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ORC直接接触式蒸汽发生器的传热性能及其优化研究

作　者: 黄峻伟
导　师: 王华
学　校: 昆明理工大学
专　业: 冶金能源工程
关键词: 直接接触式蒸汽发生器有机朗肯循环液滴群行为贝蒂数协同关系
分类号: TK124
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

回收和利用工业生产过程中各种低温余热,既有助于解决我国的能源问题,又能有效减少环境污染,具有十分重要的现实意义。有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle, ORC)能利用300℃以内的低温余热、低聚焦比太阳能或生物质燃烧热能进行高效发电,已成为国际上研究的热点。低温差下蒸汽发生器的传热性能极大地影响ORC系统的效率。当直接接触蒸汽发生器的连续相选用高沸点流体,分散相选用低沸点有机工质时,符合ORC系统载热流体和循环工质选择的热力学条件。相比于传统间壁式蒸汽发生器,由于省去了内部换热壁面,直接接触式蒸汽发生器具有结构简单、传热系数高,适应于在低温差下运行等优点,因此在ORC系统中使用直接接触式蒸汽发生器,可望获得较好的效果。本文对直接接触蒸汽发生器中单泡滴和液滴群生成及传热机理进行了研究,同时基于数字图像处理技术以及计算同调群理论研究了液滴的群行为,得到了液滴群行为演化规律与换热性能之间的耦合关系,进一步构建了直接接触蒸汽发生器性能模拟及优化模型,对直接接触换热技术在ORC系统中的应用具有一定的指导意义。(1)改进了单泡滴传热的数理模型,该模型既考虑泡滴在实际传热过程中的几何形态,又充分考虑对流换热和导热换热共同作用。在此基础上,通过对单泡滴生长过程的分析,得到了单泡滴无因次半径随无因次时间变化的关系式,同时进一步推导出单泡滴努塞尔数表达式；运用单泡滴传热模型和漂移通量模型,导出液滴群容积换热系数表达式,该表达式将液滴群传热过程分为预聚集和聚集后两个阶段。(2)自行设计并搭建了ORC直接接触换热试验平台,对分散相有机工质R245fa(五氟丙烷)与连续相导热油THERMINNOL(?)66直接接触换热特性进行了研究。对导出的液滴群容积换热系数理论公式的预测精度进行了验证,其结果表明,理论计算值与试验值的平均偏差为16%,其计算精度可满足工程实际及本文后继对ORC直接接触蒸发器性能模拟及优化模型的要求。(3)综合热力学、传热学、流体力学及(?)分析方法,建立了ORC直接接触式蒸汽发生器性能模拟模型,确定了影响蒸汽发生器性能的热工及结构参数。考察了初始换热温差、分散相及连续相流率等独立变量对蒸汽发生器容积换热系数,工质蒸发量,效能,(?)效率等主要性能指标的影响规律。结果表明,独立变量各参数与蒸汽发生器性能间存在复杂的非线性函数关系,有必要进行系统的多参数并行优化。(4)建立了表征液滴群行为参数βl和表征直接接触传热性能平均容积换热系数hl协同关系模型,两者的相关系数为0.95。该模型基于所设计的正交试验,通过灰度变换、高帽变化、二值化及开运算等数字图像处理技术,对所获得的直接接触换热过程中液滴群行为图像进行转换,得到了可用于提取液滴群行为主要特征的图像；基于计算同调群理论,得到了量化液滴群行为贝蒂数随时间演化规律的曲线,从曲线中提取了两个特征参数,分别是对应着液滴群行为伪均匀状态开始时刻的“伪均匀时间t”和对应着伪均匀状态过程中1维贝蒂数平均值的“1维平均贝蒂数βl”。根据单一特征参数与平均容积换热系数的对应关系,定义一个指标参数βl,该指标参数与平均容积换热系数的变化趋势有很好的协同性。(5)基于数学规划理论及遗传算法,建立了ORC直接接触式蒸汽发生器性能优化数学模型,以蒸汽发生器容积换热系数最大化为目标,通过对初始运行条件的优化使蒸汽发生器的性能得到有效改善,从优化过程及结果可看出,经过优化后的蒸汽发生器的容积换热系数达到了初始值的6.7倍之多。将液滴群行为与换热协同关系模型作为约束条件引入优化模型后,最优容积换热系数的优化迭代次数比原模型减少了约55%,且其值比原模型提高了0.3%,所以引入该约束条件后,不仅提高了优化算法的收敛速度,还降低了最优解陷入局部最优解的概率,所得最优解更逼近全局最优值。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第一章绪论  13-37
  1.1 引言  13-15
  1.2 直接接触换热器结构及其应用  15-25
    1.2.1 典型直接接触换热器结构  16-19
    1.2.2 直接接触换热器的应用  19-25
  1.3 直接接触换热技术研究现状  25-33
    1.3.1 单个泡滴蒸发传热的研究评述  25-30
    1.3.2 直接接触换热器整体换热性能  30-33
  1.4 直接接触式换热研究中存在的问题及研究意义  33-34
  1.5 本文的研究内容和创新点  34-37
    1.5.1 本文研究的主要内容  34-35
    1.5.2 本文主要创新点  35-37
第二章直接接触换热的传热机理研究  37-61
  2.1 单个泡滴蒸发传热过程理论分析  40-52
    2.1.1 单个泡滴蒸发传热物理模型  40-43
    2.1.2 单个泡滴生长的理论分析  43-50
    2.1.3 单个泡滴传热的理论分析  50-52
  2.2 液滴群容积换热系数的理论分析  52-58
  2.3 本章小结  58-61
第三章 ORC直接接触式蒸汽发生器传热性能试验研究  61-81
  3.1 ORC直接接触式换热试验平台与试验方法  61-68
    3.1.1 试验装置  61-64
    3.1.2 试验流体选择  64-66
    3.1.3 试验原理  66-67
    3.1.4 试验方案  67-68
  3.2 试验结果与分析  68-80
    3.2.1 工质流率对蒸汽出口温度的影响  68-69
    3.2.2 初始换热温差对工质蒸发量的影响  69-71
    3.2.3 容积换热系数的影响因素分析  71-77
    3.2.4 试验结果与理论模型的比较  77-80
  3.3 本章小结  80-81
第四章 ORC直接接触式蒸汽发生器传热性能模拟研究  81-95
  4.1 ORC直接接触式蒸汽发生器传热性能数学模型  81-89
    4.1.1 基本方程  82-84
    4.1.2 分散相流体含气率分布模型  84-85
    4.1.3 气化分率分布模型  85-86
    4.1.4 分散相流动换热的计算  86
    4.1.5 连续相流动换热的计算  86
    4.1.6 辅助方程  86-88
    4.1.7 ORC直接接触式蒸汽发生器的(?)效率  88
    4.1.8 ORC直接接触式蒸汽发生器的效能  88-89
  4.2 模拟计算结果与分析  89-94
    4.2.1 模拟计算条件的设定  89
    4.2.2 模拟计算结果与分析  89-94
  4.3 本章小结  94-95
第五章液滴群行为同调刻画及其与传热的协同关系  95-115
  5.1 计算同调群理论  97-99
    5.1.1 贝蒂数  97-98
    5.1.2 贝蒂数的性质  98-99
  5.2 试验设计及其图像获得  99-100
    5.2.1 试验设计  99-100
    5.2.2 图像获得  100
  5.3 数字图像处理  100-105
    5.3.1 灰度变换  100-102
    5.3.2 高帽变换  102-103
    5.3.3 二值化  103-104
    5.3.4 开运算  104-105
  5.4 液滴群行为贝蒂数评价及其与传热协同关系  105-113
    5.4.1 贝蒂数计算  105-109
    5.4.2 液滴群行为与传热协同关系  109-113
  5.5 本章小结  113-115
第六章 ORC直接接触式蒸汽发生器性能优化研究  115-125
  6.1 ORC直接接触式蒸汽发生器性能优化数学模型  115-118
    6.1.1 目标函数  115
    6.1.2 优化过程独立变量(自由度)  115-116
    6.1.3 不等式约束条件  116-117
    6.1.4 优化算法  117-118
  6.2 ORC直接接触式蒸汽发生器性能优化结果及分析  118-121
    6.2.1 目标函数  118-119
    6.2.2 优化结果及分析  119-121
  6.3 引入液滴群行为与换热协同关系模型的优化结果及分析  121-124
  6.4 本章小结  124-125
第七章结论与展望  125-129
  7.1 主要结论  125-127
  7.2 研究展望  127-129
符号表  129-131
参考文献  131-143
致谢  143-145
攻读博士学位期间学术成果  145

ORC直接接触式蒸汽发生器的传热性能及其优化研究

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