常用有机朗肯循环工质热稳定性研究

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1、常用有机朗肯循环工质热稳定性研究第1章绪论1.1课题研究背景我国地域辽阔，能源储量较大，尤其是以煤、石油及天然气为主的化石能源较为充足。但能源消耗量的不断增加以及能源的过度开发等原因，使得我国能源问题正面临着严峻的挑战。其中首要的挑战是我国能源的相对短缺。虽然我国地域辽阔、能源储量大，但由于人口众多使得我国人均占有量低于世界人均水平。据统计，我国人均煤炭占有量近似于世界人均水平的1/2左右，而天然气和石油人均占有量仅为世界人均水平的6.7%[1]。随着我国经济快速发展和人口不断增长，煤、石油和天然气等化石能源的消耗量随之在不断增长，同时还产生了大量的余热，其中

2、包括烟气、蒸汽和热水等余热资源。我国大中型企业的余热资源利用率约为45%，而世界先进企业的余热资源利用率可达90%，所以回收余热具有巨大的节能潜力[2]。余热资源按其热源温度范围可划分为三类：高温余热即热源温度高于500°C的余热，中温余热即热源温度在200°C～500°C范围内的余热、低温余热即热源温度低于200°C的烟气和低于100°C的液体余热[3]。余热资源可通过多种方式回收，总体而言可主要分为两类即动力回收及热回收。动力回收为利用余热产生电能或机械能，例如水泥厂利用的余热发电便是此方法。而热回收则是对余热的直接

3、利用，例如燃烧过程产生的余热可通过此方法回收[4]。目前对于利用热源温度在350°C以上余热资源的汽轮机发电技术已经比较成熟，而对于150°C~350°C范围的热能利用技术还不成熟，有着较大的发展潜力[5]。对于高温余热可以以水为循环工质驱动汽轮机带动发电机组运转来加以回收利用。而中低温余热则不能很好的利用，利用有机朗肯循环可将这部分余热转化为机械能或电能，提高能源的利用率[6]。国内外研究表明，与有机朗肯循环相比水蒸气朗肯循环在利用中低温余热时是不经济的。在中低温情况下水蒸气作为一种湿流体，在朗肯循环的膨胀过程中部分循环工质处于气液共

4、存态，无法保证工质通过膨胀机后的干度，进而将可能出现水击现象损坏汽轮机[7]。而有机工质不但沸点低，易产生高压蒸汽且其蒸发潜热比水小的多，易保证其通过膨胀机后的干度亦有利于提高余热回收率。.......1.2有机朗肯循环系统ORC系统主要部件包括膨胀机、冷凝器、工质泵及蒸发器。循环工质在通过蒸发器后，吸收热源提供的热量，形成高温高压蒸汽后进入膨胀机做功，做功后的低温低压蒸汽进入冷凝器中放热冷凝成液体，冷凝后的液体再通过工质泵加压后进入蒸发器，从而完成一个封闭的循环。以有机工质替代水作为朗肯循环系统的循环工质有如下优点[9-12]：（1）有机工质凝固点较低，在低

5、温下仍能冷凝放出能量，即有机朗肯循环系统中的冷凝器即使在寒冷环境中作业也无需增设防冻设施。（2）有机工质基本都是干流体或等熵流体，无需过热处理过程且能保证其在膨胀机出口的干度，不会形成液滴，造成系统设备的水击损害。（3）有机工质的种类多，可根据实际情况选择最为合适的循环工质，有利于提高系统的总体效率。（4）有机工质声速低，噪声小。（5）有机工质的沸点低，易产生高压蒸汽。（6）与水相比，有机工质的蒸发潜热小很多，因此干工质在以中低温余热为热的情况下，热回收率亦较高。（7）由于有机工质的特性，所需系统工作压力低。......第2章ORC工质的选择及其热稳定性分析方

6、法本文选取了13种臭氧破坏潜值小及温室效应潜值低的常用有机工质为本文的研究对象。介绍了其基本物性参数，建立了研究有机工质热稳定性的理论分析方法，并采用基团贡献法得到了考察工质所需的物性参数。2.1有机朗肯循环系统工质的选择有机朗肯循环系统能否稳定、高效的运行主要取决于所选择的有机工质。理想的ORC工质应遵从以下几点：（1）具有良好的环保性能。即选择无或低臭氧破坏能力的有机工质和温室效应潜值低的有机工质。（2）具有良好的化学稳定性。有机工质在达到一定温度时，必会发生热解。分解可能产生易燃易爆的物质，或具强腐蚀性的物质，会对设备造成一定的损坏，进而影响系统循环性能

7、的长久性与经济性。且分解可能会产生有毒气体，对人体也会造成危害。所以应尽量选择化学稳定性良好的工质。（3）具有良好的物性参数。对于工质的凝固温度，应尽量小于ORC过程中的最低循环温度。对于工质的临界温度，应保证工质的临界温度不能过低，以免导致凝结压力过大。对于工质的气化潜热，也应该保证有较大的气化潜热。（4）具有良好的换热性和流动性。工质选择中应尽量选择换热系数高且粘度系数低的工质，这样可提高换热效率和减小流动过程中的损耗，从而可提高系统的发电效率。（5）价格低，便于购买[45-46]。在实际应用中，需要结合热源情况，综合考虑上述因素，以选择较为合适的工质。.

8、.....2.2理论分析方法本章阐述了