orc和kalina以及uehara循环的热力性能分析_毕业设计论文(编辑修改稿)

orc和kalina以及uehara循环的热力性能分析_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

到 2020 年因环境污染世界能源危机又逐渐受到重视，李远哲博士呼吁国人重视能源科技之开发，展开新一波的海洋温差发电开发任务。 2020~2020 年，天津大学完成了对混合式海洋温差能利用系统理论研究课题，并就小型化试验用 200W 氨饱和蒸汽透平进行了研究开发。 国家海洋局第一海洋研究所在 “十一五 ”期间重点开展了闭式海洋温差能利用的研究，完成了海洋温差能闭式循环的理论研究工作，并完成了250W 小型温差能发电利用装置的方案设计，并于 2020 年成功建成了我国第一个 15kw 实用温差能发电装置。 作为千 瓦级试验用温差发电装置，该项目填补了我国在此领域内的空白 [4]。 尽管如此，在海洋温差能的开发过程中，也存在着一些问题，这些问题严重影响着海洋温能发电进行大规模的使用： (1) 由于海洋温差比较小 （通常只有 20~25℃ 的温差 [5]） ，热力循环过程效率低 （通常在 3%至 5%）。 (2) 换热器防腐蚀和防生物附着。 由于在海水中，海洋温差系统中的换热器容易被海水腐蚀和海生物附着，发生腐蚀和生物附着后，换热器的换热效率就会大大降低。 同时如果为了防止腐蚀而选用抗腐蚀材料制作换热器又会大大增加换热器成本。 (3) 氨透平 的密封问题。 由于氨气是具有刺激性气味的有毒气体，在整个系统循环中应当尽量避免氨的泄漏。 而氨透平又是整个系统中带动电机速转动的设备，因此在保证氨透平内部静密封的密封性外，还必须保证其与电动机连接处的轴端密封能够很好地防止氨泄漏。 (4) 由于以上原因，在加上锚链系统、水下电缆、水上平台的建设成本等问题，导致发电成本过高。 海上闭式温差能发电装置的单位造价约是同规模陆上风电的 、水电的 、火力发电的 2倍、核电的 ，与生物质联合循环发电系统以及城市固体垃圾发电站的单位造价相当。 海洋温差能的发电成本 约为 /kWh，约为现有火力发电、天然气发电、核电以及陆上风电发电成本的 2倍 [6]。 海洋温差能转换发电系统 热带区域的海洋表层与几百至上千米深处存在着基本恒定的 20~25℃ 的温差，这就为发电提供了一个总量巨大且比较稳定的能源。 海洋温差发电的基本原理是利用海洋表面的温海水加热某些低沸点工质并使之气化，或通过降压使海水气化以驱动膨胀机发电。 同时利用从海底提取的冷海水将做功后的乏气冷凝，使之重新变为液体。 海洋温差发电的主要方式有三种，即闭式循环系统和开式循环系统，以及综合了两者优点的混合式 循环系统。 这三种循环系统中，技术上以闭式循环方案最接近商业化应用。 开式循环发电系统 开式循环系统如图 1 所示。 该系统主要由真空泵、冷水泵、温水泵、冷凝器、蒸发器、膨胀机、发电机组等组成。 真空泵将系统内抽到一定真空，起动温水泵把表层的温海水抽入蒸发器，由于系统内已保持有一定的真空度，所以温海水就在蒸发器内沸腾蒸发，变为蒸气。 蒸气经管道由喷嘴喷出推动膨胀机运转，带动发电机发电。 从膨胀机排出的废汽进入冷凝器，被由冷水泵从深层海水中抽上的冷海水所冷却，重新凝结为水，并排入海中。 在该系统中作为工质的海水 ，由泵吸入蒸发器蒸发到最后排回大海，并未循环利用，故该工作系统称为开式循环系 毕业设计（论文）报告纸 共 24 页 第 8 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 统。 在开式循环系统中，其冷凝水基本上是去盐水，可以做为淡水供应需要，但因以海水作工作流体和介质，蒸发器与冷凝器之间的压差非常小，因此必须充分注意管道等的压力损耗，同时为了获得预期的输出功率，必须使用极大的膨胀机。 图 1 开式循环示意图 闭式循环发电系统 闭式循环发电系统，又称中间介质法，该系统主要由真空泵、冷水泵、温水泵、冷凝器、蒸发器、工质泵、涡轮机 发电机组等部分组成，如图 2 所示。 该系统不以海水而采用一些低沸点的物质（如丙烷、异丁烷、氟利昂、氨等）作为工作流体，在闭合回路中反复进行蒸发、膨胀、冷凝。 因为系统使用低沸点工作流体，蒸气的压力得到提高。 系统工作时，温水泵把表层温海水抽上送往蒸发器，通过蒸发器内的盘管把一部分热量传递给低沸点的工作流体，例如氨水，从温海吸收足够的热量后开始沸腾并变为气（ ℃ 下，氨气饱和压力约为 104Pa）。 氨气经过透平的叶片通道，膨胀作功，推动蒸发器旋转。 蒸发器排出的氨气进入冷凝器，被冷水泵抽上的深层冷海水冷却后重新变为液态氨，用氨泵把冷凝器中的液态氨重新 压进蒸发器，以供循环使用。 闭式循系环统的工作流体要根据发电条件（冷凝器条件、热交换器条件）以及环境条件等来决定。 现在已用氨、氟利昂、丙烷等工作流体，其中氨在经济性和热传导性等方面有突出优点，很有竞争力，但在管路安装方面还存在一些问题。 闭式循环系统的优点是： (1) 可采用小型冷凝器，整套装置可以实现小型化。 (2) 海水不用脱气，免除了这一部分动力需求。 其缺点是：因为蒸发器和冷凝器采用表面式换热器，导致这一部分体积巨大，金属消耗量大，维护困难。 毕业设计（论文）报告纸 共 24 页 第 9 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 图 2 闭式循环示意图 混合循环发电系 统 混合循环系统如图 3 所示。 该系统基本与闭式循环相同，但用温海水闪蒸出来的低压蒸汽来加热低沸点工质。 这样做的好处在于减少了蒸发器的体积，可节省材料，便于维护。 开式循环再发电的同时可以得到淡水，而闭式循环系统由于使用了低沸点工质，使整个装置，特别是透平机组的尺寸大大缩小。 OTEC 用的透平与普通电厂用的透平不同，电厂透平的工质参数很高，而 OTEC 用透平的工质压力温度都相当低，且焓降小。 大型 OTEC 装置一般采用轴流式透平。 混合循环系统综合了开式和闭式循环系统的优点，它以闭式循环发电，同时生产淡水。 图 3 混 合循环示意图 关于 Refprop 本文选取 Refprop 软件对各工质物性进行计算。 Refprop 软件提供各种制冷剂的参数查询，焓值、压力对应的饱和温度、压焓图等功能，给出了一些碳氢化合物的性质和饱和特性曲线。 采用美国 NIST 的 REFPROP 软件分析了这些碳氢化合物在冷凝温度一定时的循环特性，包括压缩特性，即压缩比及等熵压缩后制冷剂蒸汽温度与蒸发温度之间的关系；循环的热力学特性，即循环卡诺效率与蒸发温度之间的关系；以及单位体积制冷量与蒸发温度之间的关系。 讨论了碳氢化合物的可燃 性。 指出碳氢化合物是一类有潜力的性能优良而又无公害的制冷 毕业设计（论文）报告纸 共 24 页 第 10 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 剂替代物，可以用于许多小型的制冷系统中。 因此一个专业的查询物性的软件，是进行制冷和工质热物性运算必须的工具。 本文研究内容 本文主要研究了有机朗肯循环、 kalina 循环、上原循环的循环原理及其循环效率的计算方法。 并计算了在同一条件下使用不同工质对有机朗肯循环效率的影响，膨胀机效率对有机朗肯循环效率的影响，热源温度对有机朗肯循环效率的影响，氨的质量浓度对 kalina 和上原循环效率的影响，并对三种循环做出了比较分析。 2 有机朗肯循环 有机 朗肯循环的原理 常规的朗肯循环系统以水一水蒸汽作为工质，系统由锅炉、汽轮机、冷凝器和给水泵 4组设备组成。 工质在热力设备中不断进行等压加热、绝热膨胀、等压放热和绝热压缩 4个过程，将高温高压水蒸汽的热能转化为机械能进而转化为电能。 有机朗肯循环与常规的蒸汽朗肯循环类似，只是采用的是低沸点有机物作为工质。 该循环系统由蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质泵组成，如图 1所 示。 工质在蒸发器中从低温热源中吸收热量产生有机蒸汽，进而推动膨胀机 做功 ，带动发电机发电，在膨胀机中做完功的乏气进入冷凝器中重新冷却为液体，由工质泵打入蒸发器， 完成一个循环 ，如图 4所示。 图 4 有机朗肯循环的循环示意图 毕业设计（论文）报告纸 共 24 页 第 11 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 图 5 理想状态有机朗肯循环的 TS图 理想的有机朗肯循环过程 TS图如图 5所示。 在正常工作时，工质处于稳定流动状态， 循环各热力过程及能量关系如下 [7]： (1) 等压吸热过程 (4— 5— 6— 1)。 有机工质在蒸发器中被余热流预热、蒸发、汽化，工质吸收的热量为： 1 1 4 (kJ/kg )q h h (2) 等熵膨胀过程 (1— 2s)。 工质对外输出的功为： 12 (kJ/kg )TsW h h (3) 等压放热 过程 (2s一 3)。 由膨胀机排出的乏气进入冷凝器被冷却工质 (一般为循环水 )冷凝，工质放出的热量为： 2 2 3 (kJ/kg )sq h h (4) 等熵压缩过程 (3— 4)。 冷凝后的液体工质进入储液罐，通过工质泵升压并送至蒸发器，工质泵 对工质做的功为： 43 (k J k g )PW h h ／ 则理想循环的热效率为 ： 1 2 4 3 1 4[ ] / ( )sh h h h h h     （ ） 在实际的热力循环中，所有过程都是不可逆的。 尤其是有机蒸汽在膨胀机内的膨胀过程与理想的等熵膨胀差别相当显著，所以实际的 有机朗肯循环为 1—2—3—4—5—6一 1，如图 6所示。 实际循环的热效率为： 1 2 4 3 1 4[ ] / ( )h h h h h h  （ ） 毕业设计（论文）报告纸 共 24 页 第 12 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 图 6 实际状态有机朗肯循环的 TS图 图 7为有回热的有机朗肯循环系统的温熵图。 与没有回热 的过程 相比 ， 增加了在回热器中的两个热力过程：过热乏气的等压放热过程 2一 a、过冷液体的等压吸热过程 4一 b。 且工质在蒸发器中的吸热过程为 b一 1，在冷凝器中的放热过程为 a一 3。 实际循环的热效率为： 1 2 4 3 1[ ] / ( )bh h h h h h  （ ） 图 7 带回热的有机朗肯循环的 TS图 有机朗肯循环 效率的影响因素 循环效率是循环中最为重要的参数之一，它对循环的经济效益有着重要的影响。 如何提高一个循环的循环效率和寻找更高循环效率的循环始终是海洋温差能研究的重要课题。 本文就工质、膨胀机效率和热源温度这三个方面对循环效率的影响进行了研究。 工质 种类 的影响 工质是有机朗肯循环的一个重要组成部分，工质的不同对循环效率有着深远的影响。 工质的筛选应尽量满足如下要求： (1) 工质的安全性 (包括毒性、易燃易爆性、对设备管道的腐蚀性等 )，为了防止操作不当等原因导致的工质泄漏致 使工作人员中毒，应尽量选择毒性低的流体。 (2) 环保性能，很多有机工质都具有不同程度的大气臭氧破坏能力和温室效应，要尽量选用没有破坏和温室效应低的工质，如。