小型低溫余熱發(fā)電試驗系統(tǒng)的研究

小型低溫余熱發(fā)電試驗系統(tǒng)的研究

低溫?zé)岜骶哂辛看?、溫度低、分布范圍廣等特點。回收能源能量不僅可以提高整個能源利用率，緩解能源危機，還可以減少由于低溫?zé)徇^度燃燒而造成的污染，達到節(jié)能減排的目的。有機冷態(tài)循環(huán)系統(tǒng)（orc）具有效率高、適用性強、易于加工的特點，在回收低溫氣候方面具有很大優(yōu)勢。近年來，對orc系統(tǒng)的研究主要集中在理論研究方面：maiya比較了不同類型有機工程的效率，并得出結(jié)論，r123具有良好的性能。傳教士們分析了不同工質(zhì)特性（干燥性、濕性和等熵層）對不同工質(zhì)效率的變化關(guān)系。魏東紅等人以r145fa為工質(zhì)，分析了無論室內(nèi)溫度、濕度、室溫等系統(tǒng)性能的影響。maolkos等人將obc裝置應(yīng)用于海洋淡化系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)性能。此外，在研究回收率方面的研究主要集中在循環(huán)過程的選擇、系統(tǒng)力學(xué)的分析和系統(tǒng)可行性上。很少有關(guān)于系統(tǒng)性能的文章通過實驗方法研究系統(tǒng)性能的文章。本文建立了小型低溫余熱發(fā)電試驗系統(tǒng),采用R123作為循環(huán)工質(zhì)、渦旋膨脹機作為能量回收機械,分析了膨脹機轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)發(fā)電功率、系統(tǒng)熱電效率、膨脹機容積效率等性能參數(shù)的影響.1膨脹機性能測試ORC系統(tǒng)利用低溫余熱加熱循環(huán)工質(zhì),產(chǎn)生的高溫高壓蒸氣推動膨脹機對外做功,從而達到余熱的動力利用.系統(tǒng)發(fā)電功率、系統(tǒng)熱電效率和膨脹機容積效率是評價系統(tǒng)性能的重要參數(shù),定義如下.(1)膨脹機運行功率系統(tǒng)發(fā)電功率是指系統(tǒng)通過回收低溫余熱而產(chǎn)生的電能,它不僅與工質(zhì)循環(huán)量、循環(huán)工況有關(guān),同時受膨脹機效率和發(fā)電機效率影響.系統(tǒng)發(fā)電功率由下式表示W(wǎng)t=qmr(h1?h2)ηeηg(1)Wt=qmr(h1-h2)ηeηg(1)式中:Wt為系統(tǒng)發(fā)電功率;qmr為工質(zhì)質(zhì)量流量;h1、h2分別為膨脹機入口和出口工質(zhì)比焓;ηe為膨脹機效率;ηg為發(fā)電機效率.(2)熱電效率的計算系統(tǒng)熱電效率為系統(tǒng)輸出凈電功率與系統(tǒng)從熱源吸收的熱量的比值,它表示了將低溫?zé)嵩茨芰哭D(zhuǎn)化成電能的效率,按下式計算ηhe=Wt?Wpqms(hsi?hso)(2)ηhe=Wt-Wpqms(hsi-hso)(2)式中:ηhe表示系統(tǒng)熱電效率;Wp表示系統(tǒng)工質(zhì)循環(huán)泵耗功;qms表示熱源質(zhì)量流量;hsi和hso分別表示熱源入口和出口比焓.(3)膨脹機容積效率qmiqma容積效率表示膨脹機理想過程的質(zhì)量流量與實際過程質(zhì)量流量的比值,它表征了膨脹機泄漏損失的大小,用下式表示ηV=qmiqma(3)ηV=qmiqma(3)式中:ηV表示膨脹機容積效率;qmi表示理想過程質(zhì)量流量;qma表示實際過程質(zhì)量流量.2試驗系統(tǒng)2.1渦流膨脹機本文所研究的小型低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)采用渦旋膨脹機作為能量回收機械,其結(jié)構(gòu)如圖1所示.幾何參數(shù)相同的兩臺渦旋膨脹機對稱地安裝在發(fā)電機兩側(cè).高壓氣體經(jīng)過吸氣孔口分別進入兩側(cè)膨脹機并膨脹做功,膨脹終了的低壓氣體經(jīng)排氣孔口流出并在殼體內(nèi)匯集,最終流出膨脹機.渦旋膨脹機的動盤與發(fā)電機主軸相連,而靜盤與殼體相連,避免了由于動密封引起的工質(zhì)泄漏.渦旋膨脹機的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:基圓半徑為3.66mm,漸開線發(fā)生角為36°,基圓中心距為6.9mm,渦旋體高度為40mm,渦旋線為3圈.2.2工質(zhì)循環(huán)泵電氣測量系統(tǒng)如圖2所示,采用熱水模擬廢熱源,通過溫控系統(tǒng)控制電加熱的熱量,以保持熱源出口溫度恒定.工質(zhì)循環(huán)泵采用可變頻調(diào)節(jié),用以控制工質(zhì)的循環(huán)量.發(fā)電機輸出的電能經(jīng)電氣測量系統(tǒng)與負(fù)載連接,負(fù)載電阻可以調(diào)節(jié)以控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)速.電氣測量系統(tǒng)可以測量電壓、電流、功率、電頻率等參數(shù).3轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)發(fā)電功率的影響試驗采用相同的熱源入口溫度ts和相同的熱源流量qms,不同工質(zhì)質(zhì)量流量qmr的2種工況下進行了測量,通過調(diào)節(jié)負(fù)載電阻值獲得不同轉(zhuǎn)速n,熱源和冷卻水泵功率分別為Wsp和Wcp,具體參數(shù)如表1所示.由于熱源入口溫度和流量恒定,循環(huán)工質(zhì)的質(zhì)量流量恒定,所以當(dāng)膨脹機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時,膨脹機進、出口的溫度、壓力將發(fā)生變化.表2和表3分別為兩種工況膨脹機不同轉(zhuǎn)速下的進出口參數(shù)值.從表中可以看出,在兩種工況下,隨著轉(zhuǎn)速的增加,膨脹機吸氣壓力、溫度均下降,排氣壓力、溫度均升高,并且吸氣參數(shù)變化較大.渦旋膨脹機轉(zhuǎn)速增加使得膨脹機吸氣體積流量增加,在工質(zhì)質(zhì)量流量不變的條件下,入口工質(zhì)密度必將下降,表中測試的吸氣參數(shù)變化滿足這一規(guī)律.圖3為系統(tǒng)發(fā)電功率Wt隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢.在測定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),低轉(zhuǎn)速時,系統(tǒng)發(fā)電功率隨轉(zhuǎn)速變化較小,隨著轉(zhuǎn)速的增加,發(fā)電功率下降明顯.發(fā)電功率受多方面因素影響,轉(zhuǎn)速的增加會引起膨脹機吸氣壓力和吸氣溫度的降低,進而引起系統(tǒng)理論輸出功率降低,同時膨脹機的摩擦損失增大.從圖3可以看出:在工況1時,系統(tǒng)發(fā)電功率從0.66kW降低至0.40kW,最大值為0.66kW;在工況2時,系統(tǒng)發(fā)電功率從0.62kW降低至0.38kW,最大值為0.62kW.當(dāng)轉(zhuǎn)速低于1400r/min時,2種工況的發(fā)電功率變化均較小.圖4為系統(tǒng)熱電效率ηhe隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律.系統(tǒng)熱電效率是評價低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)性能的重要參數(shù),熱電效率高則低溫余熱的利用率高.從圖4可以看出,系統(tǒng)的熱電效率隨著膨脹機轉(zhuǎn)速的增加而降低,在低轉(zhuǎn)速時變化較小,在高轉(zhuǎn)速時變化明顯.這主要是因為熱源供熱量變化較小,而轉(zhuǎn)速的增加導(dǎo)致工況發(fā)生變化,實際發(fā)電功率大大降低,并導(dǎo)致系統(tǒng)熱電效率降低.在兩種工況下,系統(tǒng)最大理論效率分別為8.0%和6.8%,而實際測量系統(tǒng)熱電效率均從2.1%降低至1.2%,最大值均為2.1%.渦旋膨脹機泄露較嚴(yán)重和發(fā)電機的效率較低是導(dǎo)致系統(tǒng)熱電效率較低的主要原因.容積效率是評價渦旋膨脹機泄漏損失的重要參數(shù),容積效率高,則工質(zhì)的泄漏量少,反之則泄漏量大.圖5是渦旋膨脹機容積效率ηV隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律.容積效率隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加,這是因為轉(zhuǎn)速的增加導(dǎo)致工質(zhì)在膨脹腔內(nèi)的泄漏時間減少的緣故.容積效率不僅與動、靜渦盤的間隙有關(guān),還受膨脹機吸、排氣參數(shù)影響.隨著轉(zhuǎn)速的增加,在工況1時,膨脹機容積效率從38.5%增加至56.5%,在工況2時,容積效率從39.7%增加至60.0%.4轉(zhuǎn)速對膨脹機運行的影響本文依據(jù)有機朗肯循環(huán)原理,采用R123作為循環(huán)工質(zhì)、渦旋膨脹機作為能量回收機械,建立了小型低溫余熱發(fā)電試驗系統(tǒng),并對膨脹機轉(zhuǎn)速變化時的系統(tǒng)性能進行了測試.試驗結(jié)果表明:在熱源溫度和供熱量不變的情況下,隨著轉(zhuǎn)速的增加,膨脹機吸氣壓力、吸氣溫度均逐漸降低,排氣壓力、排氣溫度均逐漸升高,吸氣參數(shù)變化較排氣參數(shù)變化明顯;系統(tǒng)的發(fā)電功率和系統(tǒng)熱電效率均隨著轉(zhuǎn)