利用低温余热的有机朗肯循环性能分析及其工质优选

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1、复合因子分层圆周角，rad圆管干燥角，rad下标工质的密度，埏·m．3hf导热系数，W·m-1．K。1wf工质的动力粘性系数，Pa．Scf工质的表面张力，N·m～in效率out圆管横截面气体所占面积的比例分数P，均相气体面积比例分数eRouhani-Axelsson气体面积比例分数eX对数平均气体面积比例分数cⅥII热源流体工质冷却水入口出口泵蒸发器膨胀器冷凝器衄呵，y钆铀p五∥盯蟹g气％硕士学位论文1绪论1．1研究背景和意义近几年，在2008年全球性金融危机爆发后，世界各国经济有所复苏，全球GDP平均以4％左右的年率扩

2、张。根据国际货币基金组织2012年1月发布的《世界经济展望最新预测》，2010年和2011年全球GDP增长率分别为5．2％和3．8％，其中，我国以10．4％和9．2％的GDP增长率位居世界首位【lJ。经济的复苏有利于社会的发展，但同时也加大了化石燃料的日益消耗。2012年6月公布的BP世界能源统计年鉴表明，2010年和2011年的全球能源消费量分别增长了5．1％和2．5％，其中化石燃料在能源消费中的份额高达87％。2011年全球石油、天然气和煤炭的开采量分别为2343亿吨、208．4万亿立方米和860938百万吨，按照此

3、开采速率，它们将会在54．2年、63．6年和112年后开采完。我国的情况更为严峻，石油、天然气和煤炭的开采年限仅为9．9年、29．8年和33年【2J。2011年我国GDP约为7．30万亿美元，一次能源消费总量为26．13亿吨油当量。我国GDP占世界GDP总量的10．47％，但为此消耗的能源却占世界能耗总量的21．29％。2011年世界GDP排名前四的国家的GDP及所消耗的一次能源总量如表1．1所示【1,2J。统计表明，我国万元GDP能耗是世界平均水平的2．03倍，美国的2．38倍，德国的4．18倍，日本的4．40倍。我国

4、工业能耗占全社会能耗的70％以上，工业能耗高是导致我国单位GDP能耗高的主要原因。而工业能耗的60％一65％都转化为了载体不同、温度不同的余热，其中，中低温余热数量极其庞大【3。5J。面对如此严峻的能源危机和较高的GDP能耗，寻找新能源和研发节能新技术己成为我国经济可持续发展的必由之路。就我国目前形势而言，发展地热能和太阳能等可再生清洁能源，回收工业过程量多面广的中低温余热资源不仅能有效缓解国内能源供应紧张的局面，而且还有利于改善环境污染等问题。表1-12011年中国等四国的GDP及一次能源消耗量在中低温余热高效回收利用

5、的各种方法中，利用中低温余热发电是目前研究的热点。中低温余热热电转换方式主要采用传统的水蒸气朗肯循环和低沸点工质有机朗肯循1硕士学位论文1绪论环。这两种朗肯循环由于采用工质的物性不同，导致循环系统和热力性能相差甚大。低沸点有机工质在较低温度的余热加热下便能产生压力较高的蒸汽，推动透平做功，因而具有较高的能量转化效率【6，71。采用传统水蒸汽动力循环时，为了避免水中溶氧对锅炉本体、换热设备和输送管道的化学腐蚀，须对锅炉的给水进行除氧处理。为了防止水中钙镁溶盐在换热设备及管道中产生结垢而带来传热恶化等严重问题，须对给水和锅水

6、进行严格的化学软化处理。由于在凝汽器中具有很高的真空度，为了维持凝汽器中的真空度，必须专门设置真空维持系统。由于水是饱和蒸汽的比熵随饱和温度增加而减小的湿流体，为了避免蒸汽在透平膨胀末级的湿度过大，对叶片产生冲腐，进入透平的蒸汽势必具有较大的过热度，所以必须增设过热器及在透平膨胀过程中间采用再热措施，这些都造成了系统构成的复杂性。同时，由于工质在过热蒸汽状态下的对流换热系数远小于液态时，所以会大大增加余热锅炉的总体传热面积【8】。值得指出的是，水蒸汽的比体积在透平出口时远大于进口时，从而导致透平末级的流通面积很大，透平整

7、体尺寸庞大，耗费钢材。同时，低沸点工质的有机朗肯循环不需要设置除氧系统和除盐系统，而且由于低沸点工质在凝汽器中的饱和压力一般均高于外界大气压力，也不需要设置真空维持系统。因此，有机朗肯循环的构成要简单得多，可降低余热回收的初始投资，使低温余热动力回收系统的经济性得到较大的提高。工业过程排放的大部分余热、地热能和太阳能等均属于低温热源，而在中低温余热热电转换领域，使用低沸点有机工质的有机朗肯循环(organicRankinecycle，ORC)是高效回收中低温余热的理想途径，且其余热回收效率与循环参数及使用工质密切相关，因

8、此，对利用低温余热的有机朗肯循环进行性能分析与工质优选具有重要的现实意义和广泛的应用前景。1．2有机朗肯循环及工质1．2．1有机朗肯循环有机朗肯循环通常包括泵、蒸发器、膨胀器和冷凝器四个部分，如图1-1所示。经冷却介质冷却后的工质通过泵输送到蒸发器(过程1—2)，与热源流体经热交换后成为饱和蒸汽或过热蒸汽(过程2—3