变比热条件下低温热能有机朗肯循环性能分析.doc

中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:
变比热条件下低温热能有机朗肯循环
性能分析973项目(2011CB707202,2011CB710704),国家自然科学基金资助项目(51006002)资助
王伟,吴玉庭,马重芳
(北京工业大学环境与能源工程学院,传热强化与过程节能教育部重点实验室,传热与能源利用北京市重点实验室,北京,100124)
(Tel: **********,Email: wang_******@bjut.)
摘要:流体定压比热随温度变化会影响工质的吸热量,进而影响低温热能有机朗肯循环发电系统的热力性能。本文提出了有机朗肯循环热力学模型的流量修正方法,并以R134a为例进行了分析计算。结果表明,工质变比热对有机朗肯循环热力性能有明显影响。
关键词:低热热能,有机朗肯循环,变比热,窄点温差,热力性能
0引言
低温热能的高效利用是我国目前节能工作中亟需解决的关键问题,基于有机朗肯循环的低温热能发电系统被认为是最有前景的技术方向。然而,由于低温热能所含有的有用能非常有限,如何提高热效率是低温热能有机朗肯循环发电系统重要的研究内容,也是确保其能实用化的重要技术经济保障。从提高整个发电系统角度看,尽可能多地从低温热源吸热、降低冷凝温度、减少泵功消耗、尽可能获得高的膨胀机效率是主要的几个技术途径。然而不可能同时确保各个热力过程都处在最佳情况,因此需要进行优化。由于冷凝受环境温度的限制,通过降低冷凝温度来提高系统热力性能的潜力很小;而泵功消耗主要与工质热物性及系统形式有关。因此,提高系统热力性能的关键问题在于增加工质吸热量和提高膨胀机效率。
工质从热源的吸热量受工质热物性、低温热源、换热器形式、循环工况、技术经济性等多重因素影响。对于从低温热源吸热的换热过程,通常采用窄点温差作为传热的第一个约束条件,以避免因相变导致温度交叉的问题。王补宣等[1]分析了低温余热动力回收系统的技术经济性,提出在相同蒸发温度条件下工质的显热潜热比越大经济性越好,并指出在技术条件允许的情况下应尽量采用较小的换热器窄点温差。严家騄[2]提出了低温热能发电系统中工质选择的热力学原则和最佳工况的计算方法,提出应按照开式和闭式的低温热源类型分别选择工质类型和计算最佳工况点。换热器形式是此传热过程的第二个约束条件,传热系数、传热面积以及换热器的技术经济性均会影响吸热量。. Madhawa Hettiarachchi等[3]针对地热发电的工质的技术经济选择开展了研究,提出用系统总换热面积与净输出功的比值作为优化的目标函数,分析了4种不同的工质(氨、HCFC123、n-Pentane和PF5050)的热力性能。You-Rong Li等[4]开展了不同窄点温差对换热面积影响的研究。
低温热能有机朗肯循环系统中各种流体的传热能力均受到其定压比热的影响,对于低温热源来说,如锅炉烟气、导热油、热水等,锅炉烟气的定压比热远小于有机工质的定压比热,而导热油的定压比热大体与有机工质相当。而对于有机工质来说,随着温度的增加,定压比热增加,并且在接近临界点时急剧增加,而许多有机朗肯循环备选工质的临界点均处于低温的范围内。本文针对该问题进行分析,探讨工质的定压比热随温度变化对整个系统热力性能的影响。
1热力学模型
低温热能有机朗肯循环发电系统的示意图如图1所示。