低品位热能驱动的小型冷电联供系统的性能研究-动力工程及工程热物理专业论文.docxVIP

上海交通大学硕士学位论文 上海交通大学硕士学位论文 摘要 摘要 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 低品位热能驱动的小型冷电联供系统的性能研究 摘 要 本文提出了一套利用低品位热能驱动的冷电联供系统，是由有机朗肯循环 (ORC)与氯化钙/氯化钡-氨两级吸附制冷系统组成，热流体首先驱动 ORC 发电系 统，然后驱动两级吸附式制冷机。该冷电联供系统主要针对的对象是地热以及工 厂废热的利用，这两种情况下热流体往往是需要回流到地下或者直接排放到环境 中，因而较高的排放温度将影响到热量的利用效率。该冷电联供系统能有效地降 低热流体的排放温度，从而实现热量的梯级利用，提高了热量的利用效率。该冷 电联供系统是以输出冷量为主，输出电量为辅，输出电量主要用于补给系统自身 的耗电，目的是实现系统耗电的自给自足。具体研究内容如下： （1）首先构建了低品位热能驱动的冷电联供系统，由传统小型有机朗肯循环 与氯化钙/氯化钡-氨两级吸附式制冷系统组成。对于发电部分建立了传统小型 ORC 系统的热力学和传热模型，并搭建了压缩空气推动的涡旋式膨胀机旋转做功 的测试台。测试结果表明，膨胀机进口压力从 0.5 MPa 增加到 1.0 MPa，膨胀机等 熵效率在 0.62-0.7 之间波动，发电量从 70 W 增加到 300 W。依据实验所得到的等 熵效率建立了 ORC 系统模型，利用 MATLAB 编程，模拟了在采用制冷剂工质 R245fa 条件下的性能。模拟结果表明，热源温度为 105℃时，蒸发压力从 0.5MPa 增加到 1MPa 时，系统的能量效率和火用效率都随着蒸发压力的增加而增加，变化 范围分别是 4.36%-6.57%、19.2%-28.8%；回热器能够轻微地提高系统的能量效率 及火用效率。对于制冷部分，选择氯化钙/氯化钡-氨两级吸附制冷系统与 ORC 系统 相匹配。依据先前实验测试氯化钙/氯化钡-氨两级吸附制冷工质对的吸附性能数据 及建立的两级吸附制冷机组的数学模型，模拟了不同热源温度对系统性能的影响。 当热源温度从 70℃增加到 90℃，蒸发温度为 5℃时，系统的 COP 基本维持在 26% 左右，系统火用效率从 20.1%降低到了 14.2%。基于对发电部分和制冷部分的分析， 冷电联供系统在实现冷电联供的同时，可以有效地降低热流体的排放温度，提高 I 整个系统的热量火用效率。 （2）搭建了一台小型有机朗肯循环的实验系统，研究了热源温度在 105℃时 系统的性能，同时基于课题组先前搭建的氯化钙/氯化钡-氨两级吸附制冷系统，测 试了蒸发温度为-10℃，热源温度从 75℃增加到 90℃时系统的制冷量。实验结果 显示：膨胀机进口压力为 0.61MPa 时，系统的最大能量效率和最大火用效率分别是 3.2%和 16.9%，此时膨胀机的等熵效率为 0.553，系统的最大输出功为 151W；实 验研究发现，当回热器处于工作模式，膨胀机排气在回热器中发生了部分冷凝， 膨胀机出口压力在短时间内急剧增加，导致了性能的恶化，回热器不仅不能够提 高系统的能量利用效率，反而恶化了系统的性能。对氯化钙/氯化钡-氨两级吸附冷 冻机组的测试结果显示：热源温度为 90℃，蒸发温度为-10℃时，系统的制冷量和 COP 分别是 1.29kW 与 17.6%。基于对 ORC 的实验数据的分析，发现 ORC 系统 中的工质泵的效率比较低，系统工质泵的耗电极大地抵消了系统自身的发电量， 导致了 ORC 系统净输出电量比较小。本文研发小型 ORC 系统的目的是为了补给 冷电联供系统自身的耗电，而实验结果显示小型 ORC 系统补给电量的较小。因此 使用传统小型 ORC 系统作为低品位驱动冷电联供系统的发电部分是不理想的，于 是提高 ORC 系统的净发电量，对于该冷电联供循环是十分关键。 （3）针对传统小型 ORC 系统中工质泵带来的问题，提出了一套无泵 ORC 系 统，相比与传统 ORC 系统，减少了高压工质泵这一部件，系统更加简单，成本更 低，结构更加紧凑。同时本文建立了无泵 ORC 系统的热力学模型，详细阐述了无 泵 ORC 系统的工作过程，并进行了热力学模拟仿真计算和实验研究；新型无泵 ORC 系统是一种间歇的工作过程，分为预热阶段及膨胀机输出功阶段，系统只在 第二个阶段输出功；理论计算得，当热源温度是 95℃，系统平均输出功及能量效 率分别是 375W、5.87%；实验结果显示，热源温度为 95℃时，系统最大输出的轴 功为 361.0W，平均输出功为 155.8W。尽管无泵 ORC 系统中三个切换阀门也会消 耗电量，降低系统净输出的电量，但是阀门耗电只发生在切换的时候，切换时间 非常短，实现了系统较大的净输出功，因此无泵 ORC 系统可以补给冷电联供系统 的耗电。 II （