海洋温差发电有机朗肯循环工质选择
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
表 1 所选干流体工质的一些参数
Tab. 1 Some par ameter s of the selected fluids
干流体工质
TC/ K
pC/ kPa
ODP
GWP100
R21 8
245. 05
2 680
0
R227ea
374. 89
2 929
0
3 300
R236 fa
398. 07
3 200
图 1 开式海洋温差发电流程 Fig. 1 Flow chart for the open cycle OTEC system
图 2 闭式海洋温差发电流程 Fig. 2 Flow chart for the closed cycle OTEC system
图 3 混合式海洋温差发电流程
图 4 闭式海洋温差发电的 T- S
1 20
海洋工程
第 27 卷
地影响有机朗肯循环的性能。
1 海水温差发电有机朗肯循环及其性能
海水温差发电大致可以分为三类[5] : 1) 如图 1 所示的开式系统; 2) 如图 2 所示的闭式系统; 3) 如图 3 所 示的混合式系统。当循环工质采用低沸点有机工质时, 闭式和混合式系统中的动力循环就是有机朗肯循环。 假定在工质加压泵及透平里均为等熵过程, 忽略管道及设备的对外散热损失与工质在管道及设备内的流动 阻力的情况下, 采用干流体工质[ 6] 的有机朗肯循环的 T- S 图( 见图 4 所示) 。
海洋占据了约 70% 的地球表面积, 海洋中除了有大量的生物资源, 还蕴涵着大量的能量资源。热带海 洋表层海水将接受太阳辐射能大部分转化为热能, 形成温度在 24~ 29 e 的热水层, 而在海洋深处约 600 m 以 下的深层海水常年温度保持在 2~ 7 e , 由于海水的热容量极大, 在各种海洋能中温差能的储量最大, 全世界 海洋温差能的理论储量估计为 100 亿 kW[ 1] 。此外, 海洋温差能还具有可再生、昼夜无波动稳定和清洁无污 染等优点。海洋温差能的转换( OTEC) 被国际社会普遍认为是最具开发利用价值和潜力的海洋资源。早在 1881 年, 法国物理学家 Jacques Arsene dcArsonval 就提出了由海洋温差来获取能量的大胆设想; 1926 年由其学 生 Claude 实验证实了这一想法的可行性; 1930 年在古巴建造了第一座发电容量为 22 kW 的试验性 OTEC 发 电站[ 2] 。随着技术的不断进步, OTEC 系统不仅可用作发电, 还可进行海水淡化、海水产品养殖、制氢、锂回 收、利用发电后排放深海水的冷量进行空调降温等综合利用[3] 。随着以石油、煤炭为代表的石化燃料的日渐 枯竭和其对环境的影响, 50 MW 发电容量的浮动式 OTEC 发电站已被确认为极具潜在商业价值的新能源项 目[4] 。现在 OTEC 发电系统大多数都偏向于采用低沸点工质的有机朗肯循环系统, 循环工质的选择会极大
#K) 和 200 kJ/ kg 的要求; C0p 为该工质的理想气体的定压比热容, 它只与温度有关, 随温度的升高而增大。一
收稿日期: 2008207230 基金项目: 云南省自然科学重点基金资助项目(2007E0014Z ) 作者简介: 王辉涛( 1967- ) , 男, 四川南充人, 博士生, 主要从事低温热能利用和冶金能源的研究。Email: Wanghuaheat@ hotmail . com 通讯作者: 王 华
图 5 三类流体工质的 T- S Fig. 5 T- S diagram of three kinds of fluids
态低很多, 因此需要有足够的传热温差及换热面积[6] 。一方面增加了换热器的投资; 另一方面增加了工质在
加热蒸发过程中的温差传热不可逆损失。因此选定干流体作为比较的候选工质。表 1 列出了满足以上工质 选择原则的主要干流体的临界温度 T C、临界压力 pC、臭氧破坏能力 ODP 及温室效应 GWP 参数值[8- 9] 。
第 27 卷第 2 期 2009 年 5 月 文章编号: 100529865( 2009) 0220119205
海洋工程 THE OCEAN ENGINEERING
Vol127 No12 May 2009
海洋温差发电有机朗肯循环工质选择
王辉涛, 王 华
( 昆明理工大学 材料与冶金工程学院, 云南 昆明 650093)
1 22
海洋工程
第 27 卷
a ( T c) = 01457 24R2T2c/ p c
b( T) = b( Tc) = 01077 80RT c/ p c
a ( Tr, X) =
[ 1+
k( 1 -
T
01 5 r
)
]
2
k = 01374 64 + 11542 26 X- 01269 92 X2
逸度系数 < 的导出计算式如下:
摘 要: 为了筛选出适宜于海洋温差热力发电有机朗肯 循环的工质, 采用 PR 状态方 程计算 11 种低沸 点有机流 体工质在闭 式
海洋温差有机朗肯循环中的热力性能。结果表明, 随着工质临界 温度升高, 循环热效率 总体呈上 升趋势。正丁 烷具有较高 的
循环热效率, 其蒸发压力较低、凝汽压力比较适中, 比较 适合用作海洋温差发电有机朗肯循环的工质。
3) 化学稳定性, 有机流体在高温高压下会分解, 对设备材料产生腐蚀, 甚至容易爆炸和燃烧, 所以要根据
热源温度等条件来选择合适的工质。
4) 工质的临界参数及标准沸点, 因为冷凝温度受环境温度的限制, 能调节的范围有限, 工质的临界温度
不能太低, 要选择具有合适临界参数的工质。
5) 工质廉价、易购买。
循环热效率 Gth
wnet = h3 - h4 - ( h2 - h1)
( 1)
Gth =
wnet h3- h2
@100%
( 2)
式中: h 为各点的比焓值( kJ/ kg) 。
第 2期
王辉涛, 等: 海洋温差发电有机朗肯循环工质选择
1 21
2 有机朗肯循环工质的选择
动力循环工质的筛选应尽量满足如下要求:
0
8 000
R6 00a
407. 85
3 640
0
R236ea
412. 44
3 502
0
R60 0
425. 16
3 796
0
R245 fa
427. 20
3 640
0
Neo2 C5H 12
433. 80
3 202
0
R6 01a
460. 40
3 384
0
R60 1
469. 60
3 374
0
n2 hexane
工质按其在 T - S 图上饱和汽化线的斜率分为干 流体、等熵流体与湿流体三类[ 7] , 见图 5 所示。
因湿流体在透平中膨胀做功后可能处于含液滴的
湿蒸汽状态, 对透平叶片有冲蚀作用, 就要求进口工质 蒸汽具有一定的过热度, 在热交换器中必须设置足够 的过热面积。而工质在蒸汽状态的对流换热系数比液
Fig. 3 Flow chart for the hybrid OTEC system
Fig. 4 T2S diagram for the closed cycle OTEC system
在图 4 中, 点 1- 2 是工质在加压泵里等熵加压到加热器里的蒸发压力 P 2 的过程; 2- 3 是工质在热交换 器里被定压加热到透平进口状态的过程; 3- 4 是工质在透平里等熵膨胀到凝结压力 P 1, 并对外输出功量的 过程; 4- 1 是透平排汽在凝汽器里定压冷凝到饱和液体状态 1 的过程。
01 5 r
)
]
由余函数的定义可得:
s = s* - sr, h = h * - hr
式中: 上标 * 表示在同等温度、压力下, 把流体看成理想气体对应的热力性质。
Q s* ( p , T ) = s(p0, T0) +
T T
C
0 p
dT T
-
0Fra Baidu bibliotek
R
ln
p p0
( 3)
Q h
* (p
,
T
)
=
h(p ,T ) +
关键词: 海洋温差发电; 有机朗肯循环; 热效率; 工质
中图分类号: P743. 4
文献标识码: A
Selection of working fluids for ocean thermal energy conversion power generation organic Rankine cycle
ln < = ( Z - 1) - ln( Z - B) - A ln Z + ( 1+ 2) B 2 2B Z + ( 1- 2) B
纯质的比自由能 a , 比焓 h, 比熵 s 均采用余函数方程计算:
ar = a* -
a = RT [ ln( Z -
B) -
2
A 2
B
ln
Z Z
+ +
( 1( 1+
1) 工质的安全性( 包括毒性、易燃易爆性、对设备管道的腐蚀性等) , 为了防止操作不当等原因导致的工
质泄漏致使工作人员中毒, 应尽量选择毒性低的流体。
2) 环保性能, 很多有机工质都具有不同程度的大气臭氧破坏能力和温室效应, 要尽量选用没有破坏和温
室效应低的工质, 如 HFC 类、HC 类、FC 类碳氢化合物物或其卤代烃。
WANG Hui2tao, WANG Hua
( Faculty of Materials and Metallurgical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China)
Abstr act: Aiming to make a suitable selection of the working fluids for Ocean thermal energy conversion( OTEC) power generation organic Rankine cycle, the PR equation of state was adopted to calculate the thermal performances of OTEC organic Rankine cycle using each of eleven dry fluids. The following conclusions were drawn: as the critial temperature of the selected fluid increases, the thermal efficiency of the Rank2 ine cycle will rise as a whole. Fluid R600 exhibits considerably high values of thermal efficiency, meanwhile, the evaporation pressure and the condensation pressure are in the appropriate range. It is likely to be the most promising fluid for OTEC organic Rankine cycles. Key wor ds: ocean thermal energy conversion( OTEC) power generation; organic Rankine cycle; thermal efficiency; working fluids
2) 2)
B B
]
sr = s* -
s=-
5ar 5T
=
-
Rln( Z - B) + P B ln Z + ( 12 2RTB Z + ( 1+
2) B 2) B
hr = ar + TS r + RT( 1 - Z )
B=
5a 5T
=
-
01457 24R2Tck[ 1+ k( 1-
p
cT
01 r
5
T
00
T T
C0pdT
( 4)
0
式( 3) 和( 4) 中 s( p , T ) 、h( p , T ) 分别为在 计算参考基准 状态( p0, T0) 理想气 体的比熵 与比焓值, 按照
00
00
ASHRAE 惯例, 其取值应满足在 T 0= 273. 15 K 时该工质对应的饱和液体的比熵与比焓分别为 1. 000 0kJ/ ( kg
507. 40
2 969
0
3 热力循环的计算方法与结果
3. 1 热力参数的计算
以上候选工质都属于非极性的有机工质, 可用 PR 状态方程来计算其热力参数。根据文献[ 10] 可见, PR
状态方程具有足够的计算精度。
PR 状态方程:
p=
v
RT -
b
-
a(T) v( v + b) + b( v-
b)
a ( T ) = a ( Tc) a ( Tr, X)
Tab. 1 Some par ameter s of the selected fluids
干流体工质
TC/ K
pC/ kPa
ODP
GWP100
R21 8
245. 05
2 680
0
R227ea
374. 89
2 929
0
3 300
R236 fa
398. 07
3 200
图 1 开式海洋温差发电流程 Fig. 1 Flow chart for the open cycle OTEC system
图 2 闭式海洋温差发电流程 Fig. 2 Flow chart for the closed cycle OTEC system
图 3 混合式海洋温差发电流程
图 4 闭式海洋温差发电的 T- S
1 20
海洋工程
第 27 卷
地影响有机朗肯循环的性能。
1 海水温差发电有机朗肯循环及其性能
海水温差发电大致可以分为三类[5] : 1) 如图 1 所示的开式系统; 2) 如图 2 所示的闭式系统; 3) 如图 3 所 示的混合式系统。当循环工质采用低沸点有机工质时, 闭式和混合式系统中的动力循环就是有机朗肯循环。 假定在工质加压泵及透平里均为等熵过程, 忽略管道及设备的对外散热损失与工质在管道及设备内的流动 阻力的情况下, 采用干流体工质[ 6] 的有机朗肯循环的 T- S 图( 见图 4 所示) 。
海洋占据了约 70% 的地球表面积, 海洋中除了有大量的生物资源, 还蕴涵着大量的能量资源。热带海 洋表层海水将接受太阳辐射能大部分转化为热能, 形成温度在 24~ 29 e 的热水层, 而在海洋深处约 600 m 以 下的深层海水常年温度保持在 2~ 7 e , 由于海水的热容量极大, 在各种海洋能中温差能的储量最大, 全世界 海洋温差能的理论储量估计为 100 亿 kW[ 1] 。此外, 海洋温差能还具有可再生、昼夜无波动稳定和清洁无污 染等优点。海洋温差能的转换( OTEC) 被国际社会普遍认为是最具开发利用价值和潜力的海洋资源。早在 1881 年, 法国物理学家 Jacques Arsene dcArsonval 就提出了由海洋温差来获取能量的大胆设想; 1926 年由其学 生 Claude 实验证实了这一想法的可行性; 1930 年在古巴建造了第一座发电容量为 22 kW 的试验性 OTEC 发 电站[ 2] 。随着技术的不断进步, OTEC 系统不仅可用作发电, 还可进行海水淡化、海水产品养殖、制氢、锂回 收、利用发电后排放深海水的冷量进行空调降温等综合利用[3] 。随着以石油、煤炭为代表的石化燃料的日渐 枯竭和其对环境的影响, 50 MW 发电容量的浮动式 OTEC 发电站已被确认为极具潜在商业价值的新能源项 目[4] 。现在 OTEC 发电系统大多数都偏向于采用低沸点工质的有机朗肯循环系统, 循环工质的选择会极大
#K) 和 200 kJ/ kg 的要求; C0p 为该工质的理想气体的定压比热容, 它只与温度有关, 随温度的升高而增大。一
收稿日期: 2008207230 基金项目: 云南省自然科学重点基金资助项目(2007E0014Z ) 作者简介: 王辉涛( 1967- ) , 男, 四川南充人, 博士生, 主要从事低温热能利用和冶金能源的研究。Email: Wanghuaheat@ hotmail . com 通讯作者: 王 华
图 5 三类流体工质的 T- S Fig. 5 T- S diagram of three kinds of fluids
态低很多, 因此需要有足够的传热温差及换热面积[6] 。一方面增加了换热器的投资; 另一方面增加了工质在
加热蒸发过程中的温差传热不可逆损失。因此选定干流体作为比较的候选工质。表 1 列出了满足以上工质 选择原则的主要干流体的临界温度 T C、临界压力 pC、臭氧破坏能力 ODP 及温室效应 GWP 参数值[8- 9] 。
第 27 卷第 2 期 2009 年 5 月 文章编号: 100529865( 2009) 0220119205
海洋工程 THE OCEAN ENGINEERING
Vol127 No12 May 2009
海洋温差发电有机朗肯循环工质选择
王辉涛, 王 华
( 昆明理工大学 材料与冶金工程学院, 云南 昆明 650093)
1 22
海洋工程
第 27 卷
a ( T c) = 01457 24R2T2c/ p c
b( T) = b( Tc) = 01077 80RT c/ p c
a ( Tr, X) =
[ 1+
k( 1 -
T
01 5 r
)
]
2
k = 01374 64 + 11542 26 X- 01269 92 X2
逸度系数 < 的导出计算式如下:
摘 要: 为了筛选出适宜于海洋温差热力发电有机朗肯 循环的工质, 采用 PR 状态方 程计算 11 种低沸 点有机流 体工质在闭 式
海洋温差有机朗肯循环中的热力性能。结果表明, 随着工质临界 温度升高, 循环热效率 总体呈上 升趋势。正丁 烷具有较高 的
循环热效率, 其蒸发压力较低、凝汽压力比较适中, 比较 适合用作海洋温差发电有机朗肯循环的工质。
3) 化学稳定性, 有机流体在高温高压下会分解, 对设备材料产生腐蚀, 甚至容易爆炸和燃烧, 所以要根据
热源温度等条件来选择合适的工质。
4) 工质的临界参数及标准沸点, 因为冷凝温度受环境温度的限制, 能调节的范围有限, 工质的临界温度
不能太低, 要选择具有合适临界参数的工质。
5) 工质廉价、易购买。
循环热效率 Gth
wnet = h3 - h4 - ( h2 - h1)
( 1)
Gth =
wnet h3- h2
@100%
( 2)
式中: h 为各点的比焓值( kJ/ kg) 。
第 2期
王辉涛, 等: 海洋温差发电有机朗肯循环工质选择
1 21
2 有机朗肯循环工质的选择
动力循环工质的筛选应尽量满足如下要求:
0
8 000
R6 00a
407. 85
3 640
0
R236ea
412. 44
3 502
0
R60 0
425. 16
3 796
0
R245 fa
427. 20
3 640
0
Neo2 C5H 12
433. 80
3 202
0
R6 01a
460. 40
3 384
0
R60 1
469. 60
3 374
0
n2 hexane
工质按其在 T - S 图上饱和汽化线的斜率分为干 流体、等熵流体与湿流体三类[ 7] , 见图 5 所示。
因湿流体在透平中膨胀做功后可能处于含液滴的
湿蒸汽状态, 对透平叶片有冲蚀作用, 就要求进口工质 蒸汽具有一定的过热度, 在热交换器中必须设置足够 的过热面积。而工质在蒸汽状态的对流换热系数比液
Fig. 3 Flow chart for the hybrid OTEC system
Fig. 4 T2S diagram for the closed cycle OTEC system
在图 4 中, 点 1- 2 是工质在加压泵里等熵加压到加热器里的蒸发压力 P 2 的过程; 2- 3 是工质在热交换 器里被定压加热到透平进口状态的过程; 3- 4 是工质在透平里等熵膨胀到凝结压力 P 1, 并对外输出功量的 过程; 4- 1 是透平排汽在凝汽器里定压冷凝到饱和液体状态 1 的过程。
01 5 r
)
]
由余函数的定义可得:
s = s* - sr, h = h * - hr
式中: 上标 * 表示在同等温度、压力下, 把流体看成理想气体对应的热力性质。
Q s* ( p , T ) = s(p0, T0) +
T T
C
0 p
dT T
-
0Fra Baidu bibliotek
R
ln
p p0
( 3)
Q h
* (p
,
T
)
=
h(p ,T ) +
关键词: 海洋温差发电; 有机朗肯循环; 热效率; 工质
中图分类号: P743. 4
文献标识码: A
Selection of working fluids for ocean thermal energy conversion power generation organic Rankine cycle
ln < = ( Z - 1) - ln( Z - B) - A ln Z + ( 1+ 2) B 2 2B Z + ( 1- 2) B
纯质的比自由能 a , 比焓 h, 比熵 s 均采用余函数方程计算:
ar = a* -
a = RT [ ln( Z -
B) -
2
A 2
B
ln
Z Z
+ +
( 1( 1+
1) 工质的安全性( 包括毒性、易燃易爆性、对设备管道的腐蚀性等) , 为了防止操作不当等原因导致的工
质泄漏致使工作人员中毒, 应尽量选择毒性低的流体。
2) 环保性能, 很多有机工质都具有不同程度的大气臭氧破坏能力和温室效应, 要尽量选用没有破坏和温
室效应低的工质, 如 HFC 类、HC 类、FC 类碳氢化合物物或其卤代烃。
WANG Hui2tao, WANG Hua
( Faculty of Materials and Metallurgical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China)
Abstr act: Aiming to make a suitable selection of the working fluids for Ocean thermal energy conversion( OTEC) power generation organic Rankine cycle, the PR equation of state was adopted to calculate the thermal performances of OTEC organic Rankine cycle using each of eleven dry fluids. The following conclusions were drawn: as the critial temperature of the selected fluid increases, the thermal efficiency of the Rank2 ine cycle will rise as a whole. Fluid R600 exhibits considerably high values of thermal efficiency, meanwhile, the evaporation pressure and the condensation pressure are in the appropriate range. It is likely to be the most promising fluid for OTEC organic Rankine cycles. Key wor ds: ocean thermal energy conversion( OTEC) power generation; organic Rankine cycle; thermal efficiency; working fluids
2) 2)
B B
]
sr = s* -
s=-
5ar 5T
=
-
Rln( Z - B) + P B ln Z + ( 12 2RTB Z + ( 1+
2) B 2) B
hr = ar + TS r + RT( 1 - Z )
B=
5a 5T
=
-
01457 24R2Tck[ 1+ k( 1-
p
cT
01 r
5
T
00
T T
C0pdT
( 4)
0
式( 3) 和( 4) 中 s( p , T ) 、h( p , T ) 分别为在 计算参考基准 状态( p0, T0) 理想气 体的比熵 与比焓值, 按照
00
00
ASHRAE 惯例, 其取值应满足在 T 0= 273. 15 K 时该工质对应的饱和液体的比熵与比焓分别为 1. 000 0kJ/ ( kg
507. 40
2 969
0
3 热力循环的计算方法与结果
3. 1 热力参数的计算
以上候选工质都属于非极性的有机工质, 可用 PR 状态方程来计算其热力参数。根据文献[ 10] 可见, PR
状态方程具有足够的计算精度。
PR 状态方程:
p=
v
RT -
b
-
a(T) v( v + b) + b( v-
b)
a ( T ) = a ( Tc) a ( Tr, X)