沫沫小公举
范文一：低质热源有机朗肯循环效率特性研究
低质热源有机朗肯循环效率特性研究
12 2王为术, 1, , 时小宝, 刘怀亮彭 岩广2闫 3 ,(1. 华北水利水电大学 热能工程研究中心, 河南 郑州 450011; 2. 中信重工机械股份有限公司, 河南 洛阳 471039; 3. 河北华热工程设计有限公司, 河北 石家庄 050000)
摘要: 有机朗肯循环是有效的低品位能源利用方式, 有机朗肯循环的流程设计和参数的选择对循环效
率有很大影响, 其中主蒸汽参数是最重要的热力循环参数。针对循环参数选取、主蒸汽过热对循环效
率与余热回收效率的影响特性, 建立了有机朗肯循环模型, 并利用 EES 建立饱和蒸汽循环与过热蒸汽
循环的计算方程, 通过变参数计算得到有机朗肯循环主蒸汽参数与循环效率和余热回收率的对应曲线,
并比较四类工质的热力循环特点总结有机质热力特性规律。
循环效率 关键词: 低品质热; 有机朗肯循环; 蒸汽过热;
文章编号: 1000-3096(2014)03-0037-05 中图分类号: TK284.1 文献标识码: A
doi: 10.11759/hykx20130318001
有机工质朗肯循环在低质热源高效利用中有广
阔的应用前景。水的沸点高, 水工质朗肯循环难以实
现温度 200?以下的余热发电, 采用低沸点有机工质
朗肯循环可以极大的扩展余热发电的资源。基于低
沸点有机朗肯循环的特点, 可用于海洋能源、太阳
能、地热能等新能源高效利用。对于低温余热发电,
采用低沸点有机物作为朗肯循环工质比采用水作为
工质有更高的循环效率。有机工质热力特性复杂, 对
循环效率有显著影响。
在有机朗肯循环动力系统中, 对有机工质蒸汽 [1][2][3] 是否过热存在较大争议, Bo-Tau、Bahaa、Ronald
[4] 和王华等主张采用干流体作为循环工质, 热力系 图 1 有机朗肯循环模型 统取消过热器, 其理由是干流体在汽轮机末端不发 Fig.1 ORC model [5]1. 余热流; 2. 尾部烟道; 3. 储液罐; 4. 升压泵; 5. 预热器; 6. 蒸 生液化, 对末级叶片几乎无危害。而朱江则认为过
发器; 7. 过热器; 8. 汽轮机; 9. 凝汽器 热可以提高循环效率, 提议增设排汽回热器。目前投 1. Waste heat fluid; 2. convection flue gas pass; 3. liquid storage 入运行的有机朗肯循环机组大部分采用了过热器, pot; 4. booster pump; 5. preheater; 6. evaporimeter; 7. super heater; [6]其过热度高, 甚至超过了 100?。 8. turbine; 9. condenser
为进一步掌握有机朗肯循环效率的影响规律, 笔 液罐完成循环。 [7][8][9][10]者选择了 R600a 、R601a、R245fa 和甲苯等典 对于一个确定的余热载体及其热力循环流体, 型余热回收工质, 对其朗肯循环效率特性进行研究, 蒸发器的蒸发量存在极限蒸发值, 即蒸发器端差为 0 研究结果可为有机朗肯循环的设计、运行提供参考。
时的理论蒸发量。在一个原有的有机朗肯循环设备
上增设排汽回热装置, 可提高进入预热器的工质温度 1 有机朗肯循环热力系统模型的建立
典型的有机朗肯循环模型如图 1 所示, 有机工 收稿日期: 2013-03-18; 修回日期: 2013-06-29 质贮存在储液罐中, 经升压泵升压后依次通过预热 基金项目: 国家科技支撑计划项目(2011BAA05B03)
作者简介: 王为术(1972-), 男, 教授, 硕士生导师, 主要研究方向: 器、蒸发器和过热器, 达到额定参数后进入汽轮机膨 多相流动与传热, 热工水力, 低质热利用, 流体动力输送, E-mail: 胀做功, 汽机排汽进入冷凝器冷凝成液态后返回储 wangweishu@ncwu.edu.cn
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并减少预热器中的传热温差。但是受极限蒸发量的限 3 循环效率的计算方法 制, 余热载体的最终排放温度很高, 增设回热器并无 在有机朗肯循环效率的计算过程中将汽轮机的 必要, 所以图 1 中的热力系统并没有增加回热器。 效率定为 1, 则循环效率为等熵焓降 h与循环吸热 ed 研究 采用方程求 解器 (Engineering Equation 量 h的比值, 其计算式为: ah Solver, EES)求解热力循环的性能参数, EES 内置了
η= h/h= (h, h)/(h, h)研究范围内流体的物性。 EES 中的物性参数采用 (1) cef ed ah mst ds mst sup NIST-Refprop 进行校验, 所选有机质涵盖直链烷烃、 3.1 饱和蒸汽循环计算方程的建立 烷烃同分异构体、烷基苯和氟代烷四类。选择循环 选取空气模拟烧结冷却机废气作为余热载体, 质 吸热量、等熵焓降和循环热效率三个参数对有机朗
量流量取 m , 1kg / s 。采用饱和蒸汽循环模型, 所肯循环的效率特性进行研究。 c.air 以 (1)中 hh,mst=sat, g 分别对蒸发器、预热器取下端差, 建立 两组方程判断热力循环是否成立并计算循环效率: 2 有机介质热力温-熵图及工质变参
吸热量法计算方程为: 数范围 工质流量:
余热流初始焓值、蒸发器出口焓值、预热器出 ,(hh )/(h , ,(2) m 1.air 3.airsat,g w、 h 、 h ,工质初始状态为 口焓值分别为 hh)1.air 2.air 3.air sup 等熵焓降:
冷凝压力 P下过冷温度 ,t的液态, 焓值为 h , (3) cond n hsat,g ed h, hsup , ds 循环效率: 主蒸汽压力为 P, 主蒸汽压力下工质饱和温度为 m,st T,饱和液态焓与饱和蒸汽焓分别为 h、 h, sat ,h/(h , ,(4) sat,l sat,g cef ed sat,g
h)sup 主蒸汽熵为 S, 等熵焓降排汽焓为 h。变量参数 sat,g ds
余热回收效率: 选择 P、蒸汽过热度 Δt 和冷凝压力 P。图 2 给 h ,(5) m,st cond 1.air ,(h，ed 出了有机朗肯循环温熵图, 据此按等熵法计算效率。 判断循环成立的条件是蒸发器出口的烟气温度 ref m)/ w四种工质的选取范围如表 1 所示。 与蒸发温度的差值大于所取蒸发器端差, 即:
,t ? T(6) 2.air
, T蒸发器端差法计算方程只有循环流量计算式与 sat
吸热量法不同:
工质循环流量:
m= (h , h)/(h- (7) w 1.air2.air sat,g
h)sat,l 判断循环成立的条件是预热器出口的烟气温度
与工质初始温度的差值大于换热器端差, 即:
,t ? T , (8) 3.air
Tsup 以上两种计算方程组对于某一工况必有一方程
组成立。 图 2 热力循环温熵图
Fig.2 The temperature-entropy diagram for thermodynamic 3.2 过热蒸汽循环计算方程的建立 cycle [5]朱江认为蒸汽适当过热可以提高有机朗肯循
环效率, 但并未指出有机朗肯循环最佳过热度的相 表 1 工质参数选取范围 关计算方法, 因此笔者建立过热蒸汽循环模型并计 Tab.1 The range of working medium parameters
算有机朗肯循环的最佳蒸汽过热度及相关规律。 工质 T(?) P( kPa) P( MPa) m,st cond m,st 选择等熵焓降模型, 主蒸汽压力、主蒸汽温度、 R600a 1.09~2.38 >70 302.2~736.81
R601a 1.23~2.49 >135 109.17~457.48 焓值、熵分别为: P、 t、 h、 s,排汽压 ms,s ms,s ms,s ms,s 0.89~2.13 >85 148.25~294.46 R245fa 力为冷凝压力 P。将 P、t定为变参数, 则过 cond ms,s ms,s 甲苯 2.53~3.28 >220 1.237~46.06 热蒸汽循环效率计算式为:
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,h/ h,(hh)(/h, , (9) cef ,s d ah ms,s dsms,s 4.2 蒸汽过热对循环效率的影响
, h)sup 采用 EES 可计算出循环效率随过热度的变化曲线。 图 5 为 R601a 循环效率与主蒸汽温度的计算结果。 4 计算结果及分析
4.1 主蒸汽压力对循环效率、余热回收
效 率的影响
选取 150?空气作为余热载体, 计算 R600a、
R245fa 的热力循环, 循环效率与余热回收效率的计
算结果如图 3 所示。
图 5 R601a 的循环效率与主蒸汽温度
Fig. 5 The cycle efficiency with main steam temperature of
R601a
由图 5 可知, 在选定的循环下, 存在过热度
, ,t , 12?使循环效率达到最高, 称为最佳过
热度。 当 P, 2112.3 kPa (饱和温度为 168?)ms,s
, 时 7?; P1779.7 kPa ( T, 158?)时,t , , ms,s sat
则计算结果如图 6 所示。 图 3 R600a、R245fa 的循环效率、余热回收效率与蒸发
压力
Fig.3 The cycle efficiency and thermal recovery efficiency
with evaporating pressure to R600a and R245fa
由图 3 可知, R600a 与 R245fa 的饱和蒸汽循环效
率随着蒸发压力的增大而增大, 但随着循环参数的
提高其余热回收效率随蒸发压力升高先升高后下降,
原因是工质流量逐渐减小, 故存在最佳蒸发压力使
余热的回收效率达到最大。
选择 300?空气-甲苯、200?空气-R601a, 可以
得到相似的结果, 如图 4 所示。
图 6 R601a 的循环效率与主蒸汽温度
Fig. 6 The cycle efficiency with main steam temperature of
R601a
由计算可知, 随着主蒸汽压力降低, 循环效率
,, 呈下降 趋势 , 且 最 佳过热 度 ,t逐渐减 小 ,
当
,, P=1779.7kPa 时最佳过热度 ,t0?。 , ms,s
计算 R600a、R601a、R245fa 和甲苯的过热蒸汽
,, 循环, 可得到最佳过热度 ,t随主蒸汽压力和排
汽 压力的变化规律, 如图 7 所示。
由图 7 可知, 循环效率最高对应的最佳过热度
随主蒸汽压力升高而增大, 不同工质其变化幅度不 图 4 甲苯与 R601a 的循环效率、余热回收效率与蒸发压力
同, 最为敏感的是 R601a, 甲苯的变化最不敏感。计 Fig.4 The cycle efficiency and thermal recovery efficiency
with evaporating pressure to Toluene and R601a 算中, R601a 的排汽压力为 200.57kPa, R600a 的排汽
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立, 且决定于主蒸汽压力与排汽压力, 研究表明主
蒸汽压力越高, 排汽压力越低, 则最佳过热度越高。
在实际工程中, 有机朗肯循环机组的运行参数较高,
蒸汽过热是提高循环效率的有效方法。
符号说明:
,h ——蒸发h——余热流初始比焓, kJ , kg ; 2.air 1.air 1
,1 器出口余热流比焓, kJ , kg;
,h ——余热流排放比焓, kJ , kg ; h——循环 3.air 1 ah ,1 吸热量, kJ , kg;
,图 7 四种工质的最佳过热度与主蒸汽压力 h——等熵焓降, kJ , kg ; h——等熵焓降排汽 ds ed 1 Fig.7 The best overheating temperature with main steam ,1 比焓, kJ , kg; pressure of four working media ,h——主蒸汽比焓, kJ , kg ; h——饱和蒸汽 ms,s sat,g 1 压力为 404.72 kPa, R245fa 的排汽压力为 177.79 kPa, ,比焓, kJ , kg ; 甲苯的排汽压力为 3.8 kPa。 1 ,h——饱和液比焓, kJ , kg ; h——工质初始比 sat,l sup 对 R600a、R601a、R245fa 和甲苯四种有机朗肯 1 ,1 ,, 循环进行计算, 取 0? 的主蒸汽压力与排,t, 焓, kJ , kg;
汽压 力参数, 可得曲线图 8。 m——余热流质量流量, kg ,s ; m——工质循 ,c.air w 1 ,1 环流量, kg ,s;
P——冷凝压 力 , kPa ; P——主蒸 汽压力 , cond ms,s
kPa ;
P——蒸发压力, kPa ; S——饱和蒸汽比熵, m,st sat,g
,1 ,1 kJ , kg, K;
,,s——主蒸汽比熵, kJ , kg , K ; t——主蒸 ms,s 1 1 ms,s
汽温度, ?;
T——蒸发温度, ?; sat ,t ——过热
度, ?; ,, ,t——过冷度, ?; ,t——最佳过热温n 图 8 主蒸汽压力和排汽压力决定蒸汽过热度 度, ?; Fig.8 The main steam overheating depending on main ,——循环效率; ,——余热回收效率。 steam pressure and backpressure cef ref
参考文献: 图 8 中某流体作为工质, 当热力系统运行参数在 Bo-Tau Liu, Kuo-Hsiang Chien, Chi-Chuan Wang. [1] 其对应曲线下方时, 饱和蒸汽循环的效率最高, 过热 Effect of working fluids on organic rankine cycle for 会降低其循环效率; 当运行参数在曲线上方时, 最佳 waste heat recovery[J]. Energy, 2004, 29:1207-1217. 过热温度 ,t,0 , 适当过热可使循环效率达到最
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Working fluids for low-temperature organic rankine 5 结论
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Ronald DiPippo. Second law assessment of binary [3] 以下结论:
plants generating power from low-temperature geoth- (1) 蒸发压力是决定有机朗肯循环效率和余热
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(2) 蒸汽过热提高循环效率只在一定条件下成 朱江.中低温有机朗肯循环(ORC)发电系统优化研究 [5]
海洋科学 / 2014 年 / 第 38 卷 / 第 3 期 40
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Aleksandra Borsukiewiz-Gozdur, Wladyslaw Nowak. 27: 223-228. [8]
Study on the factors of Organic Rankine cycle efficiency for inferior thermal
11, 3222WANG Wei-shu, YAN Guang, PENG Yan, SHI Xiao-bao, LIU Huai-liang (1. Thermal Engineering Research Center, North China University of water conservancy and Hydroelectric Power, Zhengzhou 450011, 2. CITIC Heavy Industries CO., LTD, Luoyang 471039, 3. Hebei Huare Engine- ering Design co., LTD, Shijiazhuang 050000, China)
Received: Mar., 18, 2013 Key words: Low quality heat source; Organic Rankine cycle; Steam superheat; cycle efficiency
Abstract: Organic Rankine cycle is an effective way for low thermal energy utilization, . The process design of Organic Rankine Cycle and the selection of its parameters have great influence on cycle efficiency. The Main steam parameter is the most important Thermodynamic cycle parameter. The Organic Rankine cycle model was built ac- cordingly. The accounting equations to saturated steam cycle and superheated steam cycle were built by EES, The corresponding curves to ORC main steam parameters with cycle efficiency and waste heat recovery rate were ac- quired through variable parameter calculation. The thermal characteristic law of organic fluids was acquired by comparing the four organic fluids thermal cycles.
(本文编辑: 康亦兼)
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范文二：有机朗肯循环实验
动力工程学院本科生创新实验报告
题目：有机朗肯循环：废热余热利用
关于有机朗肯循环系统性能测试实验
学 号：2009XXXX
班 级：热能与动力工程X 班 姓 名：XX 教 师：XXX
动力工程学院中心实验室
2013年1月
注意：
1. 实验成绩按照百分制给出。
2. 教师评定成绩根据实际情况时要有区分度。 3. 本页由指导教师填写。
报告内容
1. 实验背景
能源是推动人类社会发展的动力，随着煤炭、石油、天然气等化石能源消耗量的不断攀升，以及能源消耗带来的环境负担（如二氧化碳排放、酸雨等），能源和环境问题已成为全世界共同关注的重大问题。能源利用形式不仅要讲究环境友好型，而且能源利用效率也要讲究高效型。经过人类的不断研究，高温热源利用技术已经相对成熟，为了更好地缓解能源压力，人类开始对新能源进行探索，同时也开始对低品位能源利用技术进行研究。因此，各种能源利用形式开始出现：太阳能、风能、潮汐能、地热能、生物质能、工业废热等。
因此，对低品位能源（如工业废热）形式的利用，人类开始有机朗肯循环技术进行探索。本实验对于有机朗肯循环系统利用废热进行了简单介绍及其性能进行实验研究。
2. 研究进展
有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC) 是以有机物代替水作为工质，回收低品位热能的朗肯动力循环。有机物朗肯循环的研究最早始于1924年，有人以二苯醚作为ORC 工作介质进行了研究。1966年有学者撰文指出可应用有机 朗肯循环回收低品位的热能 ，一时之间以氟利昂为工质回收低品位热能的朗肯循环引起了各国 学者的广泛关注。Curran H M J，Badr O J，Giampaolo G 等人在有机朗肯循环的设计、运行 及工质选择等方面开展了较深入的研究工作。我国自20世纪80年代开始对有机朗肯循环进行研究，分析了有机朗肯循环的热力系统及效率，论证了有机朗肯循环中工质的选择与循环参数的确定及对八种常用的氟里昂的动力粘度在100～450K 范围内求出拟合公式。
1997-2001 年期间台湾义守大学Hung T C 等人进行了深入的研究，采用苯、甲苯、对二甲苯、R113和R123等五种工质的有机朗肯循环分析表 明：采用对二甲苯工质的循环热效率最高，而以苯为工质的热效率最低。
2001年意大利巴里理工大学Maizza 等人报道了l1种常见的氟利昂类单质及9种混合制冷剂的热物理性质，并在蒸发温度为80～110℃，冷凝温度为35～60℃时，对它们在有机朗肯循环系统中的效率进行计算，计算结果显示单质中R123、R12g ，混合物中R401C 效率最优。
2007年波兰学者Borsukiewicz —Gozdur 等人对地热水温在35～110℃的地热有机朗肯循环机组也进行了研究，得出以下结论：当工质的临界温度与最高水温接近时，使用该工质的系统效率较高；使用丙烯和R245fa 作为工质时系统效率较高，在水温为100℃时分别为14．6％和14．1％。
2003年，在一篇《以HFC-245fa 为工质的有机朗肯循环发电系统的优势》中，
美国学者GARY J.Z.等人通过研究认为，当废热的温度在150～200℃时HFC-245fa 的性能要优于R123。
2004年台湾工业技术研究院Bo-Tau Liu 等人发表了对于有机朗肯循环工质的认识，认为在分子中存在氢键的流体都不适合作为有机朗肯循环的工质, 如水、氨和乙醇等湿流体。
2007年，意大利布雷西亚大学Invernizz C 等人对回热式微型涡轮机采用有机朗肯循环进行了研究。利用质量流量为1 kg／s ，温度为300℃的废热，100 kW的微型涡轮机中采用多甲基硅氧烷作为工质可以多产生45 kW 的电能，将效率从30％增加至40％。
3. 应用范围
有机朗肯循环可用于回收各种类型的中低品位热能用于发电，从应用上看，有
在生物质能利用中，生物质能驱动有机朗肯循环与一般低品位热源不同之
机朗肯循环可应用于生物质能发电，地热发电，工业废热发电，LNG 冷能发电。 处在于，与有机工质换热的热油温度高达600 K 以上。奥地利学者Ingwald Obernberger 在2002年报道了奥地利蒂罗尔州利用生物质能驱动有机朗肯循环产生热电的机组系统 。该机组电容量为1 MW，热容量为4．4 MW，循环最高温度为300℃，有机朗肯循环工质采用硅油。
在地热利用中，热源的温度范围一般从几十摄氏度到三百摄氏度，可分为高温(>220 ℃) 、中温(100～220 ℃) 、低温(70～100 ℃) 三类。其中以中低温最为常见。世界上很多国家都把地热发电投入了实际应用。日本北海道浊川地热田和九州大岳地热田，在1978年即有1 MW发电容量，采用双工质有机朗肯循环发系统，前者使用R114(c C1 F )为工质，而后者则使用异丁烷 。德国、奥地利也分别在2000年前后建成地热有机朗肯循环系统，装机容量分别为1 MW和0．1 MW。它们使用同一种工质——全氟正戊烷 。
在工业余热利用中，水泥工业的余热总量非常巨大，具有极佳的回收前景。Baatz 等和Legmann 等介绍了位于Lengfurt 的Heidelberger Zement AG Plant 的1500kW 有机物朗肯循环电站，该电站回收水泥工业中排放的300℃的余热，是最早的用于水泥工业的有机物朗肯循环电站。该电站每年可减少二氧化碳排放7600t ，每年的减排量占到整个工厂因电力而产生的二氧化碳排放量的29.1%，输出的电力预计可以达到整个水泥厂12%的电力消耗。
有机朗肯循环另一个重要的应用领域是利用LNG 冷能发电，它以LNG 的冷能作为冷源，以普遍存在的低品位能（地热能、太阳能、工业余热）作为热源。这
种在低温下运行的有机朗肯循环与直接膨胀法结合，可充分回收利用LNG 的冷量火用和压力火用，可以大大提高冷能回收率。目前，利用低温朗肯循环回收LNG 冷能主要采用丙烷、乙烯或它们的混合物。
4. 工作原理
有机朗肯循环原理类似于水蒸气朗肯循环，理想朗肯循环过程如图4-1和图4-2所示的绝热膨胀（1-2）、定压冷却（2-3）、绝热加压（3-4）以及定压加热（4-1）四个过程，对应的有机物朗肯循环的四个主要设备为如图4-1所示的膨胀机、冷凝器、工质泵和蒸发器。有机朗肯循环的具体过程如下：
绝热膨胀（1-2）：来自蒸发器的高温高压的有机物蒸汽在膨胀机中绝热膨胀，从而实现对外做功的过程。理想的膨胀机过程为绝热等熵膨胀，此时，膨胀机的绝热效率为1；而实际的膨胀机，由于存在着摩擦、泄漏、漏热等不可逆损失，其绝热膨胀过程通常是不可逆的熵增过程，其绝热效率小于1。膨胀机的绝热效率可以通过下式进行计算：
h 1-h 2
η Tur = （4.1）
h 1-h 2s
W Tur =m W (h 1-h 2) （4.2）
h 为工质的焓值。而膨胀机对外做的功，则可以由下式进行计算：
m W 为工质质量流量。
定压冷却（2-3）：经过膨胀机膨胀之后的较低温度较低压力的有机物蒸汽，在冷凝器中冷却成过冷液体，同时将热量排到冷却流体中。通常这个过程包括预冷、冷凝和过冷三个阶段。冷凝器中的冷却过程，可以由下式进行计算：
Q con =m W (h 2-h 3) =m L (h Lb -h La ) （4.3）
m L 为冷却工质的质量流量，对应的h 为其焓值。
绝热加压（3-4）：经过冷凝器冷却之后的过冷的有机工质液体，在工质泵中被绝热加压至高压液体，以进入蒸发器进行加热。在考虑泵的效率之后，泵的耗功可以由下式进行计算：
W = ( P 4
- P 3 ) ? m w （4.4）
ρ η Pump
P 为压力，ρ为工质密度。泵出口的焓值可以由下式进行计算：
Pump
h 4=h 3+W P u m W
（4.5）
定压加热（4-1）：高压的有机物工质液体，在蒸发器中被加热，经历了预热、
沸腾和过热三个过程后，产生的过热蒸汽进入膨胀机做功。这个过程通常被认为是有机朗肯循环不可逆损失最大的过程，主要是由于工质在沸腾过程中通常是等温的，从而导致换热温差较大，带来内部不可逆损失；同时由于换热不充分，热源经过换热之后仍有一定量的可用能，直接排放到环境，导致外部不可逆损失。
这个过程可以由以下的方程进行描述：
Q eva =m W (h 1-h 4) =m H (h H a -h H b ) （4.6）
综合上述四个过程，根据式(4.1)-(4.6)有机朗肯循环的热效率为：
1 = =
（4.7） η
W Tur -W Pump
Q eva
h 1-h 2-W Pump m W
h 1-h 4
有机朗肯循环系统在于对废热利用，故除了定义了有机朗肯循环的热效率外，还定义系统评价指标为热回收率：
W
h =
, e （4.8） Q evp + Q H
η
W 为系统的有用功，即膨胀功减去泵功，Q H , e 为热源排放到环境中的
热量。
5. 实验装置
有机朗肯循环系统的实验装置的主要装置包括：蒸发器、膨胀机、冷凝器、冷却器、储液罐、泵、热水器、热水泵、发电机以及相关的阀门和测试装置。系统工质为R600a ，采用热水作为热源，温度为80℃-100℃，采用水冷方式，冷源则来自城市生活用水。
系统的管道连接如图5-1所示。该系统以15kW 电热水器加热的热水模拟为低品位热能热源，通过热水泵将热水通入蒸发器来加热有机物工质。被加热后的 高温高压有机物蒸汽通入膨胀机进行做功。发电机输出电功率通过三角形连接方式与负载相连，负载为6个白炽灯。在膨胀机侧设置旁通阀，以用于旁通进入膨胀机的过多蒸汽。经膨胀机后的蒸汽进入冷凝器和冷却器进行冷凝，冷却的冷源
为自来水。经过冷凝之后的有机物工质液体回流至储液罐中进行收集，储液罐的作用是储存液体并对系统起到缓冲稳定作用。储液罐上设置加液阀门，用于给整个系统加注有机物工质。储液罐出口与工质泵相连接。
系统的主要能量输入为工质泵、热水泵的电功率，以及电热水器消耗的电功率。工质泵需要将工质加压至较高压力，因而消耗的功率较大；而热水泵仅需克服管道阻力，消耗功率较小。电热水器是为系统提供热源。系统的测试装置主要包括温度传感器、压力传感器、流量传感器、电参数测量装置，以及相应的二次仪表。
图5-1实验装置
6. 实验操作过程
由于本实验中采用R600a 作为工质，存在着易燃易爆的问题，因此，实验系统所处环境需保证通风良好，并且严禁烟火。在完成上述的准备工作后，即可开始对系统的开机运行，其基本过程如下：
(a)打开控制总电源，再打开仪表电源，记录各个测量点温度、压力的初始值； (b)打开冷却水阀门，对系统进行冷却；
(c)确认电热水器水位，若水箱水量不足，则利用管道加水。然后对电热水器通电，对热水进行加热，直至加热至需要的热源温度；
(d)打开ORC 系统主管道阀门；
(e)开热水泵，观察热源在蒸发器入口的温度，直至其达到要求的热源温度； (f)打开变频器电源，设定需要的工质泵频率，开工质泵电源，系统开始运行； (g)系统运行稳定后，记录各个读数；
(h)调节系统设定值至另外一个参数，待系统稳定后再进行读数，直至达到测试目标。
完成实验测定之后，需要对系统进行关机，其过程与开机操作相反，具体如下： (i)关闭工质泵，然后关闭变频器电源； (j)切断热水泵电源；
(k)关闭电热水器电源，使其自然冷却； (l)切断各仪表电源，然后关闭控制柜电源；
(m)使用冷却水对系统进行冷却，半小时后关闭冷却水，之后再关闭ORC 系统主管道各阀门。
表格7-1
整个实验系统的性能指标主要包括：膨胀机输出功率、第一定律效率以及 热回收效率。
系统的输出功率通过连接发电机后，测量发电机的输出电功率得到，测量的设备是功率分析仪。在实验过程中可能存在着净输出功率较小的现象，甚至有可能出现净输出功率为负。
在考查系统的第一定律效率时，也需要考虑泵耗功的影响。因此，在研究第一定律效率时，同时分析了考虑泵耗功与不考虑泵耗功时第一定律效率的变化情况。考虑泵耗功时的第一定律效率定义式为：
η1=
W Tur -W pump m H (h Ha -h Hb )
(7.1)
上式中膨胀机的输出功率为电功率分析仪测试得到的发电机输出功率，h Ha h Hb 分别为热水进口焓值和热水在环境温度下对应的焓值，而分母为热水向系统传递的热量。因此上式定义的系统效率，包括了蒸发器的换热效率、有机物朗肯循环系统的效率、发电机的发电效率等因素。泵的耗功在实验过程中没有专门的设备进行测量，实验中采用计算泵进出口参数的方法计算其耗功。根据泵的基本原理，其耗功为：
W = （7.2） Pump
(P 4-P 3) ?m w
ηPump ρ
当不考虑泵的耗功时，整个系统的第一定律效率定义式即为式(7.1)的分子项为，而分母项不变。同样的，分析热回收效率时，也分别研究了考虑泵耗功与不考虑泵耗功两种情况时的效率。考虑泵耗功时的热回收效率的定义式为：
2 = = （7.3） η
W
Q evp +Q H , e
W Tur -W pump
m H (h Ha -h Hb )
泵耗功的计算式与第一定律效率相同。而不考虑泵耗功时的热回收效率的定义式的分子为膨胀机输出功。
参考文献
重庆大学动力工程学院研究生专业实验报告
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4
范文三：有机朗肯循环综述_伍淼
ELECTRONICS WORLD?探索与观察
有机朗肯循环综述
贵州大学 伍 淼 陈湘萍
【摘要】因能源问题与环境问题日益突出，能源与生产之间的矛盾加剧，已经制约了生产力的发展。为解决这一矛盾，有机朗肯循环
（Organic Rankine Cycle, ORC）技术越来越受到人们的重视，学者从各个方面对有机朗肯循环进行了大量的研究。文中简介了ORC系统的主要组成，工质的优选，膨胀机、工质泵、冷凝器的研究进展。【关键词】ORC系统简介；部件优选；工质；膨胀机
DOI:10.19353/j.cnki.dzsj.2017.17.0010 引言
随着社会的发展，人类对能源的依赖日益严重，煤、石油、天然气等不可再生能源的储备有限。我国也是能源消耗大国，为了达到节能减排减少环境污染和提高能源的利用率，加强对这些能源二次利用，多使用新型能源如（地热，太阳能，潮汐能等）来替代这些传统能源。在此背景下，有机朗肯循环技术回收中低品位能源越来越得到人们的关注。有机朗肯循环主要由膨胀机、冷凝管、工质泵、蒸发器、发电机等组成。首先液态的有机工质进入蒸发器，在蒸发器中进行热交换，工质由液态变为气态，再在膨胀机中膨胀做功带动发动机发电，膨胀做功后的乏气运送到冷凝管中进行冷却，使其由气态变为液态，由工质泵加压再次运输到蒸发器中，这样完
成一个循环，从而实现对余热的回收。基本的
ORC 系统如图
1。
质，基于蒸发参数法进行优选，发现工质R123的热循环效率高于工质R245fa 。戴晓业等[3]对工质的热稳定性进行研究，总结归纳出了ORC 工质热稳定性在试验和理论两方面的研究成果。刘伟等[4]对余热资源的能级及其与ORC 工质的匹配进行了研究，用势分析法更能反映资源与工质的匹配特性，可作为选择工质的一种参考。李惟毅等[5]采用一种结合经济性和火用效率的综合评价指标对有机朗肯循环工质进行多目标优化。陈奇成等[6]针对573.15K 和523.15K 这两种中温热源的有机朗肯循环，选取八种有机工质分析，寻找系统最大的输出功率和最佳的运行参数。
图2 工质T-S图
图1 有机朗肯循环系统图
1 有机工质的优选研究
作为ORC 系统的能量载体，有机工质的选择是否与热源相匹配，和运行时的工况等都可能对系统的热回收的效率造成重大影响。有机工质的选择[1]应考虑如下因素：工质应尽量选择是无毒，不易燃，不易爆，其化学性质要稳定，在高温环境下不易分解，而且工质要求具有一定环保性，对大气臭氧层无破坏。在T-s 图中的饱和蒸汽线上，ds/dT应接近零或大于零（等熵流体或干流体）湿流体不适合做工质，因为在不过热或者过热度很小的情况下，湿流体在膨胀做功后容易进入汽液两相去，产生冷凝液滴，等熵流体最适合作为ORC 工质。如图2。1.1 纯工质的研究
对单一工质的研究，国内外学者对工质的物性和不同热源环境下工质的选取做了大量研究。刘健等[2]以R123，R245fa 做为工
1.2 混合工质的研究
ORC 系统除了使用单一的纯工质以外，还可以使用混合工质，在某一条件下混合工质相比纯工质有更优的系统性能，系统效率更高。王羽平等[7]把工质R601a/R600a分别按照0.8/0.2,0.6/0.4,0.4/0.6的比例进行混合，获得了相应部件运行参数与系统的性能。倪渊等[8]研究了把R245fa 、R601a 以不同质量配比进行混合作为亚临界ORC 工质，利用热力学和经济学分析其性能。以地热能的深度利用[9]作为目标，采用窄点分析法，使用不同质量配比的二元非共沸的12种混合物做为亚临界ORC 工质，分析其系统性能。杨新乐等[10]以二元非共沸混合物R245fa 、R152a 为工质，分析比较不同热源温度下，在有/无分流闪蒸的两个系统中，工质配比对系统热性能的影响。
2 膨胀机
膨胀机是有机朗肯循环的核心部件，直接影响到性能和效率。膨胀机分为两种，速度型和容积型。速度型膨胀机根据工质在工作轮中的流向又可分为径流式，径-轴流式，轴流式。容积式膨胀机包括螺杆膨胀机，涡轮膨胀机，转子膨胀机，活塞膨胀机等。由于速度型膨胀机的结构特点，当功率越低时，它的转速会越高，每分钟甚至会达到十几万转，这一特性迫使速度型膨胀机不适合小型的ORC 系统，通常用于大型的有机朗肯循环系统。容积式膨胀机是通过改变容积从而得到膨胀比和焓降，适用于一些流量较小和大膨胀
基金项目资助：贵州省自然科学基金（中低品位热源梯级能源利用关键技术研究，黔科合J字【2015】2034号）。
? 5
?
ELECTRONICS WORLD?探索与观察
比的环境，其输出功率较小，转速较低，而且其输出功率会随转速的增大而增大，适合于一些小型或微型的ORC 系统。 2.1 径流式膨胀机
薄泽民等[11]针对温度为150~200℃的工业余热，以R600a 为工质，研究有机朗肯循环发电系统的150KW 级的有机工质向心平透初步设计和变工况性能研究。王怀信等[12]针对膨胀部件等熵效率为定值这一分析方法的不足，研究了不同压比和绝热指数对径流式单级汽轮机结构尺寸和等熵效率的影响，为ORC 系统的膨胀机提供等熵效率的取值依据。2.2 螺杆式膨胀机
张业强[13]对单螺杆膨胀机进行研究，分析了螺杆直径、膨胀比、排气被压、进气压力和入口工质干度等因素对单螺杆膨胀机的性能影响，获得了单螺杆膨胀机的工况特性曲线，为单螺杆膨胀机的有机朗肯循环系统时间和分析提供了实验数据支持。张于峰等[14]研究在不同工况下，存在最佳转速，该转速下螺杆机对外输出功最大，初始耗功量在低温区对系统输出功影响很大，随着热源温度的增加初始耗功量占最大输出功的比值趋于33%。2.3 活塞式膨胀机
冯黎明[15]认为往复活塞式膨胀机更适合于发动机尾气余热回收系统，指出往复活塞式膨胀机对优化ORC 的热力学第一定律效率和热力学第二效率具有一定的指导意义，并且为此设计了往复活塞式的热力学模型，并研究了相关关键参数对ORC 系统的影响。2.4 涡轮式膨胀机
姜亮等[17]以R152a 为工质对低温余热发电系统中涡轮式膨胀机进行了研究，采用EES 软件编程对涡轮膨胀机进行热力设计。韦伟等[17]搭建涡旋式膨胀机的小型有机朗肯循环系统，采用R134a 、R245fa 、R22和R32为工质测试了ORC 系统的整体性能及涡旋式膨胀机的性能。
工质选择的是否合适严重影响到系统的性能。等熵流体是最为适合的工质，工质的选择还需考虑热源类型、热源温度、循环效率、火用损效率、安全性及环保性等因素。混合工质在一定情况下相比纯工质有更好的热力学性能，为系统带来更高的系统效率。膨胀机作为关键部件，其选择需要考虑诸多因素：如系统规模大小，输出功率，工质流量，以及绝热效率等。目前螺杆膨机产品最为成熟在各个领域都有应用，而其它膨胀机则没有较为成熟的产品。工质泵和冷凝器技术相对成熟选择余地较少。
参考文献
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[2]刘健,王辉涛,张凇源,等.工质R123和R245fa的有机朗肯循环热力性能[J].可再生能源,2016(1):112-117.
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[4]刘伟,包予佳,谢攀,等.余热资源的能级及其与ORC工质的匹配[J].科学通报,2016,17:005.
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[21]杨绪飞,徐进良,戚风亮,等.带有前置泵的有机朗肯循环实验[J].农业机械学报,2015,46(12):385-390.
[22]杨绪飞,邹景煌,戚风亮,等.用于有机朗肯循环的三柱塞泵运行性能实验[J].农业机械学报,2015,46(8):367-371.
作者简介
伍淼（1990-），男，湖南临湘人，硕士研究生，有机朗肯循环。通讯作者：陈湘萍（1977-），女，贵州贵阳人，副教授，博士，新能源。
3 冷凝器
在ORC 系统中冷凝器用来冷却从膨胀机做功排除的乏汽，使其变为液态运送到工质泵。冷凝器是发电，制冷的主要设备。陈紫薇[18]针对有机朗肯循环系统设计出新型分液冷凝器，与传统的冷凝器在换热系数、压降、初投资费用、操作费用、总费用、系统的净输出功、循环效率、系统火用效率的计算结果分析，发现新型分液冷凝器优于传统的冷凝器。董冰等[19]在有机朗肯循环系统中分别采用水冷式，蒸发式和风冷式三种冷凝器，分析得到了不同地域和季节气候条件的变化对系统冷凝温度、发电量和发电效率的影响。
4 工质泵
工质泵的作用是把冷凝器出来的液态工质经过加压运输到蒸发器中。工质泵运行参数偏离额定参数是导致机械效率偏低的主要原因，工质泵易发生气蚀，导致等熵效率减小，同时还会造成工质流量的下降。叶佳琦[20]建立了以R245fa 为工质的小型工质泵性能研究实验室，针对容积性工质泵展开研究，对工质泵的出口压力，进出口压差和系统质量流量分别进行控制。杨绪飞等[21]提出了带有前置泵的有机朗肯循环系统，前置蹦按装在工质泵和储液罐之间，使工质泵的入口压力升高，确保工质泵入口有足够的气蚀余量。选用三柱塞泵[22]建立的有机朗肯循环系统，泵的实际运行效率达到22%-30%，工质泵等熵效率和机械效率分别为60% ～69%和37%～45%。
5 结束
文中对ORC 系统的研究现状进行了相关的综述，为以后有机朗肯循环系统的设计提供一定的参考。工质作为系统的能量载体，
? 6
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范文四：有机朗肯循环实验台
重庆大学 有机朗肯循环实验台试验系统 1套 采购
一、技术参数及要求：
1．用途：
利用本系统，能实现低温余热发电试验研究。
2、主要组成部分：
锅炉低温烟气余热利用有机朗肯循环（ORC ）的实验台的主要装置包括：蒸发器、膨胀机、冷凝器、储液罐、工质泵、发电机、水泵以及相关的阀门和测试装置。系统采用导热油作为热源，运行温度为80 oC－140 oC。系统的制冷剂采用R123，膨胀机输出功1kW.
3、主要技术参数：
[1] 单螺杆膨胀机：功率1kW ；设计压力 1MPa ；
[2] 蒸发器：钎焊型板式蒸发器，换热介质（导热油和制冷剂R123）、换热量（16kW ）、设计压力（1.6MPa ）
[3] 冷凝器：钎焊型板式蒸发器，换热介质（水和制冷剂R123）、换热量（13kW ）、设计压力（3 MPa）；
[4] 回热器：套管式换热器，换热介质（制冷剂R123 &制冷剂R123）、换热量（1kW ）、设计压力&安全压力（3 MPa）。
[5] 储液罐：设计压力为3 MPa，容积0.01m3；
[6] 工质泵：多级离心泵附带变频器、流量（0.4 m3/h）、扬程/压力（100 m）；
[7] 导热油加热机组：最大加热功率（30kw ）、加热介质（导热油）、控温精度（±1℃）、工作温度（常温～300℃（可调））；
[8] 水泵；流量1.5m3/h，扬程20m ；
[9] 安全阀：开启压力为1MPa ；
[10] 管路阀门：手动针型阀4个和球阀10个；
[11] 发电机：根据单螺杆膨胀机选配三相电机；
[12]高精度数据采集/开关单元（测试系统通道数不少于20个）；
[13]质量流量计：流量范围（0－0.4 kg/s）、最大工作压力（12 MPa）、工作温度范围（－30℃－300℃）、流量精度（±0.20%读数），输出信号4－20mA ，购买数量1个；
[14]压力传感器：工作压力（0～12 MPa（1个），0～5 MPa（2个），0～2 MPa（4个））、工作温度范围（－40℃－120℃）、测量精度（±0.1% FS）输出信号（1－5V ）；
[15]热电偶：铜-康铜热电偶和PT-100热电阻，精度分别为±0.3 oC和±0.1 oC，购买数量20个；
[16]功率表：精度等级为0.5级，最小分度为1W 、量程为3kW ；
[17]转子体积流量计：计量程为0～20 L/min，最小刻度为0.5 L/min；
[18]扭矩传感器：扭矩和转速的量程为0～300N.m 和 0～36000rpm ，精度为±0.5%，输出信号为10kHZ ±5kHZ ，过载能力为150%；
[19]电功率分析仪：精度0.025%，带宽：10MHz ，采样率为3MHz/s；
[20] 高压工质容器，盛放工质，数量4个；
[21] 高精度天平，量程5千克1台，精度0.005克；量程20千克1台，精度0.01克。
范文五：余热利用有机物朗肯循环最佳热回收效率分析
第３２卷第５期
２０１１年５月
太阳能学报
ＡＣｒＡＥＮＥＲＧＩＡＥＳＯＩ。ＡＲＩＳ
Ｖ０１．３２．Ｎｏ．５
Ｍａｙ，２０１１
ｓＩＮＩＣＡ
余热利用有机物朗肯循环最佳热回收效率分析
顾
伟，翁一武，王玉璋，孙绍芹
（上海交通大学机械与动力工程学院，ｌ－．海２００２４０）
摘要：首先通过分析余热回收动力循环的不可逆损失，得到循环的理想效率。其次，通过分析发现热回收效率
随蒸发压力变化存在最佳值，并且最佳热回收效率与最小熵增率是等价的。然后，通过研究两种简化的余热利用
动力模璎，应用有限时Ｉ’日Ｊ热力学的相关方法，指出最大热回收效率产生的原因。再次，研究了余热变化时系统最佳工况的变化。结果发现最佳蒸发压力随余热流量、入口温度增加而显著增加，而与余热组分关系不大。最后，研究
了工质对系统最佳上况的影响，发现较高临界温度的工质，最佳蒸发压力较低。关键词：余热利用；有机物朗肯循环；热回收效率；最佳中图分类号：ＴＫ２１２
文献标识码：Ａ
０
引言
究主要是针对有机物朗肯循环蒸发器【６１和膨胀机［８］
的研究。对有机物朗肯循环应用的研究主要是将ＯＲＣ应用于太阳能热电Ｌ９ｊ，地热发电及工业废热发
电㈨等。
工业生产和自然界中存在大量中低品位热能，如水泥厂、造纸厂工艺过程中的废热，内燃机、小型燃气轮机或燃料电池排气废热以及太阳能热，地热等。这些中低品位热能，温度一般在８０～２３０。Ｃ之间，如果不加以利用，则会造成较大浪费。采用有机
不同于大型电站发电系统，本文研究的热回收
发电系统，其余热介质进入系统的高温换热器之后，由于热传递，温度沿着余热介质流动方向逐渐降低。
物朗肯循环（Ｏｒｇａｎｉｃ
Ｐｔａｎｋｉｎｅ
Ｃｙｃｌｅ，ＯＲＥ）回收上述热
而大型电站发电系统，在整个锅炉换热过程中，热源可认为是定温的。由于高温换热器排热直接排放到环境中不被利用，热回收效率能更准确地描述该系统的性能。对这样的模型已有一些基础的研究，Ｂｅｉａｎ［１¨研究了一个简化的余热利用模型，并指出对于这样的模型熵增最小与输出功率最大是等价的。Ｖａｒｇａｓ等［１２］研究了余热利用蒸汽朗肯循环，并指出余热流量与工质流量比存在一个最佳值，在此最佳值下循环拥效率最大。
本文研究的有机物朗肯循环模型，其热源温度随热交换逐渐降低。由于热网收效率比循环效率更准确地反应了系统从废热中得到了多少有用功，因此本文的分析都是基于热回收效率而非循环效率。首先，本文对余热利用动力循环的理想效率进行了分析，并分析了最理想情况下的热回收效率。其次，通过对有机物朗肯循环模型的分析，发现当蒸发压力为某个最佳值时，系统热回收效率达到最大值。
能进行发电，是一个有效且环保的方法。有机物朗肯循环是以有机物作为工作介质的朗肯循环系统。
之所以不采用水作为工质，是由于水在回收上述中
低品位废热时存在局限性（主要是蒸发压力低、过热
度小、冷凝压力低），从而整体效率不高。而有机物朗肯循环不存在上述局限，并且具有系统简单、效率
高等优点。
国内外对有机物朗肯循环的研究主要从循环本
身热力性能的分析、部件对系统性能的影响以及ＯＲＣ应用等方面展开。在ＯＲＣ循环热力性能方面，
Ｈｕｎｇ等¨１系统地研究了工作参数、工质等对循环效
率的影响。并比较了不同干工质下有机物朗肯循环的效率和不可逆损失，指出余热锅炉（或本文所指蒸发器）是系统不可逆损失的主要来源【２］。国内也对有机物朗肯循环的整体性能【３］、不可逆损失［４１以及工质的选择等方面进行了研究［５］。对系统部件的研
收稿日期：２００９－０５．２０
基金项目：国家自然科学基金（９０６１００１９）；上海市国际合作基金（０６ＤＺ０７００６）
通讯作者：顾伟（１９８ｌ一），男，博士研究生，主要从事新型动力循环方面的研究。ｍｅｄｉｖｈ．ｇＩｌ＠伊ｌａｉｌ．ｃｏｉｎ
万方数据
５期顾伟等：余热利用有机物朗肯循环最佳热回收效率分析
再次，通过对两种简化的动力循环模型的分析，从数
学推导的角度分析了此最佳蒸发压力形成的原因。最后，通过对有机物朗肯循环最佳蒸发压力的分析，得到废热（包括废热组分、温度和流量）和有机物朗肯循环ｔ作介质对最佳蒸发压力的影响。
ｌ模型分析
１．１热回收效率及余热利用动力循环理想效率
热力系统的效率定义为得到的收益除以付出的
代价。对于本文研究的余热回收有机物朗肯循环，
得到的收益为动力循环输出的机械功，具体为膨胀机所做机械功减去工质泵所消耗的机械功。系统所
付出的代价，应是蒸发器所吸收的热量加上热源从
蒸发器出口排放到环境中的热量，而不是单纯的动力循环所吸收的热量。因此，不同于热力循环效率，本文定义热回收效率如下：
叩２赤㈤
其中，肛＿热回收系统输出功率；Ｑ。——有机物
朗肯循环蒸发器吸热的热流率；ＱＨ．。——热源从蒸
发器出口排放到环境中的热流率。
在这样的一个热力系统中，存在３种不可逆损失：①换热器外部损失，是指蒸发器热源出口和冷凝器冷源出口温度高于环境温度，这部分能量直接排放到环境所带来的不可逆损失；②换热器内部损失，是指蒸发器和冷凝器内部换热，由于存在换热温差而产生的不可逆损失；③循环内部损失，主要是循环内部如膨胀机、泵以及管道不可逆损失。
理想的余热回收动力循环系统，其上述３种不可逆损失都为零。可考虑如图１所示的模型，假设
余热流与动力循环充分换热，出口温度为环境温度，
此时余热出口外部损失为零；而假设冷却流体为无穷大冷源，则冷源的外部损失也为零；动力循环假设为无穷多的微元卡诺循环，每一个微元卡诺循环与热源及冷源换热温差假设为零，则换热器内部损失
也为零；微元卡诺循环为最理想的热力循环，则循环
内部损失也为零。所以，如图ｌ所示的动力循环系统可认为是最理想情况下的余热回收动力循环。这
样的理想循环，其所能得到的机械功为：
痧Ｉ＝Ｉ＿Ｈ，８。％
ｃＨｄＴｒｉｚＨＩ、
１一百１川０）
＝ｃＨｔｉｔＨ（（ｎ，。一死）一死ｌｎ二笋）
兀。
（２）
万方数据
其中，形。——理想循环输出功；ＴＨ．。——余热入口温
度；Ｔｏ——环境温度；ｔｉｔＨ——余热流体流量；ｃ。——
余热流体定压比热容。根据公式（１），可得到理想情
况下的余热回收效率：
叩１。石ｉ瓦而引一—瓦可ｏｊ’叩。＝：：；ｉｊ南＝１一！羔等（３）
循环
图ｌ理想余热回收动力循环
Ｆｉｇ．１
Ｉｄｅａｌｃｙｃｌｅｏｆ
ｗａｓｔｅ
ｈｅａｔｒｅｃｏｖｅｒｙｓｙｓｔｅｍ
这个理想效率是余热回收发电装置所能达到的最大效率，由于存在各种损失，余热回收装置的实际
效率均小于这个理想效率。另外，此理想效率仅是
余热人口温度和环境温度的函数，而与余热流量、比热、动力循环工作介质等没有关系。
１．２有机物朗肯循环
有机物朗肯循环是以有机物为工作介质的朗肯循环系统，所采用的有机物工质通常为一些制冷剂（如Ｒ２４５ｆａ）或碳氢化合物（如异丁烷）。通常这些工
质在弘ｓ图上的饱和蒸汽线斜率为正或是无穷大，
一般都是干工质或者绝热工质。所以采用有机物工质的朗肯循环系统不需要很大的过热度来保证透平出口干度，这也是有机物朗肯循环在回收中低品位废热上的优势之一。基本的有机物朗肯循环系统通常包含如图２所示的设备，即蒸发器、膨胀机、冷凝器和泵。其基本的理想工作过程和方程如下所示：
４—１蒸发器定压吸热
ＱＥ＝ｒｔｔｗ（ｈ１一ｈ４）＝琬Ｈ（ｈＨ．。一ｈＨ．ｂ）（４）
１—２膨胀机绝热膨胀
珈２瓢
ｈｆ—ｈ２
，，、
Ｌ乏，
ＷＴ＝统ｗ（ｈｌ—ｈ２）
（６）
２．３冷凝器定压放热
Ｏｃ＝琬ｗ（ｈ２一ｈ３）＝肮Ｌ（ｈＬ＇ｂ—ｈＬ，ａ）（７）
太阳能学报
３２卷
３４泵绝热加压
ｈ４＝ｈ３＋＇７ＰＷ，：堡出
ＷＰ／ｒｔｔｗ
（８）ｒ／ｐｐ
（９）
其中，腕ｗ——工质流量；ｈ——各状态点的比焓；叩，——膨胀机绝热效率；Ｗ，——膨胀机输出功率；Ｏ。——冷凝器放热的热流率；碗。——冷却流体流量；叩，——膨胀机效率；Ｗ，——泵输入功率。各状态点如图２所示。
泵
图２余热回收有机物朗肯循环系统Ｆ毡．２
Ｗａｓｔｅｈｅａｔｌ＇ｅｃ０Ｖｅｌ＂ＯＲＣｓｙｓｔｅｍ
１．３换热器
经过泵加压之后的工质，进入蒸发器之后，需要
经历预热、沸腾、过热３个过程，以产生高温高压有机物蒸汽，推动膨胀机做功。对于中小型有机物朗肯循环系统，通常采用单级逆流蒸发器。对于这样的单级逆流蒸发器，通常其总换热面积是确定的，而
预热段、沸腾段和过热段的面积随不同工况会发生
变化，其基本方程如式（１０）：
式中，Ａ——面积；下标ｓｕｐ，ｂｏｉｌ，ｐｒｅ，哪?分别表
Ａ。＝Ａ∞＋Ａ酗ｌ＋Ａｐ。
（１０）
示过热段，沸腾段，预热段以及整个蒸发器。
有效度一传热单元数法（ｅ一Ⅳ阿）被用于研究本文
的换热器。将预热段、沸腾段和过热段假设为３个虚拟换热器，分别用ｅ－ＮＴＵ方法计算。计算过程给
定的参数是蒸发器进口参数、蒸发压力以及蒸发器总换热面积。通过假设过热段面积，运用方程（１０）
以及￡－ＮＴＵ方法计算蒸发器总面积，与实际蒸发器
总换热面积进行比较。通过这样一个迭代过程，最终得到蒸发器各段的换热面积以及蒸发器出口参
数。冷凝器的换热过程与蒸发器过程正好相反，即
万方数据
预冷、凝结、过冷３个过程。运用与蒸发器类似的方
法，同样可得到冷凝器的出口参数。
本文的废热气体基本成分为ｃ０２，０２，Ｎ２（如碳完全燃烧后的尾气）。对于其他不同的废热气体，其
主要区别在于比热容的不同。在计算工质物性时，
本文采用美国国家标准局（ＮＩＳＴ）的软件Ｒｅｆ－
ｐｒｏｐ７．０［１３Ｉ。本文的部分参数来源于上海交通大学
设计的有机物朗肯循环实验装置。其中，一些假设的参数如下：余热流体质鼍流量为６ｋｇ／ｓ，蒸发器换
热面积４．７７２矗，膨胀机绝热效率０．８，泵效率０．９，冷凝压力０．３ＭＰａ，冷凝介质为水，流量８ｋｇ／ｓ，冷凝器换热面积６．７７４ｍ２，冷凝水人口温度２９３．１５Ｋ，环境
温度２９３．１５Ｋ，有机物工质为Ｒ２４５ｆａ。传热系数通过经验公式计算得到，Ｄｉｔｔｕｓ．Ｂｏｅｌｔｅｒ公式用于计算单相
流动时的传热系数【１４Ｊ，两相传热系数通过Ｄｉｅｔｅｒ和Ｊｅｒｒｙ推导的经验公式计算得到【ｌ别。
２结果与讨论
２．１
ｏＲＣ模型最佳蒸发压力分析
对ＯＲＣ系统性能随工作参数变化的研究发现，
当ＯＲＣ系统蒸发压力变化时，存在一个最佳蒸发压
力，ＯＲＣ系统工作在此最佳蒸发压力时，系统的热回收效率最高。如图３所示，在该状态下，当蒸发压力为２．３５ＭＰａ时，系统的热回收效率达到最大值０．０５３６。实际余热回收ＯＲＣ系统，应尽量工作在最
佳蒸发压力附近。余热回收ＯＲＣ系统热回收效率
与蒸发压力出现这样的特性，主要是由于蒸发器的内部不可逆损失与外部不可逆损失的影响。由于蒸发压力的提高，蒸发器的内部换热温差降低，因此其内部不可逆损失降低；但是，由于换热温差的降低，使得换热器热流率减小，则蒸发器出口温度升高，外部不可逆损失增加。这两种不可逆损失随蒸发压力的变化存在不同的变化趋势，因此，出现了如图３所示的最大值现象。
从图３可看到，当余热回收效率最大时，整个系统的熵增率是最小值。其他工况下，余热回收效率
最大值和系统熵增率最小值发生在同样的蒸发压力
下。此现象并不是巧合，理论上可证明这两个值是
等价的。根据Ｇｏｕｙ—Ｓｔｏｄｏｌａ定理：
形＝Ｗ。一ＴｏＳ，
（１１）
当余热给定时，系统的有用功形与熵增率Ｓ，
存在一一对应的关系，从而可证明，熵增率最小与余
５期顾伟等：余热利用有机物朗肯循环最佳热回收效率分析
热回收效率最大是等价的。即热回收效率存在最大值，并且此最大值当且仅当
吸热温度为乙＝／瓦忑时成立。从这个推导可
得到，最佳吸热温度随余热人口温度增加而增加。
褂较＆
擎
乓
回
壤霰
硇
蒸发压力／ＭＰａＴｎ７－４３３．１５ｋｍｕ＝６ｋｇ／ｓ
图３蒸发压力对余热回收有机物朗肯循环性能的影响
ｓ（热源）
Ｆｉｇ．３
Ｅｆｆｅｃｔｏｆｅｖａｐｏｒａｔｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅ
Ｏｉｌ
ＯＲＣ
ａ．工质定温吸热
２．２两种简化模型最佳蒸发温度的分析
对于如图４所示的两种简化的余热回收模型的分析，可对余热回收动力循环系统的特性有更深的
了解。图４所示的余热回收模型，根据有限时间热
力学的相关方法［１６’１７］，均可通过推导得到最佳热回
收效率的解析解。
如图４ａ所示的模型，即具有变温热源的卡诺循
环［１ｋ１８锄］，其基本过程是：动力循环过程为可逆卡诺
循环，吸热过程工质为定温过程（例如相变吸热），余
热热源温度从ｎ．。降到靠山。而放热过程假设没有不可逆损失，热量直接在温度死下排放到环境。假ｓ（热源）
设高温热交换器的有效度为￡，则系统的吸热的热ｂ．变温吸热
流率为：
Ｑ＝琬ＨＣＨ￡（ｒＨ．。一ｒ。）
（１２）
图４简化的余热回收动力循环模型
则整个系统的热回收效率为：
可＝盟《警铲Ｆｉｇ．４
Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ
ｗａｓｔｅ
ｈｅａｔｒｅｃｏｖｅｒｙｍｏｄｅｌ
（１３）Ｌ¨，
循环［２１｜。在此模型中，动力循环吸热过程是一个温
当仅有吸热温度氏（或者可认为是蒸发温度
可２——］Ｚ■１万一
考虑如图４ｂ所示的模型，即变温热源的布雷顿
度变化的过程，与实际ＯＲＣ循环更为接近。同样假或蒸发压力）变化时，由公式（１３）可得到：
设高温换热器有效度为ｅ，此时，系统的吸热的热流ｅ（ＴＨ，挚一气＋死１
率为：
叩２———订ｉ＝葡ｒ一≤（１４）
Ｑ＝琥ＨｃＨ￡（丁Ｈ。。一乃）（１５）
则整个系统的热回收效率为：
￡（靠．。一２￣／死ｎ。。＋Ｔｏ）
（靠．。一Ｔｏ）
刁２——１ｉ承瓦■玎万一
．ｏ（－一再葡毓）（１６）
Ｔ
Ｉ琥ＨｃＨ￡％。。＋￣／（琥ＨｃＨ￡ｎ．。）２＋４％肮。２ｃ。２靠，。一４ｒｏ，危。ｃ。ＴＨ－。琬ＨｃＨｅ
１
４—２
一琉ＬＣＬ＋肮ＨＣＨｅ
（１７）
万方数据
太阳能
学报３２卷
式（１６）对入口温度乃求导，并令导数等于零，可以得到，当时，热回收效率存在极值。同时，通过求二阶导数可证明此极值是最大值。
通过上述推导分析，可发现变温热源的卡诺循环和布雷顿循环均随吸热过程入口温度有效率最大
值。因而，可类推出，余热利用有机物朗肯循环效率随蒸发压力（或者说蒸发温度）也存在最佳值，虽然
此最佳值很难用类似的解析表达式来进行表达，本文希望通过对有机物朗肯循环的计算，得出此最佳
蒸发压力的相关特性。
２．３最佳蒸发压力随参数的变化情况
当余热变化时，有机物朗肯循环的最佳蒸发压
力也将随之变化，本文将分析余热流体的组分、流量以及余热入口温度对最佳蒸发压力的影响以及在此最佳蒸发压力下的最佳余热回收效率的变化。
图５为余热组分变化时最佳蒸发压力的变化趋势，其中，定义比含量为每种组分的质量含量与Ｎ２的质量含量的比值，图中假设氧气在废热中的比含量为０．３。余热流体组分的变化，对系统的影响主要是其比热变化以及传热系数的影响。以ｃ０２比含量变化为例，得到最佳蒸发压力的变化趋势。随
着Ｃ０２比含量的增加，余热流体的比热随ｃ０２比含
量的增加而减少，最佳蒸发压力逐渐降低，但其降低
趋势并不明显。其主要原因是，余热组分的变化对
比热容影响较小。或者说，余热组分对有机物朗肯循环最佳蒸发压力的影响较小。同时，随着ｃ０２比含量的增加，最佳热同收效率逐渐增加，但其变化趋势也不大。另外，考虑传热方面的影响，由于这些气体组分的变化对传热系数影响较小，因此传热对最佳蒸发压力的影响也很小。
叠
专
案
幽
越德逍瑶
Ｃ０２比含量
Ｔ．。＝４３３．１５Ｋ，“Ｈ＝６ｋｇ／ｓ，琏＝Ｏ．３
图５余热组分对最佳蒸发压力的影响
Ｆｉｇ．５
Ｅｆｆｅｃｔｏｆ
ｗａｓｔｅ
ｈｅａｔｐｏｎｅｎｔ
ｏｎ
ＯＲＣ
万方数据
当余热流体流量增加时，最佳蒸发压力随之增加，如图６所示。当流量为４ｋｇ／ｓ时，最佳蒸发压力为１．８６ＭＰａ；而当流量增加至１０ｋｇ／ｓ时，最佳蒸发压
力增加到２．８４ＭＰａ。所以，最佳蒸发压力随余热流
量的变化很湿著。这主要是由于，余热流量对整个
系统的总熵增率有较大影响。随着余热流量的增
加，最佳余热回收效率出现较明显的下降趋势，这主
要是由于余热流量的增加同时引起蒸发器内部换热
温差和外部不可逆损失的增加。因此，当余热流量增加时，需要改变ＯＲＣ的运行工况以使系统工作在
较高的余热回收效率下。之前的研究指出，改变ＯＲＣ工质的流量使其与余热流量相匹配，这是提高余热回收系统效率的有效方法。
山矗
窆
＼
杂
出
骢德坦嚼
ＴＨ＾－－４３３．１５Ｋ
图６余热流量对最佳蒸发压力影响
击
《
替穴
餐Ｈ刍
娶
撼回
糕簇趔《
堪
４００４１０４２０４３０４４０４５０４６０４７０４８０４９０
余热入口温度／Ｋ
ｔｈｒｔ＝６ｋｇ／ｓ
图７余热入１２１温度对最佳蒸发压力的影响
Ｆｉｇ．７
Ｅｆｆｅｃｔｏｆ
ｗａｓｔｅ
ｈｅａｔｉｎｌｅｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｏｎ
ＯＲＣ
如图７所示，最佳蒸发压力随余热人口温度的
增加而增加。但当蒸发压力高于３．０ＭＰａ时，其增长趋势显著减慢。整体上，余热入口温度也对最佳蒸发压力有显著影响。在余热入口温度从４１０Ｋ增加
５期顾伟等：余热利用有机物朗肯循环最佳热回收效率分析
到４７０Ｋ的范围内，最佳蒸发压力从１．５ＭＰａ增加到３．１ＭＰａ。因此，对于实际余热回收系统，蒸发压力需要仔细选择，以适应不同的余热温度。如图７所
示，最佳余热回收效率受余热入口温度影响较小。
表１给出了不同有机物工质在相同工况下的最佳蒸发压力。通过对有机物工质的研究，发现工质对最佳蒸发压力的影响有明显的规律性。即相同工作条件下，有较高临界温度的有机物工质，其最佳蒸发压力较低。如表ｌ所示，这几种工质的临界温度
关系为：
Ｒ１４２ｂＲ２３６ｅａ＞Ｒ１１４＞Ｒ２４５ｆａ＞Ｒ２４５ｃａ＞
Ｒ＞Ｒ１１
表１有机物工质对最佳蒸发压力的影响
Ｔａｂｌｅ１
Ｅｆｆｅｃｔｏｆｗｏｒｋｉｎｇｆｌｕｉｄ
ｏｎ
ＯＢＣ
ｎ．。＝４３３．１５Ｋ，ｍＨ＝６ｋｇ／ｓ
３结论
本文研究了以中低品位热能为热源的有机物朗
肯循环特性，沿流动方向，热源温度因传热逐渐降
低，本文评价该系统性能以热回收效率而非循环效率。通过研究得到如下结论：
１）热回收效率比循环效率更准确地反应了余热
利用有机物朗肯循环的性能；最理想的余热利用动
力循环为换热器内部损失与外部损失，循环内部损失均为零；
２）余热回收有机物朗肯循环存在最佳蒸发压力，在此最佳蒸发压力下，热回收效率最高，且系统总熵增率恰好最小；
万方数据
３）根据有限时间热力学的相关模型，简化的余
热利用动力循环模型给出了该模型最佳蒸发温度的
解析表达式，并解释了余热回收有机物朗肯循环最佳蒸发压力产生的原因；
４）余热热源的变化对最佳蒸发压力有影响，余热流量、入口温度的增加均使得最佳蒸发压力显著增加，而由于余热流体组分的变化对比热影响不大，
因此组分对最佳蒸发压力的影响不大；
５）不同工质对最佳蒸发压力的影响具有显著的
规律性，有较高临界温度的工质，其最佳蒸发压力较
低。
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太
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ｏｆｔｈｅ
阳
能学报３２卷
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ｔｔａ趟ｅｌｒ
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ＨＥＡＴＲＥＣＯＶＥＲＹ
Ｅ聊Ｃ砸ＮＣＹＡＮＡＩ．ＹＳＩＳ
ｏＦ、ｖＡＳＴＥＨＥＡＴ
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（＆ｂｏｏ／ｏｆ般抽删凸扣咖，Ｓｈａ．，ｇｈａｉ血咖Ｕ，ａⅫ／ｔｙ，ｓＪｌ喇２００２４０，Ｏｄｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｅｃａｕｓｅｏｆｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｈｅａｔ
ｓｏｕｒｃｅ
ＧｕＷｅｉ，ＷｅｒｌｇＹｉｗｕ，ＷａｎｇＹｕｚｈａｎｇ，ＳｕｎＳｈａｏｑｉｎ
ｆｏｒＯｒｇａｎｉｃＲａｎｋｉｎｅＣｙｃｌｅ（ＯＲＣ）ｉｓｃｈａｎｇｉｎｇａｌｏｎｇｔｈｅ
ｆｌｏｗｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．Ｓｏｈｅａｔｒｅｃｏｖｅｒｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｓｍｏｌｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｔｈａｎｃｙｃｌｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｆｉｒｓｔｏｆａｌｌ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｒｅｅ
ｔｙｐｅｓ
ｏｆｓｙｓｔｅｍ１０鹋，ａｎｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｓｅｌｏｓｓ，ａｎｉｄｅａｌｃｙｃｌｅｏｆｗａｓｔｅｈｅａｔｄｒｉｖｅｎｐｏｗｅｒｃｙｃｌｅｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｎ，
ａｎ
ｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｎａｌｙｓｉｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔ
ｏｐｔｉｍｕｍｅｖａｐｏｒａｔｉｎｇｅｘｉｓｔｓｆｏｒＯＲＣｓｙｓｔｅｍ．ｔｈｅｈｅａｔｒｅｃｏｖｅｒｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｈａｓ
ａ
ｍａｘｉ－ｏｆｔｈｅ
ｍｕｍｖａｌｕｅ．Ｔｈｉｒｄｌｙ，ｔｗｏｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｐｏｗｅｒｍｏｄｅｌＷＩｔ８ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ，ｕｓｉｎｇｆｉｎｉｔｅｔｉｍｅｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ，ｔｈｅｉｎａｘｉｍｕｍｈｅａｔｒｅｃｏｖｅｒｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙＷｉｌｌｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ．Ｆｏｕｒｔｈｌｙ，ｔｈｅｓｅｍｉｂｉｌｉｔｙｏｆｗａｓｔｅｈｅａｔｅｖａｐｏｒａｔｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅＷａＳｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｏｐｔｉｍｕｍｅｖａｐｏｒａｔｉｎｇｉｓ
ｇｒｏｗｓ
ａ
ｒｅ，ａｓｏｎｏｎ
８０ｕｒｃｅ
ｏｐｔｉｍｕｍ
ｗｅａｋｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｅｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｂｕｔ
ｗｉｔｈｗａｓｔｅｈｅａｔｆｌｏｗｒａｔｅａｎｄｉｎｌｅｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ａｔｌａｓｔ．ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｗｏｒｋｉｎｇｆｌｕｉｄｆｏｕｎｄｔｈａｔｗｏｒｋｉｎｇｆｌｕｉｄｓ诵ｔｌｌ
ｈｉｇｈｃｒｉｔｉｃａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｈａｖｅｌｏｗｏｐｔｉｍｕｍｅｖａｐｏｒａｔｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅ．
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万方数据
余热利用有机物朗肯循环最佳热回收效率分析
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
顾伟， 翁一武， 王玉璋， 孙绍芹， Gu Wei， Weng Yiwu， Wang Yuzhang， Sun Shaoqin
上海交通大学机械与动力工程学院,上海,200240太阳能学报
ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA2011,32(5)
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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_tynxb201105010.aspx
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