低温热源喷射式发电制冷复合循环理论与实验研究

论文摘要

太阳能、地热能以及工业余热等低温热源(<200℃)具有储量大、种类多、品质低等特点,很难被传统的能量转化设备集中高效利用。在能量转化过程中,大量低品位热能被直接排放,造成了能源的巨大浪费。近年来,伴随着社会经济发展与能源供给矛盾的日益显现,低温热源引起了国内外学者的广泛关注。低品位热能利用是节能领域研究中的热点问题。近期,国内外诸多学者针对低温热源(<200℃),相继提出一些发电制冷复合循环。这些循环可以将低品位热能转化为电量和冷量输出,为低温热源的有效利用开辟了新的途径。根据工作原理不同,目前这些发电制冷复合循环可以分为如下两类:(1)吸收式发电制冷复合循环;(2)喷射式发电制冷复合循环。这两类循环在发电制冷过程中各具特点。本文以低温热源热利用为背景,针对喷射式发电制冷复合循环进行了深入的理论和实验研究。主要的研究内容包括:(1)以低品位热能利用为背景,提出一种低温热源喷射式发电制冷复合循环。该循环采用安全环保的有机物工质,将朗肯循环与喷射式制冷循环相结合,可以将低品位热能转化为电量和冷量输出。从热力学第一定律和热力学第二定律角度,对循环的热力过程进行理论分析,得到该复合循环在能量转化过程中的工作特点。在此基础上,对低温热源发电制冷复合循环效率评价体系进行讨论。(2)以涡旋式膨胀机和喷射器为核心部件,建立喷射式发电制冷复合循环热力学模型。着重对涡旋式膨胀机和“定压混合”喷射器的建模过程进行了分析讨论。利用Matlab和Refprop软件编写系统仿真程序,并建立系统仿真方法。(3)运用仿真程序对喷射式发电制冷复合循环的工作性能进行分析计算。分析了循环各主要设计参数,关键部件设计参数,热源条件对循环工作性能的影响。结果表明,喷射式发电制冷复合循环可以有效的将低品位热能转化为电量和冷量,且与吸收式发电制冷复合循环相比具有制冷量较大的特点。(4)运用仿真程序对喷射式发电制冷复合循环工质选择问题进行讨论分析。以太阳能热利用为背景,从循环效率、工作压力范围、对关键部件影响、环保特性等方面对20种工质的工作性能进行了分析比较。指出了R123,R600a,R245fa等一些临界温度相对较高的有机物工质比较适于在该复合循环中使用。(5)首次建立kW级低温热源喷射式发电制冷实验装置,初步验证了该复合循环运行原理的可行性。应用一维“定压混合”喷射器设计理论设计加工喷射器。以R600a为工质,对实验装置单独发电、单独制冷、同时发电制冷三种模式下的工作性能进行了实验研究,为低品位热能利用积累了实验数据。在实验过程中,分别考察了热源温度、蒸汽发生器工作压力、变频器频率以及负载对系统工作性能的影响。(6)在总结全文的基础上,对低温热源喷射式发电制冷复合循环理论与实验研究中存在的问题进行了总结,并对今后相关研究工作的进一步开展提出建议,为今后该技术的推广和应用奠定了相应的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪 论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 低温热源发电制冷复合循环研究现状及发展趋势
• 1.2.1 有机物朗肯循环（Organic Rankine Cycle）
• 1.2.2 卡林纳循环（Kalina Cycle）
• 1.2.3 吸收式发电制冷复合循环
• 1.2.4 喷射式发电制冷复合循环
• 1.3 本文的主要工作
• 第2章 低温热源喷射式发电制冷复合循环热力过程
• 2.1 概述
• 2.2 循环工作过程及理论分析
• 2.2.1 复合循环工作过程
• 2.2.2 热力学第一定律分析
• 2.2.3 热力学第二定律分析
• 2.3 复合循环效率定义
• 2.4 本章小结
• 第3章 低温热源喷射式发电制冷复合循环系统建模
• 3.1 概述
• 3.2 透平膨胀机数学模型建立
• 3.2.1 各种类型透平膨胀机间的比较
• 3.2.2 涡旋式膨胀机的工作原理与基本工作参数
• 3.2.3 涡旋式膨胀机的膨胀比
• 3.3 喷射器数学模型建立
• 3.3.1 喷射器概述
• 3.3.2 喷射器数学模型
• 3.4 循环热力学模型建立
• 3.4.1 模型变量
• 3.4.2 状态点热力学参数计算
• 3.4.3 循环性能参数计算
• 3.5 本章小结
• 第4章 低温热源喷射式发电制冷复合循环特性分析
• 4.1 概述
• 4.2 基本工况
• 4.3 循环主要设计参数对循环性能的影响
• 4.3.1 蒸汽发生温度
• 4.3.2 冷凝温度
• 4.3.3 制冷蒸发温度
• 4.3.4 工质流量与过热度
• 4.4 关键部件设计参数对循环性能的影响
• 4.4.1 膨胀机膨胀比
• 4.4.2 喷射器喷射系数
• 4.5 热源参数对循环性能的影响
• 4.5.1 热源温度
• 4.5.2 热源流量
• 4.6 循环工质选择
• 4.6.1 概述
• 4.6.2 计算分析
• 4.6.3 循环效率比较
• 4.6.4 工作压力比较
• 4.6.5 工质对关键设备的影响
• 4.6.6 环保特性
• 4.6.7 总体考虑
• 4.7 两种发电制冷复合循环间的比较
• 4.8 本章小结
• 第5章 低温热源喷射式发电制冷复合循环实验研究
• 5.1 概述
• 5.2 实验系统
• 5.2.1 实验系统简介
• 5.2.2 系统主要设备介绍
• 5.2.3 仪表与测试系统
• 5.3 动力循环实验及测试结果
• 5.3.1 实验方法
• 5.3.2 实验结果
• 5.4 制冷循环实验及测试结果
• 5.4.1 实验方法
• 5.4.2 实验结果
• 5.5 复合循环工作性能实验及测试结果
• 5.6 本章小结
• 第6章 总结
• 6.1 结论
• 6.2 创新性
• 6.3 展望
• 附录
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间已发表论文
• 申请专利情况