有机朗肯循环工质热稳定性研究
有机朗肯循环工质热稳定性研究
【摘要】： 我国的地热能、生物质能、太阳能等可再生能源和工业余热等资源丰富,针对这部分资源,有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)是较为适合的热电转换技术。为提高ORC的效率和经济性,使用150~350℃中高温热源的超临界ORC目前得到广泛关注。而在150~350℃中高温热源条件下,有机工质的热稳定性成为有机工质筛选的首要限制条件。本文对ORC有机工质的热稳定性进行研究。本文结合有机工质热分解的化学理论,提出了可以对ORC全工况下有机工质热稳定性进行描述的一级反应表观动力学模型研究方法。根据工质特点和动力学实验需要,设计并搭建了有机工质热稳定性在线测量实验台。以正戊烷为例,实验测量了正戊烷的表观动力学参数并获得其表观动力学模型,可以计算不同时间、温度、压力条件下的热分解率。这一研究方法理论上可以适用于所有有机工质。尽管使用一级反应表观动力学模型可以计算详细的热分解数据,但是适用于ORC的有机工质有上百种,不可能一一进行动力学实验研究。因此针对不同类别的有机工质,通过理论和实验分析得出高灵敏度的热分解检测指标,提出了有机工质热分解的快速实验方法,设计并搭建了有机工质热稳定性快速实验反应釜系统。通过实验获得了大量有机工质热稳定性基础数据,并通过对基础数据的分析归纳了有机工质热稳定性与工质分子结构之间的内在规律。由于分子结构与热稳定性之间存在明显的联系,因此从理论上进行有机工质热稳定性的预测是可能的。结合化学热力学与动力学理论,提出吉布斯函数预测方法和离解能预测方法两种热稳定性理论预测方法。通过理论计算结果与实验结果的对比,表明两种理论预测方法均可以有效地对有机工质热稳定性进行预测。但是单纯的热分解数据并不能完全评价有机工质的热稳定性,还需要明确有机工质热分解产物对ORC系统的影响。本文设计热分解产物实验,对工质热分解产物成分进行实验研究;获得产物成分实验数据后,结合实际ORC系统模型,分析了有机工质热分解产物对ORC系统的影响机制,并对影响程度进行了定量计算。在高温条件下,有机工质的材料相容性实验数据匮乏,因此通过实验对多个不同种类的有机工质对金属材料的相容性进行研究。结果表明含氟类工质与金属材料的高温相容性较差,且铜和铝等金属材料对有机工质也存在着催化作用。
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
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