朗肯循环自由活塞式余能回收相似系统研究

【摘要】随着科学技术的不断进步，工业生产取得了飞速发展，致使不可再生能源在国民经济中所占比重也越来越大。但因不可再生资源形成时间长且工业需求量大，其储存量正在不断减少。为了缓解不可再生资源的不断消耗，人们开始考虑如何去提升能源利用率。在工业生产过程中，往往会伴随着大量余能的产生，虽然这些余能的能源品位低但其数量巨大。例如在我国有将近40%的工业能耗被直接以余能形式排放。因此余能回收利用逐渐成为了一个研究重点。基于上述情况，本文提出了朗肯循环自由活塞式余能回收相似系统。在该余能回收系统中，选取的有机循环工质通过蒸发器管侧吸收蒸发器壳侧的低品位烟气余能而成被加热为高温高压状态的工质。高温高压工质通过电磁阀的控制喷射进入自由活塞机构的动力腔并推动活塞做往复运动，同时系统对外输出动力并做功，从而将低品位的烟气余能转换为高品位的机械能。但由于目前针对该系统的研究较少，本文首先通过对以水为循环工质，膨胀机为做功机构的传统朗肯循环进行介绍，分析温度、压力变化时对传统朗肯循环热效率的影响，从而对朗肯循环自由活塞式余能回收相似系统初参数的选取奠定基础。介绍并选取了朗肯循环自由活塞式余能回收相似系统采用的循环工质。通过对不同种类循环工质进行理论分析及参考现有研究成果发现：当使用湿式循环工质作为系统工质时，系统热效率随蒸发器出口处工质过热度的增加而升高。而使用干式循环工质和等熵循环工质作为系统工质时，系统热效率随蒸发器出口处工质过热度的增加而降低。同时不论是使用湿式循环工质、干式循环工质还是等熵循环工质作为系统工质，随蒸发器出口处工质压力的升高，系统热效率都将升高。因此选取湿式工质作为该余能回收系统的循环工质。另一方面因该系统针对温度较低的中低品位余能的回收利用，而有机工质可在较低温度下汽化成为高压蒸汽，推动动力机械对外做功，对于温度较低的余能使用有机工质更具有优势。结合上述两方面的分析，最终确定同时具备湿式工质和有机工质特征的R11作为朗肯循环自由活塞式余能回收相似系统的循环工质。对朗肯循环自由活塞式余能回收相似系统的热功转换装置进行了研究。通过几种材料的对比确定了自由活塞机构的加工材料为聚四氟乙烯，分析了自由活塞机构的各组成零部件及相互之间的连接形式。并使用GT-power建立了自由活塞机构仿真模型，通过不断调试工质温度、压力及阀门开启时间、开启角度，得出如下结论：当提高自由活塞机构入口工质的温度（T1）、压力（P1），降低出口工质背压（P2）都会使系统循环热效率增加。在调试过程发现，当蒸发器出口工质的温度为430K,压力为0.9Mpa；过冷工质的温度为320K，压力为0.9Mpa；自由活塞机构出口工质的温度为340K，压力为0.4Mpa时，系统热效率最高，且能达到37.1%。通过使用GT-power建立的自由活塞机构仿真模型的输出结果及部分设计参数，对蒸发器、冷凝器、工质泵等系统主要零部件进行选取。并成功搭建了具有监测系统温度、压力、位移的朗肯循环自由活塞式余能回收试验系统。在试验进行前，首先对系统的耐压性进行了测试，以保证试验的顺利进行。在试验过程中发现了如下规律：随蒸发器出口工质压力的升高，实际朗肯循环热效率在初始阶段升高，达到一定数值后又开始降低；烟气余热利用效率在蒸发器出口工质压力升高的过程中逐渐升高；系统循环总效率随着工质压力的升高，在初始阶段升高达到一定数值后又开始降低。当蒸发器出口处工质的温度为390K,压力为0.7Mpa；过冷工质的温度为310K，压力为0.7Mpa；系统出口工质的温度为340K，压力为0.3Mpa时，朗肯循环自由活塞余能回收相似系统总效率达到最高值7.53%，此时实际朗肯循环热效率为11.59%，烟气余热利用效率为64.82%。同时在试验过程中发现了系统存在的一些问题，如蒸发器换热效率低，工质泵出口压力低等。并针对系统存在的这些问题提出相应的改进意见，为余能资源的回收利用奠定基础。
【作者】王小龙；
【导师】韩永强；
【作者基本信息】吉林大学，动力工程，2014，硕士
【关键词】朗肯循环；余能回收；有机工质；自由活塞机构；

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