非共沸混合工質ORC在近臨界狀態時的性能分析

陳斌 王重陽

摘 要：對于臨界溫度較低的工質，不僅適合亞臨界有機朗肯循環，也適用于超臨界有機朗肯循環。該文針對使用150℃低溫煙氣作為熱源的有機朗肯循環（ORC），采用R236fa、R152a和兩者作為組分的9種不同濃度配比的非共沸混合物共11種物質作為循環工質，使用熱力學第一定律和第二定律分別分析了這11種工質在臨界狀態附近的參數變化情況。研究結果表明，由亞臨界狀態過渡到超臨界狀態時，系統的凈輸出功、吸熱量均不連續。在近臨界狀態時，混合工質的凈輸出功大于純工質。

關鍵詞：非共沸二元混合物 ?亞臨界有機朗肯循環 ?超臨界有機朗肯循環 ?近臨界狀態 ?連續

中圖分類號：TK123 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（c）-0108-02

這些年來，隨著全球化石能源儲量的減少和人們對電力需求的不斷增加，低溫余熱的利用越來越受到人們的重視。由于傳統的朗肯循環使用水作為工質，其所需熱源溫度較高，這就成為了人們直接使用朗肯循環利用低溫余熱的障礙。為了克服這一障礙，用有機物作為循環工質的有機朗肯循環（ORC）[1]被提了出來。

循環工質的選擇對整個系統影響甚大，針對不同的熱源情況，人們提出了不同的工質以使整個系統達到最佳的性能，主要包括地熱能。Aghahosseini和I.Dincer[2]對采用純工質和非共沸混合工質的有機朗肯循環從循環效率、不可逆性和對環境的影響進行了分析比較，結果表明非共沸混合工質有較好的循環特性。目前國內外對非共沸混合工質ORC在近臨界狀態的研究還比較少，Pan等[3]研究了純工質在近臨界ORC附近的狀態參數變化情況。文章以煙氣作為熱源，采用9種非共沸混合物作為工質。通過分析9種非共沸混合工質有機朗肯循環，分析了系統由亞臨界過渡至超臨界時系統參數變化的特征。

1 有機朗肯循環系統

用有機物代替水作為工質的朗肯循環稱為有機朗肯循環（ORC），由于有機工質的沸點普遍比水的低，因此利用低溫余熱發電成為可能。主要包括5個部分：冷凝器、泵、蒸發器、膨脹機和發電機。循環過程如下：從膨脹機排出的乏汽進入冷凝器中，經過冷卻水的降溫后進入工質加壓泵，升壓后的工質進入蒸發器，吸收來自熱流體放出的熱量，高溫高壓的有機蒸汽進入膨脹機推動膨脹機做功，膨脹機帶動發電機發電，做完功的乏汽進入冷凝器，完成循環。文章采用R236fa、R152a和兩者作為組分的9種不同濃度配比的非共沸混合物共11種物質作為循環工質，工質的熱物性均由NIST提供的REFPROP 8.0查取所得。循環工況參數如表1所示。

2 計算結果分析

2.1 吸熱量

工質的吸熱量隨膨脹機入口對比壓力的變化規律。所用11種工質從亞臨界ORC到超臨界ORC的過程中，系統吸熱量均是不連續的。在亞臨界ORC時，工質的吸熱量均是先減小而后在接近臨界狀態時增加，當膨脹機入口對比壓力在0.9附近時出現極小值;在超臨界ORC時，所有工質的吸熱量均先降低后增大，存在一個極小值點，但極小值的位置卻不同。工質M0～M5的極小值點出現在對比壓力為1.15附近，而工質M6～M10出現在對比壓力為1.05附近。另外，可以觀察到，近臨界狀態時，除了工質M9，其余非共沸混合工質的吸熱量均大于兩種純工質的吸熱量。

2.2 凈輸出功

圖1為凈輸出功隨膨脹機入口對比壓力的變化規律。從圖中可知，系統由亞臨界ORC過渡至超臨界ORC時均是不連續的。亞臨界ORC時，所選工質均出現了一個極大值和一個極小值，但極大值出現的位置有所不同。工質M0～M7的極大值點出現在對比壓力為0.7附近，其余工質則出現在對比壓力為0.6附近;極大值點均出現在對比壓力為0.9的附近。在近臨界狀態時，凈輸出功均增大，但是工質M0～M7的增幅較大，而工質M8～M10增幅相對平穩，且非共沸混合工質M1-M6的凈輸出功均大于兩種純工質的凈輸出功量。在超臨界ORC時，工質M0～M6在對比壓力為1.15附近出現了極小值，而工質M7～M10則在對比壓力為1.03附近出現極小值。另外，在亞臨界ORC過渡至超臨界ORC時，超臨界ORC的凈輸出功均均小于亞臨界狀態的凈輸出功。

3 結論

文中以150℃煙氣為低溫熱源，用R236fa、R152a和兩者作為組分的9種不同濃度配比的非共沸混合物共11種物質作為循環工質，主要分析了這11種工質由亞臨界過渡至超臨界狀態時參數變化的情況及其連續性。研究結果表明：（1）由亞臨界過渡至超臨界狀態時，系統的凈輸出功、吸熱量均不連續;（2）由于在近臨界狀態時，系統的凈輸出功會發生急劇變化，當以追求凈功最大化為目標時，近臨界狀態附近的參數會更有使用價值，且混合工質凈輸出功大于純工質的。（3）該文條件下，在近臨界狀態時，非共沸混合工質M5的凈輸出功最大，為97.3 kW;純工質M10凈輸出功最小，為79.8 kW。

參考文獻

[1] Moran MJ，Shapiro HN，Boettner DD，etal.Fundamentals of engineeers thermodynamics[M].Chichester：Wiley，2011.

[2] Aghahosseini S.，I.Dincer.Comparative performance analysis of low-temperature Organic Rankine Cycle（ORC）using pure and zeotropic working fluids[J].Applied Thermal Engineering，2013，54（1）：35-42.

[3] PanL.Performance analysis in near-critical conditions of organic Rankine cycle[J].Energy，2012，37（1）：281-286.