PDF《带有前置泵的有机朗肯循环实验 س》

2015年12月 农业机械学报第46卷 第12期 d o i :

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4 1 / j . i s s n .

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9 8 .

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2 带有前置泵的有机朗肯循环实验 杨绪飞 徐进良 戚风亮 邹景煌 ( 华北电力大学低品位能源多相流与传热北京市重点实验室,北京

1 0

2 2

0 6 ) 摘要:针对基本有机 朗肯循环(BORC)在运行时工质泵易发生气蚀, 提出了带有前置泵的有机朗肯循环(BPORC),并建立了实验装置.采用不锈钢磁力泵作为前置泵, 安装于工质泵与储液罐之间, 用于提升工质泵入口压 力, 从而确保工质泵入口有足够的气蚀余量.采用三氟二氯乙烷( R

1 2

3 ) 作为循环工质, 在140℃热源条件下进行 实验, 对比了 B O R C和BPORC系统运行的稳定性和高效性.实验结果表明, 前置泵可有效解决工质泵气蚀问题, 使得有机工质流量不发生显著偏离和剧烈波动, 工质流量波动幅值从 ±2 2k g / h下降至 ±2 1k g / h .相同条件下 B P O R C膨胀机输出轴功增大, 当工质泵频率 f 为7H z 时, 膨胀机最大轴功从

2

1 1k W 提升至235k W, 增幅为114%.本实验中前置泵功耗为

0 3k W, 当不考虑前置泵自身功耗时, 系统输出净功和热效率都明显提升, 最大热 效率从

5

7 8 %升至

6

1 6 %;

计入前置泵功耗时, 系统最大热效率则降至

5

2 7 %. 关键词:前置泵 气蚀 气蚀余量 稳定性 效率 有机朗肯循环 实验 中图分类号:T K

1 1 +

5 文献标识码:A 文章编号:1

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9 8 (

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0 6 收稿日期:2

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5 修回日期:2

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5 国家自然科学基金国际合作与交流资助项目(

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1 1 ) 和中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(

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1 4 X S

4 9 、

2 0

1 5 Q N

1 5 ) 作者简介:杨绪飞, 博士生, 主要从事低品位热源利用技术研究, E m a i l :y x f @n c e p u . e d u . c n 通讯作者:徐进良, 教授, 博士生导师, 主要从事多相流传热和低品位热源利用技术研究, E m a i l :x j l @n c e p u . e d u . c n E x p e r i me n t o nOr g a n i cR a n k i n eC y c l eP e r f o r ma n c ew i t hB o o s t e rP u mp Y a n gX u f e i X uJ i n l i a n g Q i F e n g l i a n g Z o uJ i n g h u a n g ( B e i j i n gK e yL a b o r a t o r yo f Mu l t i p h a s e F l o wa n dH e a t T r a n s f e r f o r L o wG r a d e E n e r g y , N o r t hC h i n aE l e c t r i cP o w e r U n i v e r s i t y ,B e i j i n g1

0 2

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6 ,C h i n a ) A b s t r a c t :O r g a n i cR a n k i n ec y c l e( O R C )i s ap r o m i s i n ga p p r o a c ht ou t i l i z et h el o wg r a d eh e a t s o u r c e s . F o rb a s i c o r g a n i c R a n k i n e c y c l e ( B O R C) , w o r k i n g f l u i d c i r c u l a t i n g p u m p i so n e o ft h e m a i n c o m p o n e n t sw i t hl o w e f f i c i e n c ya n ds u f f e r i n gc a v i t a t i o np r o b l e m .T oi m p r o v et h es i t u a t i o n ,o r g a n i c R a n k i n ec y c l ew i t hb o o s t e r p u m p( B P O R C )w a s p r o p o s e d ,a n da ne x p e r i m e n t a l s e t u pw a s c o n s t r u c t e d . As t a i n l e s s s t e e l m a g n e t i cd r i v ep u m pw a s u s e da s b o o s t e r p u m pw h i c hw a si n s t a l l e db e t w e e nc i r c u l a t i n g p u m pa n dr e s e r v o i r .D i c h l o r o t r i f l u o r o e t h a n e( R

1 2

3 )w a s s e l e c t e da s w o r k i n gf l u i d ,a n das c r o l l e x p a n d e r w a s u s e dt op r o d u c es h a f t w o r k .A t t h eh e a t s o u r c et e m p e r a t u r eo f

1 4

0 ℃,c o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t w a s o r g a n i z e dt oc o m p a r et h es t a b i l i z a t i o na n de f f e c t i v e n e s s b e t w e e nB O R Ca n dB P O R C .T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t b o o s t e r p u m pc a no v e r c o m et h ec a v i t a t i o no f c i r c u l a t i n gp u m pe f f e c t i v e l y ,r e s o l v et h ed e v i a t i o no f w o r k i n gf l u i dm a s s f l o wr a t eo b v i o u s l y ,a n dr e d u c et h es c a l eo f o s c i l l a t i o no f m a s sf l o wr a t ea t t h es a m e t i m e .T h ei n t e n s i o no f o s c i l l a t i o nw a s r e d u c e df r o m ±

2 2k g / ht o±

2 1k g / h .T h em a x i m u ms h a f t p o w e r o f e x p a n d e r w a s r a i s e df r o m2

1 1k W t o

2

3 5k W w h e nt h ef r e q u e n c yo f c i r c u l a t i n gp u m pw a s 7H z .T h e p o w e r c o n s u m p t i o no f b o o s t e r p u m pw a s a b o u t

0 3k W.N e t t h e r m a l e f f i c i e n c yw a s r a i s e df r o m5

7 8 % t o

6

1 6 % w h e nt h eb o o s t e r p u m pc o n s u m i n gp o w e rw a si g n o r e d ,w h i l ei t w a sf a l l e nt o5

2 7 % w h e nt h e b o o s t e r p u m pc o n s u m i n gp o w e rw a sc o n s i d e r e d .T h er e s u l t si d e n t i f i e dt h a t t h er e a s o n a b l es e l e c t i o no f b o o s t e r p u m pi s n e c e s s a r y . Ke yw o r d s :B o o s t e r p u m p C a v i t a t i o n N e t p o s i t i v es u c t i o nh e a d S t a b i l i t y E f f i c i e n c y O r g a n i cR a n k i n e c y c l e E x p e r i m e n t 引言 有机朗肯循环( O r g a n i cR a n k i n ec y c l e , O R C ) 是 极具前景的低品位热源利用技术之一, 被广泛应用于 工业余热[ 1-

3 ] 、 发动机排气余热[ 4-

7 ] 、 地热[ 8-

1 0 ] 、 太阳 能[

1 1-

1 3 ] 等低品位热源的开发利用.由于适用于 O R C 热功转换的有机工质具有沸点低、 气化潜热小等特 点, 使得工质泵在泵送液态有机工质的过程中极易发 生气蚀, 对ORC系统正常运行造成不利影响.然而, 当前有关于 O R C工质泵的相关报道[

1 4-

1 9 ] 非常有限, 提及工质泵气蚀的研究报道则更为少见. 在泵送液体的过程中, 需极力避免泵发生气蚀. 因为气蚀会使泵运行效率下降、 使用寿命缩短, 还会 影响工质流量特性, 降低系统运行的稳定性和安全 性.防止泵发生气蚀关键是泵入口的气蚀余量( N e t p o s i t i v es u c t i o nh e a d , N P S H ) 大于该泵的必要气蚀余 量( N e t p o s i t i v es u c t i o nh e a dr e q u i r e d , N P S H R) [

1 4 ] .提 升泵入口气蚀余量( N P S H) 的方法主要有: ①合理设 计泵入口管路和储液罐安装高度.②升高泵入口工 质压力.③降低泵入口工质温度.其中, 降低泵入口 工质温度, 需附加一整套制冷系统, 因而可行性较差. 合理设计泵入口管路和储液罐安装高度是最常见的 手段[

2 0-

2 2 ] .对于 O R C热功转换系统, 升高储液罐安 装高度的方法则并不适用[

2 3-

2 6 ] .杨绪飞等[

2 3 ,

2 5-

2 6 ] 实验表明, 为使得有机工质 R

1 2 3流量稳定, 工质泵入 口过冷度需大于临界过冷度(

2 1 ℃) , 对应的气蚀余量 需大于

7 3m .D u m o n t 等[

2 4 ] 采用 R

1 3

4 a开展实验, 工质泵入口需保持

1 0 ℃的过冷度, 以维持

1 0m的气 蚀余量, 以确保工质流量不发生显著偏离.不难看 出, 7~

1 0m的储液罐安装高度, 对于小型 O R C机组 不具可行性.李晶[

2 7 ] 在实验中发生因工质泵气蚀而 导致断流现象, 通过对多级泵中间进行排气增压得到 改善, 但该方法并不适用于容积式泵[

2 6 ] . 针对当前 基本的有机朗肯循环(Basico r g a n i c R a n k i n ec y c l e ,B O R C ) 系统在实际运行中工质泵容 易发生气蚀问题, 本文提出带有增压泵的有机朗肯 循环( O r g a n i cR a n k i n ec y c l ew i t hb o o s t e rp u m p ,B P O R C ) , 通过在工质泵与储液罐之间安装前置泵, 在 不增加冷凝压力的情况下, 使得工质泵入口有足够 的过冷度保证气蚀余量( N P S H ) .

1 实验装置和方法

1

1 带有前置泵的 OR C工作原理 基本有 机朗肯循环(BORC)工作原理如图1所示, 由 4个基本热力学过程组成.1- 2过程为有 机蒸汽在膨胀机 内膨胀做 功过 程, 实 现热 功转 换;

2- 3过程为乏汽在冷凝器内定压冷却过程, 将气态 工质冷凝为过冷液体;

3- 4过程为有机工质在工质 泵内增压过程;

4-1过程为等压加热过程, 液态有 机工质被热源介质加热为过热蒸汽.在3- 4过程 中, 若当工质泵入口过冷度 T s u b , 3不低于某临界值, 即对应泵在该系统的必要汽蚀余量 N P R HR, 则可避 免工质泵发生气蚀[

2 4 ] . 图1基本 O R C工作原理 F i g .

1 Wo r k i n gp r i n c i p l eo f b a s i cO R C( B O R C ) 为保证 N P S H大于 N P S HR, 可通过多种方法实 现.然而, 对于小型 O R C机组却难以实施: ①7 3~

1 0m 的储液罐安装高度,在空间布置上不可行[

2 4-2

5 ] .②直接增压会导致冷凝压力升高, 系统热 力学性能下降[

2 6 ] .③泵入口温度受限于环境温度, 可调范围非常有限.对此, 本文提出了带前置泵的 O R C系统, 在不影响 O R C结构布置、 不增加冷凝压 力的前提下, 实现增大工质泵的 N P S H . 带前置泵的有机朗肯循环( B P O R C ) 系统工作 原理如图 2所示, 即在工质泵入口前串联一台增压 泵, 将工质泵入口压力从 p c o n 增加至 p b , 对应工质泵 入口过冷度从 T s u b ,

3 增加至 T s u b ,

4 , 以确保工质泵入口 有足 够的气蚀余量. 当 2台 泵的效率相等时, B P O R C 与BORC的理论功耗相等.理想的前置泵 需具有气蚀余量小、 流量大、 扬程低等特性. 图2带前置泵 O R C工作原理 F i g .

2 Wo r k i n gp r i n c i p l eo f O R Cw i t hb o o s t e r p u m p ( B P O R C ) 对照........