基于太阳能的有机朗肯循环低温热发电系统研究（可编辑） .doc

学校代码:国内图二与分类号:密级:公开国际图书分类号:.硕士学位论文基于太阳能的有机朗肯循环低温热发电系统的研究叶依林硕士研究生:韩中合教授导寸 币: ?:工学硕士申请学位:动力工程及工程热物理学 科:业: 热能工程专能源动力与机械工程学所在学院:院年月答辩 日期:华北电力大学授予学位单位:.:.:.:,?:华北电力大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文基于太阳能的有机朗肯循环低温热发电系统的研究,是本人在导师指导下,在华北电力大学攻,.页二二学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知,论文中除已注明部分外不包含他人己发表或撰写过的研究成果。剥。本文的研究:作做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式注刿。本声明内法律结果将完全由本人承担。日封:者签名:叶依林 拙巧二弓月弓日华北电力大学硕士学位论文使用授权书基于太阳能的有机朗肯循环低温热发电系统的研究系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有,本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版本,同意学校将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于请在以上相应方框内打“”:保密口,在 年解密后适用本授权二不保密町作者签名:日期:叶脓林刃年弓月罗日导师签名: 日期:年月多日摘 蛩摘 要有机朗肯循环 ,是利用低沸点的有机物作为工质推动透平做功,/电能。有机朗肯循环可利用的低品位能源包括:太阳能、地热能、海洋温差、余热以及生物质能等。本文使用太阳能作为热源,建立了有机朗肯循环系统的热力模型,研究有机朗肯循环低温热发乜系统的热力性能。研究表明,工质是影响有机朗肯循环系统性能的重要因素之一。通过综合考虑各种因素,本文选取, , ,九种工质作为候选工质,根据热力学第一定律雨热力学第二定律,对不同工质应用于基于太阳能的有机朗肯循环低温热发电系统的性能进行计算,并从蒸发压力、热效率、膨胀比、功比、不可逆损失、火用效率等方面进行了分析和比较。从热力学第一定律分析来看,随着蒸发温度的升高,工质的蒸发压力、热效率随之升高,有机朗肯循环的功比和汽耗率随之减小,就热力学第二定律而言,系统的火用效率随着蒸发温度的升高先升高后减小,具有一个最大的火用效率值,系统的总不可逆损失随着蒸发温度的升高先减小后升高,存在一个最小的系统总不可逆损失值。综合考虑得出相比起其它工质,更适用于基于太阳能的有机朗肯循环低温热发电系统。影响有机朗肯循环系统的主要参数是汽轮机的进口压力和进口温度,对这两个热力参数对系统的影响进行了热力分析和计算,主要是对系统热效率、净输出功量、系统总不可逆损失以及对各个热力设备不可逆损失的影响,通过分析发现,存在一个最优的进口压力和进口温度值,使得有机朗肯循环低温热发电系统的系统总不可逆损失最小,本文采用遗传算法在的界面上进行编程计算,对系统进行参数优化,通过选择、交叉以及变异等遗传操作,得出了九种工质的最佳进口压力雨进口温度值,并且根据优化结果,计算出了在系统总不可逆损失最小的情况下,有机朗肯循环低温热发电系统的各个详细热力性能参数。关键词:有机朗肯循环;太阳能;循环工质;遗传算法 ,., ., ,. , ., ,. ?,. ,., , . , , , . ,., ., . , .,; ; :二 录目 录摘要.第章绪论.本课题研究背景?.低温热发电技术的研究现状.太阳能低温有肯循环热发电技术的发展现状.本文的主要内容?第章有机朗肯循环工质的选择?.有机朗肯循环?.有机朗肯循环系统简介?.有机朗肯循环系统的特点?一.有机朗肯循环系统的关键技术点?一.基于太阳能的有机朗肯循环低温热发电系统概况?.有机朗肯循环工质的选择?一.有机朗肯循环工质的选择原则?一.候选工质的提出?.理论循环工况的分析?.设定理论循环工况?. .理论循环的基本方程. .候选工质理论循环计算结果及分析. .基于热力学第一定律的分析.基于热力学第二定律的分析. .本章小结第章有机朗肯循环系统的计算与分析.影响有机朗肯循环的因素?一.进口压力对有机朗肯循环系统的影响?.对系统热效率的影响.对系统净功量的影响.对系统总不可逆损失的影响.对系统各个设备不可逆损失的影响. 求.进口温度对有机朗肯循环系统的影响.对系统热效率的影响.对系统净功量的影响.对系统总不可逆损火的影响.对系统各个设备不可逆损失的影响.本章小结?.第章基于遗传算法的参数优化.遗传算法的概要.基本遗传算法的描述.遗传算法的特点?.遗传算法的适应度函数.几种常见的适应度函数?.适应度函数的设计?.遗传算法的遗传操作?.选择?.交叉?.变异?.遗传算法的关键参数?一.遗传算法的基本步骡?.太阳能低温热发电系统的参数优化?.本系统的求解方法?.参数优化的结果及分析?.不同工质的系统最佳工况循环参数.本章小结?第章结论与展望?.结论.展望一参考文献?.在学期间发表的学术论文和参加科研情况?一致 谢?.华北乜力大弓砀二:;位论文第章绪论.本课题研究背景工业革命以来,现代社会的持续进步和发展,与煤,石油,天然气等传统化石能源的使用密切相关。毫无疑问,化石能源仍然是人类主要依赖的能源形式。但是,随着世界经济的不断发展,世界能源需求大幅度增长,年平均增长速度约为.%,全球能源的年消费量约为 标煤。表?.不同能源占全球能源年消赀量的比重【能源种类 所占比重%.煤炭石油 .天然气 .核电.水电从表?中可以看出,化石能源的消费总量占到了%。由于化石能源的不可再生性,能源短缺问题日益加剧,制约了人类社会的发展。世界权威机构的调查数据表明:目前全球煤的储量只能维持约年的需求,而石油和天然气则将在未来的?年间逐渐耗尽【。表.部分国家可再生能源发电量占总发电量的比重【同时,化石能源的大量消耗导致了一系列环境问题:温室效应、酸雨、大气污染、全球气候变化以及土壤和水体污染等,这些问题严重威胁人类的生存和发展。华北也力大学硕士学位论文面对这些问题,开发和利用可再生能源日益受到世界各国的重视。我国的人均能源占有量少,生态环境脆弱,易受气候变化的影响。随着社会经济的发展,我国的能源需求量急剧增长,我国的单位能源消费强度比世界平均水平高.倍,能源利用率比发达国家水平低近个百分点?,温室气体排放总量大增速快。因此,我国面临比发达国家更为严峻的能源发展和环保减排的压力。“”“减排,综合利用资源,贯彻和实施可持续发展战略是我国解决能源问题的,根本。有统计指山:人类所利用热能中有%最终以低品位热能的形式商接排放利用和回收这部分能量,既能降低能源消耗,又能减少环境污染。我国。”甜.匕减排工作任重而道远,其中一项重要内容就是开发和回收利用低品位热能。.低温热发电技术的研究现状面对严峻的了能减排形势,可再生能源的利用尤为重要。低温热能是可再生能源的重要组成部分,对中低温热源的研究符合我国的可持续发展战略。根据国家能源发展战略,到年我国可再生能源比例将达到%,小水电、风力发电、生物质发电、地热发电和太阳能发电系统装机容量的目标是.亿,其中相当部。因此,低温热能发电技术的研究对建立高效环分是采用低温热能的发电技术【保的能源系统、实现社会经济进步和发展具有重要的现实意义。低温热能是指品位较低的热能,一般温度低于。【¨。这些能源种类繁多,。这些能量巨大,包括太阳能,地热能,海洋温差能等可再生能源和工业余热能源通过低温热能发电系统的转换,提供数量可观的高品位电能,提高能源的利用效率,同时不对环境产生污染。利用低温热能的发电技术主要是基于朗肯循环的热力发电系统,如有机朗肯循,卡林勾循环,斯特林循环,水蒸环气扩容循环,氨吸收式动力制冷复合循环【 等。相比之下,有机朗肯循环系统具有效率高、适用性强、简易方便、使用寿命长、维修费用低 等优点,它采用低沸点的有机工质代替水,吸收热源温度,在低温条件下获得较高的蒸气压力,推动涡轮机做功,适合广泛应用于各种低温热能发电领域,因此,采用有机朗肯循环技术回收低温热能是目前研究的重点,也是未来低温热能回收利用的发展趋势。低温热能发电技术具有广阔的应用前景和巨大的市场空间,据保守估计:每年我国的技术有数千亿的国内市场空间。美国、日本、意大利、德国、法国、以色列等国家投入了大量财力人力,争相开展技术的研究工作。我国对技术的研究始于世纪年代初期,由于各种原因,没有得到毕北乜力火学硕:学位论文广泛的研究和推。,囚此,我国目前在该技术上并未取得实质性的突破,加之西方发达国家对技术保密四,因此,我国迫切需要加快技术的研究,提高低温热能发电系统的设计水平,增强设备制造及配套能力,实现高效经济地利用低温热能。.太阳能低温有机朗肯循环热发电技术的发展现状太阳能是蕴藏最丰富的可再生能源之一,属于中低温热源,具有巨大的利用潜力。我国的太阳能资源相当丰富,年总辐射量超过 卫,两北部较荒?的地区储量尤其丰富,绝大多数地区年平均日辐射量在?二以上。全国可利用太:能的国二卜面积占/以上例,约万平方公里,全年曰照时数在。?小时之间太阳能使用方便,不对环境和生态造成破坏,具有辐照低、能流密度低等特点,易于转换为低温热源,与有机朗肯循环之间具有潜在的联系。将太阳能与有机朗肯循环系统有机结合起来,可以形成基于太阳能的有机朗肯循环低温热发电系统。图?为基于太阳能的有机朗肯循环低温热发电系统原理图。:工质:图.基于太阳能的有机朗肯循环低温热发电系统示意图循环工质的选择和运行工况的设计对太阳能有机朗肯循环低温热发电系统性能具有重要影响 ,近年来,国内外学者对有机朗肯循环工质选择和系统参数优化上进行了诸多深入研究。例如: 等通过实验研究揭示了有机物工质的化学稳定性及其对经济性的影响【。.选用苯、甲苯、对二甲苯、五种工质进行有机朗肯循环性能分析,表明对于左右的高温热源,卑北人。产唳一:。:位论义的对二甲苯的循环不可逆损失最小,而对于。左右的低温热源,和循环性能更优。魏东红【等从热力学第二定律角度分析了以单种工质下各部件的性能,研究了环境温度改变对余热驱动的有机朗肯循环系统性能的影响。罗琪等研究了低温余热驱动的抽汽回热式有机朗肯循环发电系统的性能,通过改变系统的热力参数如透平的进口压力和温度,将抽汽回热式有机朗肯循环和简单的有机工质朗肯循环进行了热力特性分析和对比,指出抽汽同热式有机朗肯循环系统产生的不可逆损失更少,热效率更高。这些对于研究基于太阳能的有机朗肯循环低温热发电系统有一定的借鉴作用。综合看来,太阳能有机朗肯循环低温热发电系统的性能受循环工质物性、状态参数及换热设备的结构参数等很多囚素影响,研究热力参数对系统性能的影响,剥。系统性能进行优化,是改善系统性能的关键。目前,对太阳能低温有机朗肯循环的研究主要集中在对工质的选择和循环性能评价指标上,从目前的研究现状来看,尚存在有机朗肯系统的评价指标不一致的问题,囚此,选择适宜的循环工质、采用合适的评价指标分析系统性能和设计最佳的循环参数,值得进一步投入力量深入研究。.本文的主要内容终上所述,研究太阳能有机郎肯循环系统对于开发新能源及。“匕减排具有重要的学术意义,本课题具体研究内容如下:、对有机朗肯循环系统进行研究,建立有机朗肯循环中的热力设备的数学模型。本系统采用太阳能作为热源,利用低温有机工质作为循环的工质,主要设备有:太阳能集热器、汽轮机、冷凝器和循环泵等。、通过对建立的有机朗肯循环系统的模型分析,同时结合不同工质的物性变化,研究不同工质对有机朗肯循环系统循环效率和不可逆损失的影响,确定合理的循环工质。以热力学理论为基础,对有机朗肯循环系统的各个运行参数和各主要组件的结构参数进行计算,总结不同热力参数对系统性能影响的规律。、根据以上研究的计算结果,分析主要热力参数对系统性能的影响,对系统性能进行优化。第章有机朗肯循环工质的选择.有机朗肯循环.有机朗肯循环系统简介有机朗肯循环就是在传统朗肯循环中采用有机工质如 ,等代替水作为循环二二质,拖动涡轮机做功,产生电能。采用它可以实现使用低品位热源发电,且没有、和、等污染物排放,具有环境友好的特点。有机朗肯循环主要应用的领域有:太阳能热发电、工业余热发电、地热能发电、海洋温差发电以及生物质能热发电等方面。国内外对于有机朗肯循环系统的研究主要始于世纪年代,其实早在年,就有科学家研究采用二苯醚作为循环工质的有机朗肯循环 ,近年来,许多科.学家也致力于有机朗肯循环系统的研究,提出了一种可再生的朗肯循环系统,由于发电效率和蒸汽蒸发的平均温度有关,蒸汽首先在预热炉中加热。然后,通过五个涡轮带动轴产生扭矩,然后,一些蒸汽流入其他四个分流器后,回流到预热器中,带动发电机发电,其发电效率可以提高%。张颖,杨嘉祥【】等自行设计组装了以为工质的热力系统模型,并对模型进行了强化冷凝换热及发电的实验研究。.,.,.和.等对有机朗肯循环的应用进行了经济和能源方面的调查研究,对模型的效率、产水率和电力生产成本进行了分析。杨智蹲等对现行的柴油机废气余热利用设备进行比较,选择了为工质,计算了柴油机废气余热发电系统的运行参数比焓、熵、工质流量、雷诺数、蒸汽出口速度等和各主要组件汽轮一发电机组、冷凝器、喷管的结构参数,计算了系统发出的电量。 等从临界压力、温度特性、化学稳定性等各方面研究了有机物工质的选用原则,对几种类型的膨胀机进行了比划引。?等人分析了基于有机朗肯循环的分布式太阳能发电系统】。等提出了一种有效的有机朗肯循环系统优化设计准则,以总换热面积与输出净功率的比值作为目标函数,采用陡峭下降法对有机朗肯循环系统进行优化【?。和提出用再循环和透平抽气的结合的方法用来集成和优化有机朗肯循环系统,提高热效率【。等使用状态方程得到种用于的有机工质物性,在一定的条件下,得到了不同类型的热效。扛北/人:颐:。讧沦文击华。据统计表明,现有多套装置在全世界运行,并且目前已经生产山单机容量为的发电机组。有机朗肯循环低温热发电技术的研究在当今世界有着重要的意义。.有机朗肯循环系统的特点有机朗肯循环具有效率高、适用性强、小型方便等特点,它使用的有机工质具有低沸点特性,在中低温度中能够获得较高的蒸气压力,推动涡轮机做功,在低温运行发电过程中具有良好特性。并且要求的热源温度较低,左右的热源就可以维持其正常运行,因此,适用于低温热源做功发。与水蒸气朗肯:循环相比,有机朗肯循环主要具有以下优点有机朗肯循环系统采用低沸点的有机物作为工质,有利于对低温热源条件下能量的利用,而水蒸气朗肯循环以水作为工质,水在中低温条件下无法转化为蒸汽推动涡轮做功。在涡轮中膨胀做功时,水蒸气在膨胀过程中需要过热器的设置,防止湿蒸汽或者高速水滴对汽轮机的冲击而产生腐蚀损坏。有机工质蒸汽在涡轮中做工时,可以始终保持干燥状态,能更有效地适应部分负荷运行及大的功率变动,不需要进行过热。水蒸气朗肯循环冷端处于真空状态,需要设置真空维持系统以排除不凝性气体,而有机朗肯循环的冷端一般都处于正压状态,因此不需要做此设置。水蒸气朗肯循环中由于锅炉水中的杂质对设备以及管道有化学腐蚀,因此给水必须经过严格的水处理,而有机朗肯循环中不需要这些辅助的设备,系统的构成简单方便。水蒸气朗肯循环中的蒸发压力低于有机朗肯循环的蒸发压力,即有机朗肯循环汽轮机中工质的比体积小于水蒸汽的比体积,因此,有机朗肯循环所需透平的尺寸、排气管道的尺寸以及冷凝器的换热面积都较小,较少了钢材消耗量。水蒸气朗肯循环中,水在蒸发段吸收的热量占总吸热量的很大比例,在预热段的吸热量相对较少,而有机朗肯循环中工质由于沸点低,蒸发吸热量较小,在预热段的吸热量占总吸热量的比例大,因此可以更多的吸收热源的热量,研究表明,其透平的输出功率几乎是水蒸气朗肯循环的两倍以上。与水蒸气相比,有机工质的声速比较低,在叶片轮周速度时,能获得有利的空气动力特性,在常规转速下就具有较高的轮机效率。相比起水,有机工质凝固点较低,在冬季较低温度下仍能释放出能量,冷凝华北乜力大学硕士学位论文器也不需要增加防冻设施。且有机工质的冷凝压力较高,使系统在大气压力附近的情况下工作寸,能有效减小工质的漏失现蒙。.有机朗肯循环系统的关键技术点目前对有机朗肯循环系统的技术点主要集中在工质选择、换热器优化、透平的选型以及热经济性评价四个方面。工质的选择如何在考虑经济性、环保性以及安全性等因素中选择合适勺有机朗肯循环工质是有机朗肯循环系统研究的重要方面。不同的二质对系统性能勺影响也不同,例如不同工质具有不同的热物理性质,影响循环特性如热效率、净功量、热稳定性等:不同工质的传热特性也不同,这使得不同工质对换热器换热特性以及在其它部件中的换热损失的影响也不同:不同工质的流动特性不同,使得系统的流动损失也不同。随着经济和科学技术的迅速发展,如今,环境污染问题越来越严重,环保型的工质的开发和研究也越来越受到人们的重视。在选用工质的时候,应该尽量选择温室效应和环境破坏能力工质,如类含氢、氟、碳的不完全卤代烃、类和类碳氢化合物及其卤代烃。为了防止氟氯烃对臭氧层的破坏,世界各国相继加入了京都议定二持和蒙特利尔协议,随着这些协议的生效,大量的指含氯、氟、碳的完全卤代烃等对环境有破坏的有机工质将会被淘汰。上世纪七八十年代建造的大量低温热能电站系统,使用的工质大多数是对环境有破坏的工质,因此,选择新型的环保的替代工质是有机朗肯循环的主要研究问题之一。除了环保要求,选择的工质还要求技术可行、经济性好,工质的技术可行性即是说在循环过程中,工质的压力应该在装置抗压性和密封性允许的范围之中,既不能过高也不能太低;工质的经济性好即是工质在循环过程中,能尽可能使系统的效率更高。在实际应用中,工质很难满足上述全部条件,工质的选择要综合考虑各种因素。如何选择适宜的有机工质,设计最佳的热力循环参数,是有机朗肯循环研究的重要内容之一。热交换器的优化热交换器性能的优化是提高循环性能的重要途径之一,换热器特别是蒸发器的效率对系统的整体效率有着重要的影响。提高换热器效率的核心是尽量减小换热温差,以减小换热过程的不可逆损失。热交换器的优化主要是对换热器,尤其是蒸发器和冷凝器的两相流换热过程的分析,对有机朗肯循环是十分重要的。从热力设备的方面考虑,换热器的面积、结构以及设备换热系数的高低等因素均影响有机朗肯循环系统的性能,因此需要对换热器进行合理的设计及制造;从选用循环工质的角。扛北也/人形讧沦文度,减小换热温差可采用换热好的有机工质,尽量使工质的加热过程与热源温度变化过程相结合:同时,正分析换热过程的静态和动态过程,包括过程的流动、传热等参数的计算,也有利于有机朗肯循环热能与电能之问的转换,对有机朗肯循环低温热发电系统的性能训算也起着指导性的作用。透平选型有机工质的热力学特性对有机朗肯循环各个热力过程的实现部件的设计有重要影响,囚此针对不同有机工质热物理特性,研究非标准的高性能透平形式及其设计方法很有现实意义。在有机朗肯循环系统中使用的透平,从原理上来说与蒸汽透平无区别,但是由于有机工质的热物理性质与蒸汽有较大的区别,有机工质分子量大、音速低,流动为跨音速流动,马赫数大,透平内工质流量小,密度大、容积流量小,总焓降小、膨胀比高,流动较为复杂,特别是激波、激波与边界层的二扰引起的损失较大,囚此在有机朗肯循环涡轮的选择和设计时,必须综合有机工质透平的气动布局和叶型的优化等多方面因素进行考虑。系统热经济性的评价在有机朗肯循环系统中,需要对其进行准确的热经济性评价,由于有机朗肯循环能应用的低温热源有很多,所以对有机朗肯循环技术进行经济性评价较为困难。目前,通常用热力学第一定律和第二定律评价有机朗肯循环系统的性能。从热力学第一定律来看,一般有机物的蒸发潜热值较小,工质等温蒸发过程中的吸热量占总吸热量的的比例较小,换热的不可逆损失小,因此,在相同热源下,有机朗肯循环系统比水蒸气朗肯循环系统效率高。从热力学第二定律考虑,有机朗肯循环系统也是优于水蒸气系统。用不同的热经济性分析方法有可能得到不同的分析结果,因此如何准确分析低温热电系统的热经济性有利于保证系统高效运行是有机朗肯循环系统的难点之一。.基于太阳能的有机朗肯循环低温热发电系统概况本文主要讨论分析以太阳能作为热源的有机朗肯循环系统。太阳能是一种理想的绿色能源,资源丰富,可以说是“取之不尽,用之不竭”,并且不产生任何污染气体。由于太阳能能量度低,且热源温度不高,因而太阳能热发电系统主要是基于集热技术的朗肯循环。而有机工质的低沸点特性也适合应用在太阳能低温热发电系统中。基于太阳能的有机朗肯循环低温热发电系统的示意图如图.所示:华北也力大:;巧一:二童论文/并、黔囊莎小泵纠.基于太阳能的有机朗肯循环低温热发电系统示意图系统的运行原理如下:利用太阳能集热器将太阳能聚集起来并转换为热能,由于地面上的太阳能受到季。,、昼夜、雨雪等气候条件的影响,具有间歇性和随机不确定性,为保证太阳能热发电系统的稳定运行,需要设置蓄热装置,用来储蓄太阳能热量。系统运行过程中,当集热器的温度大于所需热负荷时,打开阀门和阀门,关闭阀门,此时,蓄热器吸收热量并储存;当集热器的温度小于所需热负荷时,关闭阀门和阀门,打开阀门,传热流体经集热器初步加热后,进入蓄热器中,被蓄热器中的蓄热材料再次加热,蓄热器放出热量输送给朗肯循环系统。系统中集热器,蓄热罐和热交换器部分可以近似看做蒸发器。由太阳能聚集起来的热量通过板式热交换器将有机工质加热,产生高温高压的蒸汽,高温高压的蒸汽驱动汽轮机旋转并带动发电机发电。从汽轮机出来的排汽,其压力和温度均已大大降低,这些低温低压工质经过冷凝器凝结成液体后,被泵加压后送回到太阳能集热器,开始新的循环。.有机朗肯循环工质的选择工质的物性是影响有机朗肯循环系统的重要囚素之一,有机工质的合理选择是研究有机朗肯循环系统的重要内容。.有机朗肯循环工质的选择原则理想的有机朗肯循环工质的选择一般从以下几个方面考虑:净北/人。二形 :。学位沦文环保性能。随着对环境保护要求越来越高,环境因素已经成为工质选择的首要标准,很多有机工质具有不同程度的大气臭氧破坏能力雨温室效应,囚而应该尽量选用无臭氧破上能力和温室效应低的工质。评价工质的环保性能主要有两个指标:臭氧耗损潜值 ,不全球变暖潜值。值表示工质的臭氧破坏能力,以制冷剂的为基,准,其他物质的以其与臭氧耗损潜值的相对值来表示。值表示工质的温室效应,指在年的寸司框架内,各种温室气体的温室效应对应于相同效应的二氧化碳的质量。要求工质不破崩:大气臭氧层,即值要小于.:对全球变暖的影响要小,即要求温室气体在大气中的寿命尽可能短。安全性能。工质的安全性包括毒性、易燃易爆性和对设备管道的腐蚀性等,为了避免工质囚操作不当或者腐蚀泄漏,对人体或设务造成不良影响,应该尽罱选择无毒性或者毒性低、不易燃、不易爆且与设备材料和润滑油具有良好的兼容性的工质。热物性方面:工质的临界温度应该高于循环中的最高温度,以避免跨临界循环可能带来的问题。工质的三相点要低于运行环境温度的最低温度,以保证流体不会在循环中的任意部位发生固化而造成堵塞甚至损坏。工质应该具有较低的临界温度和压力,以保证低温热发电的温度范围。工质的凝固温度应小于循环中可能达到的最低温度。工质的比热容较低为好,因为高比热易造成冷凝器高负载。另外,工质应具有较低的粘度,以克服流动阻力的功耗。由于高汽化潜热能提高系统的热回收效率,因此尽量选用汽化潜热高,热稳定性好的工质。工质的沸点不宜过低,否则会造成冷凝器的冷却水温度过低而导致冷凝器的选择困难。图.工质的饱和蒸汽曲线比较:等熵工质湿工质干工质北/大与映二二学位论文有机工质按照其饱和蒸汽线在图上的斜率/不同可以分为三类:干工质/、湿工质/等熵工质/士。三类工质在图上的比较如图?所示。由图可见:湿工质在透平中膨胀做功后可能处于含液滴的湿蒸汽状态,对透平叶片有冲蚀作用,而干流体及等熵流体膨胀做功后,处于饱和蒸汽状态下,当推动透平作功时,工质始终处于饱和蒸汽状态或过热蒸汽状态,状态点不会落到两相区内,因而不容易造成液滴侵蚀涡轮机叶片的情形。另外,对于使用干工质或者等熵工质的有机朗肯循环,由于省去了过热段,可以减少工质在加热蒸发过程中的温差传热不可逆损失。价格、成本要求。循环工质应尽量廉价、易购买。.候选工质的提出在实际应用中,工质很难同时满足上述所有条件。随着国际上对有机工质环保性能的要求日益提高,在选择时候要尽量选用对臭氧破坏能力较低和温室效应较低的工质。综合考虑各种因素,本文在研究过程中选取,九种工质作为候选工质,对其应用于基于太阳能的有机朗肯循环低温热发电系统的性能进行分析和比较。其中,为烷类物质, ,为类物质,这些工质均为为零的干工质,其详细的特性参数见表一。表.所选工质的物性参数.理论循环工况的分析.设定理论循环工况有机朗肯循环系统的性能与循环工况有很大的关系,因此必须在棚同的工况下进行不同工质的循环性能的比较,一能确定合适的工质。为了简化分析过程,作如下假设:系统处于稳定流动状态:冷凝器出口工质为饱和液体:太阳能集热器、冷凝器等设备和环境散热忽略不计;集热器、冷凝器以及连接管道的压力损火可以忽略不计。由于有机朗肯循环选用的循环工质均为干工质,工质可以在蒸发压力下的饱和蒸汽状态直接进入汽轮机膨胀做功,可以省去过热段,因此,本衙环系统的理论过程示意图如图?所示:图?循环过程不惹劐在图?所示的有机朗肯循环中,包括以下基本过程:过程:泵对工质加压,理想状态下,加压过程是等熵过程:过程:有机工质的定压吸热过程,有机工质被加热,形成高温高压的蒸汽:过程:工质在汽轮机中膨胀做功,驱动汽轮机旋转并带动发电机发电。在理想状态下,膨胀过程为可逆绝热过程.;过程:工质从汽轮机出来,压力和温度已大大降低,经过冷凝器凝结为液体,对外放热。.理论循环的基本方程基于太阳能的有机朗肯循环系统的基本方程如下:产北刀夕哆与、仑在泵加压的过程中,工质接收的功量为:%:鳖:型 一泵的不可逆损失为:,?:一. ?式中?工质的质量流量,/;%川。.?泵的理想耗功,:,?泵等熵效率,:掣;,.一/.?环境温度,:,?工质在泵入处和出口处的比焓值,/;,?工质在泵入口处和出处的比熵值,/?。有机朗肯循环系统吸收的热量:?。历也一在吸热过程中产生的不可逆损失为:,扛狮卜叫一掣式中珀?高温热源平均温度,巧,五巧,。汽轮机膨胀过程中,工质所做的功量为:? 、 , 孵% 一,叩汽轮机输出的有效功为:崂。 汽轮机中的不可逆损失为:.,瓦历。一,式中晖.如,?汽轮机的理想耗功,;叼一硪艚熵效率¨糕:叩。?汽轮机的机械效率;,?工质在汽轮机入口处和出处比焓值,/;,?工质在汽轮机入口处和山口处的比熵值,/。冷凝器的冷凝过程中,工质放出的热量为:,一九冷凝器中的不可逆损火.:,仁,卜¨一式中?冷源温度,瓦一瓦。表给山了有机朗肯循环的计算条件:环境温度/孔汽轮机额定功:踮汽轮机等熵效率 /%汽轮机机械效率。/%跚泵等熵效率 /%巧工质冷凝温度/集热器传热温差/冷凝器传热温差。/.候选工质理论循环计算结果及分析.基于热力学第一定律的分析任何一个热力系统,都需要对其性能做出评价,热力学第一定律是能量守恒和换热定律在热力学中的应用,确定热力过程中各种能量在量上的相互关系,热力学第一定律的实质为能量守恒,即在任何发生能量传递和转换的热力过程中,传递和转换前后能量的总量维持恒定。在任何热力系进行的任意过程中,热力学第一定律是对参与过程的各种能量进行量的分析的基本依据。热效率是基于热力学第一定律的一种性能评价指标,其定义是系统净输出功量与系统吸热量之间的比,其表达式挣北乜力大学硕:学位论文为:.:坐:坠二坠:【堡二型二丝二型 ? 一/在建立热力学模型,基础上,有机工质的热物理性质按照提供的程序进行计算】,图?到图?显示了在热力学第一定律下,九种工质应用于循环系统的理论计算的结果和对比分析。从图?可以看【,就整体而言,有机朗肯循环系统的热效率随着蒸发温度的升高逐渐升高。以为例,当蒸发温度在。时,热效率为.%,而当蒸发温度增加到时,热效率增加到.%。从单个工质来看,当蒸发温度在以下时,各个工质的热效率整体差别不大;在蒸发温度以上时,热效率略高于其他工质, ,和的热效率较为接近,而的热效率最低。例如:当蒸发温度为时,的热效率为.%,而.%。的热效率为长、疑一,;善,一 / 廿 ,/譬?/?:/图.不同蒸发温度下工质的循环热效率工质的蒸发温度对于循环系统也有较大的影响,过高的压力将会导致机械承压问题,进而增加不必要的设备费用,因此,从安全和设备的角度考虑,当循环达到最高温度时,所对应的饱和压力不宜过高。图.显示了九种工质的蒸发压力随蒸发温度变化的情况,从图中可以看出,随着蒸发温度的增加,工质的蒸发压力越来越高,并且随着温度的逐渐升高,压力上升的速度也越来越快。对于不同的工质来说,在相同的蒸发温度下,具有最低的蒸发压力,女.在蒸发温度为时,的蒸发压力为.,蒸发压力的蒸发压力为.,为.。北力火譬硕士学位论文蒸?:?:./訇?不同蒸发温度下工质的蒸发压力朗肯循环的功比是反映动力循环经济性的一个重要指标,其定义是循环的净输出功量与汽轮机做功量的比值,用来评价汽轮机做功产生的功量中郎肯循环的净输出功量所占的比例,其表达式为:。/一、 ,一旦:坠二.鉴:【竺二丝二丝二型 一一一?二?二?一?二?二?二”% , % 红一九舛蛇;乎立香暑旨是纽吾 蒸发温叟:。/图不同蒸发温度下工质的朗肯循环功比从图中看出,随着蒸发温度的升高,有机朗肯循环的功比逐渐降低,例如在蒸发温度为时,的功比为.%,当温度升高到。时,的功比降低为. %,这是因为当蒸发温度升高时,尽管汽轮机做功量和循环的净输出功量均增大,并且净输出功量也同时增大,净输出功量的增大量小于汽轮机做功量华北力大学顶二【二学他论文的增加量,因此朗肯循环的功比减小。从图中可以看出,在相同的蒸发温度一,的朗肯循环功比最高,而的功比低于其他工质。在蒸发温度为。时,的功比为.%,而的功比为.%。评价热力循环性能的另一个重要指标是汽耗率,其定义是装置每输出?等于功量所耗费的蒸汽量,其表达式为:?:?矿其中,?循环净功量,/。图.不同蒸发温度下工质的汽耗率由图?中可知:对于同一种工质而言,随着蒸发温度的升高,汽耗率减小,这是由于循环的净功量随着蒸发温度的升高而增大,随着蒸发温度升高,输山同等功量所消耗的蒸汽量相应减小,从图中还可发现,汽耗率减小的速度随着蒸发温度的升高而减慢。对于不同的工质,在相同的蒸发温度条件下,等烷类工质的汽耗率明显低于类的工质。例如:当蒸发温度为时,的汽耗率为。.?,的汽耗率为.汽轮机的膨胀比是有机循环系统的一个重要参数,定义汽轮机膨胀比为汽轮机进口压力与出口压力的比值/。从理论来说,汽轮机膨胀比越高,单位质量工质做功能力越强,系统效率越高。但是就实际运行情况而言,如果膨胀比过大,会导致出口气体的比容增大,工质质量流量减小,从而使汽轮机的机械能输出减小,因此选择合适的膨胀比十分重要。图?显示了膨胀比随蒸发温度的变化情况,可以看出,随着蒸发温度的升苗,工质的膨胀比增大,其中,的膨胀比比其他工质略小:其他几种工质的膨胀比相差较小,其中以 和略高于其他工华北力大学硕士学位论文质。 蒸发温度./。图.不同蒸发温度下工质的膨胀比.基于热力学第二定律的分析热力学第一定律仅能反映出在能量传递的某一过程中,能量的总量是守恒的,而对于过程进行的方向是无法反映的,因此单纯地依靠热力学第一定律来分析热力学性能是不够的,需要有更有效的性能评价指标来评价热力系统的性能,这就需要用到热力学第二定律。热力学第二定律的基本任务在于判断热力过程能否进行的依据以及热过程进行的方向、条件及限制。热力学第二定律的实质是实际热过程的不可逆性。在热力过程中,任何一种形式的能量都是由两部分组成,即有效能“火用”和无效能“火无”。火用定义为不同情况下系统所能完成的最大功量,火无的定义为一切不能转换为功的能量,能量中所含火用的比例越大,能贡献的功量越多。从热力学第一定律看,火用和火无的总量保持守恒,从热力学第二定律来看,功量和热量是不等价的,其在完成功的能力上是不同的,一切实