多品位大温差余热低[火用]损梯级转化联合循环的耦合及协同优化研究

During the energy utilization process, the energy usage efficiency is not exceeding 40% on average. Therefore, waste heat recovery has been considered as an important technology trend for energy saving and emission reduction, and an important issue for future technology. Nowadays, there are lots of researches and applications on medium-low grade waste heat recovery, but more concerns to the investigates on high efficient recovery of multi grades and large temperature difficience waste heat, which is common in steel industry, internal combustion engine and so on. Aim at the multi grades and large temperature difficience waste heat whose grades range from high grade to medium grade to low grade, this project will first discuss and establish a scientific and reasonable analysis system and evaluation method for new pattern working fluid according to exergy and tech-economical analysis theory. And then, this application will research the mechanism of supercritical fluid's enhanced heat transfer process with low exergy lose, the irreversibility and energy release princple of supercritical fluid's combined expansion process. Finally, based on the simulation and replication experiment of supercritical fluid expansion combined Oganic rankine cycle for internal combustion engine's multi grades and large temperature diffierence waste heat, this project will establish the collaborative optimization theory with system-widely, total working condition and low-exergy loss characteristic of combined thermodynamic cycle for recovery of multi grades and large temperature diffierence waste heat. This project has a important academic value and theoretical significance to exploiting new theories and new technologies for waste heat recovery.

在能源利用的过程中，能源利用效率平均不超过40%，因此，余热能回收被认为是节能减排的重要技术方向和未来技术发展的重要课题。目前关于中低温品位余热能的回收利用国内外已经开展了大量的研究工作，并应用于工业领域，而针对诸如钢铁、内燃机等行业多品位大温差余热的高效利用成为研究关注点。本申请项目拟针对具有高、中、低品位的多品位大温差余热，基于?分析法和技术经济分析法，探讨和建立科学合理的新型有机工质理论分析体系和评价方法；研究超临界流体低?损强化换热的机理和方法；探索超临界流体联合膨胀做功过程的不可逆性和能量释放规律并进行过程优化；通过对超临界膨胀联合有机朗肯循环的仿真，以及开展基于内燃机多品位大温差余热的联合循环系统验证性实验研究，建立全系统、全工况、低?损的多品位大温差余热利用联合热力循环系统的协同优化理论。本项目对探索余热能利用的新理论以及新技术具有重要的学术价值和理论意义。

由于能源利用过程效率平均不超过 40%，因此余热能回收被认为是节能减排的重要技术方向和未来。申请项目针对具有高、中、低品位的多品位大温差余热，开展高效的余热回收循环和新型工质探索，以及过程强化方法和协同优化研究。建立全系统、全工况、低㶲损的多品位大温差余热利用联合热力循环系统的协同优化理论。. 本研究首先建立了余热回收底循环及工质综合评价方法，可以对工质的优选和开发提供评价方法；利用此方法，针对传统有机工质无法匹配高品位热源的缺陷，以主动匹配高品位热源为目标开展了高温级循环烷烃类工质与自然工质CO2的研究，进而提出了安全环保的高性能阻燃式混合工质。同时，对于低温工质也开展了综合性能优良的工质优选。. 本研究针对性地开展了高温烟气换热强化方法的试验探索和理论优化研究，首先设计制造了一款管壳式高温烟气换热器，在余热回收平台开展探索研究，获得了高温烟气换热器在不同的烟气余热特性下的性能特点。利用CFD方法建立了换热器的高精度数值仿真模型，开展强化换热的理论研究，从换热器管长、管径及导流板等结构上，以及换热表面渐扩式波纹翅片结构和错列式波纹翅片结构的强化换热特性开展了深入分析，总结换热强化方法。初步开展了膨胀机的性能测试，设计了汽轮式有机工质膨胀机，解决了泄漏问题，实现了正常运转。. 本研究建立膨胀机、气体加热器、冷凝器、回热器、工质泵等部件以及联合循环的仿真模型，研究提出一种二级有机朗肯循环系统（DORC），保证了不同品位余热的高效综合利用。同时深入开展了联合循环的协同优化理论研究，从循环结构、运行参数、工质选择等方面开展了协同优化研究，获得联合循环耦合机理和优化方法。. 通过本项目的开展，共发表SCI检索论文10篇，EI检索论文5篇，SCI检索70余次；参加国际会议5次，其中分会场主题报告1次；申请获批国家发明专利4项，申请PCT国际专利1项；合作培养博士生2名，其中毕业1名，出国联合培养1名，培养硕士生3名，其中毕业2名。项目执行期间，负责人于2013年6月破格晋升副教授；2013年获批天津大学北洋骨干教师称号；2014年入选科技部创新团队。