小型重力驅(qū)動低溫有機(jī)朗肯循環(huán)的理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、近年來以中低溫?zé)崮芨咝Ю脼槟繕?biāo)的相關(guān)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究，已經(jīng)逐漸成為國際能源研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。在低溫?zé)崮芑厥绽眉夹g(shù)領(lǐng)域內(nèi)，有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)成為近年來發(fā)展最快的熱利用技術(shù)，也是國內(nèi)外科技工作者關(guān)注的焦點(diǎn)。
　　本課題以蒸發(fā)溫度在100℃以下、系統(tǒng)凈輸出功在10kW以下的小型低溫有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)中工質(zhì)泵的實(shí)際運(yùn)行性能及其效率問題為切入點(diǎn)，建立了實(shí)驗(yàn)裝置，對小型低溫有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)中的工質(zhì)泵實(shí)際運(yùn)行性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在此基礎(chǔ)上，以減

2、小有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)工質(zhì)泵的泵耗、提高朗肯循環(huán)系統(tǒng)的凈輸出功量和凈輸出電量為導(dǎo)向，提出了依靠重力增壓、驅(qū)動的無泵小型低溫有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)，并在不同工質(zhì)、不同運(yùn)行工況、不同構(gòu)建形式等條件下對該循環(huán)的循環(huán)性能進(jìn)行了研究。最后，提出了以重力增壓驅(qū)動有機(jī)朗肯循環(huán)為使用背景的小型反動式渦輪機(jī)，并對其進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，分析了反動式渦輪機(jī)在不同幾何設(shè)計(jì)參數(shù)和不同工質(zhì)條件下的運(yùn)行性能。
　　為了明確工質(zhì)泵在實(shí)際運(yùn)行過程中的運(yùn)行特性及其對系統(tǒng)整體性能的

3、影響，在理論分析的基礎(chǔ)上建立了實(shí)驗(yàn)裝置，針對目前中低溫有機(jī)朗肯循系統(tǒng)最常用的工質(zhì)R245fa及容積式工質(zhì)泵進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，使用R245fa為工質(zhì)的低溫有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)泵，其最高等熵效率可到達(dá)70％左右；但合并了電機(jī)效率的工質(zhì)泵機(jī)械效率低于30%；綜合了等熵效率、機(jī)械效率、電機(jī)效率的工質(zhì)泵總效率最高值不超過20%；低溫有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)中工質(zhì)泵側(cè)的實(shí)際效率遠(yuǎn)低于前期研究者在研究過程中所使用的取值。
　　工質(zhì)泵性能連續(xù)性動

4、態(tài)實(shí)驗(yàn)研究表明，工質(zhì)泵機(jī)械效率與被其泵送工質(zhì)的流量密切相關(guān)，容積式有機(jī)工質(zhì)泵的機(jī)械效率最高值出現(xiàn)在其體積流量最大的區(qū)域；在體積流量相同的情況下，工質(zhì)泵進(jìn)出口壓差越大，工質(zhì)泵機(jī)械效率越高；工質(zhì)泵與驅(qū)動電機(jī)是否匹配，也是影響其效率重要因素，專門針對小型有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)開發(fā)低轉(zhuǎn)速、大扭矩的電動機(jī)，將會明顯提高工質(zhì)泵系統(tǒng)的效率。小型低溫有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)整體運(yùn)行性能分析表明：工質(zhì)泵等熵效率對系統(tǒng)朗肯循環(huán)效率具有重要影響：提高工質(zhì)泵的等熵效率，會使

5、系統(tǒng)朗肯循環(huán)效率獲得明顯提升；受工質(zhì)泵總效率制約，有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)部分負(fù)荷運(yùn)行時存在容量調(diào)節(jié)下限，過低負(fù)荷運(yùn)行將導(dǎo)致系統(tǒng)的凈發(fā)電量為負(fù)值；在工質(zhì)流量相同的情況下，小型低溫有機(jī)朗肯系統(tǒng)的凈發(fā)電量隨工質(zhì)泵總效率的升高而增加，隨工質(zhì)泵總效率降低而減小。對于使用電機(jī)驅(qū)動工質(zhì)泵的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)，必須從循環(huán)系統(tǒng)凈發(fā)電量層面分析、評價其實(shí)際運(yùn)行性能，僅從系統(tǒng)凈輸出功層面分析將會導(dǎo)致對系統(tǒng)運(yùn)行性能評價產(chǎn)生較大的偏差，甚至可能產(chǎn)生完全錯誤的結(jié)論；選擇效

6、率較高的工質(zhì)泵或通過其他技術(shù)手段提高既有工質(zhì)泵的總效率，將會提高系統(tǒng)的循環(huán)凈發(fā)電量，改善有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。
　　為了解決現(xiàn)有小型低溫有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)中工質(zhì)泵泵耗較大而導(dǎo)致的系統(tǒng)整體運(yùn)行性能低下的問題，提出了重力驅(qū)動低溫有機(jī)朗肯循環(huán)。選取R113，R123，R134a，R152a，R227ea，R236fa，R245fa，RE347mcc(HFE-7000)八種有機(jī)工質(zhì)作為研究對象，對其在小型重力驅(qū)動低溫有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)中

7、的循環(huán)性能進(jìn)行了分析研究。相比傳統(tǒng)由泵增壓的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)，重力驅(qū)動有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)在相同工況下的系統(tǒng)輸出凈功值更大，因此其朗肯循環(huán)效率更高。重力驅(qū)動所需增壓高度隨蒸發(fā)溫度升高而增加，隨冷凝溫度升高而減小，但蒸發(fā)溫度的變化是決定增壓高度變化的主因素。系統(tǒng)凈輸出功在10kW以下的小型重力驅(qū)動朗肯循環(huán)系統(tǒng)，運(yùn)行過程中管道內(nèi)的整體阻力較小，主要的壓力損失產(chǎn)生在上行蒸汽管道內(nèi)，隨著系統(tǒng)容量的增加，蒸汽管道的壓力損失將快速增加。干工質(zhì)更適用于重

8、力驅(qū)動有機(jī)朗肯循環(huán)，R113、R123、R245fa、RE347mcc四種干工質(zhì)的重力增壓高度和循環(huán)效率綜合性能較好。其中R113所需重力驅(qū)動高度最低，在冷凝溫度35℃、蒸發(fā)溫度100℃時所需重力增壓高度僅為24.6 m，朗肯循環(huán)效率在10%以上。與傳統(tǒng)工質(zhì)泵驅(qū)動有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)不同，在重力驅(qū)動有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)中加入回?zé)崞?，系統(tǒng)的循環(huán)效率提高幅度不大。
　　在重力增壓有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)中，非共沸混合等熵工質(zhì)的性能與純等熵工質(zhì)存在明顯

9、差別，在設(shè)定工況下，其循環(huán)效率并非最高，但具有相對較小的膨脹壓比；對應(yīng)相同的效率和膨脹壓比，存在多組不同的質(zhì)量配比；通過改變非共沸混合工質(zhì)的組份配比，可使混合工質(zhì)滿足不同空間高度要求；相同效率要求情況下，混合工質(zhì)完全可取代其他純工質(zhì)，成為重力增壓驅(qū)動有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)選工質(zhì)。
　　以小型重力驅(qū)動低溫有機(jī)朗肯系統(tǒng)為應(yīng)用背景，從動力學(xué)角度切入，推導(dǎo)出了理想條件下反動式渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩和功率方程；獲得了以“長徑比”為變量的反動式渦輪