有機朗肯循環專利技術綜述

彭小熙

摘 要： 為了提高中低溫余熱的利用效率，世界各國科學家付出了巨大的努力，而使用有機朗肯循環來回收該部分熱量進行利用便是其中典型代表。本文首先簡要介紹了有機朗肯循環技術及相關特點，在此基礎上分析了有機朗肯循環的全球與中國的專利情況，最后對該領域進行展望。

關鍵詞： 朗肯循環；有機；中低溫余熱

一、前言

隨著我國經濟技術的飛速發展和人口數量的不斷增長，所消耗的化石能源數量也在不斷攀升，同時在工業生產中，大量余熱被直接排放到大氣中，這樣不僅僅造成了環境的污染，更是白白損耗了一大部分可用能源。因此，對中低溫余熱的回收和利用便具有重要的現實意義。若以水作為朗肯循環的工質，來回收這部分低溫余熱，則由于水的沸點較高，將會導致系統的效率低下。如若選用有機朗肯循環（ORC）來回收余熱，則既能實現能源的回收利用，又能在同等的輸出條件下，減少二氧化碳等污染物的排放，有利于環境保護。同時，有機朗肯循環（ORC）也可以用于自然界中的其他低品位能量，實現能源利用的多樣性，從而彌補了能源不足的現狀。

二、有機朗肯循環基本技術原理淺析

（一）、性能簡介及優勢分析

有機朗肯循環（Organic Rankine Cycle）是以低沸點有機物為工質的朗肯循環[1]。整個系統由換熱器、透平機、冷凝器和工質泵四大部件組成，有機工質首先在換熱器中從廢氣等需要余熱回收的流體中吸收熱量，從而形成蒸汽，進而，蒸汽進入透平機中膨脹對外輸出功，從透平機排出的蒸汽在凝汽器中放熱，凝結成液態，再通過工質泵重新回到換熱器中，從而形成一個完整的循環。

ORC循環與傳統的水蒸氣朗肯循環的根本區別在于采用有機工質，所以整個工質的特性將主導整個發電系統的結構及效率。在中低溫（低于650℃）情況下，由于ORC在顯熱回收方面有較高效率，因此ORC循環的效率明顯比水作為工質的朗肯循環效率高得多。

（二）、關鍵技術

ORC循環是通過透平機來實現能源轉換的，因此，透平機的設計是系統效率的一個保證，其要求在相同熱量的條件下使得發電功率最大化。此外，換熱器的構造以及工質的選取也將直接影響能源回收的效率，而由此選用混合工質也是拓寬ORC循環工質選擇范圍的另一種方法。通過余熱源的溫度范圍，工質與管道的兼容性，混合工質的特性，換熱效率，安全性，經濟性等方面進行考量，配比出最合適的換熱工質和換熱器。進而，在優化系統性能發面，還需要系統能夠運行平穩，噪聲低，結構簡單以及使用范圍廣。

三、有機朗肯循環專利情況分析

（一）、申請量分析

表2為不同時間段有機朗肯循環的國內專利申請量與全球專利申請量的對比。截止2018年3月8日，有機朗肯循環領域的相關專利申請總量達到了2110篇，而國內關于該領域的申請總量達到了1065件，在全球申請中占據了重要的地位。然而，在這之前的很長一段時間，國內每年有機朗肯循環領域的專利申請量不足5篇，直至2009年以后申請量才逐漸呈現上升趨勢。在我國，該項技術起步較晚，中國第一篇國內申請人的關于有機朗肯循環裝置的專利申請的公開日為2006年。并且，在早期，國內對有機朗肯循環裝置的研究主要是從理論上對該循環系統進行研究，直至近幾年，隨著我國在各式能源大規模利用方面出現了大量的需求，這也促使國內對該項技術的研究無論是從理論上或者是實際改造上均更加深入。專利申請量的增加，不僅僅體現了我國對該項技術的研究發展，同時也反映出近幾年國人逐漸形成了專利保護意識。

（二）、申請人分析

根據申請量分析，并結合前期的統計結果所抽取的樣本中所得到有機朗肯循環領域申請量較大的申請人，以及行業中較為知名的申請人，如下表所示：

可以看出，目前，在國外ORC技術已經商業化，并且在統計中得知外國已將該項技術從余熱的回收方面擴大到地熱、太陽能、生物能等新能源的利用上來。而我國對于ORC的研究起步較晚，故而該領域的大多數申請人為科研單位：天津大學的主要研究方向是雙螺桿有機朗肯循環系統，北京工業大學主要研究單螺桿有機朗肯循環系統，而中國科技大學研究的是太陽能有機朗肯循環利用等。同時，自2008年以來，清華大學和杭州中能汽輪動力有限公司聯合開展對ORC工業余熱發電系統的工程應用研究和關鍵技術的研發，將ORC工業低溫余熱技術積極推向工業應用領域。此外，在有機朗肯循環領域中并沒有出現明顯的技術壟斷，而是一種百花齊放的發展趨勢，這有利于不同創新技術之間的交流與學習，更有利于該項技術的發展。

（三）、有效性分析

截至至2018年，有機朗肯循環領域中，國內申請的公開量為1065篇，而公告量僅為289，專利授權率為27.36%。這說明雖然各個研究院或者企業在有機朗肯循環技術方面進行著不斷的研究和探索，但是由于我國現在仍處于理論研究階段，技術尚未成熟，由于理論重復性較高，因此造成了該領域專利授權率的低下。

四、有機朗肯循環領域展望

有機朗肯循環是回收低品位余熱的有效途徑之一，在國外，該項技術已經有非常成熟及廣泛地應用，同時，該項技術也成功應用到新能源領域中去；然而在我國，該項技術尚有不足，仍有很大的發展空間。

隨著科技的發展，有機朗肯循環技術將愈加成熟，當前該技術主要發展方向為：提升有機朗肯循環系統理論的完備性和復雜性，或者系統整合滿足空間集成化需求，以使得系統效率更優。

參考文獻

[1] 李艷，連紅奎，顧春偉. 有機朗肯循環在工業余熱回收中的應用[J]. 2009年中國動力工程學會透平專業委員會2009年學術研討會論文集，123-127頁，2009.