论文理论汉文 R245FA热泵与有机工质双循环发电08Word格式.docx
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而不应是将蒸汽回到锅炉及利用可以发电的蒸汽去逐级加热循环系统中的工质水;
设想2:
热泵的技术可以使热效率≥1,能产生先进的锅炉的制造回热的方法;
设想3:
应改进涡轮机的制造工艺;
目前的涡轮机效率并不高,应该研究特斯拉涡轮机。
设想4:
应改进发电机的制造工艺;
采用直流、高频、磁悬浮轴承等;
二、本人研究结果的理论论证依据:
2.1、结果1:
认为卡诺循环的热效率与工作的介质也有关系:
2.1.1、传统的卡诺循环理论:
热力学上有名的理论循环——卡诺循环。
这个循环由两个定温过程和两个绝热过程组成,如图2-10(a)、(b)所示。
图中1-2过程为定温加热过程,工质在T1温度下,从热源吸收热量q1,即为T-S图上的面积|2S2S1|。
其计算式为:
q1=T1(S2-S1)=T1ΔS
2-3表示可逆的绝热膨胀作功过程,即定熵过程。
在这个过程中,工质温度降低,内能减少,对外界作功,直至工质温度降低到冷源温度T2为止。
3-4表示可逆的定温放热过程,过程中工质在T2温度下向冷源放热,放热量为q2,即T-S图上面积34S1S23,其计算式为:
q2=T2(S2-S1)=T2ΔS
与1-2定温过程的说法一样,工质温度T2等于冷源温度(或相差无限小)。
在冷温度T2下,工质作了最大限度的膨胀后(工质降温膨胀达到冷源温度T2是其最大限度)为了使工质恢复初态,造成循环连续作功,q2是最低限度必须向冷源放出的热量,因而q2为理想卡诺循环的最小补偿。
4-1表示可逆的绝热压缩过程。
在该段工质的温度自T2升高到T1,从而恢复到原来的状态
2.1.2、传统的卡诺循环结论:
卡诺循坏的效率
工质在循环中所作的净功与其由热源吸收的热量之比称为循环效率,显然:
ηti卡=净功/吸热量=W0/q1=(q1-q2)/q1=1-q2/q1
=1-T2ΔS/T1ΔS=1-T2/T1
分析上式,可得如下重要结论:
(1)卡诺循环的热效率决定于热源温度T1和冷源温度T2(即工质的吸、放热温度)而与工质性质无关。
提高T1,降低T2,可以提高循环效率。
(2)卡诺循环热效率只能小于1。
因为,要使T1=∞或T2=0K都是不可能的。
即q2只能减小而无法避免。
(3)当T1=T2时,ηti卡=0,即,在没有温差的系统中,无法实现热转换成有用的热力循环。
也就是说,只有一个热源而无冷源的热机是无法实现的。
2.1.3、本人研究的卡诺循环结果与结论:
卡诺循环的热效率不但决定于热源温度T1和冷源温度T2(即工质的吸、放热温度)有关,而且与工质的性质有关。
在如上的卡诺循坏的效率中:
ηti卡=净功/吸热量=W0/q1=(q1-q2)/q1是最原始最简单也是最实用的公式
1)如果工质是水,热源温度T1受锅炉材料的限制必须是珠光体钢所允许的温度必须在565℃以下,冷源温度T2也不会低于0℃(是水工质性质的限制允许的温度)。
热源温度T1,560℃压力:
25MP热焓:
3369.2kJ/kg;
冷源温度T27℃,压力:
0.01MP热焓:
2513.8kJ/kg(其中凝结热为2260kj/kg)
因此水工质的极限效率:
ηti卡=净功/吸热量=W0/q1=(q1-q2)/q1=(3369.2-2513.8)/(3369.2-2513.8+2260)=855.4/3115.4=0.2745,当今的工程设计为了增加q1采用一次再热的设计,一般再热后的蒸汽热焓值能增加500kJ/kg。
因此上述的效率=(855.4+500)/3115.4=0.435
2)同上如果工质是有机工质(以R123为例,临界温度183.68℃临界压力3.6618MP),热源温度T1受R123有机工质工质性质的限制必须在326.85℃以下,冷源温度T2可以低于0℃(受环境温度的限制0℃温度),
热源温度T1,326.85℃压力:
3.6618MP热焓:
627.61kJ/kg;
0.044MP热焓:
385.650kJ/kg(其中凝结热为178.685kj/kg)
(以上数据来源于http//WWW.AP1700.COM)
因此有机工质的极限效率:
ηti卡=净功/吸热量=W0/q1=(q1-q2)/q1
=(627.61-385.650)/(627.61-385.650+178.685)=241.96/420.645=0.575
如果采用一次再热的设计,一般再热后的蒸汽热焓值至少能增加50kJ/kg,
因此上述的效率=(241.96+50)/420.645=0.6945
结论:
由于有机工质凝结热q2占做功的热能(q1-q2)的比例较小,在相同的热源温度T1(设计为低温热源326.85℃)和冷源温度T2(7℃)条件下,采用水工质和有机工质,发电效率不同,有机工质ORC系统即使不用再热,也不必达到565℃的高温,也可以达到较高的效率超过50%。
水工质由于凝结热热能q2占吸收热能的比例较大,即使达到极限温度565℃的高温,水工质的涡轮机效率即使采用再热环节也不会超过50%。
因此论证:
卡诺循环的热效率不但决定于热源温度T1和冷源温度T2(即工质的吸、放热温度),而且与工质的性质有关。
2.2、结果2:
当热源为低温=300℃时,低温发电系统用水做工质的涡轮机组无论制造工艺如何先进效率不可能超过20%,有理论论证依据比较清楚;
以我厂300MW汽轮机的五段抽气为例
流量=450t/h;
温度=295℃压力=0.576Mpa蒸汽焓=3054.1kJ/kg;
热源温度T1,295℃压力:
0.576Mpa热焓:
3054.1kJ/kg;
冷源温度T236℃,压力:
在本身汽轮机中可以膨胀做功,这部分功率计算为:
Pa=(heN–he0)*meNηqj*/3600
Pa:
为抽汽做功的功率;
meN:
抽汽流量;
heN抽汽的焓;
ηqj:
汽轮机低压缸的效率按90%计算;
he0为低压缸排气的焓;
(真空度95%,温度36℃,焓2450)
五段抽气发电能力:
Pa=450*(heN–he0)*meNηqj*/3600
=450*(3054.1–2450)*1*88.9%*/3600=67.0MW
五段抽气发电时输出总热能:
(3054.1-43*4.1868)*450/3.6=293285/3600=359.2MW;
发电效率=输出/输入热能=67.0MW/359.2=18.6%;
被凝汽器冷却损失的凝结热:
=450*(2450–43*4.1868)/3600=1082961/3600=300.82MW;
冷却损失的凝结热占五段抽气输出总热能的比例:
300.82MW/359.2=83.7%
因为五段蒸汽的冷却损失的凝结热占五段抽气输出总热能的比例高达83.7%,导致五段蒸汽在本汽轮机发电时的发电效率无法超过20%;
以上论证了为什么低温<
300℃时,传统的涡轮机组效率较低。
2.3、结果3:
当热源低温=300℃时,用有机工质做工质的涡轮机组发电效率应该达到较高值可以超过50%,有理论论证依据比较清楚;
(以R123为例,临界温度183.68℃临界压力3.6618MP),
热源温度T1,295℃压力:
595.377kJ/kg;
冷源温度T236℃,压力:
0.135MP热焓:
403.140kJ/kg(其中凝结热为166.700kj/kg)
ηticard=Network/heat=W0/q1=(q1-q2)/q1
=(595.377-403.140)/(595.377-403.140+166.700)=192.237/358.937=0.5355
有机工质由于凝结热热能q2占吸收热能的比例较小,即使不用再热,不必达到565℃的高温,也可以达到较高的效率超过50%。
目前已知的ORC有机工质机组发电效率一般没有超过15%,是受有机工质涡轮机组系统的制造工艺的落后影响;
2.4、结果4:
2.4.1、热泵技术已经得到商业运用:
热泵是一种经过电力或机械做功,从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能,输出能用的高品位热能的设备。
电动机
节流阀
图1--热泵的工作原理
热泵的工作原理如上图1所示:
经过压缩机:
气态循环工质被压缩升温,并把工质输送到冷凝器。
经过冷凝器:
循环工质再冷凝器中(向热负荷)释放热量。
(等温放热)后气态工质变成液态工质,经过膨胀阀:
对循环工质进行节流降压(膨胀降温)变成低温低压液态然后经过蒸发器:
液态循环工质(向热源吸收热量)吸热蒸发变成气态,准备下一个循环。
2.4.2、利用利用热泵及与有机工质发电技术方案:
2.4.2.1、技术方案构思:
本方案的设备由热源部分、加热器部分、汽轮机部分、有机工质回收(兼热泵供热)部分、发电机部分五大部分组成结构图见附图1:
有机工质:
选有机工质R-245fa;
此工质在当今的世界上通用,属于氟利昂的替代品,在腐蚀性和环境破坏的指数上都符合环保要求,唯一的是价格较高。
详细的参数可以参考网站;
1)热源部分:
将发电厂汽轮机的低参数蒸汽(我厂定为五段抽气)作为双循环发电系统的热源(原因是五段抽气继续发电的效率较低);
2)加热器部分:
可以使被加热的有机工质的出口温度接近热源温度(相差50℃以内),国内外有许多能生产有机工质的换热器厂已经有成型产品,需要按我们要求的参数定做。
3)汽轮机部分:
国内外有许多能生产有机工质的涡轮机,已经有成型产品,但是不是理想型,需要我们按我们要求的参数定做。
4)有机工质回收部分:
使用热泵用的容积式压缩机(国内外有许多能生产的厂商),已经有成型产品,理想型需要我们按我们要求的参数定做。
5)发电机部分:
已经有成型产品。
2.4.2.2、技术方案循环工作过程:
改进后的系统工作过程见附图2:
首先有机工质在加热器内定压(暂定压力5.0
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