【導(dǎo)讀】環(huán)，上原循環(huán)的原理，有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)的選擇原則。詳細(xì)分析了在同樣。熱源溫度的有有機(jī)朗肯循環(huán)效率，不同氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的Kalina循環(huán)的理。論效率和實(shí)際效率和不同氨質(zhì)。Keywords:OTEC、ORCcycle、Kalinacycle、Ueharacycle、cycleefficiency. 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙。海洋溫差能及其開發(fā)歷史和現(xiàn)。海洋溫差能資源儲(chǔ)藏量估算方。海洋溫差能轉(zhuǎn)換發(fā)電系

　　

【正文】 其系統(tǒng)工作過程為： 具有一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氨水基液 8，經(jīng)過蒸發(fā)器吸收熱源的熱量，變?yōu)楦邷厝芤?9，高溫溶液9在分離器被分離成富氨蒸氣 1和富水溶液 10，分離出的富氨蒸氣 1進(jìn)入膨脹機(jī)做功，膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作，從膨脹機(jī)出來的乏汽 2和從高溫回?zé)崞髦谐鰜淼慕?jīng)節(jié)流降壓后的富水溶液 16在混合器中混合成一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氨水基液 3，氨水基液先經(jīng)過低溫回?zé)崞鹘禍貫榛?4，再經(jīng)過冷凝器冷凝成基液 5，基液 5經(jīng)工質(zhì)泵變?yōu)楦邏毫Φ幕?6再進(jìn)入低溫回?zé)崞髦蓄A(yù)熱為基液 7，由低溫回?zé)崞?出來的基液 7進(jìn)入到高溫回?zé)崞鬟M(jìn)一步預(yù)熱成為基液 8，最后進(jìn)入蒸發(fā)器，完 成一個(gè)循環(huán)，如圖 14所示。 圖 14 Kalina循環(huán)示意圖 假設(shè)膨脹機(jī)和工質(zhì)泵中為等熵過程，點(diǎn) 1 處為飽和氣體，點(diǎn) 2 處為飽和液體，換熱器中為等壓過程，工質(zhì)混合時(shí)為等壓混合，高溫回?zé)崞鳠崃黧w出口溫度等于冷流體進(jìn)口溫度，低溫回?zé)崞鳠崃黧w進(jìn)口溫度等于出口溫度，冷流體進(jìn)口溫度等于出口溫度，那么在已知 T9， P9， y9，T5時(shí)各點(diǎn)參數(shù)計(jì)算方法如表 7 所示。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 24 頁 第 20 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 表 7 Kalina循環(huán)各點(diǎn)參數(shù)計(jì)算方法 狀態(tài)點(diǎn) 用于確定狀態(tài)點(diǎn)的 已知 條件 參數(shù)計(jì)算式 9 T9， P9， y9 1 T1= T9， P1=P9，飽和氣態(tài) 10 T10= T9， P10=P9，飽和液態(tài) 5 T5， y5= y9， 飽和液態(tài) 6 y6= y9， P6=P9， s6= s5 2 P2= P5， s2=s1， y2=y1 11 T11= T7=T6， y11=y10， P11=P9 8 P8=P9， h8， y8=y9 9 1 018 6 1 0 1 1 9 1 1 0(1 ) ( ) , hhmh h w h h w m h h?? ? ? ? ? ? ? Kalina 循環(huán)的理論效率為： 1 2 6 598( ) ( )w h h h hhh? ? ? ?? ? 則有當(dāng) 泵效率為 ηp，膨脹機(jī)效率為 ηT 時(shí)， Kalina 循環(huán)的效率為： 651298() Tphhw h hhh? ?????? ? 不同 氨質(zhì)量分?jǐn)?shù) Kalina 循環(huán) 效率 氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響循環(huán)效率的重要因素，為了反映不同氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)循環(huán)效率的影響。選取 熱源（表層海水）溫度 28℃ ， 冷源（深層海水）溫度 =8℃ ， 泵效率為 ηp=70%，膨脹機(jī)效率為 ηT=70%。 假設(shè) 蒸發(fā)器出口溫度等于熱源溫度，冷凝器出口溫度等于冷源溫度。選擇蒸發(fā)器出口氨質(zhì)量分?jǐn)?shù) y5 分別為 80%,85%,90%,蒸發(fā)器壓力分別為 ， 。根據(jù) 中表 6 所述，可以得到循環(huán)各點(diǎn)的參數(shù)表 8，表 9，表 10 以及循環(huán)效率表11。 表 8 y9=80%時(shí)的循環(huán)各點(diǎn)參數(shù) 狀態(tài)點(diǎn) P MPa T ℃ y % h kJ/kg s kJ/(kg?K) 狀態(tài) 9 28 80 氣液兩相 1 28 飽和氣態(tài) 10 28 78 飽和液態(tài) 5 8 80 飽和液態(tài) 6 80 過冷液體 2 氣液兩相 11 78 過冷液體 8 80 過冷液體 表 9 y9=85%時(shí)的循環(huán)各點(diǎn)參數(shù) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 24 頁 第 21 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 狀態(tài)點(diǎn) P MPa T ℃ y % h kJ/kg s kJ/(kg?K) 狀態(tài) 9 28 85 氣液兩相 1 28 飽和氣態(tài) 10 28 83 飽和液態(tài) 5 8 85 飽和液態(tài) 6 85 過冷液體 2 氣液兩相 11 83 過冷液體 8 85 過冷液體 表 10 y9=90%時(shí)的循環(huán)各點(diǎn)參數(shù) 狀態(tài)點(diǎn) P MPa T ℃ y % h kJ/kg s kJ/(kg?K) 狀態(tài) 9 28 90 氣液兩相 1 28 飽和氣態(tài) 10 28 89 飽和液態(tài) 5 8 90 飽和液態(tài) 6 90 過冷液體 2 氣液兩相 11 89 過冷液體 8 90 過冷液體 表 11 不同氨質(zhì)量分?jǐn)?shù) Kalina循環(huán) 循環(huán)效率 氨質(zhì)量分?jǐn)?shù) 80% 85% 90% 理論循環(huán)效率 % % % 實(shí)際循環(huán)效率 % % % 隨著氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的上升，理論循環(huán)效率在 85%時(shí)最高為 %，但實(shí)際循環(huán) 效率因?yàn)楸霉Φ臏p少還是在氨質(zhì)量濃度 90%時(shí) 最高為 %。 Kalina 循環(huán)的效率基本在 %左右 對(duì)比同樣熱源，冷源，膨脹機(jī)效率和泵效率下的有機(jī)朗肯循環(huán)的 %的效率，顯然 Kalina 是一種更高效的循環(huán)。雖然 Kalina 循環(huán)的效率較有機(jī)朗肯循環(huán)高，但由于增加了分餾設(shè)施以及受氨水的腐蝕性和毒性影響而添加的密封和防腐蝕措施，使得 Kalina 循環(huán)的設(shè)備較有機(jī)朗肯循環(huán)更復(fù)雜和昂貴。這些大大限制了 Kalina 循環(huán)的推廣和應(yīng)用，也是目前研究的重點(diǎn)方向之一。 4 上原循環(huán) 上原 循環(huán)的原理 佐賀大學(xué)海洋能 源研究中心的上原春男教授從 1973年開始著手 開 發(fā)， 1985年日 本 佐賀 大 學(xué)建成閉式循環(huán)的 75KW實(shí)驗(yàn)設(shè)施， 1994年找到了被稱為 “上原循環(huán) ”的新方式 [16]。上原循環(huán)所使用的媒介并 不 單純是氨，而是氨和水的混合物。通過 雙級(jí)膨脹以及 主循環(huán)和蒸餾 分離循環(huán) 的聯(lián)合 ，大大提高了效率。 Kalina循環(huán)和上原循環(huán)本質(zhì) 上 沒有區(qū)別，都是采用氨水混合物為 工 質(zhì)，由至少兩個(gè)循 環(huán)構(gòu)成：主循環(huán)和蒸餾 分離循環(huán)。在蒸發(fā)過程中工質(zhì)變溫蒸發(fā)，減少工質(zhì)吸熱過程的不可逆性；在 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 24 頁 第 22 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 冷凝過程中的基本工質(zhì)含氨較低，冷凝溫度變化較小，也減少了冷凝過程中的不可逆 性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了在較低壓力下工質(zhì)的完全冷凝。 在上原循環(huán)中工質(zhì)經(jīng)過蒸發(fā)器加熱后，通過分離器分離為 富氨蒸氣和富水溶液 ， 富水溶液通過回?zé)崞骷訜嵴舭l(fā)器入口前的工質(zhì)， 富氨蒸氣 通過膨脹機(jī) 1做功后經(jīng)提取器再次分離為 2股蒸汽，其中之一通過加熱器加熱從冷凝器排出的工質(zhì)并液化，另一股經(jīng)過膨脹機(jī) 2做功后與回?zé)崞髋懦龅慕?jīng)過擴(kuò)壓器的 富水溶液 混合進(jìn)入冷凝器，從冷凝器排除后進(jìn)入加熱器加熱之后與加熱器產(chǎn)生的液體混合后經(jīng)過回?zé)崞骷訜嵩龠M(jìn)入蒸發(fā)器。如圖 15所示。 蒸 發(fā) 器氣 液 分 離 器膨 脹 機(jī) 1膨 脹 機(jī) 2吸 收 器冷 凝 器加 熱 器回 熱 器擴(kuò) 壓 器發(fā) 電 機(jī) 1發(fā) 電 機(jī) 2工 作 流 體 泵 1工 作 流 體 泵 25671 11 09121 31 51 41 2834 圖 15 上原循環(huán)示意 圖 為了計(jì)算循環(huán)效率，需要已知 5 5 2 5 11 , , , , ,ExT P T y W P。其中下標(biāo)中的數(shù)字與圖中點(diǎn)的序號(hào)對(duì)應(yīng)， Ex代表提取器， y代表氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)， 5/Ex exW m m? ， exm 一級(jí)膨脹后中間抽氣 質(zhì)量流量 。理想情況下點(diǎn) 6處為飽和氣體，點(diǎn) 7處為飽和液體，換熱器傳熱過程為等壓過程，泵的加壓過程為等熵過程，回?zé)崞鳠崃黧w出口溫度 T8等于冷流體進(jìn)口溫度 T3，擴(kuò)壓器 中為等熵過程，工質(zhì)的混合過程為等壓過程。 在點(diǎn) 12， 14， 15混合 處建 立質(zhì)量守恒方程可得： 1 5 1 4 1 2(1 )E x E xy w y w y? ? ? 又因?yàn)?y15=y5,y12=y6,y14=y2所以有 ? ?2 5 6 E x E x/ (1 )y y y w w? ? ? 在點(diǎn) 12， 14， 15混合 處 和加熱器處 建立 能量 守恒方程可得： 15 12 141Ex Exh w h w h? ? ?（ ） 1 1 1 2 1 4 1 3( ) (1 ) ( )E X E xh h w w h h? 因此 1 5 1 1 1 3(1 )E x E xh w h w h?? 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 24 頁 第 23 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 在回?zé)崞鹘⒛芰渴睾惴匠炭傻茫? ? ?? ?4 3 7 8 61h h h h w? ? ? ? 在吸收器中建 立能量平衡方程可得： ? ? ? ? ? ?E x 1 6 E x 1 0 6 911w h w w h w h? ? ? ? ? 于是各點(diǎn)狀態(tài)可按表 12順序得出 表 12 上原循環(huán)各點(diǎn)參數(shù)計(jì)算方法 狀態(tài)點(diǎn) 用于確定狀態(tài)點(diǎn)的 已知 條件 參數(shù)計(jì)算式 5 T5， P5， y5 6 T6= T5， P6=P5，飽和氣態(tài) 7 T7= T5， P7=P5，飽和液態(tài) 2 T2， y2， 飽和液態(tài) ? ?2 5 6 E x E x/ (1 )y y y w w? ? ? 11 P11， s11= s6， y11= y6 10 P10= P2， s10=s11= s6，y10=y6 13 P13= P11， s13= s2， y13= y2 15 P15= P11， y15= y5， h15 1 5 1 1 1 3(1 )E x E xh w h w h?? 3 P3= P5， y3= y5， s3= s15 8 P8= P5， y8= y7， T3= T8 4 P4= P3， y4= y5， h4 ? ?? ?4 3 7 8 61h h h h w? ? ? ? 9 P9= P2， h9= h8， y7 1 P1= P2， y1=y2， h1 ? ? ? ?? ? ? ?1 6 E x 1 0 6 9 E x1 / 1h w w h w h w? ? ? ? ? 上原循環(huán)的理論效率 為： 6 6 1 1 6 1 1 1 0 3 1 5 1 3 254( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 ) ( )E x E xw h h w w h h h h w h hhh? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? 那么，當(dāng)泵效率為 ηp，膨脹機(jī)效率為 ηT時(shí)上原循環(huán)的效率可以由下式求出： 6 6 1 1 6 1 1 1 0 3 1 5 1 3 254[ ( ) ( ) ( ) ] ( ) / ( 1 ) ( ) /E x T p E x pw h h w w h h h h w h hhh? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? 不同 氨質(zhì)量分?jǐn)?shù) 上原 循環(huán) 效率 工質(zhì)中的氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響上原循環(huán)效率的重要因素。選取熱源（表層海水）溫度 28℃ ，冷源（深層海水）溫度 =8℃ ， 泵效率為 ηp=70%，膨脹機(jī)效率為 ηT=70%。 假設(shè) 蒸發(fā)器出口溫度等于熱源溫度，冷凝器出口溫度等于冷源溫度。選擇蒸發(fā)器出口氨質(zhì)量分?jǐn)?shù) y5分別為80%,85%,90%,為了達(dá)到該濃 度下的最佳效率， 蒸發(fā)器壓力分別為 ， ， wEX分別為 %， %， %， P11分別為 ， ，[17]。 根據(jù)表 11，可以得到