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研究生:林志宏
論文名稱:有機朗肯循環系統應用於低焓熱源轉換動力之最佳化設計
論文名稱(外文):The optimal design of Low-grade waste heat trasferring power using organic rankine cycle
指導教授:白寶實白寶實引用關係洪祖全
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:工程與系統科學系
學門:工程學門
學類:核子工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:68
中文關鍵詞:廢熱有機朗肯循環系統理論分析實驗迴路
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在現今能源短缺的問題日漸嚴重,世界各國正積極於開拓潔淨能源的技術。由先前的研究中指出,有機朗肯循環(Organic Rankine Cycle, ORC)利用有機流體之特殊熱力性質,應用於工業界製程的需要、汽電共生底循環與再生能源系統回收低溫廢熱方面,顯現出其優越性。利用具有特殊物理、化學與熱力行為的有機流體回收低焓的熱源,以增加系統動力或發電效率,對於能源缺乏的問題將可獲得紓緩。因此,加強對各級廢熱的回收,於能源結構上將有相當大的助益。
本研究的工作主要分為理論分析,以及實驗迴路的建立與運轉測試等兩部分。在理論分析部分,主要針對於低焓熱源的系統效能、不可逆性以及有機流體之性質計劃,如中低溫廢熱、海洋溫差發電、太陽能源及多循環系統,以熱力學的角度來探討在不同的操作條件下的變化。此外,也從有機流體的物化性質對於系統的安全性與穩定性做了相關的分析,同時也完成了初步的有機流體化性分析。在實驗迴路部分,完成了試壓測漏與工作流體充灌的工作,並進行了數次的測試運轉。針對運轉中所遭遇的問題,完成了相關的修正與改良,並獲致了初步的成果,但進一步的改良與系統設備製作,仍有待未來繼續完成。相信運轉數據的獲得,結合理論分析中所獲得的成果,可以作為未來能源研究時的重要參考。
目錄
內容 頁數
一、前 言 1
二、文獻回顧 3
2.1 工作流體的選擇計算與系統熱力行為的分析 3
2.2不同型式的廢熱源利用 5
2.3 系統設備的建立分析 6
三、ORC系統原理與理論模式分析 7
3.1 有機工作流體的選擇與特性 8
3.1.1 工作流體的型態 8
3.1.2 工作流體的選擇 9
3.2 有機流體之熱物理性質計算 13
3.2.1基本熱力性質計算 13
3.2.2 應用Departure Function的概念 14
3.2.3 狀態方程式 15
3.3 系統效率與不可逆性的分析模式 18
3.4 理論分析的作法與工具 19
3.5 結果與討論 20
3.5.1 應用於低溫廢熱之有機朗肯循環 23
3.5.2 應用於再生能源之有機朗肯循環 29
3.5.3 多循環系統分析 33
四、實驗迴路參數設定與組立 39
4.1 ORC實驗迴路工作流體的選擇 39
4.2 實驗參數的設定 41
4.3 實驗迴路之組立 42
4.3.1 膨脹作功元件 43
4.3.2 汽液分離器、旁通迴路之裝置 44
4.3.3 系統升壓與穩壓部份 45
4.3.4 電加熱功率控制電路 46
4.3.5 冷凝器及蓄液槽 49
4.3.6 感測系統的建立 50
4.3.7流量計的選定與使用 50
五、ORC實驗迴路之準備與初步測試 51
5.1 !!ORC實驗迴路試壓測漏 51
5.2 工作流體的充灌 51
5.3 實驗迴路測試 52
5.4有機流體初步之化性分析 60
六、結論 62
七、未來工作計畫 64
八、參考文獻 66
附錄A、計算流體熱力性質的MathCad程式
附錄B、多循環系統程式架構
附錄C、有機朗肯循環系統實驗迴路之照片集
附錄D、有機流體初步化性分析結果
1. 洪祖全、薛澤源,”廢熱轉換為動力-有機朗肯汽電共生底循環研究”,科學發展月刊第二十八卷第一期,民國八十九年一月。
2. 薛澤源、林志澔、洪祖全,“有機朗肯循環應用於低焓熱源產生動力之研究”,第十二屆中國機械工程學會學術研討會,509頁,民國八十四年十一月。
3. Hung, T. C., Shai, T. Y. and Wang, S. K., 1997, “A review of organic Rankine cycles (ORCs)for the recovery of low-grade waste heat,” Energy, 22, pp. 661-667.
4. 張欽柏、薛澤源、洪祖全,“乾流體有機朗肯循環應用於廢熱回收之熱力分析乾流體有機朗肯循環應用於廢熱回收之熱力分析”,第二十一屆中華民國全國力學會議, 134-141頁,民國八十五年十二月。
5. 翁文爐、施顏祥,”能源回收系統:有機阮金循環分析”,能源季刊,第13 卷4期,46-61頁,民國七十二年。
6. Hung, T. C., 2001, “Waste Heat Recovery of Organic Rankine Cycle Using Dry Fluids,” J. Energy Conversion and Management, 42, pp. 539-553.
7. 薛澤源,”有機朗肯循環系統應用於低焓熱源回收的理論分析與實驗迴路測試研究”,國立清華大學碩士論文,民國八十七年。
8. Gianfranco, A. and Piero, C. D. P., 1998, “Multicomponent Working Fluids for Organic Rankine Cycles(ORCs),” Energy, 23, pp. 449-463.
9. Lee, M. J., Tien, D. L. and Shao, C.T., 1993, “Thermophysical Capability of Ozone-safe Working Fluids for an Organic Rankine Cycle System,” Heat Recovery Systems & CHP, 13, pp. 409-418.
10. Younglove, B. A. and Ely, J. F., 1987, “Thermophysical Properties of Fluids. Ⅱ. Methane, Ethane, Propane, Isobutene, and Normal Butane,” J. Physical and Chemical Reference Data, 16, pp. 577-798.
11. Al-Shafe’i, M. O. and Mečárik, K., 1997,“A Modified Carnahan-Starling-de Santis Equation of State to Compute Thermodynamic Properties of Refrigerants,” Int. J. Refrigeration-Revue International du Froid, 20, pp. 38-48.
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13. 梁逸挺、劉榮泰、洪祖全、林志宏,“有機朗肯循環應用於轉換再生能源之研究”,第二十五屆中華民國全國力學會議,37頁,民國九十年十二月。
14. 劉璧銘、蕭邱偉、洪祖全,“多循環能源系統熱力行為分析模式的建立”,第十五屆中國機械工程學會學術研討會,49-56頁,民國八十七年十一月。
15. 何承益、劉鈺鴻、洪祖全,“並式三循環能源系統之熱力行為分析”,第二十三屆中華民國全國力學會議,154-160頁,民國八十八年十二月。
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17. Larjola, J., 1995, “Electricity From Industrial Waste Heat Using High-speed Organic Rankine Cycle (ORC),” Int. J. Production Economics, 41, pp.227-235.
18. Takahisa, Y., Tomohiko, F., Norio, A. and Koichi, M., 2001, “Design and Testing of the Organic Rankine Cycle,” Energy, 26, pp.239-251.
19. Calderazzi, L. and Paliano, P. C. D., 1997, “Thermal Stability of R-134a, R-141b, R-13I1, R-7146, R-125 Associated with Stainless Steel as a Containing Material,” Int. J. Refrigeration-Revue International du Froid, 20, pp. 381-389.
20. Maizza, V. and Maizza, A., 1996, “Working Fluids Non-steady Flows for Waste Energy Recovery Systems,” Appl. Thermal Engineering, 16, pp. 579-590.
21. Nguyen, V. M., Doherty, P. S. and Riffat, S. B., 2001, “Development of a Prototype Low-temperature Rankine Cycle Electricity Generation System,” Appl. Thermal Engineering, 21, pp. 169-181.
22. 吳俊逸,“R-600a及R-290自然冷煤空調系統之熱流循環特性模擬與分析”,國立中山大學碩士論文,民國89年。
23. Robert, C. R., John, M. P., and Bruse, E. P., 2001, “The Properties of Gases & Liquids,” 5/e, MacGraw-Hill.
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25. Hung, T. C., 2002, “A Conceptual Arrangement of Multiple Cycle Toward Optimal Energy Conversion,” ASME J. Eng. Gas Turbines Power, 124, pp. 429-436.
26. 林志宏、廖俊榮、洪祖全,“短管式噴射膨脹作功元件應用於冷凍系統之效能探討”,第二十三屆中華民國全國力學會議,138-144頁,民國八十八年十二月。
27. 廖俊榮、林志宏、洪祖全,“冷凍系統中短管式噴射器最佳化設計之研究”,第二十四屆中華民國全國力學會議,A-18頁,民國八十九年十二月。
28. Lee, K. M., Kuo, S. F., Chien, M. L. and Shih, Y. S., 1988, ”Parameters analysis on organic Rankine cycle energy recovery system,” Energy Conversion and Management, 28, pp. 129-136.
29. Badr, O., O’Callaghan, P. W., Hussein, M. and Probert, S. D., 1984, “Multi-vane expanders as prime movers for low-grade energy Organic Rankine-cycle engines,” Appl. Energy, 10, pp. 129-146.
30. William, Z. B. and James, G. H., 1991, “Thermodynamics,” SI Version 2/e, Harper Collins.
31. American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers, Inc., 1993, “1993 ASHRAE Handbook Fundamental,” I-P/e, ASHRAE.
32. 吳建國,”海洋特性簡介”,防蝕工程,第六卷第一期,22-24頁,民國八十一年。
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