中高温热功转换的有机工质跨临界循环基础研究

The energy-to-power conversion using of renewable energy and medium-low grade waste heat is an important trend of the international energy strategy. However, huge amount of medium-high temperature waste heat range from 150 to 350℃ has not been used with efficiency due to its medium grade, limited unit heat flux and fluctuation, thus making the technology for medium-high temperature waste heat recovery a difficult while hot issue in international thermal utilization. Constructing advanced cycles based on transcritical organic Rankine cycle(ORC) is a potential approach in medium-high temperature waste heat recovery, which can increase unit output power, decrease loss of exergy by heat transfer and improve variable working condition. In view of the current domestic and overseas research situation, this project will work on the construction of transcritical ORC in order to reveal the correspondence between the quantity and grade of the waste heat, working fluid and the best utilization pattern. Further research will focus on building the power cycle evaluation system and construction method which can find the synergy between thermal temperature level, working fluid property and system scale. This project will establish working fluids screening method and search for the specific change laws of the working fluids properties in transcritical area. And transcritical thermal property experiments will be carry out with organic working fluids and their mixtures, aiming to provide high-precision data while building transcritical equations of state and optimize the forecast method for mixtures properties. The decomposition reaction mechanism of working fluids under medium-high temperature conditions will be revealed, and a forecast method for thermal stability and durable limit criteria on high temperature condition will be given. This project will provide scientific foundation and support to maximum recovery of medium-high temperature waste heat resources.

可再生能源及中低品位余热资源的转换利用是国际能源战略发展的重要方向。150-350℃的中高温余热资源数量巨大，但其品位中等、单元热流量有限、波动性强，现有热功转换技术难以有效利用其有效能，是国际热利用的难点和热点。构建以跨临界有机朗肯循环为主的先进循环方式，可增加机组出功，减少传热有效能损失、改善变工况性能，是中高温余热利用非常有潜力的技术。针对国内外研究现状，本项目拟围绕构建跨临界有机朗肯循环，揭示余热资源的数量、品位、载体等与最佳利用模式间的对应关系，建立热源温位、工质特性、系统规模协同的热力循环评价体系和构建方法；建立工质筛选方法，深入探索工质跨临界物性变化特殊规律，开展有机工质及混合物的跨临界热物性实验研究，提供高精度基础数据，建立跨临界状态方程，优化混合工质物性预测方法；揭示中高温条件下工质热稳定性的反应机理、预测方法和极限判定准则。可为最大限度地利用中高温余热资源提供科学支撑。

可再生能源及中低品位余热资源的转换利用是国际能源战略发展的重要方向。150-350℃的中高温余热资源数量巨大，但其品位中等、单元热流量有限、波动性强，现有热功转换技术难以有效利用其有效能，是国际热利用的难点和热点。构建以跨临界有机朗肯循环为主的先进循环方式，可增加机组出功，减少传热有效能损失、改善变工况性能，是中高温余热利用非常有潜力的技术。本项目揭示了循环、工质、热源之间的关联规律；对150~350℃中高温热源进行了热力学模型的抽象与分类，并给出了不同条件下最佳循环形式和最优工质筛选的定量准则；基于工质物性对循环性能的作用机理，建立了ORC混合工质主动设计方法，避免了传统被动方法的盲目试算。对中高温有机工质热分解的反应机理进行了理论和实验研究，提出了具有普适性的表观动力学模型研究方法和理论预测方法；发展多种实验方法，大幅补充了有机工质热稳定性实验数据；并进一步明确了不同种类有机工质热分解对ORC系统的影响机制，对系统安全性进行了评价。同时发展新型测试技术，获取潜力工质的高精度饱和蒸气压、pvT性质、气相声速性质、导热系数和粘度等热力学和输运性质基础数据，其中多套数据均为国际首套；并进一步建立具有很强预测性和通用性的跨临界区的跨接VTSRK方程，同时基于同构近似，将跨接VTSRK方程拓展到二元体系相平衡和单相区性质的计算，明显改善了对近临界区压力-密度关系的描述精度。本项目的研究结果为ORC循环构建、系统设计和工质选择方面提供了科学依据和理论基础，对于跨临界ORC的发展具有十分重要的指导意义，可为最大限度的利用可再生能源及中低品位余热资源实现热功转换提供科学支撑。本项目组在国家自然科学基金重点项目的资助下，顺利完成了预定研究任务，发表SCI期刊论文65篇，EI期刊论文17篇；毕业博士研究生8人，硕士研究生1人。