 9 1 年在美国加州南部的 m 0 j a v e 沙漠建成9 座槽式太阳能热电系统( s e g si s e g s i x ) ，总装机容量 3 5 4 m w 。此外，1 9 8 2 年4 月，美国在加州南部b a r s t o w 沙漠地区建成了发电功 率1 0 m w 的“太阳1 号”塔式太阳能热发电系统，随后又建成了“太阳2 号” 。系统，并于1 9 9 6 年并网发电。进入9 0 年代以后，世界太阳能利用又进入一个发 展期，其特点是：太阳能利用与世界可持续发展和环境保护紧密结合，进一步实 现太阳能热发电商业化运作。 1 2 1 太阳能热发电系统分类 太阳能发电目前主要有两种基本途径：一种是先将太阳辐射能转化为热能， 然后再按照某种发电方式将热能转化为电能，即太阳能热发电；另一种是通过光 电器件直接将太阳辐射能转化为电能，即太阳能光伏发电。其中，由于光伏发电 的成本较高及使用寿命仍是制约光伏市场发展的瓶颈，因此其应用主要在航空航 天以及示范性工程。 太阳能热发电技术还可以分为两大类型：一类是利用太阳能直接发电，如利 用半导体材料或者碱金属材料的温差发电、真空器件中的热电子和热离子发电、 碱金属的热电转换以及磁流体发电等，其特点是发电装置基本上无活动部件。但 是它们目前的功率均很小，有的仍处于原理性试验阶段，尚未进入商业化应用， 因此这里不作介绍。另一类是太阳能热动力发电，也就是说，先把热能转化为机 械能，然后再把机械能转化为电能，这种类型已经达到实际应用的水平。 与光伏发电相比较，太阳能热发电系统有如下优点【5 】： 1 太阳能热发电系统的潜在综合效率高于光伏发电系统，太阳能热发电系 统能够同时实现热电联产； 第一章绪论 2 太阳能集热系统可以采用蓄热装置代替电池，从而降低了较高的运行维 护费用，避免了有毒废物及设备更换等问题； 3 许多应用场合中，太阳能热发电系统输出的机械功不需要转化为电能， 而是直接利用，例如进行灌溉、反渗透法海水淡化等； 4 系统在有辅助热源的条件下，太阳能热发电系统能够连续运行。 1 2 2 我国太阳能热发电概况 我国是太阳能资源相当丰富的国家，绝大多数地区年平均日辐射量在4 k w h ( m 2 天) 以上，西藏最高达7 k w h ( m 2 天) ，年日照时数平均在2 0 0 0 h ，与同 纬度的其他国家相比，与美国类似，但是比欧洲和日本优越得多。 目前，国内太阳能热利用主要是太阳能热水器，针对太阳能热发电的研究相 对较少。2 0 世纪7 0 年代末，我国有些科研研究所和高等院校，如中国科学院电 工研究所、上海机械学院和天津大学等，也对太阳能热发电开展了应用性基础研 究工作，并在天津和上海分别建立了功率为lk w 的塔式太阳能热发电模拟装置 和功率为1 k w 的平板式低沸点工质太阳能热发电模拟装置进行实验。8 0 年代初， 湘潭电机厂与美国太空电子公司( e s s c o ) 合作，进行了2 台5 k w 蝶式太阳能 热发电装置的开发试制。在“八五”、“九五”、“十五 期间，原国家科委和 现在的科技部，均将大型太阳能热发电关键技术列入国家重点科技攻关计划1 4 j 。 2 0 0 8 年，天津大学完成了科技部“十一五”8 6 3 计划“新型太阳能低温高效热电 循环研究，建立了发电量为2 k w 的平板式太阳能热发电系统，并且研制了适 用于低温朗肯循环发电系统的膨胀机，有力推动了国内低温热发电技术的发展。 在高温太阳能热发电方面，中科院电工所自2 0 0 1 年承担国家科技部“十五”计 划项目以来，先后研制成功了单轴全槽式太阳能聚光器、单碟式太阳能聚光器和 定日镜，以及太阳能热发电系统的全自动跟踪聚光装置。2 0 0 9 年3 月，由中科 院电工研究所、热物所、西安交大、华电集团等1 0 家单位共同承担的国家“十 一五8 6 3 重点项目兆瓦级塔式太阳能热发电站在北京延庆县开始建设，该电站 采用1 0 0 面定日镜收集太阳光，设计发电量为1 m w 。它的成功运行将对我国太 阳能高温热发电站的推广起到里程碑的作用。 因此，从总体上来说，我国太阳能热发电技术的实际应用尚处于起步阶段， 尚无工业化应用的装置。但是，随着常规能的涨价和资源的逐步匮乏，以及大量 燃用化石能源对环境影响的日益突出，发展太阳能热电技术将会逐渐显示出其社 会经济的合理性，特别是在我国常规能源匮乏、交通和运输不便而太阳能资源丰 富的偏远地区，适合于发展分布式太阳能发电系统，并且当需要热电联合运行开 发时，采用太阳能热发电技术是非常有利的、可行的。 4 第一章绪论 1 3 有机朗肯循环的提出 由于热源的温度低于3 7 1 时，以水蒸汽为工质的传统朗肯循环效率较低， 并且系统运行的经济性下斛6 1 。在此背景下，利用有机工质进行朗肯循环引起了 越来越多的关注，即有机朗肯循环( o r g a n i cr a n k i n ec y c l e ，o r c ) 。所谓有机 朗肯循环，是采用低沸点的制冷剂或碳氢化合物作为工质，因此这些工质可以在 较低的温度下相变为蒸气推动膨胀机( 汽轮机) 做功。图1 3 为有机朗肯循环系 统示意图。低压液态有机工质( 点1 ) 经过循环泵增压后( 点2 ) 进入蒸发器吸 收热量转变为高温高压蒸气( 点3 ) ；之后，高温高压有机工质蒸气推动膨胀机 做功，产生能量输出；膨胀机出口的低压过热蒸气( 点4 ) 进入冷凝器，向低温 热源放热而被冷凝为液态，如此往复循环。 、高温熟源 o 凸 ，一一、 ， 低温熟潭 、 d 输出功 图1 3 有机朗肯循环示意图 目前，有机朗肯循环可用于回收余热、废热，并且是太阳能、地热等新能源 利用的一条有效途径，各国学术界和工业界正积极投入力量进行相关研发工作。 有机朗肯循环热发电系统可利用的低品位能包括以下几种形式【7 】： ( 1 ) 工业余热回收工业余热可减少工业能耗和温室气体的排放。大多数 工业过程或电厂排放大量的烟气温度一般不高于4 0 0 。 ( 2 ) 地热地热发电利用地热蒸汽或者热水作为热源，大部分的地热水在 饱和状态附近，温度在1 0 0 2 2 0 c t & 9 1 ，属于中温型地热。 ( 3 ) 太阳能太阳能能量密度低，热源温度不高，需采用基于集热技术的 有机朗肯循环热电系统，经过集热装置后，温度可以达到3 0 0 * ( 2 i o 。 第一章绪论 ( 4 ) 生物质能生物质能也是有机朗肯循环的重要驱动源之一。生物质能 发电采用有机朗肯循环主要是由于在机组规模较小时，有机工质具有更高的膨胀 机效率【l l 】。 有文献指出，对于小于1 0 0 0 k w 的朗肯循环来说，以水为工质的汽轮机效率 将明显低于有机工质的膨胀机效率【12 1 。此外，与水蒸汽循环相比，采用有机工质 具有以下几个优势目标【1 3 】： 1 利用有机工质可以实现水蒸汽所不能达到的热力循环配置，例如通过有 机工质的选择，即使在较低的压力下可以实现超临界循环： 2 由于有机工质的回熟是典型的非抽气、过热蒸气降温的过程，因此，即 使冷热源间有较大的温差，系统可以通过简单设计和采用单级膨胀机就能够达到 较高的效率； 3 采用有机工质以后，膨胀机叶片具有较低的圆周速度，并且避免了工质 膨胀过程中的冷凝现象； 4 对于不同工质，系统的压力水平可以选择，在某种程度上，压力水平与 热源的温度无关，例如，通过不同工质的选择，系统循环可以在低温热源下采用 高压运行或则在高温热源下采用低压运行； 。 5 由于对不同工质的选择容易造成的膨胀机体积流量的改变，因此需要对 不同输出功的膨胀机进行最佳优化设计。 此外，采用大分子量的有机工质可以提高工质的体积流量，从而能够减少膨 胀机叶片顶部、密封及边界层的泄露，提高了膨胀机的效率【1 2 】。 1 4 太阳能低温热有机朗肯循环 由于不同工质的物理、化学及熟力学性质影响到系统的循环性能，因此关于 太阳能低温有机朗肯循环的研究主要集中在适用工质的选择和系统优化上。 在工质选择方面，工质不但具有较好的热力学性能，而且要考虑以下因素： 传热性和流动性、化学稳定性和热稳定性、毒性、价格等，以及工质的环保性。 特别需要考虑的是工质的可燃性，应尽量采用不可燃或可燃性低的工质，以保证 系统的安全性。n g u y e n 利用正戊烷( c s h l 2 ) 为工质，实验模拟了太阳能低温有 机朗肯循环，其热源的温度为8 1 ，设计发电量为1 5 k w ，系统热效率为4 3 t 1 4 】； t c h a n c h e 等从理论上对比分析了2 0 种适用于低温太阳能朗肯循环的工质，其中 r 1 3 4 a 被认为是最适合的工质，同时r 1 5 2 a ，r 6 0 0 a ，r 6 0 0 和r 2 9 0 也表现出了 很好的性能，但是由于其可燃性，使用受到了限制i l5 j ；随后d m a n o l a k o s 等以 6 第一章绪论 r 1 3 4 a 为工质，建立了小型的太阳能海水淡化装置，并测得在晴天时系统的循 环热效率平均为1 1 7 【1 6 , 1 7 , 1 8 。 太阳能低温热发电技术可以采用普通的平板集热器【1 9 】、真空管集热器【挣】代 替蒸发器，目前采用真空管进行二氧化碳跨临界朗肯循环的集热器出口温度达到 了1 6 5 c t 2 0 , 2 1 。 对于有机工质而言，由于从膨胀机排出的乏气温度相对较高，为了进一步利 用这部分余热和提高系统的循环效率，回热系统的研究也逐渐开始。u m b e r t o 针 对纯氨和氨水混合物分别提出了两种不同的回热方式，即抽气回热和全回热【8 1 ； y c h e n 对c 0 2 跨临界循环和r 1 2 3 朗肯循环进行回热循环的模拟优化，并且比 较了两种循环的输出功和热效率【2 2 】；c o s t a n t e 也指出，对于采用分子量较大的工 质而言，回热器将是系统中是一个关键设备 2 3 1 ；c a y e r 等对二氧化碳跨临界循环 进行了研究，分析表明回热器提高了系统循环的热效率和熵效率，但同时增加了 换热器的面积 2 4 1 ：b a h a as a l e h 研究认为，在膨胀机出口过热的条件下，采用回 热能够明显改善热效率 2 5 1 ；p e d r oj m a g o 也提出，回热后不仅有较高的热效率 和熵效率，并且在输出功不变的条件下系统的不可逆性和蒸发吸热量均降低【2 6 1 。 综上可以看出，一方面，目前针对低温有机朗肯循环的研究主要集中在纯工 质的理论循环分析上，在实际运行方面的研究数据较少；另一方面，对于纯工质 系统中引入回热器后的系统实验分析尚欠缺，由于引入回热器后对集热器效率将 产生一定得影响，因此需要对系统的整体效率进一步评价。另外，将非共沸混合 工质引入太阳能低温朗肯循环系统中，可以利用混合工质相变时温度滑移的特 征，降低系统的不可逆性；并且通过不同的组分配比得到适用于不同蒸发温度范 围内的工质，因此能够扩大工质的选择范围，并且能够实现变组分负荷调节。目 前，针对混合工质应用于低温朗肯循环的实验研究还未见报道。 1 5 本文研究内容和意义 本文将围绕太阳能热低温热发电系统开展研究，基于系统不同的适用工质， 旨在寻找提高太阳能热发电系统效率的方法及措施，从而实现太阳能热能一电能 的高效转换，重点对纯工质r 2 4 5 f a 以及非共沸混合工质i 也4 5 向r 15 2 a 的回热循 环特性进行了理论分析和实验研究。具体内容如下： 一、纯工质r 2 4 5 f a 的太阳能低温朗肯回热循环研究 1 针对纯工质r 2 4 5 f a 应用于回热系统的循环性能进行理论分析，不同蒸发 温度和过热度对工质回热量的影响，以及回热前后系统的循环性能对比； 7 第章绪论 2 在以上理论分析的基础上，对r 2 4 5 f a 为工质的太阳能低温回热循环进行 实验研究，并分析回热对集热器的效率的影响；同时，由于系统的总效率 为集热器效率叩c 、朗肯循环效率r 。和膨胀机效率r r 的乘积，并寻求 提高系统总效率的途径。 二、非共沸混合工质r 2 4 5 f a r 15 2 a 应用于太阳能低温朗肯循环研究 1 针对r 2 4 5 例r 1 5 2 a 在不同混合比例下的循环性能进行理论分析。由于混 合工质的传热以及相变特性与纯工质有很大不同，因此，混合工质在应用 中会进一步影响到膨胀机、换热器的设计。同时，混合工质在冷凝相变过 程中为非定温过程，因此回热器可利用工质的部分相变潜热； 2 对r 2 4 5 f a r 1 5 2 a 在不同混合比例下组成的工质m 2 、m 3 进行实验研究， 并将其循环特性与纯工质r 2 4 5 f a ( m 1 ) 进行对比，由于混合工质的蒸发 吸热量较大，因此对于改善集热器效率方面将优于纯工质： 3 由于混合工质的采用将提高系统的整体压力水平，因此对系统及设备的耐 压能力提出了较高的要求，此外由于混合工质的冷凝放热量的增加，冷凝 器的换热面积需要增大，整体的经济性需要进一步的分析： 4 对非共沸混合工质的研究拓展了循环适用工质的选择，为系统实现变负荷 运行、减少不可逆损失提供了新的发展方向。 第二章纯工质的太阳能低温朗肯回热循环理论研究 第二章纯工质的太阳能低温朗肯回热循环理论研究 本章主要针对纯工质r 2 4 5 f a 应用于太阳能低温朗肯回热循环进行理论分 析。通过理论计算，进一步研究纯工质系统的回热潜力，不同的蒸发温度下过热 度对回热量的影响，以及回热前后系统循环性能的对比分析，以便为下步的实 验工作做理论指导。 2 1 工质的选取 本章的分析中选取纯工质r 2 4 5 f a 为太阳能低温朗肯循环的工质。g a r yj z y h o w s k i 曾指出，r 2 4 5 f a 为工质的有机朗肯循环具有较大的回热利用潜力1 2 7 1 ； d o n g h o n gw e i 等曾对r 2 4 5 f a 为工质的废热驱动的朗肯循环进行过变工况性能分 析【2 8 】；顾伟等对r 2 4 5 f a 、r 1 2 3 和r 2 1 的循环性能进行了理论对比分析，并指出 热源温度低于1 0 0 ( 2 情况下，工质r 2 4 5 f a 是较好的候选工质【2 9 】：同时，天津大 学的王晓东对适用于低温太阳能的有机工质研究表明，r 2 4 5 f a 在低温朗肯循环 中循环效率能达到约1 3 【3 0 】。此外，r 2 4 5 f a 具有以下性质： ( 1 ) 较低的压力水平，其临界压力为3 6 5 m p a ，临界温度为1 5 4 0 1 ，因 此对蒸发器材料的耐压能力要求较低； ( 2 ) 相对较大的分子量，这有利于减小膨胀机的外型尺寸和降低工质的流 速： ( 3 ) 在t s 图上，r 2 4 5 f a 饱和蒸气线的斜率为正，这样保证了工质在膨胀 末端不会出现湿膨胀现象； ( 4 ) r 2 4 5 f a 是一种环保工质，o d p 、g w p 较低( 见表2 1 ) ，并且无毒， 不可燃，无腐蚀性。 表2 1r 2 4 5 f a 工质的特性参数 9 第二章纯工质的太阳能低温朗肯回热循环理论研究 2 2 回热系统及热力分析 太阳能低温朗肯循环的回热系统主要有平板集热器、膨胀机、发电机、回热 器、冷凝器、储液罐、工质循环泵组成( 如图2 1 ) 。工质在平板集热器内吸收 太阳辐射，发生相变后成为高温高压的蒸气，然后进入膨胀机做功，从而带动发 电机发电；膨胀机排出的乏气由于温度相对较高，乏气被引入回热器中与来自工 质循环泵的液态工质进行热交换，从而降低自身的温度，并在冷凝器中冷凝成液 体后流入储液罐：最后，储液罐中的工质经过循环泵的抽吸升压后进入回热器预 热，然后进入平板集热器，从而完成一个循环。上述热力循环的t s 图如图2 2 所示。 5 冷凝器 l 倍满罐 4 l 入二三j 工质循环泵旧7 7 。吓 ，vv 、 h _ 三i ，一、 冷却水 图2 1 太阳能低温朗肯循环回热系统原理图 t s 图2 - 2 回热系统的t - s 图 l o 第二章纯工质的太阳能低温朗肯回热循环理论研究 理论计算中做如下假设：工质在集热器和冷凝器中为定压吸热和定压放热过 程；工质在冷凝器出口为饱和液体；回热器的回热效率为1 ；忽略系统中管道的 压力损失和漏热损失。设定回热器出i = 1 状态点3 的温度比冷凝温度点3 ( 或4 ) 高5 c ，即：t 3 = t 4 ( t 3 ) + 5 ；膨胀机的相对内效率为珊= 0 8 5 刚，工质循环泵的绝 热效率为刁尸= 0 7 。 因此，系统循环输出功为：= 珊砌( 厅。- h ，) ( 2 1 ) 工质泵耗功：砌竺趔( 2 2 ) 刁p 无回热的朗肯循环吸热量：绋= 疏( 曩- h ，)( 2 3 ) 带回热的朗肯循环吸热量：璐= 砌( 一h 6 )( 2 4 ) 无回热的朗肯循环粹= 警 ( 2 5 ) 带回热的朗肯循环粹坑= 警 ( 2 6 ) 回热量占吸热量百分比：万：争华1 0 0 ( 2 7 ) ，l l 一传 理论计算中，工质的特性参数是由美国n i s t ( n a t i o n a li n s t i t u t eo f s t a n d a r d s a n dt e c h n o l o g y ) 实验室开发的r e f p r o p 8 0 t 3 2 1 软件得到的；系统的蒸发温度介 于7 0 1 2 0 ，工质的冷凝温度为3 0 。 2 3r 2 4 5 f a 工质回热的潜力 图2 3 显示了不同蒸发温度下膨胀机乏气出口温度t 2 与乏气过热度t 2 t 3 r 。可 以看出，随着蒸发温度的提高，乏气温度和过热度均呈现线性增加，换句话说， 蒸发温度越高，乏气温度和过热度越大。当蒸发温度为1 2 0 c 时，乏气温度达到 5 1 4 3 c ，此时乏气有2 1 4 3 c 的过热度。因此，对于过热状态下的乏气，可以通 过引入全流量回热器的方式加以利用其显热。 第二章纯工质的太阳能低温朗肯回热循环理论研究 g 一 蜊 赠 吾 _ 骘 n 暴 当 鼙 蒸发温度t 。( 。c ) 图2 3 膨胀机乏气出口温度和乏气过热度 6 o r 一 蜊 霰 捌 扩 1 n 暴 警 蛰 对于工质r 2 4 5 f a 而言，膨胀机进口不同的过热度将对乏气的温度产生不同 的影响，因此为了进一步研究膨胀机进口过热状态对乏气的影响，引入了膨胀机 乏气过热焓差幽，幽定义为膨胀机乏气出口焓与相同压力下饱和蒸气焓之差， 即a h = h ，一h 。设定蒸发温度为1 0 0 ，图2 - 4 显示了单位工质输出功和乏气过 热焓差随膨胀机进口过热度的变化。可以看出，输出功和乏气过热焓差均随过热 度的增加而提高，且乏气过热焓差提高的幅度更大一些。值得注意的是，当过热 度为1 4 1 0 时，单位工质输出功与过热焓差相等，即3 3 0 8 k j k g ，也就是说， 膨胀机排出的乏气过热量等于工质在膨胀机中所做的功。如果这部分乏气余热以 冷凝热的方式排放到环境中去，将造成很大的热损失，并且降低了整体系统的经 济性，因此应采用回热器利用这部分乏气余热。 图2 _ 4 乏气过热焓差与输出功( 蒸发温度10 0 ( 2 ) 以上分析可以看出，对于r 2 4 5 f a 为工质的太阳能低温朗肯循环来说，采用 回热器回收乏气的余热是必要的，特别是蒸发温度较高时，乏气的过热度更大； 1 2 第二章纯工质的太阳能低温朗肯回热循环理论研究 另外，膨胀机进口较大的过热度会造成乏气过热焓差增加，系统的冷凝散热损失 增大，因此系统的经济性也随之降低。 2 4 回热前后计算结果及分析 2 4 1 回热对系统循环特性的影响 图2 5 显示了不同蒸发温度下膨胀机进口过热状态对系统的单位工质输出功 的影响。由于回热前后膨胀机进出口状态点l 、2 不发生变化，因此，在同一蒸 发温度下回热前后系统的输出功也不变；蒸发温度改变时，系统的输出功随蒸发 温度的升高而呈现线性增加。此外，膨胀机进口的过热度( 1 0 ) 能够提高输出 功，在低温( 8 0 ) 时提高幅度不大，为4 8 3 ，1 2 0 时提高为6 4 7 。 奄 董 参 雷 羽 察 蜷 h 趔 舛 蒸发温度t 。( ) 图2 5 朗肯循环单位工质输出功 图2 - 6 为不同蒸发温度下膨胀机进口状态及有无回热器对朗肯循环效率的影 响。可以看出，朗肯循环效率随着蒸发温度的升高而提高，并且在无回热器情况 下，过热与否对系统效率没有影响。这主要是因为输出功提高的同时工质的蒸发 吸热量也在增加，而且蒸发吸热量与输出功两者增加量基本相同，因此循环热效 率没有变化。因此，与传统的水蒸汽热力循环不同的是，采用r 2 4 5 f a 作为太阳 能低温朗肯循环的工质时，在没有采用回热条件下，膨胀机进口过热没有提高循 环效率：相反，膨胀机进口过热度的提高，必然要求集热器的出口存在较大过热 度，从而使集热器的平均温度升高，热损失增大，降低集热效率。引入回热器以 后，朗肯循环效率得到提高，并且适当过热状态下，系统的效率提高较明显，例 如在同样1 0 c 过热时，7 0 蒸发温度下，回热后效率提高了7 1 2 ；1 2 0 蒸发 温度下，回热后效率提高了1 2 5 2 。 第二章纯工质的太阳能低温朗肯回热循环理论研究 采 一 静 较一 酶 姆 赴 窭 蒸发温度t ( 。c ) 图2 - 6 朗肯循环效率 为了进一步说明回热对系统的影响，在分析中引入了热力学完善度刁( 或第 二定律效纠2 6 j ) 用来评价实际循环与可逆卡诺循环的接近程度。热力学完善度r 定义为：朗肯循环效率，7 。与相同冷热源条件下卡诺循环效率r c 的比值，表达式 为r = r 。图2 7 显示了不同蒸发温度下回热前后的热力学完善度。可以看 出，无论回热与否，热力学完善度均随着蒸发温度的增加而降低，这主要是因为 与卡诺循环相比，蒸发温度的提高导致冷热源间温差增大，系统的不可逆性增加。 此