有机郎肯循环的热力学分析

1毕 业 设 计 （ 论 文 ）设计（论文）题目 姓 名：学 号：专 业：系 别：指导教师：2018 年 5 月2摘 要应用热力学第一定律和第二定律对有机朗肯循环低温余热发电系统进行了热力计算、能量分析和分析。并以 R12 为工质，针对 100左右的热源，在给定工况下分析计算了系统的热效率。研究结果表明:影响热效率的因素为蒸发器出口、膨胀机出口以及冷凝器内的工质状态参数；减少系统的不可逆损失，需减少各热力过程的有温差传热和摩擦损耗，即选取高效传热的蒸发器和冷凝器及设计制造适合有机工质的膨胀机；在冷凝器入口前加装回热器，可有效减少传热温差引起的不可逆损失，加装回热器后整个系统的热效率提高了 0.32%研究结果可供有机朗肯循环系统设计作参考。关键词：余热发电；热力学；有机朗肯循环；分析3ABSTRACTThe thermodynamic calculation, energy analysis and energy analysis of the organic rankine cycle low temperature waste heat power generation system were carried out by using the first and second laws of thermodynamics. And R12 as the working fluid, for about 100 heat source, in a given condition analysis and calculation of the system thermal efficiency. The results show that the factors influencing the thermal efficiency are the evaporator outlet, the expanters outlet and the working state parameters in the condenser. To reduce the irreversible loss of the system, it is necessary to reduce the heat transfer and friction loss of the heat process. Heat transfer evaporator and condenser and design and manufacture of organic workers for the expansion of the machine; in the condenser inlet before the installation of regenerators, can effectively reduce the heat transfer caused by irreversible loss, after the installation of the whole system Thermal efficiency increased by 0.32%. The results of the study can be used as a reference for organic rankine cycle system design.KEYWORDS：waste heat power generation; thermodynamics; organic rankine cycle;analysi4目 录摘 要 .1ABSTRACT.2目 录 .31 绪论 .41.1 研究背景 .41.2 国内外研究现状 .41.2.1 制冷剂的发展概况 .41.2.2 有机工质方面的研究现状 .61.3 本文主要研究内容 .72 有机朗肯循环介绍及其原理 .82.1 有机朗肯循环系统结构及原理 .82.2 有机工质的选择原则 .92.3 本章小结 .93 有机朗肯循环热力学计算与分析 .103.1 有机朗肯循环系统的热力过程 .103.2 有机朗肯循环系统的热力性能分析 .113.3 有机朗肯循环系统的做功能力分析 .123.4 本章小结 .134 回热有机朗肯循环的热力性能分析 .154.1 回热有机朗肯循环的热力性能分析 .154.2 回热有机朗肯循环系统的热力计算 .154.3 本章小结 .17结论 .19参考文献 .20致 谢 .2151 绪论1.1研究背景能源是推动人类发展的关键因素，也是当今世界国家经济发展的重要主题。近年来，由于能源危化和环境污染等问题的日益严重，寻找传统能源替代品、优化传统能源使用方式正成为世界各国的研究热点。可再生能源，如太阳能、地热能，以及广泛分布的工业余热能的利用是解决上述问题方法之一，但上述几种能源品位较低，若利用传统的热力学循环，则无法有效地进行回收利用，进而导致大量的能源浪费。节能减排是缓解能源及环境危机的重要举措，大量工业过程产生的低温余热资源不能被有效地回收利用，不仅浪费了能源，还使得热污染成为了严重的环境问题，余热回收、太阳能及生物质能的高效利用是节能减排的重要环节。使用有机朗肯循环可以很好地解决这一问题，它可以用有机工质将低温余热回收后进行发电，成为回收低品位热能的有效技术途径 1。目前我国工业能源消耗占全国总能源消耗的 70%以上，其中至少 50%的工处耗能以各种形式的余热被直接废弃。如果能利用好这部分余热，将会极大地提高我国能源的利用效率。有机朗肯循环（ORC）是一种有效回收低品位热源的技术，与传统的蒸汽朗肯循环不同，ORC 采用有机工质作为循环介质，与传统的水相比，有机工质具有临界压力低、临界温度低、沸点低等特点，从而有效地回收低温热源。ORC 系统工作压力低，其最大压力一般在 23MPa 之间，在一定程度上降低了对系统的密封性要求。另一方面，基本 ORC 由蒸发器、膨胀机、冷凝器、储液罐化及工质组成，上述部件目前在市场上都可获取，所以搭建 ORC 的门槛相对较低。有机朗肯循环技术目前己广泛应用于太阳能，地热能，海水淡化，生物质能等相关领域，且在部分国家己实现商业化。国内 ORC发展主要停留在科研院所研究阶段，中国科学技术大学，天津大学，上海交通大学，华北电力大学等相关科研单位己针对 ORC 系统作了深入的研究 2。1.2国内外研究现状1.2.1 制冷剂的发展概况6制冷剂的历史可追溯到古代，当时用储冰蒸发过程来实现制冷。从历史上讲，制冷剂的发展可分为三个阶段。第一阶段是十九世纪的早期制冷剂，该阶段的制冷剂大多具有毒性或比较易燃或两者兼具，并且易于与其他物质发生反应。在 1834 年，Jacob Perkins 设计了用二乙醚为制冷剂的蒸汽压缩制冷机 3。但第一个制冷机实际上用的是作为一种作为工业溶剂的橡胶馏化物,体现了早期制冷剂所强调的“易获得性”的筛选准则。后来，一些无机物包括水和氨等也陆续被用作制冷剂，早期制冷剂的综述如表 1-1 所示 4。表 1-1 早期的制冷剂时间 制冷剂 化学式或组成Caoutchoucine 橡胶馏化物1830s乙醚 CH3CH2OCH2CH31840s 甲醚 CH3OCH31850 水/硫酸 NH3/H2O H2O/H2SO41856 乙醇 CH3CH2OH1859 氨/水 NH3/H2OChymogene 石油醚和石脑油1866二氧化碳 CO2氨（R717） NH3甲胺（R630） CH3NH21860s乙基胺 (R631) CH3CH2NH21870 甲酸甲酯 (R611) HCOOCH31875 二氧化硫 SO21891 硫酸与烃类混合物 H2SO4, C4H10, C5H12, CH(CH3)31920 异丁烷 (R600a) (CH3)2CH-CH3世界各国纷纷开发新型制冷剂来替代传统的 CFCs 类制冷剂。在这个阶段，国际上为了应对传统 CFCs 类化合物所带来的臭氧层破坏的挑战，逐渐形成了两种基本思路和两种替代路线来寻找和开发新型替代制冷剂。以元素周期表中的氟元素为中心，去除氯和溴元素后，开发以氟、氢和碳三种元素组成的化合物，也就是 HFCs 类制冷剂，如 R32、R134a、R152a、R125、R143a 等及其混合物 R140A 和 R407C 等。但后来发现这些化合物并非理想的替代物，它们不但没有以前的 CFCs 以及 HCFCs 类的制冷剂制冷效率好，而且具有较高的GWP(GlobalWarming Potential)值。除了 HFCs 类化合物外，人们还进行了另外一种替代路线的探索，也就是以元素周期表中碳、氢、氧、氮等元素组成的天然工质作为研究对象，重新探究早期制冷剂中的碳氢化合物，二氧化碳和氨等7的新应用。但其中碳氢化合物制冷剂易燃性强，二氧化碳的压力很高，制冷效率较低，在实际应用中仍受一定的限制 5。1.2.2 有机工质方面的研究现状有机朗肯循环区别于传统朗肯循环在于：采用沸点较低的有机工质代替水作为循环工质，从而更加有效率回收低品位热源。在针对纯工质研究方面，Liu6等根据工质的饱和蒸汽曲线的斜率，工质被划分为干工质（斜率为正） ，湿工质（斜率为负） ，等熵工质（斜率为无穷大）同时认为湿工质不适用于ORC 系统。Chen 7等利用 EES 软件比较了 R123 有机朗肯循环与 CO2 跨临界循环的性能，分析过程中定义了热力学平均温度，结果发现，在热源条件一样的情况下，CO 2 跨临界循环因为具有较好的传热过程温度匹配，输出功较多。同时分析表明，单纯地比较循环热效率对于衡量系统的性能并不合理。Hubgtni 8等利用 MATHCAD 分析了制冷剂系列和苯系列作为 ORC 循环工质时的系统性能，分析采用太阳能与海洋能作为模拟热源。比较了 11 种不同的纯工质。结果表明：系统的效率可以通过选择合适的工质以及合适运行条件得到优化。在 ORC 实际应用过程中，热源温度发生变化，对于纯工质亚临界循环，存在相变传热过程，导致换热器传热效率的下降以及系统热效率的下降。非共沸混合工质不存在等温换热过程，理论上可以提高系统热效率。在混合工质研充方面，Heberlet9等分析了非共沸混合物异丁烷异戊烷和 R227ea/R245fa 对 ORC 系统应用于地热回收的影响，结果表明，由于非等温沸腾，使得在蒸发器与冷凝器换热过程中的损减少，提高了系统的效率。同时通过改变混合工质的成份占比，可调整工质的物理性质、环境影响、安全性及化学性质，或者进一步提高循环部件的设计参数。Kim 10等综合分析了氨水混合物在基本朗肯循环和回热朗肯循环中的性能，研究了氨质量占比对热力学性能的影响。结果表明氨质量占比对换热器内温度分布有着重要影响，氨水混合物可以通过减小换热温差提高换热器性能，混合工质组分的占比对系统的性能存在影响。Wang 11等分析了 R245fa/R152a 混合工质在太阳能朗肯循环中的性能，研究了两种组分的不同质量占比：0.9/0.1，0.65/0.35，0.45/0.55 的差异，在所研究的温度范围内，三种混合工质分别属于干工质、等熵工质和湿工质。结果发现，等熵工质的热效8率最低，对于使用混合工质的 ORC 系统，通过过热以及回热器可以有效提高系统热效率。1.3本文主要研究内容由前所述可知，有机朗肯循环系统在未来中低温热能的应用中拥有较大的潜力，因此本文主要针对 100热源展开 ORC 系统的理论分析研究：（1）对 R12 工质回收利用 100左右的低品位热源进行发电，建立 ORC系统的热力学模型，分析工质的热力学性能，探索过热度、过冷度、蒸发温度、冷凝温度对 ORC 系统性能的影响；（2）在有机朗肯循环的基础之上，改变换热方式并加装回热装置，分析蒸发器出口气体的温度和压力、膨胀机出口气体的压力以及冷凝器出口饱和液体的温度对系统性能的影响等。92 有机朗肯循环介绍及其原理2.1有机朗肯循环系统结构及原理有机郎肯循环（Organic Rankine Cycle，简称 ORC）最早由以色列学H.Z.Taobr 和 L Bronicki 于 1961 提出，即采用低沸点的有机工质来替代郎肯循环中的传统工质水，推动涡轮机做功。由于有机工质沸点低，低温下即可产生较高的饱和蒸汽压，有机工质的这一特性使有机郎肯循环能够回收利用工业余热、地热、太阳能等低品位热能资源 12。ORC 的基本工作原理同普通郎肯循环原理是一样的：有机工质经工质泵加压后输送至蒸发器（锅炉或换热器等） ，生成高压蒸汽，进而推动膨胀机（透平等）做功，最终乏气在冷凝器中被冷凝，工质被回收，进而构成一个循环。系统的具体循环过程如图 2-1 所示。膨胀机发 电 机冷凝器工 质 泵蒸发器余热源1234图 2-1 有机朗肯循环余热发电系统原理图工质泵将低压液态有机工质（点 4）加压后（点 1）输入蒸发器；余热流在蒸发器中将热量传递给有机工质，工质吸收热量后变为高温高压蒸汽（点 2） ；之后高温高压有机工质蒸汽推动膨胀机做功，带动发电机发电；从膨胀机中出的乏气（点 3）进入冷凝器，被冷却介质（冷却水或冷却空气）冷凝成液体，10从而完成一个循环。由于有机郎肯循环系统技术简单，便于自动控制，热回收性能好，透平尺寸小，系统维护成本低等特点，特别适用于低温和中小容量的能量回收 13。2.2有机工质的选择原则亚临界工质的选择是 ORC 技术研巧的一个重要内容。一般