涡旋膨胀机在有机朗肯循环发电系统中的效率研究

摘要

有机朗肯循环(ORC)作为高效利用低品位热能的热电技术，在解决能源短缺、环境污染等问题上很有潜力。涡旋膨胀机具有可靠性高、运动部件少等优点，适用于小型ORC系统。然而涡旋膨胀机ORC的技术研究及推广应用却进展缓慢，主要原因之一是缺乏膨胀机效率方面的模型和数据。本文以涡旋膨胀机的等熵效率和容积效率为对象，重点研究其变化特性和理论模型，在此基础上模拟ORC系统，设计和构建ORC测试台。
　　具体开展工作:(1)理论分析:研究涡旋膨胀机等熵效率、容积效率与相应涡旋压缩机效率参数的关联模型;(2)模型验证:以某一额定转速2900r/min、内置压比2.5、排气流量29.6m3/h的涡旋压缩机效率为参照，对关联模型进行误差分析。在此基础上，计算分析涡旋膨胀机在冷凝温度为30～55℃、膨胀比为2～7.5时的等熵效率、容积效率变化规律;(3)经验模型:为满足工程设计的需求，建立涡旋膨胀机等熵效率、容积效率随膨胀比变化的多项式模型，并加以验证;(4)ORC模拟分析:以EES为模拟平台，分别针对R123、R124、R152a，在冷凝温度为30～55℃区间内，膨胀比为2～7.5区间内，过热度为0～20K区间内，研究ORC系统的净发电量、热效率、(炯)效率、等参数的变化规律;(5)测试台构建:以R123为工作流体，设计ORC热机，并参与测试台的选型和建造。
　　本文研究有如下发现:
　　(1)涡旋膨胀机的等熵效率、容积效率分别与改造前涡旋压缩机的效率参数有较好的相关性。膨胀比在2～7.5范围内，利用涡旋压缩机在相应压力参数时的效率值作为涡旋膨胀机的效率参数，误差小于5％。
　　(2)模拟涡旋膨胀机等熵效率和容积效率，发现如下规律:(a)等熵效率在冷凝温度为50℃、膨胀比为2.5时达到最大值70.82％;(b)在冷凝温度为45℃、膨胀比为2的工况点容积效率最大为95.80％;(c)在膨胀比2～4的范围内达到最佳膨胀比，此时等熵效率最高在60％～70％范围内，容积效率达到80％以上;(d)随着膨胀比的增加，涡旋膨胀机的等熵效率先增大后减小，而容积效率持续降低;随着冷凝温度的提高，等熵效率和容积效率都表现出先增大后减小的规律。
　　(3)涡旋膨胀机等熵效率和容积效率可分别表示为以膨胀比为参数的回归曲线，此经验模型计算值与实验值误差小于5％。
　　(4)利用经验模型对ORC系统模拟分析，得到以下结论:(a)膨胀比一定，净发电量、循环热效率、(炯)效率随冷凝温度的提高，呈现先增大后减小的规律。涡旋膨胀机内(炯)损占系统总(炯)损的比例随着冷凝温度的升高而先减小后增大;(b)冷凝温度一定，系统的循环热效率、(炯)效率存在最佳膨胀比，该膨胀比大于等熵效率峰值对应膨胀比，不同工质的最佳膨胀比点不一样。R123、R124、R152a分别在膨胀比为4.5、4、3时达到最大循环热效率6.72％、5.61％、7.12％。提高膨胀比导致涡旋膨胀机内(炯)损占系统总(炯)损的比例持续变大;(c)过热度对干、湿工质的不同影响:干工质(例如，R123、R142)的循环热效率、(炯)效率随着过热度的提高而减小;湿工质需要提供一个最佳过热度，以R152a为例在过热度为5K时达到最大热效率和(炯)效率，分别为7.43％和43.42％。
　　(5)将模拟结果应用于对测试台的设计与构建。
　　本文的研究结果对于完善涡旋膨胀机等熵效率和容积效率的理论研究有重要意义，并对ORC系统的实验和工程应用提供了理论基础和设计指导。

目录

声明

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 能源利用现状

1．1．2 低品位热源发电技术现状

1．2 涡旋膨胀机研究现状

1．3 研究内容

第二章 涡旋膨胀机理论模型

2．1 涡旋膨胀机工作介绍

2．2 等熵效率模型

2．2．1 等熵膨胀过程热力学建模

2．2．2 等熵效率关联模型

2．3 容积效率理论模型

2．3．1 几何模型

2．3．2 容积效率关联模型

2．4 本章小结

第三章 效率模型的验证与输出

3．1 关联模型验证

3．1．1 等熵效率关联模型验证

3．1．2 容积效率关联模型验证

3．2 涡旋膨胀机效率分析

3．2．1 等熵效率分析

3．2．2 容积效率分析

3．3 效率计算经验模型

3．3．1 等熵效率多项式模型

3．3．2 容积效率多项式模型

3．4 本章小结

第四章 系统运行效率模拟分析

4．1 模拟软件的选择分析

4．2 有机朗肯循环建模计算

4．2．1 涡旋膨胀机计算

4．2．2 冷凝器计算

4．2．3 工质泵计算

4．2．4 蒸发器计算

4．2．5 性能指标计算

4．3 冷凝温度的影响

4．3．1 冷凝温度对净发电量的影响

4．3．2 冷凝温度对循环热效率的影响

4．3．3 冷凝温度对系统炯效率的影响

4．3．4 冷凝温度对涡旋膨胀机炯损比例的影响

4．4 膨胀比的影响

4．4．1 膨胀比对净发电量的影响

4．4．2 膨胀比对循环热效率的影响

4．4．3 膨胀比对系统烟效率的影响

4．4．4 膨胀比对涡旋膨胀机炯损比例的影响

4．5 过热度的影响

4．5．1 过热度对净发电量的影响

4．5．2 过热度对循环热效率的影响

4．5．3 过热度对炯效率的影响

4．5．4 过热度对涡旋膨胀机炯损比例的影响

4．6 本章小结

第五章 有机朗肯循环发电测试台搭建

5．1 测试台的系统设计

5．2 测试台的设计参数

5．3 测试台的设备选型

5．4 测试台的自动控制系统

5．5 测试台的运行调试

5．5．1 吹污试验

5．5．2 耐压试验

5．5．3 工质充注

5．5．4 调试运行

5．6 本章小结

6．1 总结

6．2 不足与展望

致谢

参考文献

学术成果