【摘 要】
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有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle,ORC）在中低温热能（太阳能、地热能和生物质能及余热等）发电方面具有广阔的应用前景。在ORC系统中,换热设备（?）损和成本在系统中占主导地位,然而当前对于ORC系统的实验研究及换热设备的变工况运行特性的研究尚不够深入,准确获得变工况下换热器各区域传热、流动及不可逆损失分布和迁移特性,对于深入理解换热器变工况性能、优化设计换热器以匹配ORC系
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（No.51876043）,项目名称:基于分液冷凝主动调控非共沸工质组分的ORC；
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有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle,ORC）在中低温热能（太阳能、地热能和生物质能及余热等）发电方面具有广阔的应用前景。在ORC系统中,换热设备（?）损和成本在系统中占主导地位,然而当前对于ORC系统的实验研究及换热设备的变工况运行特性的研究尚不够深入,准确获得变工况下换热器各区域传热、流动及不可逆损失分布和迁移特性,对于深入理解换热器变工况性能、优化设计换热器以匹配ORC系统具有重要意义。本文基于对数平均温度差法和换热设备三区域原则,建立了ORC系统纯工质与非共沸工质的换热设备仿真模型,并通过了不同运行工况下的ORC系统实验数据的验证。该模型采用MATLAB软件编写,通过输入流体在换热设备进口的参数,利用二分法假设换热设备工质出口焓值,迭代计算直至换热面积与实际换热面积差值<1%。通过18组纯工质ORC系统换热设备的实验数据进行验证,结果表明94%的纯工质换热设备换热量仿真计算值误差处于±3%以内。通过34组非共沸工质ORC系统蒸发器和冷凝器的实验数据进行验证,结果表明97.1%和88.2%的蒸发器和冷凝器换热量仿真计算值误差处于±3%以内。实验验证结果表明建立的换热设备仿真模型具有较好的精度和可靠性。开展纯工质ORC系统换热设备传热特性实验与仿真辅助分析研究,探索正交设计下外部工况（冷、热源温差95-125℃）及内部工况（工质流量0.10-0.16 kg/s）变化对换热设备传热性能的影响。发现工质质量流量增加可以提高换热器的换热性能,在工质流量从0.10-0.16 kg/s情况下,蒸发器当量传热系数(Ueq,eva)提高了151.9%,蒸发区面积增加192%,冷凝器当量传热系数(Ueq,con)提高了38.2%,冷凝区面积增加33%。热源温度增加对蒸发温度增加有限,且冷源温度增加会造成冷凝温度增加,这都会引起换热设备的换热性能下降。实验与仿真研究非共沸工质ORC换热设备和系统的变工况特性,选用非共沸工质R245fa/R1234ze（E）（质量比0.25/0.75）,研究工质质量流量（0.10-0.14 kg/s）、热源温度（100-130℃）、冷源温度（10-25℃）的变化对换热设备传热特性和系统性能的影响。发现工质质量流量增加有益于蒸发温度的提高和过热度的下降,在工质流量从0.10-0.14 kg/s情况下,系统热效率提高了105.3%,Ueq,eva提高了74.5%,蒸发区面积增加68.7%,Ueq,con提高了30%,冷凝面积增加33%,而热源温度和冷源温度的提高则不利于换热设备的换热性能和系统热效率的提升。对比研究了基准工况下不同流量下（0.10-0.16 kg/s）非共沸工质ORC系统与纯工质ORC系统和不同组分比例非共沸工质ORC系统之间的差异。结果表明所有工质的ORC系统效率和换热设备换热性能都随着流量增加而增加,但是纯工质R245fa的ORC系统性能最好。非共沸工质R245fa/R1234ze（E）（0.75/0.25）、R245fa/R1234ze（E）（0.5/0.5）和R245fa/R1234ze（E）（0.25/0.75）的最高系统热效率分别为3.39%、4.38%、2.41%。非共沸工质R245fa/R1234ze（E）（0.5/0.5）的输出功和净功在0.16 kg/s时超过了纯工质R245fa,但是纯工质R245fa在所有流量下的系统热效率依旧最高,在0.12 kg/s时有最高热效率,为4.70%。变工况运行是ORC系统实际应用中不能避免的问题,实验和仿真研究了非共沸工质R245fa/R1234ze（E）（0.75/0.25）ORC系统基准工况下通过调节膨胀机转速（1650-1200 rpm）来改进变工况条件下的适应性。结果表明膨胀机转速1650-1200 rpm时,蒸发器的饱和液相温度提高了8.8℃,过热度也减少了7.7℃,系统热效率从2.59增加4.12,增幅达59%,Ueq,eva增加了7.6%,蒸发区面积增加14.1%,Ueq,con增加了2.4%,冷凝区面积增加5.8%,因此调节膨胀机转速能有效提高非共沸工质ORC系统在变工况下的适应性。
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