摘要
为应对能源供需矛盾和全球气候环境变化等挑战，世界各国逐渐重视发展中低温余热回收技术，以改善化石能源的利用率，解决日益加剧的能源与环境问题。有机朗肯循环（OrganicRankinecycle,ORC）温度适用范围广、功率适中，是被广泛应用的一种低品位热能转换利用技术。针对有机朗肯循环效率低和成本高的问题，本文开展基于不同工质有机朗肯循环全工况运行实验研究及神经网络性能优化。主要研究内容和创新性结论如下： 1）基于ORC实验平台，开展各组件基本运行特性和循环性能的研究，获得各组件运行的交互影响机制。研究发现，循环柱塞泵的等熵效率与机械效率最大分别为47.3%和85.2%，涡卷膨胀机等熵效率可达86%。系统热输入从22-44kW变化时，系统压力差最大为7.93bar，发电量最大为1.24kW，系统的热效率和净输出功最大分别为6.4%和1.64kW。 2）基于神经网络构建ORC预测模型，开展ORC性能预测和优化研究。依据循环瞬态实验数据，建立BP-ORC模型，分析该模型的精度，考察基本运行参数对循环性能的影响规律，并以循环净输出功最大、热效率最高为优化目标，获得最优的运行参数，揭示热效率和净输出功的相互约束关系。研究发现，提高热效率可通过增加泵出口压力和膨胀机入口温度，或减少膨胀机出口温度来实现，增大净输出功可通过增加质量流量或匹配膨胀机入口和出口温度来实现。循环最佳热效率和净输出功分别为7.76%和2.31kW。 3）混合工质在发生相变时的温度滑移特性，可降低传热温差导致的不可逆损失，从而提升循环与冷热源的匹配。实验探索混合工质组分配比对循环各组件运行特性、换热性能及整体性能的影响规律，并着重探究换热器压差对循环特性的影响。研究发现，使用R245fa的蒸发器换热系数最高，其次是R245fa/R123混合物，R123最低。而使用R123的冷凝器换热系数最高，R245fa/R123=1:1最低。混合工质的热效率略高于纯工质。换热器压降对循环热效率影响很大，不考虑压降的模拟热效率比实际热效率最大高286.76%。因此，在理论分析中应重视换热器压降的影响。 4）基于纳米流体换热特性测试平台，开展纳米有机工质的流动传热特性的研究。制备ZnO纳米有机工质，研究其物相、形貌和物性，获得透光率、粘性和导热性能的变化规律，开展不同工质流量下的纳米有机工质与纯工质的换热特性的对比研究。实验结果表明，制备的ZnO-R123纳米流体稳定性较好，纳米颗粒ZnO的加入使得系统的粘性、导热系数、换热系数与压降明显提升。
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