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有机朗肯循环是中低品位能源利用技术之一。由于其能明显提升系统的能源利用率且具有较好的环保优势，近年来受到了国内外科研院所和工业界的高度关注。工质充注量作为有机朗肯循环系统性能的主要影响因素之一，对提高系统输出功、热效率及运行稳定性等均具有关键性的作用。因此，关于系统工质充注量的研究不仅对系统的建模仿真具有理论意义，也能够对系统在工程实践运行中的性能优化提供重要依据。考虑到目前基于有机朗肯循环工质充注量的理论与实验研究尚不充分，故本文着重针对充注量对小型有机朗肯循环系统变工况运行特性的影响规律进行研究。
首先，针对以200℃热空气为热源，采用管翅式蒸发器和管壳式冷凝器的3kW有机朗肯循环系统，分析了不同相变传热关联式与空泡份额模型对换热器内工质质量计算结果的影响，并通过对各传热关联式和空泡份额模型的详细分析，探讨了相变传热关联式与空泡份额模型的适用性。结果表明，在冷凝器中不同冷凝传热实验关联式和空泡份额模型的选取对工质质量的计算结果影响较大。其中，Eissenburg冷凝传热实验关联式的实验条件与本系统最为接近，故为最适合本系统的关联式，同理，Premoli空泡份额模型为最适合本系统的空泡份额模型。相反，在蒸发器中，沸腾传热实验关联式和空泡份额模型的选取对工质质量的计算结果的影响则并不明显。
其次，针对四种常见的工质(R123、R245fa、异己烷、新戊烷)，对换热器内工质质量在不同设计工况下的变化情况进行了分析。结果表明，对于四种工质，蒸发器内工质质量均随设计蒸发温度的上升而先升后降，且最大值所对应的蒸发温度与工质本身的临界温度相关，而冷凝器内工质质量均随设计冷凝温度的上升而单调下降。
再次，通过联合系统各个子部件的数学模型建立了整个系统的稳态模型，并探讨了定充注量下系统的变工况运行特性，以及不同工质充注量对系统变工况运行特性的影响。计算结果表明，本系统的理论充注量为33.6kg，在该充注量下，随着膨胀机输出功增加，蒸发器内工质质量上升，冷凝器内工质质量下降，蒸发器和冷凝器中液相区传热面积上升，两相区的传热面积下降。充注量的变化对冷凝器中工质质量的影响大于蒸发器，且随着充注量增加，蒸发器传热量和蒸发器出口的工质过热度下降。此外，在额定工况下，当充注量为34.6kg时系统热效率达到最大，为6.37%。
最后，为获取不同充注量对系统变工况运行特性的影响，本文还设计了有机朗肯循环系统变工况实验系统，进行了关键设备的选型，并基于选定的测量仪表的误差，针对设计工况对各相区工质质量、蒸发器传热量、蒸发器出口工质过热度、系统热效率等参数进行了误差分析。结果表明，各参数的误差值均在实验精度的允许范围之内，表明该实验系统测得的数据具有较好的可靠性。
首先，针对以200℃热空气为热源，采用管翅式蒸发器和管壳式冷凝器的3kW有机朗肯循环系统，分析了不同相变传热关联式与空泡份额模型对换热器内工质质量计算结果的影响，并通过对各传热关联式和空泡份额模型的详细分析，探讨了相变传热关联式与空泡份额模型的适用性。结果表明，在冷凝器中不同冷凝传热实验关联式和空泡份额模型的选取对工质质量的计算结果影响较大。其中，Eissenburg冷凝传热实验关联式的实验条件与本系统最为接近，故为最适合本系统的关联式，同理，Premoli空泡份额模型为最适合本系统的空泡份额模型。相反，在蒸发器中，沸腾传热实验关联式和空泡份额模型的选取对工质质量的计算结果的影响则并不明显。
其次，针对四种常见的工质(R123、R245fa、异己烷、新戊烷)，对换热器内工质质量在不同设计工况下的变化情况进行了分析。结果表明，对于四种工质，蒸发器内工质质量均随设计蒸发温度的上升而先升后降，且最大值所对应的蒸发温度与工质本身的临界温度相关，而冷凝器内工质质量均随设计冷凝温度的上升而单调下降。
再次，通过联合系统各个子部件的数学模型建立了整个系统的稳态模型，并探讨了定充注量下系统的变工况运行特性，以及不同工质充注量对系统变工况运行特性的影响。计算结果表明，本系统的理论充注量为33.6kg，在该充注量下，随着膨胀机输出功增加，蒸发器内工质质量上升，冷凝器内工质质量下降，蒸发器和冷凝器中液相区传热面积上升，两相区的传热面积下降。充注量的变化对冷凝器中工质质量的影响大于蒸发器，且随着充注量增加，蒸发器传热量和蒸发器出口的工质过热度下降。此外，在额定工况下，当充注量为34.6kg时系统热效率达到最大，为6.37%。
最后，为获取不同充注量对系统变工况运行特性的影响，本文还设计了有机朗肯循环系统变工况实验系统，进行了关键设备的选型，并基于选定的测量仪表的误差，针对设计工况对各相区工质质量、蒸发器传热量、蒸发器出口工质过热度、系统热效率等参数进行了误差分析。结果表明，各参数的误差值均在实验精度的允许范围之内，表明该实验系统测得的数据具有较好的可靠性。