三类有机朗肯循环工质的材料相容性研究

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我国拥有丰富的工业余热和可再生资源,但其资源分散、能量密度低。对于150℃-350℃温度区间内的资源,有机朗肯循环技术(Organic Rankine Cycle,ORC)被认为是一种高效的能源回收利用技术,具有广泛的应用前景。目前国外对于低于150℃的ORC技术的研究比较成熟,已经拥有了商业化ORC机组,国内处于样机示范阶段。而大于150℃的ORC技术是国内外研究热点。ORC机组的设计需要考虑多方面因素,其中在机组运行中,工质的材料相容性是保证系统稳定运行的基础。目前专门针对材料相容性的研究主要是在制冷领域,而结合具体ORC系统工况的研究很少,针对大于150℃的ORC技术的材料相容性更是缺乏。本文以ORC商业常用的三类物质的代表工质六甲基二硅氧烷(MM)、五氟丙烷(R245fa)以及正戊烷(R601)进行工质材料相容性研究,提供一套适合ORC技术的工质与材料相容性实验的研究方法。对于三种ORC工质,本文首先选取典型工况,结合ORC循环温熵曲线进行热力计算,选取实验工况,再结合工质与ORC系统可能发生材料相容性反应的部件如换热器、密封材料以及润滑油,选择实验材料对象。本文选取换热器常用金属材料铜、不锈钢304;常用密封材料EPDM、PTFE和FKM为研究对象。最后,还考虑了工质泵常用润滑油白油、POE与工质的材料相容性。通过系列实验,得到的主要实验结论有:MM相容性实验结果显示:亚临界工况下,不锈钢304的材料相容性优于铜;超临界工况下,铜,不锈钢304,FKM物理性质发生了变化,材料相容性不好,选材时应酌情考虑,而白油和POE与MM的材料相容性较好。R245fa的超临界工况下材料相容性结果显示:不锈钢304的材料相容性优于铜;FKM材料相容性很差,不适合使用;EPDM的材料相容性优于PTFE。正戊烷的超临界工况下实验结果显示:不锈钢304的材料相容性优于铜;EPDM不适合使用,PTFE优于FKM。本文的研究,可为回收中低温热源的有机朗肯循环装置在选择材料方面提供参考。
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