有機朗肯循環綜述

貴州大學 伍 淼 陳湘萍

有機朗肯循環綜述

貴州大學 伍 淼 陳湘萍

因能源問題與環境問題日益突出，能源與生產之間的矛盾加劇，已經制約了生產力的發展。為解決這一矛盾，有機朗肯循環（Organic Rankine Cycle, ORC）技術越來越受到人們的重視，學者從各個方面對有機朗肯循環進行了大量的研究。文中簡介了ORC系統的主要組成，工質的優選，膨脹機、工質泵、冷凝器的研究進展。

ORC系統簡介；部件優選；工質；膨脹機

0 引言

隨著社會的發展，人類對能源的依賴日益嚴重，煤、石油、天然氣等不可再生能源的儲備有限。我國也是能源消耗大國，為了達到節能減排減少環境污染和提高能源的利用率，加強對這些能源二次利用，多使用新型能源如（地熱，太陽能，潮汐能等）來替代這些傳統能源。在此背景下，有機朗肯循環技術回收中低品位能源越來越得到人們的關注。有機朗肯循環主要由膨脹機、冷凝管、工質泵、蒸發器、發電機等組成。首先液態的有機工質進入蒸發器，在蒸發器中進行熱交換，工質由液態變為氣態，再在膨脹機中膨脹做功帶動發動機發電，膨脹做功后的乏氣運送到冷凝管中進行冷卻，使其由氣態變為液態，由工質泵加壓再次運輸到蒸發器中，這樣完成一個循環，從而實現對余熱的回收。基本的ORC系統如圖1。

圖1 有機朗肯循環系統圖

1 有機工質的優選研究

作為ORC系統的能量載體，有機工質的選擇是否與熱源相匹配，和運行時的工況等都可能對系統的熱回收的效率造成重大影響。有機工質的選擇[1]應考慮如下因素：工質應盡量選擇是無毒，不易燃，不易爆，其化學性質要穩定，在高溫環境下不易分解，而且工質要求具有一定環保性，對大氣臭氧層無破壞。在T-s圖中的飽和蒸汽線上，ds/dT應接近零或大于零（等熵流體或干流體）濕流體不適合做工質，因為在不過熱或者過熱度很小的情況下，濕流體在膨脹做功后容易進入汽液兩相去，產生冷凝液滴，等熵流體最適合作為ORC工質。如圖2。

1.1 純工質的研究

對單一工質的研究，國內外學者對工質的物性和不同熱源環境下工質的選取做了大量研究。劉健等[2]以R123，R245fa做為工質，基于蒸發參數法進行優選，發現工質R123的熱循環效率高于工質R245fa。戴曉業等[3]對工質的熱穩定性進行研究，總結歸納出了ORC工質熱穩定性在試驗和理論兩方面的研究成果。劉偉等[4]對余熱資源的能級及其與ORC工質的匹配進行了研究，用勢分析法更能反映資源與工質的匹配特性，可作為選擇工質的一種參考。李惟毅等[5]采用一種結合經濟性和火用效率的綜合評價指標對有機朗肯循環工質進行多目標優化。陳奇成等[6]針對573.15K和523.15K這兩種中溫熱源的有機朗肯循環，選取八種有機工質分析，尋找系統最大的輸出功率和最佳的運行參數。

圖2 工質T-S圖

1.2 混合工質的研究

ORC系統除了使用單一的純工質以外，還可以使用混合工質，在某一條件下混合工質相比純工質有更優的系統性能，系統效率更高。王羽平等[7]把工質R601a/R600a分別按照0.8/0.2,0.6/0.4,0.4/0.6的比例進行混合，獲得了相應部件運行參數與系統的性能。倪淵等[8]研究了把R245fa、R601a以不同質量配比進行混合作為亞臨界ORC工質，利用熱力學和經濟學分析其性能。以地熱能的深度利用[9]作為目標，采用窄點分析法，使用不同質量配比的二元非共沸的12種混合物做為亞臨界ORC工質，分析其系統性能。楊新樂等[10]以二元非共沸混合物R245fa、R152a為工質，分析比較不同熱源溫度下，在有/無分流閃蒸的兩個系統中，工質配比對系統熱性能的影響。

2 膨脹機

膨脹機是有機朗肯循環的核心部件，直接影響到性能和效率。膨脹機分為兩種，速度型和容積型。速度型膨脹機根據工質在工作輪中的流向又可分為徑流式，徑-軸流式，軸流式。容積式膨脹機包括螺桿膨脹機，渦輪膨脹機，轉子膨脹機，活塞膨脹機等。由于速度型膨脹機的結構特點，當功率越低時，它的轉速會越高，每分鐘甚至會達到十幾萬轉，這一特性迫使速度型膨脹機不適合小型的ORC系統，通常用于大型的有機朗肯循環系統。容積式膨脹機是通過改變容積從而得到膨脹比和焓降，適用于一些流量較小和大膨脹比的環境，其輸出功率較小，轉速較低，而且其輸出功率會隨轉速的增大而增大，適合于一些小型或微型的ORC系統。

2.1 徑流式膨脹機

薄澤民等[11]針對溫度為150～200℃的工業余熱，以R600a為工質，研究有機朗肯循環發電系統的150KW級的有機工質向心平透初步設計和變工況性能研究。王懷信等[12]針對膨脹部件等熵效率為定值這一分析方法的不足，研究了不同壓比和絕熱指數對徑流式單級汽輪機結構尺寸和等熵效率的影響，為ORC系統的膨脹機提供等熵效率的取值依據。

2.2 螺桿式膨脹機

張業強[13]對單螺桿膨脹機進行研究，分析了螺桿直徑、膨脹比、排氣被壓、進氣壓力和入口工質干度等因素對單螺桿膨脹機的性能影響，獲得了單螺桿膨脹機的工況特性曲線，為單螺桿膨脹機的有機朗肯循環系統時間和分析提供了實驗數據支持。張于峰等[14]研究在不同工況下，存在最佳轉速，該轉速下螺桿機對外輸出功最大，初始耗功量在低溫區對系統輸出功影響很大，隨著熱源溫度的增加初始耗功量占最大輸出功的比值趨于33%。

2.3 活塞式膨脹機

馮黎明[15]認為往復活塞式膨脹機更適合于發動機尾氣余熱回收系統，指出往復活塞式膨脹機對優化ORC的熱力學第一定律效率和熱力學第二效率具有一定的指導意義，并且為此設計了往復活塞式的熱力學模型，并研究了相關關鍵參數對ORC系統的影響。

2.4 渦輪式膨脹機

姜亮等[17]以R152a為工質對低溫余熱發電系統中渦輪式膨脹機進行了研究，采用EES軟件編程對渦輪膨脹機進行熱力設計。韋偉等[17]搭建渦旋式膨脹機的小型有機朗肯循環系統，采用R134a、R245fa、R22和R32為工質測試了ORC系統的整體性能及渦旋式膨脹機的性能。

3 冷凝器

在ORC系統中冷凝器用來冷卻從膨脹機做功排除的乏汽，使其變為液態運送到工質泵。冷凝器是發電，制冷的主要設備。陳紫薇[18]針對有機朗肯循環系統設計出新型分液冷凝器，與傳統的冷凝器在換熱系數、壓降、初投資費用、操作費用、總費用、系統的凈輸出功、循環效率、系統火用效率的計算結果分析，發現新型分液冷凝器優于傳統的冷凝器。董冰等[19]在有機朗肯循環系統中分別采用水冷式，蒸發式和風冷式三種冷凝器，分析得到了不同地域和季節氣候條件的變化對系統冷凝溫度、發電量和發電效率的影響。

4 工質泵

工質泵的作用是把冷凝器出來的液態工質經過加壓運輸到蒸發器中。工質泵運行參數偏離額定參數是導致機械效率偏低的主要原因，工質泵易發生氣蝕，導致等熵效率減小，同時還會造成工質流量的下降。葉佳琦[20]建立了以R245fa為工質的小型工質泵性能研究實驗室，針對容積性工質泵展開研究，對工質泵的出口壓力，進出口壓差和系統質量流量分別進行控制。楊緒飛等[21]提出了帶有前置泵的有機朗肯循環系統，前置蹦按裝在工質泵和儲液罐之間，使工質泵的入口壓力升高，確保工質泵入口有足夠的氣蝕余量。選用三柱塞泵[22]建立的有機朗肯循環系統，泵的實際運行效率達到22%-30%，工質泵等熵效率和機械效率分別為60% ～69%和37%～45%。

5 結束

文中對ORC系統的研究現狀進行了相關的綜述，為以后有機朗肯循環系統的設計提供一定的參考。工質作為系統的能量載體，工質選擇的是否合適嚴重影響到系統的性能。等熵流體是最為適合的工質，工質的選擇還需考慮熱源類型、熱源溫度、循環效率、火用損效率、安全性及環保性等因素。混合工質在一定情況下相比純工質有更好的熱力學性能，為系統帶來更高的系統效率。膨脹機作為關鍵部件，其選擇需要考慮諸多因素：如系統規模大小，輸出功率，工質流量，以及絕熱效率等。目前螺桿膨機產品最為成熟在各個領域都有應用，而其它膨脹機則沒有較為成熟的產品。工質泵和冷凝器技術相對成熟選擇余地較少。

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伍淼（1990-），男，湖南臨湘人，碩士研究生，有機朗肯循環。

陳湘萍（1977-），女，貴州貴陽人，副教授，博士，新能源。

資助：貴州省自然科學基金（中低品位熱源梯級能源利用關鍵技術研究，黔科合J字【2015】2034號）。