太阳能低温朗肯循环系统适用工质的理论和实验研究

太阳能低温朗肯循环的温度范围大致为环境温度到100oC左右,平板集热器和普通真空管集热器即可满足系统要求。因此,选取适用于太阳能低温热电循环温度范围的有机工质成为关键,本文以太阳能低温朗肯循环系统适用工质为切入点,开展了对太阳能低温朗肯循环系统的理论和实验研究。 在理论循环分析中,选取了R600,R134a,R245fa,R236fa四种具有代表性的纯工质作为太阳能低温朗肯循环的候选工质,在设定工况下,对四种候选工质的循环参数进行了计算,并从压力水平、做功能力、循环效率、热力学完善度、工质安全性和工质环境性能等方面进行了分析比较。结果显示,在冷凝和蒸发温度分别为25℃和80℃时,以R245fa为工质的太阳能低温朗肯循环总体压力水平较低,同时循环效率达到约13%。研究表明选取R245fa作为太阳能低温朗肯循环的工质是可行、合理的。 为了进一步拓宽太阳能低温朗肯循环适用工质的选择范围,本文提出了以R245fa/R152a为组元的按不同质量比例组成的Ca、Cb和Cc三种典型的非共沸混合工质,在设定工况下对其应用于太阳能低温朗肯循环的性能进行了理论研究。针对非共沸混合工质相变时存在温度滑移,在系统中引入了内部换热器(IHE)。分析结果表明:使用混合工质可拓展太阳能低温朗肯循环工质选择范围;非共沸混合等熵工质在设定工况下的循环效率并非最高,但具有最小的膨胀比;非共沸混合工质应用于太阳能低温朗肯循环系统时,同时引入内部换热器和适当的过热度将使循环效率得到明显提高。 对以R245fa为循环工质,采用8mm管板式集热器的太阳能低温朗肯循环系统进行了实验分析。 实验结果表明,与普通太阳能热利用系统集热器不同,太阳能低温朗肯循环系统的集热器效率在运行过程中会出现阶跃式突变;在保证工质完全相变的前提下,集热器效率变化的一般趋势是随太阳辐照度的增加而减小,在相同的太阳辐照度情况下,集热器效率随工质流量的增加而增大。 在变工况分析的基础上提出并拟合得到了太阳能低温朗肯循环系统集热器的“最佳效率曲线”。