低温热能发电ORC原理

有机朗肯循环技术有机朗肯循环技术中的几个问题探讨中的几个问题探讨 汇报人：汇报人：王辉涛王辉涛 教授教授昆明理工大学冶金节能减排教育部工程研究中心昆明理工大学冶金节能减排教育部工程研究中心 ContentsF研究背景研究背景1F中低温热能有机朗肯循环原理中低温热能有机朗肯循环原理2F循环工质的选择及物性研究循环工质的选择及物性研究 3F有机工质的传热及其强化有机工质的传热及其强化 5FF有机朗肯循环热力系统优化设计方法有机朗肯循环热力系统优化设计方法6F有机朗肯循环样机的研制有机朗肯循环样机的研制7F膨胀设备的选择膨胀设备的选择4 节能减排节能减排是缓解能源及环境危是缓解能源及环境危机的重要举措，机的重要举措，余热回收、太阳能余热回收、太阳能及及生物质能生物质能的高效利用是节能减排的高效利用是节能减排的重要环节。而利用的重要环节。而利用300300以下以下数量数量巨大的中低温余热、太阳能和生物巨大的中低温余热、太阳能和生物质能发电则是重点与难点。研究质能发电则是重点与难点。研究中中低温热能高效发电技术低温热能高效发电技术，意义重大，意义重大。研究背景研究背景 中低温热能发电中低温热能发电的两种主要热力循环的两种主要热力循环 水蒸汽朗肯循环水蒸汽朗肯循环有机朗肯循环有机朗肯循环(O Organic rganic R Rankine ankine C Cyclesycles)ORC系统系统的主要优点：的主要优点：构成简单构成简单;具有较高的效率具有较高的效率;缩小透平尺寸缩小透平尺寸;简化蒸汽发生器的结构；简化蒸汽发生器的结构；装机容量可大可小，在几装机容量可大可小，在几kW-1kW-1万万kWkW范围内均具较高效率范围内均具较高效率;在寒冷地区的冬季，能最大限度利用冷、热端的温差高效运行在寒冷地区的冬季，能最大限度利用冷、热端的温差高效运行;能使系统中各点的压力均高于或与外界大气压接近，防止空气漏人能使系统中各点的压力均高于或与外界大气压接近，防止空气漏人;能实现全自动无人值守运行。能实现全自动无人值守运行。研究背景研究背景ContentsF研究背景研究背景1F中低温热能有机朗肯循环原理中低温热能有机朗肯循环原理2F循环工质的选择及物性研究循环工质的选择及物性研究 3F有机工质的传热及其强化有机工质的传热及其强化 5FF有机朗肯循环热力系统优化设计方法有机朗肯循环热力系统优化设计方法6F有机朗肯循环样机的研制有机朗肯循环样机的研制7F膨胀设备的选择膨胀设备的选择4有机工质有机工质蒸汽发生器蒸汽发生器工质加压泵工质加压泵(一一)单级单级ORC循环循环有机朗肯循环原理有机朗肯循环原理低温余热发电低温余热发电ORC系统原理图系统原理图无排汽回热无排汽回热措施的措施的ORC循环循环 带排汽回热带排汽回热措施的措施的ORC循环循环 有机朗肯循环原理有机朗肯循环原理需注意回热器的阻力对透平性能的影响 有机朗肯循环的冷端可采用有机朗肯循环的冷端可采用风冷风冷、水冷水冷或或蒸发式冷凝蒸发式冷凝方式。为了提高有方式。为了提高有机朗肯循环的性能机朗肯循环的性能:对于室外空温度低于对于室外空温度低于00的寒冷地区，需采用的寒冷地区，需采用风冷风冷方式；方式；对于室外空气的干球与湿球温度相差较大的地区，宜采用对于室外空气的干球与湿球温度相差较大的地区，宜采用水冷水冷方式；方式；对于室外空气的干球与湿球温度相差较大且干旱缺水地区，可采用对于室外空气的干球与湿球温度相差较大且干旱缺水地区，可采用异形高效异形高效传热管的蒸发式冷却传热管的蒸发式冷却方式。方式。水冷冷端水冷冷端风冷冷端风冷冷端蒸发式冷凝冷端蒸发式冷凝冷端有机朗肯循环原理有机朗肯循环原理 当热源温度在当热源温度在200200以上时，以上时，采用采用多级复叠机朗肯循环多级复叠机朗肯循环能获得能获得较高的效率：较高的效率：在多级复叠机朗肯循环的顶循环在多级复叠机朗肯循环的顶循环使用使用沸点高沸点高的有机工质，的有机工质，在多级复叠机朗肯循环的底循环在多级复叠机朗肯循环的底循环使用使用沸点低沸点低的有机工质。的有机工质。此外还此外还可利用可利用顶循环透平排气进行制冷及顶循环透平排气进行制冷及制热制热，在一套装置里实现，在一套装置里实现冷热电联冷热电联供供，实现中低温热能的，实现中低温热能的梯级利用梯级利用。双级双级ORCORC冷热电联供冷热电联供有机朗肯循环原理有机朗肯循环原理（二）多级（二）多级ORC及冷热电联供系统及冷热电联供系统有机朗肯循环原理有机朗肯循环原理 以以聚焦太阳能发电两级复聚焦太阳能发电两级复叠叠ORCORC系统系统为例，在使用为例，在使用Therminol VP-ITherminol VP-I导热油导热油作中间作中间流体的情况下，其计算结果见流体的情况下，其计算结果见下表：下表：工质匹配工质匹配导热油温导热油温热效率热效率环己烷环己烷/丁丁烷烷293 31.3%甲苯甲苯/丁烷丁烷293 32.5%甲苯甲苯/丁烷丁烷390 36.0%当热源温度在当热源温度在200200以上时，以上时，采用采用多级复叠机朗肯循环多级复叠机朗肯循环能获得能获得较高的效率：较高的效率：在多级复叠机朗肯循环的顶循环在多级复叠机朗肯循环的顶循环使用使用沸点高沸点高的有机工质，的有机工质，在多级复叠机朗肯循环的底循环在多级复叠机朗肯循环的底循环使用使用沸点低沸点低的有机工质。的有机工质。此外还此外还可利用可利用顶循环透平排气进行制冷及顶循环透平排气进行制冷及制热制热，在一套装置里实现，在一套装置里实现冷热电联冷热电联供供，实现中低温热能的，实现中低温热能的梯级利用梯级利用。ContentsF研究背景研究背景1F中低温热能有机朗肯循环原理中低温热能有机朗肯循环原理2F循环工质的选择及物性研究循环工质的选择及物性研究 3F有机工质的传热及其强化有机工质的传热及其强化 5FF有机朗肯循环热力系统优化设计方法有机朗肯循环热力系统优化设计方法6F有机朗肯循环样机的研制有机朗肯循环样机的研制7F膨胀设备的选择膨胀设备的选择4（一）工质选择的注意事项（一）工质选择的注意事项 环保性能环保性能 尽量选用没有破坏和温室效应低的工质，如尽量选用没有破坏和温室效应低的工质，如HFCHFC类、类、HCHC类、类、FCFC类碳氢化合物物或其卤代烃类碳氢化合物物或其卤代烃 。化学稳定性。化学稳定性。循环热力参数应控制在工质不发生热分解之循环热力参数应控制在工质不发生热分解之范围。范围。工质的安全性。工质的安全性。包括毒性、易燃易爆性、对设备管道包括毒性、易燃易爆性、对设备管道的腐蚀性等。的腐蚀性等。但要辩证对待工质的可燃性。但要辩证对待工质的可燃性。合适的临界参数、标准沸点及凝固温度。合适的临界参数、标准沸点及凝固温度。热源温度较高时，热源温度较高时，尽量选临界温度较高的工质。尽量选临界温度较高的工质。满足：满足：pe,max=0.005MPape,max=0.005MPa 循环工质的选择及物性研究循环工质的选择及物性研究 液态及气态密度较大。液态及气态密度较大。降低输送泵功，减少管道及设备降低输送泵功，减少管道及设备尺寸。尺寸。汽化潜热较大。汽化潜热较大。H HV V较大，循环效率较高，对于有机工质来较大，循环效率较高，对于有机工质来说，说，H HV V较大的流体接近于等熵流体较大的流体接近于等熵流体。液态定压比热尽量低。液态定压比热尽量低。C Cplpl越低，饱和液线越接近垂直，越低，饱和液线越接近垂直，工质的吸热过程也接近等熵线，循环也越接近卡诺循环，工质的吸热过程也接近等熵线，循环也越接近卡诺循环，易取得较高效率易取得较高效率。循环工质的选择及物性研究循环工质的选择及物性研究 工质的换热及流动性能。工质的换热及流动性能。一般尽量选用对流换热系数高、一般尽量选用对流换热系数高、粘度较低、流动阻力小的循环工质粘度较低、流动阻力小的循环工质 。价格、成本要求价格、成本要求 。循环工质应廉价、易购买。换热循环工质应廉价、易购买。换热设备及管路系统的设计要尽量减少工质的充灌量。设备及管路系统的设计要尽量减少工质的充灌量。工质的选择应在对系统性能进行全面分析与优化的原工质的选择应在对系统性能进行全面分析与优化的原则下进行，且不同的评价指标所优选的工质会有不同。则下进行，且不同的评价指标所优选的工质会有不同。一般，在热源温度较低时，尽量选择干流体或等熵流体，一般，在热源温度较低时，尽量选择干流体或等熵流体，且以饱和蒸汽进膨胀机，此时单位热源质量流量输出功且以饱和蒸汽进膨胀机，此时单位热源质量流量输出功率最大。率最大。循环工质的选择及物性研究循环工质的选择及物性研究 此外，应：此外，应：（1）加大对一些较稳定的自然工质）加大对一些较稳定的自然工质ORC系统的开发。系统的开发。如如CO2、甲烷、甲烷、NH3，尤其是，尤其是NH3、甲烷，其传热较好、甲烷，其传热较好、ORC系统的压力不高，在热源温度较高时，可以采用较系统的压力不高，在热源温度较高时，可以采用较大的过热度，获得较高的效率。大的过热度，获得较高的效率。（2 2）加大对混合工质）加大对混合工质ORCORC系统的开发。系统的开发。尤其是加大环保型尤其是加大环保型非共沸工质、非共沸工质、COCO2 2+环保型有机工质非共沸混合体系的热物性环保型有机工质非共沸混合体系的热物性研究。研究。（3 3）加大对防工质泄漏技术措施的研究，系统设计应考虑）加大对防工质泄漏技术措施的研究，系统设计应考虑事故及正常维修情况下工质的回收措施，研究一些性能优越事故及正常维修情况下工质的回收措施，研究一些性能优越过渡工质（如过渡工质（如HCFC123)HCFC123)的收集及无害化利用、处理技术。的收集及无害化利用、处理技术。经研究表明，选用恰当的组元，当混合体系的组经研究表明，选用恰当的组元，当混合体系的组元数超过元数超过3 3时，在泡露点间的汽液两相区，混合工质的时，在泡露点间的汽液两相区，混合工质的比焓与温度间趋于比焓与温度间趋于线性线性依变关系，便能最大限度减少依变关系，便能最大限度减少温差传热不可逆损失。因此，使用热力性能优良的温差传热不可逆损失。因此，使用热力性能优良的混混合工质合工质是改善是改善ORCORC系统的重要措施。尤其是在采用风冷系统的重要措施。尤其是在采用风冷冷端、或冷却介质进出口温差较大的情况下，使用冷端、或冷却介质进出口温差较大的情况下，使用非非共沸混合工质共沸混合工质可在保证所需传热温差的条件下，减少可在保证所需传热温差的条件下，减少温差传热不可逆损失，使系统获得较高的效率。温差传热不可逆损失，使系统获得较高的效率。（二）混合工质热力性质的计算方法（二）混合工质热力性质的计算方法循环工质的选择及物性研究循环工质的选择及物性研究 多元混合工质研究的多元混合工质研究的重点和难点重点和难点在于工质物性在于工质物性的预测计算。因许多有机工质都是非极性物质，本的预测计算。因许多有机工质都是非极性物质，本项目研究选用通用性很好、国际上研究比较成熟、项目研究选用通用性很好、国际上研究比较成熟、形式简单的立方形状态方程形式简单的立方形状态方程PRPR（PENG-ROBINSON)PENG-ROBINSON)方方程程,其余热力学导出参数其余热力学导出参数(焓、熵、自由能、逸度焓、熵、自由能、逸度),),均采用均采用余函数方程余函数方程进行计算进行计算,对于混合工质采用对于混合工质采用Vander WaalsVander Waals混合规则，这样便于程序设计和混合规则，这样便于程序设计和ORCORC系统性能的仿真研究。系统性能的仿真研究。循环工质的选择及物性研究循环工质的选择及物性研究 Vander Waals 混合规则混合规则导出参数导出参数 (其中自由能、比熵、比焓采用余函数方程计算）1).逸度系数逸度系数Peng-Robinson 状态方程状态方程2).比自由能比自由能3).比熵比熵4).比焓比焓5).理想气体理想气体基准参数基准参数循环工质的选择及物性研究循环工质的选择及物性研究 混合工质的汽液相平衡混合工质的汽液相平衡归一化方程，归一化方程，混合规则中的二元相互作用系数混合规则中的二元相互作用系数k kijij反映了混合物中两种分子间的相互作用及非理想反映了混合物中两种分子间的相互作用及非理想作用的特性，是混合工质热力性质计算的关键参数，其准确度直接影响到物性计算结果的作用的特性，是混合工质热力性质计算的关键参数，其准确度直接影响到物性计算结果的精度。一般精度。一般k kijij需由混合工质的大量需由混合工质的大量pVTxpVTx实验数据采用适当的目标函数和最优化算法得出，实验数据采用适当的目标函数和最优化算法得出，这妨碍了对众多混合工质的研究，降低了热力学的预测能力。为此，对这妨碍了对众多混合工质的研究，降低了热力学的预测能力。为此，对二元二元体系我们采用体系我们采用k kijij的的经验公式经验公式，对，对多元多元体系采用体系采用k kijij差值关联模型。差值关联模型。二元混合工质相互作用系数二元混合工质相互作用系数kijij经验公式经验公式多元多元(n=3)体系体系kij差值关联模型差值关联模型 i、j以正常沸点从低到高为排序依据；以正常沸点从低到高为排序依据；nF为氟原子的个数。为氟原子的个数。对国际上已公布对国际上已公布pVTxpVTx实验数据的混合体系汽液相平衡（实验数据的混合体系汽液相平衡（VLEVLE）的计算结果表明，该预）的计算结果表明，该预测方法具体较高的精度，从而测方法具体较高的精度，从而提高了提高了PRPR方程的推算能力方程的推算能力，确保了，确保了ORCORC循环性能预测的可靠循环性能预测的可靠性。性。循环工质的选择及物性研究循环工质的选择及物性研究 ContentsF研究背景研究背景1F中低温热能有机朗肯循环原理中低温热能有机朗肯循环原理2F循环工质的选择及物性研究循环工质的选择及物性研究 3F有机工质的传热及其强化有机工质的传热及其强化 5FF有机朗肯循环热力系统优化设计方法有机朗肯循环热力系统优化设计方法6F有机朗肯循环样机的研制有机朗肯循环样机的研制7F膨胀设备的选择膨胀设备的选择4（一）螺杆式膨胀机（一）螺杆式膨胀机（Screw expander)膨胀设备的选择膨胀设备的选择 开启式膨胀机外形开启式膨胀机外形半封闭式膨胀机外形半封闭式膨胀机外形阴阳转子阴阳转子膨胀设备的选择膨胀设备的选择 螺杆压缩机与膨胀机的区别与联系螺杆压缩机与膨胀机的区别与联系膨胀设备的选择膨胀设备的选择 螺杆压缩机工作示意图螺杆压缩机工作示意图膨胀设备的选择膨胀设备的选择 螺杆膨胀机工作示意图螺杆膨胀机工作示意图技术成熟度高。技术成熟度高。其结构与螺杆压缩机完全一致，只是旋其结构与螺杆压缩机完全一致，只是旋转方向不同。转方向不同。属于容积式膨胀机械（活塞、涡旋、螺杆），属于容积式膨胀机械（活塞、涡旋、螺杆），不需要喷嘴、不需要喷嘴、动叶，机组动力性能受气动特性影响较小，机内流速低，无动叶，机组动力性能受气动特性影响较小，机内流速低，无余速损失，设计制造比较简单、造价低、低温下的效率可能余速损失，设计制造比较简单、造价低、低温下的效率可能比透平机高，螺杆膨胀动力机在工作介质压力大幅波动时比透平机高，螺杆膨胀动力机在工作介质压力大幅波动时,内效率几乎不改变。但当进口工质品质较高、流量较大时，内效率几乎不改变。但当进口工质品质较高、流量较大时，膨胀效率低于叶片式透平，一般效率在膨胀效率低于叶片式透平，一般效率在70%70%以内。以内。转速较低，转速较低，可以与普通可以与普通2 2极（极（3000rpm)-43000rpm)-4极（极（1500rpm)1500rpm)发电发电机直联，传动效率较高。机直联，传动效率较高。因气体流速低，转子转速低，因气体流速低，转子转速低，膨胀机入口可为湿蒸汽、甚膨胀机入口可为湿蒸汽、甚至液态工质，避免了排气过热，适应工况（参数及负荷）变至液态工质，避免了排气过热，适应工况（参数及负荷）变化能力较强。化能力较强。膨胀设备的选择膨胀设备的选择 1 螺杆膨胀机螺杆膨胀机螺杆直径螺杆直径50-630mm50-630mm，单台机组的容量在单台机组的容量在10-1500kW10-1500kW（国内（国内有有1000kW1000kW的水蒸气螺杆膨胀机应用），比较适合于十千瓦、的水蒸气螺杆膨胀机应用），比较适合于十千瓦、百千瓦级的小型百千瓦级的小型ORCORC系统。系统。膨胀机进出口压差控制膨胀机进出口压差控制=1.5-2MPa=1.5-2MPa、温度在、温度在250C250C以内，以内，内容积比控制在内容积比控制在55以内。当工质的体积膨胀比大于以内。当工质的体积膨胀比大于5 5时，时，应用双级螺杆膨胀或其他类型的膨胀机。应用双级螺杆膨胀或其他类型的膨胀机。螺杆机除轴承、密封外，无其它磨损件，螺杆转速不螺杆机除轴承、密封外，无其它磨损件，螺杆转速不高，机组寿命长，维修费用低，安全可靠性高。高，机组寿命长，维修费用低，安全可靠性高。螺杆膨胀机允许单机和并网运行，扭矩大，能直接拖螺杆膨胀机允许单机和并网运行，扭矩大，能直接拖动风机、水泵或压缩机，当带动发电机发电时能承受较动风机、水泵或压缩机，当带动发电机发电时能承受较大的冲击负荷。大的冲击负荷。靠间隙密封靠间隙密封 ,可在工作腔喷油，密封性能好。在采可在工作腔喷油，密封性能好。在采用易燃易爆工质时，系统内压力应高于外界环境压力。用易燃易爆工质时，系统内压力应高于外界环境压力。膨胀设备的选择膨胀设备的选择 膨胀设备的选择膨胀设备的选择 Expander outletExpander outletExpanderGeneratorGeneratorOil Oil separatorseparatorOil HeaterOil HeaterExpander Expander inletinletOil pumpOil pumpHot working fluidHot working fluidCooled working fluidCooled working fluid喷油润滑喷油润滑（密封）螺杆膨胀机（密封）螺杆膨胀机（二）向心透平（二）向心透平（Radial inflow turbine)膨胀设备的选择膨胀设备的选择 导叶喷嘴导叶喷嘴转子转子(动叶）动叶）膨胀设备的选择膨胀设备的选择 多级向心透平多级向心透平透平透平-电机电机单级向心透平与单级轴流透平相比：单级向心透平与单级轴流透平相比：(1)(1)级的余速损失和叶轮中的流动损失比较小，可以获得级的余速损失和叶轮中的流动损失比较小，可以获得较高的轮周效率；在小流量情况下表现更加明显，几乎所有较高的轮周效率；在小流量情况下表现更加明显，几乎所有小流量的透平都采用向心式；小流量的透平都采用向心式；(2)(2)向心透平对它的动叶的气动性能要求较低，即使叶片向心透平对它的动叶的气动性能要求较低，即使叶片几何形状加工不精确或者表面不光滑，透平的效率也不会受几何形状加工不精确或者表面不光滑，透平的效率也不会受太大的影响；太大的影响；(3)(3)向心透平易利用可调的导叶来实现透平的流量调节，向心透平易利用可调的导叶来实现透平的流量调节，具有较宽的运行范围。具有较宽的运行范围。膨胀设备的选择膨胀设备的选择 膨胀设备的选择膨胀设备的选择（4 4）向心透平主要在功率较小的范围内适用，）向心透平主要在功率较小的范围内适用，=1000kW=1000kW。（5 5）当透平比转速）当透平比转速0.130.13时，透平应设计成向心的。时，透平应设计成向心的。（6 6）为了避免喷嘴超音速产生的损失，一般应将单级压）为了避免喷嘴超音速产生的损失，一般应将单级压比控制在比控制在4-686%;86%;日本日本曾报告过的曾报告过的9090。（8 8）但是小功率的向心透平的轴效率大多较低，因此功）但是小功率的向心透平的轴效率大多较低，因此功率一般应率一般应=25kW=25kW。高压比、小流量的向心透平一般在。高压比、小流量的向心透平一般在7070-75%-75%的水平。的水平。（三）轴流透平（三）轴流透平（Axial-flow turbine)膨胀设备的选择膨胀设备的选择 一般当容量一般当容量=500kW=500kW时，采用轴流透平较有利。时，采用轴流透平较有利。在大容量下，轴流透平的效率比其余类型膨胀机的高。在大容量下，轴流透平的效率比其余类型膨胀机的高。为了避免喷嘴超音速产生的损失，一般应将单级压比控制为了避免喷嘴超音速产生的损失，一般应将单级压比控制在在4-64-6。当轴流透平内工质的体积膨胀比小于当轴流透平内工质的体积膨胀比小于5050时，采用单级便能时，采用单级便能获得获得80%80%以上的等熵效率，当膨胀比大于以上的等熵效率，当膨胀比大于5050时，采用多级轴时，采用多级轴流透平。流透平。膨胀设备的选择膨胀设备的选择（四）涡旋式膨胀机（四）涡旋式膨胀机（Scroll Expander)膨胀设备的选择膨胀设备的选择 轴功范围：轴功范围：1-10kW膨胀设备的选择膨胀设备的选择 膨胀设备选择图膨胀设备选择图ContentsF研究背景研究背景1F中低温热能有机朗肯循环原理中低温热能有机朗肯循环原理2F循环工质的选择及物性研究循环工质的选择及物性研究 3F有机工质的传热及其强化有机工质的传热及其强化 5FF有机朗肯循环热力系统优化设计方法有机朗肯循环热力系统优化设计方法6F有机朗肯循环样机的研制有机朗肯循环样机的研制7F膨胀设备的选择膨胀设备的选择4 国际对水的沸腾及凝结相变传热的研究较为成熟，但对数量众多的国际对水的沸腾及凝结相变传热的研究较为成熟，但对数量众多的有机工质有机工质的相变换热研究相对较少的相变换热研究相对较少，因为我们搭建了，因为我们搭建了有机工质的管内流动沸腾（凝结）换有机工质的管内流动沸腾（凝结）换热实验台热实验台，完成了，完成了R245faR245fa、R134aR134a、R123R123的相变换热的相变换热实验研究。实验研究。（一）传热机理研究（一）传热机理研究有机工质的传热及其强化有机工质的传热及其强化 有机工质传热实验台有机工质传热实验台试验段测点布置试验段测点布置 蒸发温度为蒸发温度为5050时管内平均换热系数时管内平均换热系数随含汽率及质量流速的变化随含汽率及质量流速的变化蒸发温度为蒸发温度为6060时管内平均换热系数随含汽时管内平均换热系数随含汽率及质量流速的变化率及质量流速的变化实测流动沸腾换热系数与实测流动沸腾换热系数与CHEN公式计算值间的误差公式计算值间的误差实测流动沸腾换热系数与实测流动沸腾换热系数与Liu Winterton公式计算值间的误差公式计算值间的误差实测流动沸腾换热系数与实测流动沸腾换热系数与Shah公公式计算值间的误差式计算值间的误差有机工质的传热及其强化有机工质的传热及其强化 有机流体的传热都比水差很多，尤其是在使用非共沸混合工质有机流体的传热都比水差很多，尤其是在使用非共沸混合工质时，必须考虑有机工质的强化传热措施。时，必须考虑有机工质的强化传热措施。为了确保透平进气为干饱和蒸汽，我们常采用为了确保透平进气为干饱和蒸汽，我们常采用管壳式管壳式蒸汽发生蒸汽发生器，导热油（或其他热流体）走管内，壳程为有机工质。器，导热油（或其他热流体）走管内，壳程为有机工质。为了强化有机工质在壳程的池沸腾传热，开发了为了强化有机工质在壳程的池沸腾传热，开发了三维肋片三维肋片GYGY管，管，肋管外表呈龙鳞形状，如图。肋管外表呈龙鳞形状，如图。（二）强化传热技术的研发（二）强化传热技术的研发有机工质的传热及其强化有机工质的传热及其强化 三维肋片三维肋片GYGY管管 对比在常压下光滑管及对比在常压下光滑管及GY强化强化加热管管外加热管管外R123的的池沸腾池沸腾，可以发现，可以发现GY管能极大地加强管外管能极大地加强管外R123的沸腾的沸腾过程过程。据初步分析其强化主要机理有。据初步分析其强化主要机理有三点：三点：（1）在外肋片与壁面的）在外肋片与壁面的23夹角空间中的液夹角空间中的液体会形成体会形成薄液膜沸腾薄液膜沸腾，液膜表面对气泡生长、，液膜表面对气泡生长、脱离产生抑制作用，使泡底微膜的导热和蒸脱离产生抑制作用，使泡底微膜的导热和蒸发得到加强，沸腾得以强化；发得到加强，沸腾得以强化；（2）根据场协同理论，由于管外壁凹穴前后的）根据场协同理论，由于管外壁凹穴前后的速度场速度场与与温度梯度场温度梯度场之间夹角小、协同之间夹角小、协同程度会更好，使管外沸腾换热得到强化；程度会更好，使管外沸腾换热得到强化；有机工质的传热及其强化有机工质的传热及其强化（3）龙鳞状的三状的三维外肋管表面，外肋管表面，增加了沸增加了沸腾换热面面积，众多微小凹穴和肋脊表面，使，众多微小凹穴和肋脊表面，使得得汽化核心汽化核心点相点相应增多，液膜沸增多，液膜沸腾时壁表面壁表面产生气泡数目会增加。随着生气泡数目会增加。随着热流密度的增流密度的增大，气泡大，气泡长大脱离壁面会加快，液体回流冲刷壁面也加快，大脱离壁面会加快，液体回流冲刷壁面也加快，强强化了液体与壁面化了液体与壁面间的的对流流换热。大量气泡上升途中会加。大量气泡上升途中会加剧对液体的液体的扰动流流动，强强化沸化沸腾换热。经实验测试，在相同热流密度下，经实验测试，在相同热流密度下，GY强化管与光管外的池强化管与光管外的池沸腾相比，强化倍率为光管的沸腾相比，强化倍率为光管的3.65倍倍左右。左右。GY管是一种具有优管是一种具有优良管外沸腾换热性能的强化管，很适合用做低温热能发电良管外沸腾换热性能的强化管，很适合用做低温热能发电ORC蒸汽发生器的传热管件。蒸汽发生器的传热管件。水平光滑管沸腾换热系数水平光滑管沸腾换热系数与热流密度的关系与热流密度的关系 GYGY管沸腾换热系数与热管沸腾换热系数与热流密度的关系流密度的关系 有机工质的传热及其强化有机工质的传热及其强化（三）高效直接接触式蒸汽发生器的研制（三）高效直接接触式蒸汽发生器的研制 为了进一步提高换热设备的性能和紧凑程度、降低设备造价，在采用高沸点流体作中为了进一步提高换热设备的性能和紧凑程度、降低设备造价，在采用高沸点流体作中间传热流体的情况下，间传热流体的情况下，利用高沸点中间导热流体与有机工质间沸点差别较大的特性利用高沸点中间导热流体与有机工质间沸点差别较大的特性，采用，采用导热流体导热流体-有机工质有机工质直接接触式强化换热直接接触式强化换热措施，可望得到较好的结果。措施，可望得到较好的结果。通过对直接接触式蒸汽发生器性能的测试，结合分散相液滴群在连续相中的气泡动力学研究，通过对直接接触式蒸汽发生器性能的测试，结合分散相液滴群在连续相中的气泡动力学研究，初步得出直接接触式蒸汽发生器容积换热系数比同工况下的管壳式换热器高初步得出直接接触式蒸汽发生器容积换热系数比同工况下的管壳式换热器高50%-70%50%-70%。目前，正在进。目前，正在进行行直接接触式换热器的参数优化试验直接接触式换热器的参数优化试验，争取试制出能用于样机的直接接触式高效蒸汽发生器。，争取试制出能用于样机的直接接触式高效蒸汽发生器。有机工质的传热及其强化有机工质的传热及其强化 直接接触式强化传热试验台直接接触式强化传热试验台ContentsF研究背景研究背景1F中低温热能有机朗肯循环原理中低温热能有机朗肯循环原理2F循环工质的选择及物性研究循环工质的选择及物性研究 3F有机工质的传热及其强化有机工质的传热及其强化 5FF有机朗肯循环热力系统优化设计方法有机朗肯循环热力系统优化设计方法6F有机朗肯循环样机的研制有机朗肯循环样机的研制7F膨胀设备的选择膨胀设备的选择4系统优化设计方法系统优化设计方法 单目标优化法单目标优化法 系统输出功率系统输出功率 单位换热面积输出功率单位换热面积输出功率 蒸汽发生器紧凑性指标蒸汽发生器紧凑性指标 蒸汽发生器单位容积输出功率蒸汽发生器单位容积输出功率 多目标优化法多目标优化法 单位换热面积输出功率单位换热面积输出功率 蒸汽发生器单位容积输出功率蒸汽发生器单位容积输出功率+经济优化法经济优化法 年度化总成本最小优化法年度化总成本最小优化法 单位成本净利润最大优化法单位成本净利润最大优化法 年度化净利润最大优化法年度化净利润最大优化法热力系统优化设计方法热力系统优化设计方法（一）单目标优化法（一）单目标优化法 1 1）目标函数目标函数：系统输出功率或总系统输出功率或总损评价指标损评价指标 单位换热面积输出功率评价指标单位换热面积输出功率评价指标 蒸汽发生器紧凑性评价指标蒸汽发生器紧凑性评价指标 蒸汽发生器单位容积输出功率评价指标蒸汽发生器单位容积输出功率评价指标 热力系统优化设计方法热力系统优化设计方法2 2）约束条件约束条件：为了满足理论及技术上的可行性，同时使独立变量在优化过程中的为了满足理论及技术上的可行性，同时使独立变量在优化过程中的取值都在可行域内，热力系统的某些热工参数、流动参数及结构参数必取值都在可行域内，热力系统的某些热工参数、流动参数及结构参数必须满足一定的约束条件。须满足一定的约束条件。热工参数的热力学约束条件热工参数的热力学约束条件:结构参数约束条件结构参数约束条件:流动参数约束条件流动参数约束条件:a.a.蒸汽发生器的预热段管内工质流速：蒸汽发生器的预热段管内工质流速：b.b.蒸汽发生器的蒸发段管内工质流速：蒸汽发生器的蒸发段管内工质流速：c.c.蒸汽发生器的过热段管内工质流速：蒸汽发生器的过热段管内工质流速：热力系统优化设计方法热力系统优化设计方法循环效率及单位换热面积输出功率循环效率及单位换热面积输出功率随蒸发温度的变化随蒸发温度的变化净输出功率及最终排烟温度净输出功率及最终排烟温度随蒸发温度的变化随蒸发温度的变化总换热面积及余热锅炉夹点温差总换热面积及余热锅炉夹点温差随蒸发温度的变化随蒸发温度的变化循环效率及单位换热面积输出功率循环效率及单位换热面积输出功率随凝结温度的变化随凝结温度的变化 热力系统优化设计方法热力系统优化设计方法总换热面积及余热锅炉夹点传热温差总换热面积及余热锅炉夹点传热温差随透平进汽温度的变化随透平进汽温度的变化 循环效率及单位换热面积输出功率循环效率及单位换热面积输出功率随循环工质随循环工质/烟气流量比的变化规律烟气流量比的变化规律 循环效率及单位换热面积输出功率循环效率及单位换热面积输出功率随换热器效能的变化规律随换热器效能的变化规律总换热面积及余热锅炉体积总换热面积及余热锅炉体积随回热器效能的变化规律随回热器效能的变化规律热力系统优化设计方法热力系统优化设计方法循环效率及净输出功率循环效率及净输出功率随凝汽器冷却水进口温度的变化随凝汽器冷却水进口温度的变化总换热面积及单位换热面积净输出功率随凝总换热面积及单位换热面积净输出功率随凝汽器冷却水进口温度的变化规律汽器冷却水进口温度的变化规律蒸汽发生器及单位换热面积输出功率蒸汽发生器及单位换热面积输出功率随预热段翅片密度的变化随预热段翅片密度的变化 循环效率及输出功率循环效率及输出功率随蒸发段翅片密度的变化规律随蒸发段翅片密度的变化规律 热力系统优化设计方法热力系统优化设计方法余热锅炉体积及单位换热面积输出功率余热锅炉体积及单位换热面积输出功率随蒸发段翅片密度的变化随蒸发段翅片密度的变化循环效率及输出功率循环效率及输出功率随蒸发段管节距的变化随蒸发段管节距的变化循环效率及输出功率循环效率及输出功率随蒸汽发生器截面宽度的变化随蒸汽发生器截面宽度的变化循环效率及输出功率循环效率及输出功率随蒸汽发生器截面高度的变化随蒸汽发生器截面高度的变化热力系统优化设计方法热力系统优化设计方法（二）多目标优化方法（二）多目标优化方法 通常热动系统的评价指标不至一个，需要涉及多个指标。比如同时要求通常热动系统的评价指标不至一个，需要涉及多个指标。比如同时要求净输出功率大、热效率高、换热面积小、设备体积小、重量轻、造价低、运净输出功率大、热效率高、换热面积小、设备体积小、重量轻、造价低、运行费用低等。行费用低等。此时，此时，对热动系统的优化即是对热动系统的优化即是求解多目标优化问题求解多目标优化问题。st 线性加权评价函数：线性加权评价函数：采用采用方法来计算加权系数方法来计算加权系数:评价函数：评价函数：热力系统优化设计方法热力系统优化设计方法ContentsF研究背景研究背景1F中低温热能有机朗肯循环原理中低温热能有机朗肯循环原理2F循环工质的选择及物性研究循环工质的选择及物性研究 3F有机工质的传热及其强化有机工质的传热及其强化 5FF有机朗肯循环热力系统优化设计方法有机朗肯循环热力系统优化设计方法6F有机朗肯循环样机的研制有机朗肯循环样机的研制7F膨胀设备的选择膨胀设备的选择4 在对循环工质优选热力学、流动与传热特性、系统优化设计等研究的基在对循环工质优选热力学、流动与传热特性、系统优化设计等研究的基础上，在几个国家基金的支持下，我们自行设计并试制了输出轴功率为础上，在几个国家基金的支持下，我们自行设计并试制了输出轴功率为15kW的的生物质燃烧热能发电生物质燃烧热能发电ORC样机样机和输出轴功率为和输出轴功率为2kW的的太阳能发电太阳能发电ORC样样机，其中机，其中15kW样机采用了样机采用了GY强化传热管强化传热管。目前正在进行样机的调试。目前正在进行样机的调试与实际性能的测试。与实际性能的测试。ORC样机的研制样机的研制 有机朗肯循环样机的研制有机朗肯循环样机的研制生物质燃烧热能发电生物质燃烧热能发电ORC样机样机太阳能热力发电发电太阳能热力发电发电ORC样机样机谢谢！谢谢！敬请指正！敬请指正！