调节传热窄点以提升有机朗肯循环性能及其循环重构研究

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有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)已成为中低温热能回收利用的有效手段和研究热点。ORC的输出功根据中低温热源温度与工质的临界温度之间的关系,存在优化工况或单调增加的两种情况,且单调递增的循环性能优于优化工况。引起这种差异的主要原因是吸热过程传热窄点位置不同导致吸热量随蒸发温度的不同。对于中低温热源,采用高临界温度工质(如R245fa)的ORC一般具有优化工况,且传热过程不匹配。要达到循环性能更好的单调递增的情况,实现更好的传热匹配效果,则需要更高的热源条件,这为循环性能的提升带来局限性。在此基础上,本文提出了可调节传热窄点和可调节传热窄点的有机朗肯循环(APPORC),并从理论推导了APPORC与ORC的关系及其循环性能的上下限关系。在APPORC的基础上,提出了实现传热窄点调节和提高ORC循环性能的新方法和四种新构型,包括喷射式有机朗肯循环(EORC)、闪蒸式有机朗肯循环(ORFC)及其改性循环:带回热闪蒸式有机朗肯循环(RORFC)与喷射-闪蒸式有机朗肯循环(EORFC)。新构型ORC均通过改变辅循环回路和主循环回路的质量流量比例,实现传热窄点的调节,达到增加循环吸热量和提高循环性能的目的。此外,新构型ORC还增强了传热温度匹配,或降低传热的不可逆性。基于Matlab进行模拟计算,并从热力学第一定律和第二定律两方面进行比较分析。研究结果表明:在相同工况条件下,APPORC的输出功与热效率满足:WTLC>WAPPORC≥WORC,ηORC≥ηAPPORC>ηTLC。忽略热源的影响,APPORC的热效率随着辅循环回路的质量流量增加而单调递减;而净输出功呈单调增加;从模拟结果来看,与ORC相比,EORC、RORFC和EORFC的优化工况均得到了延伸,循环性能得到了较大程度的提高。各循环最大净输出功满足:Wmax,RORFC<Wmax,EORC<Wmax,EORFC,但均低于TLC;其对应的热效率满足:ηopt,EORFC<ηopt,EORC<ηopt,RORFC,均低于ORC。在EORC中,采用非共沸混合工质的循环性能要优于纯工质。且在EORC中混合工质冷凝过程的温度滑移量也得到调节,与冷凝水温升得以更好匹配,降低了传热过程的不可逆性。
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