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　　内容简介

　　本书以中低温热能的高效热功转换为目标，以有机朗肯循环(ORC)为对象，以减少换热过程㶲损为突破口，从工质、循环、换热三方面出发，提出了构建“多压蒸发、分液冷凝”非共沸工质ORC的新思路，实现了多压蒸发、分液冷凝与非共沸工质的优势叠加、相互促进，突破了传统循环可调性差、对热源适应性不佳的发展瓶颈，同时解决了工质可选种类有限的应用难题，可显著提升中低温热能的热功转换效率。

　　本书可供高校和研究院所工程热物理、能源利用、余热回收、热力系统优化设计等专业的研究人员、研究生和本科生阅读参考。

　　作者简介

　　李健，1993年4月生，黑龙江省大庆市人，清华大学能源与动力工程系助理研究员。2011年9月考入清华大学热能工程系能源动力系统及自动化专业，2015年7月本科毕业获得工学学士学位。2015年9月免试进入清华大学能源与动力工程系动力工程及工程热物理学科，2020年6月博士毕业获得工学博士学位;2020年6月博士学位论文被评为清华大学优秀博士学位论文。入选中国博士后创新人才支持计划、中国科协优秀中外青年交流计划、北京市科协青年人才托举工程和清华大学“水木学者”计划，是清华大学优秀博士毕业生。主要研究方向为先进热力循环构建、换热过程强化、工质优选、热力系统设计及变工况特性分析，致力于实现中低温可再生能源和工业余热的高效利用;已在《Applied Energy》、《Energy Conversion and Management》和《Energy》等国内外学术期刊发表SCI论文21篇，EI论文5篇，授权发明专利1项;有2项成果被国外学术网站Science Trends专门报道。曾荣获博士研究生国家奖学金、中国工程热物理学会吴仲华优秀研究生奖、清华大学蒋南翔奖学金、清华大学综合优秀一等奖学金、中日友好NSK机械工学优秀论文奖和北京热物理与能源工程学会青年学术演讲比赛一等奖等学术奖励。

　　目录

　　第1章绪论

　　1.1课题背景及意义

　　1.2ORC的研究现状

　　1.2.1循环工质

　　1.2.2循环形式

　　1.2.3强化换热

　　1.3现存问题及本书任务

　　第2章纯工质双压蒸发ORC的热力性能分析

　　2.1本章引言

　　2.2系统建模

　　2.2.1循环形式与工质

　　2.2.2数学模型

　　2.2.3优化参数与优化方法

　　2.2.4模型验证

　　2.3最佳循环参数

　　2.4热力性能的对比分析

　　2.5工质物性对最佳循环的影响

　　2.5.1最佳循环

　　2.5.2不同的夹点温差

　　2.5.3不同的热源流体种类

　　2.6性能分析

　　2.6.1分析模型

　　2.6.2吸热过程损

　　2.6.3循环效率

　　2.6.4双压蒸发循环的损分布

　　2.7本章小结

　　第3章非共沸工质与双压蒸发循环的结合优势

　　3.1本章引言

　　3.2分析模型

　　3.3热源入口温度的影响

　　3.3.1最佳循环参数

　　3.3.2系统热力性能

　　3.4工质组分的影响

　　3.4.1最佳循环参数

　　3.4.2系统热力性能

　　3.5性能分析

　　3.6应用潜力评估

　　3.7本章小结

　　第4章超临界-亚临界吸热过程耦合的优势评估

　　4.1本章引言

　　4.2分析模型

　　4.2.1循环与工质

　　4.2.2数学模型

　　4.3最佳循环参数

　　4.4热力性能的分析对比

　　4.5性能分析

　　4.6不同工质的适用性评估

　　4.7本章小结

　　第5章双压蒸发ORC的热经济性能分析

　　5.1本章引言

　　5.2系统建模

　　5.2.1系统与工质

　　5.2.2数学模型

　　5.3最佳循环参数

　　5.4系统热经济性能

　　5.4.1最小单位投资成本

　　5.4.2部件成本占比

　　5.5与单压蒸发循环对比

　　5.6预热器和蒸发器中工质流率的影响

　　5.7冷凝过程夹点温差和冷却水温升的影响

　　5.8不同工质的对比分析

　　5.9本章小结

　　第6章分液冷凝器的设计准则与应用潜力评估

　　6.1本章引言

　　6.2分液冷凝器的分析模型

　　6.2.1管壳式分液冷凝器介绍

　　6.2.2参数选取与数学模型

　　6.3管壳式分液冷凝器的分析设计

　　6.4系统层面的分析评估

　　6.4.1系统建模

　　6.4.2单位投资成本的下降量

　　6.4.3在单压蒸发循环和双压蒸发循环中的优势对比

　　6.4.4不同工质的对比

　　6.5本章小结

　　第7章分液冷凝对非共沸工质ORC的性能提升

　　7.1本章引言

　　7.2系统建模

　　7.2.1系统布置

　　7.2.2数学模型

　　7.3传统冷凝方法的冷凝器购买成本

　　7.4参数的最佳选取

　　7.4.1最佳分液热力学状态

　　7.4.2最佳循环参数

　　7.5性能对比

　　7.5.1冷凝换热系数对比

　　7.5.2净输出功对比

　　7.5.3单位投资成本对比

　　7.6应用潜力评估

　　7.7本章小结

　　第8章结论与展望

　　参考文献

　　在学期间发表的学术论文与研究成果

　　致谢

　　前言/序言

　　2020年9月，习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论会上郑重提出中国“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。2020年我国的能源消费总量接近50×109t标准煤，碳排放总量居世界第一，实现“碳达峰”目标及“碳中和”愿景任重道远，绿色低碳发展无疑是重要的基础支撑。从能源利用的角度，“开源”与“节流”同样重要，所谓“开源”是指积极努力不断提升可再生能源在能源消费中的比例，而“节流”则是做好节能减排，更高效地利用好能源。

　　200℃以下的中低温热能在可再生能源和工业余热中储量丰富，分布广泛，其高效利用对于节能减排具有重要意义。但由于其温度低，也就是能源的品位较低，造成利用难度大、经济性差，缺乏成熟技术，因此目前利用不充分。通过热功转换的方式将中低温热能转化为机械功，进而用于发电，可有效提升能源品位，是用途最广、经济传输距离最长的利用方式。尽管人们已经对常规动力系统有了长期、系统、深入的研究，并积累了丰富的知识，但常规动力系统普遍是以化石燃料燃烧为热源，而中低温热能的热功转换特点与它存在显著差异，受限条件更多，无法简单移植常规动力系统的研究结论。中低温热能的高效热功转换是当前工程热物理学科的前沿和热点、工程热力学研究的重要方向，也是国际能源利用领域的技术难点，具有重要的学术意义和工程应用价值。

　　李健的博士学位论文以实现中低温热能的高效热功转换为目标，提出了构建“多压蒸发、分液冷凝”非共沸工质有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，ORC)的研究思路，具有提高热功转换效率的巨大潜力。论文包含纯工质和非共沸工质双压蒸发循环的参数设计与性能分析、超临界与亚临界吸热过程耦合的新循环构建、分液冷凝器设计和分液冷凝方法提升系统综合性能的潜力评估等内容，取得的主要创新性成果有：

　　(1) 提出了“多压蒸发、分液冷凝”非共沸工质ORC的新思路，实现了多压蒸发、分液冷凝与非共沸工质的优势叠加，突破了传统循环可调性差、对热源适应性不佳的发展瓶颈，同时解决了工质可选种类有限的应用难题，可显著提高中低温可再生能源和余热的转换效率。

　　(2) 率先建立了基于工质物性和热源温度选择最佳循环构型的定量化判据，揭示了非共沸工质和超临界吸热过程对于提升双压蒸发循环转换效率的影响规律和内在作用机制。

　　(3) 揭示了冷凝器参数对分液冷凝方法最佳分液位置和强化换热效果的影响规律，建立了分液冷凝器的设计准则，阐明了分液冷凝方法在ORC系统中的适用工况，证明了此方法在提升系统综合性能方面的优越性。

　　论文的研究内容可为实现中低温可再生能源和工业余热的高效热功转换提供重要的理论指导和方法支撑，为中低温热力系统设计、新型综合能源系统集成提供有价值的借鉴，有益于可再生能源的大规模开发和能量的高效利用。论文行文流畅、结构严谨、内容翔实、重点突出，选题具有前沿性、研究挑战性高，同时入选2020年清华大学优秀博士学位论文。希望本论文的出版能够使广大读者更好地了解我们在中低温热能高效利用方面所做出的努力和尝试，为工程热物理、能源利用、热力系统等专业的研究人员提供参考和启迪，服务于我国中低温热能的大规模开发，助力“碳达峰”目标和“碳中和”愿景的早日实现!

　　段远源

　　清华大学能源与动力工程系