【摘 要】
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中低温地热能(<200℃)具有清洁环保、储量丰富、不受气候影响等诸多优势,高效开发中低温地热能发电可降低化石燃料消耗、减少温室气体排放。目前研究表明,有机闪蒸循环(Organic Flash Cycle,OFC)是可以有效利用中低温热能发电的技术之一。有机闪蒸循环(OFC)系统具有众多优点,但投资成本高是众多学者一直以来所面临的问题,其中,冷凝器对OFC系统的经济性能有着重要的影响。分液冷凝技术可
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中低温地热能(<200℃)具有清洁环保、储量丰富、不受气候影响等诸多优势,高效开发中低温地热能发电可降低化石燃料消耗、减少温室气体排放。目前研究表明,有机闪蒸循环(Organic Flash Cycle,OFC)是可以有效利用中低温热能发电的技术之一。有机闪蒸循环(OFC)系统具有众多优点,但投资成本高是众多学者一直以来所面临的问题,其中,冷凝器对OFC系统的经济性能有着重要的影响。分液冷凝技术可以显著提高冷凝换热系数。本文将分液冷凝应用于有机闪蒸循环,针对采用分液冷凝技术的有机闪蒸循环系统(Liquid-separation Condensation Organic Flash Cycle,分液冷凝OFC)进行了研究,构建了建立基于分液冷凝的有机闪蒸循环系统优化模型,对系统热性能进行多参数优化,采用R600、R601、R245fa、R134a、R236ea、R227ea、R1234ze、R1234yf这8种工质作为循环工质,研究了最优工况下不同系统参数对冷凝器换热面积的影响。并应用MATLAB 2019a进行了模拟分析,本文的主要内容和结论如下:(1)构建了采用分液冷凝有机闪蒸循环(OFC)系统计算模型。首先介绍了采用分液冷凝OFC系统工作原理;然后在热力学定律下根据定输出模式的运行规则,建立了定输出分液冷凝有机闪蒸循环系统数值模型,接着建立了采用分液冷凝器OFC子系统数值热性能计算模型,包括蒸发器、透平、工质泵以及分液冷凝器等主要构件计算模型。(2)在采用R600、R601、R245fa、R134a、R236ea、R227ea、R1234ze、R1234yf这8种不同循环工质下分别研究了热源温度、闪蒸压力对系统净输出功、(火用)效率、加热段换热面积、冷凝器换热面积、系统吸热量、压降、质量流量以及蒸汽干度的影响规律,并对相关影响机理进行了讨论。结果表明:随着热源进口温度的升高,8种工质系统的最大净输出功率会逐渐增大,最大净输出功率分别为47.69k W、77.47k W、51.32k W、14.34k W、43.51k W、20.00k W、21.28k W、11.17k W;系统的最大(火用)效率会先增大后减小,最大(火用)效率分别为30.2%、42.8%、32.5%、11.2%、28.7%、15.7%。15.9%、9.1%。随着闪蒸压力的增大,8种工质系统的净输出功先增大后减小,最大净输出功分别为30.87k W、31.23k W、31.87k W、9.69k W、29.42k W、13.53k W、14.38k W、7.55k W。系统的最大(火用)效率也是先增大后减小,最大(火用)效率分别为30.07%、30.41%、31.04%、9.43%、28.65%、13.17%、14.00%、7.35%。(3)以系统的净输出功率为目标函数,对闪蒸压力进行优化,讨论了不同循环工质最佳闪蒸压力随热源入口温度的变化。即同一热源温度下总是存在一个最优的闪蒸压力使得系统净输出功率最大。在最优工况下,冷凝器进口干度随着热源进口温度的升高而增大,但在达到临界温度后冷凝器进口干度将保持不变。研究发现工质的导热系数越高则传热性能越好,冷凝器的换热面积就越小。随着热源进口温度的提升,冷凝器的换热面积也随之增大。且冷凝器换热面积随着分液干度的增大呈先减小后增大的变化趋势,即不同热源进口温度下均存在一个最优分液干度使冷凝器换热面积最小。R600、R601、R245fa、R134a、R236ea、R227ea、R1234ze、R1234yf8种工质最优分液干度的冷凝器换热面积与传统不分液冷凝器换热面积均存在一个最大的相对减小量,在100~200°C的范围内冷凝器换热面积最大相对减小量分别为:9.64 mm~2、13.73 mm~2、18.03 mm~2、27.80 mm~2、20.04 mm~2、28.17 mm~2、25.74 mm~2、29.92 mm~2。(4)对于本文所研究的分液冷凝有机闪蒸循环系统而言,当循环工质不同时,其大多数(火用)损率随热源进口温度的变化趋势基本一致。吸热器出口的排烟(火用)损率和冷凝器(火用)损率均随热源进口温度的升高呈现递减的趋势;蒸发器的(火用)损率随热源进口温度的升高先减小后增大;透平和工质泵的(火用)损率随热源进口温度的上升先增大然后逐渐下降。此外,当热源进口温度为100~200℃时,系统总(火用)损率普遍最小的工质为R601,其值最大为81.61%,最小为55.35%。
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