（制冷及低温工程专业论文）喷射式有机朗肯循环的热力学分析.pdf

摘要 中低温热源的有机朗肯循环( o r c ) ，由于发电能力低、效率低限制了其推 广应用。为此，本文提出喷射式有机朗肯循环( e o r c ) 和双级膨胀朗肯循环 ( d o r c ) 。其中，e o r c 包括：采用蒸汽引射的喷射式有机朗肯循环( v e o r c ) 和采用液体引射的喷射式有机朗肯循环( l e o i 屺) 。将喷射器应用于有机朗肯循 环，通过降低膨胀机的背压来提高系统的做功能力，以提高中低温热源的发电能 力。论文针对这四种循环开展热力学的分析。 选取热源温度6 0 n 1 0 0 ，以系统最大净输出功为主要目标，并兼顾系统效 率，对o r c 和v e o r c 的循环性能进行热力学分析，优选出代表性的四种工质： i 边2 7 e a 、i 之2 4 5 f a 、r 1 3 4 a 和r 1 2 3 。对混合工质进行筛选与初步研究，得到n 1 n 4 按5 0 5 0 组分作为混合工质，在o r c 和v e o r c 中，其循环净输出功和系统 效率均高于r 2 2 7 e a 。 研究e o r c 中喷射器的引射系数对循环性能的影响。9 5 热源下，选用工 质r 2 4 5 白，得到：v e o r c 达到最大狰输出功时，喷射器引射系数为1 9 ；引射 系数0 3 时，l e o r c 系统循环性能较优。 热源6 0 哟o 范围内，以达到最大净输出功，对上述四种循环的性能进行 分析比较；并以9 5 为典型热源，对四种循环的净输出功和效率进行分析计算， 得到l e o r c 循环性能优于其它三种循环。 建立实验台，进行o r c 和v e o r c 的实验研究。得到v e o r c 的系统输出 功和做功效率高于o r c ，体现了喷射式有机朗肯循环的优势。 关尚睦阗：有机朗肯循环( o r c ) ；喷射式有机朗肯循环( e o r c ) ； 双级膨胀朗肯循环( d o r c ) ；系统效率：最大净输出功 t h el o wp o w e rc a p a c i t ya n d e f f i c i e n c yo fo r g a n i cr a n k i n ec y c l e ( o r c ) w i t h l o w - g r a d eh e a ts o u r c e ( l g h s ) h a sl i m i t e di t su s ei ni n d u s t r y i no r d e rt oi n c r e a s e t h ep o w e ro u t p u ta n di t se f f i c i e n c ya l lo r g a n i cr a n k i n ec y c l ew i t he j e c t o r( e o i 汇) a n dd u a l e x p a n d e ro r g a n i cr a n k i n ec y c l e ( d o r c ) w e r e p r o p o s e di nt h i sp a p e r e o r ci n c l u d e dt h ee o r cb yv a p o re j e c t o r ( v e o r c ) a n dt h ee o r cb yl i q u i d e j e c t o r ( l e o r c ) t h ee x p a n d e r so u t l e tp r e s s u r ew a sd e c r e a s e di ne o r c c o m p a r e dt ot h eo r c ，s o t h ep o w e rc a p a c i t yw a si n c r e a s e dd u et ot h eu s eo fe j e c t o r n et h e r m o d y n a m i c a n a l y s e sa b o u tt h o s ef o u r p o w e rc y c l e sw e r ec a r r i e do u ti nt h ep a p e r t oa c h i e v et h em a x i n l u n lr l e to u t p u tp o w e ra n dh i g hs y s t e me f f i c i e n c y , t h e t h e r m o d y n a m i ca n a l y s e so fo r c a n dv e o r c b y t h eh e a ts o u r c eb e t w e e n6 0a n d10 0 w e r ec o n d u c t e d f o u rr e p r e s e n t a t i o nw o r k i n gf l u i d sc h o s e na st h es u i t a b l e w o r k i n gf l u i d si no r e a n dv e o r cw e r er 2 2 7 e a , r 2 4 5 f a , r 1 3 4 aa n dr 1 2 3 t h e r e s e a r c ha b o u tt h em i x t u r e su s e di nt h eo r ca n dv e o r cw e r ec a r r i e do u t , w h i c h s h o w e dt h a tn 1 n 4b y5 0 5 0 a st h em i x t u r ew o r k i n gf l u i dc o u l dg a i nm o r en e t o u t p mp o w e ra n dh i g h e rs y s t e me f f i c i e n c yi h a nr 2 2 7 e a i tw a sc o n s i d e r e dt h a tt h ee n t r a i n m e n tr a t i oo fe j e c t o ra f f e c t e dt h ec y c l e p e r f o r m a n c eo fe o r c w h e nt h en e to u t p u tp o w e rw a st h el a r g e s t , t h ee n t r a i n m e n t r a t i ow a su pt o1 9i nv e o r c w h i l et h ee n t r a i n m e n tr a t i ow a s0 3 ，t h ep e r f o r m a n c e o fl e o r cw a sb e t t e r t h ei n v e s t i g a t i o no nt h ep e r f o r m a n c eo ft h e s ef o u rc y c l e sw a sc o n d u c t e da tt h e a i mo ft h em a x i m u mn e to u t p u tp o w e rb yt h eh e a ts o u r c eb e t w e e n6 0a n d1 0 0 a t t h eh e a ts o u r c eo f9 5 c ，t h ec y c l ep e r f o r m a n c eo fn e to u t p u tp o w e ra n de f f i c i e n c yw a s c a l c u l a t e da n da n a l y z e di nt h o s ef o u rc y c l e s i ti ss h o w nt h a tt h ec y c l ep e r f o r m a n c eo f l e o r cw a sb e t t e rt h a nt h a to f t h eo t h e r t h r e ec y c l e s t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h eo r ca n dv e o r cw e r ec o n d u c t e d i tw a s d e m o n s t r a t e dt h a tt h em o r eo u t p u tp o w e ra n dh i g h e rw o r ke f f i c i e n c yw e r ep r o d u c e d i nt h ev e o r ct h a nt h a ti nt h eo r c ，w h i c hr e f l e c t e dt h ea d v a n t a g e so fc y c l e p e r f o r m a n c ei nt h ee o r c k e y w o r d s ：o r g a n i cr a n k i n ec y c l e ( o r c ) ；o r cw i t he j e c t o r ( e o r c ) ： d u a l e x p a n d e ro r e ( d o r c ) ；s y s t e me f f i c i e n c y ；m a x i m u mn e to u t p u tp o w e r 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景与意义 1 1 1 中低温余热资源 第一章绪论 我国作为一个能源消耗大国，占世界能源消耗1 1 0 ，仅次于美国【i 】，但能源 利用率仅为美国的一半左右( 美国已超过6 0 ，而我国只有3 0 左右f 2 】) 。同时， 高耗能也给我国环境带来严重污染。能源利用效率的提高可降低工业对常规能源 的依赖，提高单位能量产值，因此，节能与能源高效利用是我国经济可持续发展 的有效途径之一。 我国的能源利用率较低，主要体现在中低温热能的再利用或开发。一般按热 载体的温度水平不同，热源可划分为三种：高温熟源( 5 0 0 。c 以上) 、中温热源 ( 2 0 0 3 5 0 。c 之间) 和中低温热源( 2 0 0 c 以下) 1 3 。就中低温热源而言，主要 存在于工业余热和可再生能源两个领域。 低温位热能的再利用主要是针对工业余、废热再利用：开发则涉及到可再生 能源利用。总体来说，这两部分在我国的所占的比例和开发潜力巨大，具体表现 如下： 1 、工业余热 从我国的能源消耗结构来看，工业能耗占能源消耗总量的7 0 左右【4 】，而 6 0 0 0 6 5 的工业能耗转化为载体不同、温度不同的余热。 对于钢铁、水泥行业，高耗能一直是亟需解决的问题。目前，水泥的生产电 耗能大约为1 0 5 1 1 0k w h t ，仅电费投入就达到约4 0 5 0 元t ，相当于总成本的 1 3 。同时，能量的不合理利用，以中低温废气形式排放到环境中，造成环境污 染和能量浪费。 火电厂运行过程中，能源消耗主要体现在锅炉烟气排放。锅炉排烟问题一方 面体现于烟气对大气的直接污染；另一方面则为过高的排烟温度，虽靠添加闪蒸 器和补汽式汽轮机来降低排烟温度下限，但最多只能降低到3 0 0 。c 左右【3 1 ，预计 其浪费的热量仍约占总输入热量的1 3 左右。 玻璃行业的能源主要为重油、天然气、煤气等燃料和电力。统计我国2 0 0 多条浮法玻璃生产线，其中能耗费用一般占到生产总成本的4 0 4 5 之间， 约3 0 以上的热能多以废气的形式外排。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 通过上述数据可知，工业余热再利用潜力巨大。钢铁、水泥、火电厂等大型 企业在生产过程中，将大量的中低温烟气直接进行排放，不仅对环境造成污染， 而且也不符合我国节能减排的政策方针。有效地再利用工业余热资源，对提高能 量综合利用率，减少一次能源消耗，推进经济快速发展是大有裨益的。再者从节 能减排和保护环境角度出发，工业余热作为二次能源进行开发再利用，减少对环 境的热和污染物排放，提高空气质量。 2 、可再生能源 中低温热源的另一重要来源一太阳能和地热能。面对当前能源困境，世界各 国对可再生能源的开发利用予以高度重视。 太阳能可以说是取之不尽、用之不竭的。太阳辐射到地球陆地表面的能量， 一年大约有1 7 万亿千瓦，仅占到到达地球大气外层表面总辐射量的1 0 ，相当 于目前全世界一年内能量消耗总量的3 5 万倍。 世界太阳能资源最丰富地区主要分布在美国西南部、非洲、澳大利亚、中国 西藏、中东等地区。我国的太阳能十分丰富，全国2 1 3 以上的地区年辐射量大于 5 0 2 万千焦平方米，年日照时数在2 0 0 0 小时以上，我国陆地表面每年接受的太 阳能相当于1 7 0 0 亿吨标准煤，在我国韵储量丰富。 以下是我国主要地区太阳能资源的分布状况： 表1 - 1我国主要地区太阳能资源韵分布 类别日照时数( 时)总辐射量( m j m 2 )折合标准煤( k g ) 主要地区 13 2 0 0 3 4 0 06 6 8 0 8 4 0 02 2 5 2 8 5 宁夏北部甘肃北部等 23 0 0 0 3 2 0 05 8 5 2 6 6 8 02 0 0 2 2 5河北北部山西北部等 32 2 0 0 3 0 0 05 0 1 6 5 8 5 22 0 0 2 2 5 河北北部山西北部等 41 4 0 0 。2 2 0 04 1 9 0 5 0 1 61 4 0 1 7 0湖北湖南江西广西等 51 0 0 0 1 4 0 03 3 4 4 4 1 9 01 1 0 1 4 0四川和贵州省 地热能，是蕴藏在地球深层( 距地表5 k m 以内) 的可再生能源，由于复杂的 地质构造活动而形成的巨大的自然能源。地球蕴藏的地热能约为1 4 5 1 0 2 5 j ，相 当于4 9 4 8 万亿吨标准煤( 全球煤储量约1 万亿吨) ，由此可以看出地热资源的利 用前景非常广阔。 按其属性地热能可分为4 种类型：水热型，地压地热能，干热岩地热能，岩 浆热能【5 1 。在上述4 类地热资源中，只有第一类水热资源在中国已得到很好的开 发利用。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 中国地热资源按其属性可分为三种类型：( 1 ) 高温( 1 5 0 c ) 对流型地热资 源，这类资源主要分布在西藏、腾冲现代火山区及台湾，前二者属地中海地热带 中的东延部分，而台湾位居环太平洋地热带中。( 2 ) 中温( 9 0 1 5 0 c ) 、低温( 9 ) 比o r c 循环高，但 输出功比o r c 发电循环低1 0 左右 9 1 ，但其要求热源温度大于3 5 0 且系统复杂， 同时受到氨水物性的影响，在实际应用中较少( 如冰岛的h u s a v i k ) 。相比之下， o r c 发电系统研究较为成熟，世界范围内o r c 发电应用较多。 针对6 0 1 0 0 热源的发电，k a l i n a 循环在实际应用中受到诸多限制。对于 o r c ，可选工质种类较多，不同热源的热量回收方便。 1 2 有机朗肯循环( o r c ) 研究现状与进展 o r c 发电循环已有较长的研究历史，并有不少工程应用。上世纪7 0 年代初， 受到能源危机的影响，苏、日、美等开发地热资源进行发电，并取得令人满意的 结果。苏联帕拉唐卡的5 0 0 k w 的“双工质循环”和日本太岳的1 m w 双工质机 组其可用能效率可达6 0 。美国自1 9 7 6 年起分别在加州的亚兰特、海地等地建 成了1 0 k w 、6 0 k w 、1 5 0 0 k w 、1 0 m w 、1 1 2 m w 、2 6 m w 和5 0 m w 的双工质发 天津大学硕士学位论文第一章绪论 电机组。随着技术发展，o r c 发电系统装机容量不断扩大，如阿肯色州的俄多 拉多1 0 0 m w 试验机组，膨胀效率可达8 6 。到2 0 0 9 年为止，有机朗肯循环发 电系统的总装机容量已达1 6 0 万千瓦。 目前，对o r c 发电循环的国内、外研究重点主要集中在工质的选择、系统 性能优化及系统改进。针对工质优选已进行了大量研究，低沸点有机工质种类繁 多，且热物性存在差异，工质选用对o r c 系统性能影响较大；针对o r c 性能与 运行工况进行优化研究，以提高系统的收益；同时，对于o r c 系统的改进研究 也有涉及。 1 2 1 国外研究现状与进震 中低温热源同环境温差较小，在热电转化时普遍效率低。通过对系统工质进 行选择，可以提高系统的效率，得到最大输出功。同时，在工质选择的基础上， 对系统进行最佳运行工况设计和改进。 j p r o y 1 0 - 1 1 】等对透平进口压力进行低温热源的饼池系统优化，以获得最大 功和效率，选用r 1 2 、r 1 2 3 ，r 1 3 4 a 为工质。得到相同条件下，r 1 2 3 的卡诺效率 与实际效率接近。随后对无回热的o r c 循环进行参数优化，比较系统火用效率、 不可逆性、热源可用率、系统输出功以及工质质量流量对透平进口温度的变化情 况。研究表明非回热o r c 系统无论在恒热源或变热源条件下，使用r 1 2 3 作为工 质可提供最大熟效率以及输出功，同时系统韵不可逆损失最小。 f l o r i a nh e b e r l e 和d i e t e rb r t l g g e m a n n t 明对低于1 7 0 的地热进行研究。将o r c 发电系统与供热系统结合，提出串联式和并联式热电联合系统，并进行对比分析。 得到对于单独的o r c 系统，上述热电联合系统使得系统的第二效率得到很大程度 上的增加。通过工质选择，提出对于高临界温度工质是串联式热电联合系统的首 选，如异戊烷；而对于并联式热电联合系统，低临界温度则是较为理想的选择， 女i r 2 2 7 e a 。 i s a mh a l j u n d i t l 3 】对o r c 系统采用碳氢化合物进行工质研究。结果表明，异 戊烷可作为r 1 1 3 的替代品，新戊烷在性能上优于c 5 f 1 2 ，正丁烷的系统热效率高 于r c 3 1 8 、r 2 3 6 e a 和r 2 4 5 f a 。因此碳氢化合物的0 r c 性能优于一些制冷剂，有可 能成为地热或废热回收系统的工作流体。 m a i z z a 【1 4 】等研究1 1 种常见氟利昂纯质及9 混合工质，蒸发温度为8 0 1 1 5 ， 以工质的热效率和卡诺效率之差作为工质选择标准之一，得到纯质r 1 2 3 、r 1 2 4 ， 混合工质r 4 0 1c 效率最优。 b a h a as a l e h i ”】等对1 0 0 * c 热源下烦人o r c 循环研究，设定系统的净输出功为 1 m w ，并基于b a e k o n e 方程，对3 1 中纯质进行循环性能计算。指出在工质选择 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 时，需要考虑热源温度以及热源载流体的类型和循环方式。除此之外，对不同工 质的o r c 循环类型进行了详细分析，讨论蒸发器过热度和系统回热器的可用条 件，提出对于湿工质的无回热o r c 循环，过热度的增加对热效率的影响较小，不 推荐使用。但当再添加回热器后，热效率会明显提高。对于干工质o r c 循环，过 热后则会导致系统的热效率降低。 h e t t i a r a e h e h i l l 6 】等对7 0 9 0 c 地热水亚临界o r c 循环，分别以r 1 2 3 、正戊烷 和p f 5 0 5 0 等3 种工质进行了循环性能对比分析，以单位输出功的换热器面积最 小为优化目标进行经济性研究，指出工质选择对系统性能有重要影响。 a m l a k ua b i el a k e w ，o l a vb o l l a n d i 】刀以输出功和部件尺寸( 换热器和膨胀机) 为目标，对亚临界o r c 循环进行工质筛选，涉及工质包括r 1 3 4 a ，r 1 2 3 ，r 2 2 7 e a ， r 2 4 5 f a ，r 2 9 0 和n - p e n t a n e 。得出给定热源 8 0 1 6 0 c 时，r 2 2 7 e a 输出功较高； 1 6 0 2 0 0 c 熟源时，r 2 4 5 f a 成为最佳工质。当热源温度低于8 0 。c 时，不同工质单 位面积最大输出功相差不大。 e m m a n u e lc a y e r t l 8 】等对跨临界朗肯循环参数进行研究与系统优化。系统采用 c 0 2 、乙烷和r 1 2 5 作为循环工质，分别选取热效率，单位挣输出功，火用效率， 总u a 、换热器表面积以及系统相对成本作为系统优化指标。结果表明：不存在 同时满足六个性能指标的运行状态。对r 1 2 5 而言，系统具有最佳的热效率、最 低u a 、换热器表面积和系统成本；而乙烷具体最高的净输出功率，c 0 2 具有较 高的总韵u a ，但换热表面积要低于乙烷系统。 1 工2 国内研究现状与进最 上世纪7 0 年代，天津大学吕灿仁、胡亮光等【l 蛆o 】搭建低温地热发电模拟试 验装置，并对系统进行深入研究；通过中间介质法，应用6 7 。c 地热水，进行地 热发电装置及系统的试验研究，获得”全国科学大会奖”。 8 0 年代初，严家碌、王补宣等【2 l 2 3 】从理论和推导方面对低温余热动力回收 进行了研究，提出了很多有价值的计算公式，为低温热能发电方案的热力计算提 供了很大的方便。之后，国内学者也对o r c 系统做了大量的理论和实验研究。清 华大学的李艳等【2 4 】进行了有机朗肯循环系统及其透平设计。采用r 1 1 、r 1 2 3 、 r 2 4 5 c a 、r 6 0 0 和r 6 0 0 a 为工质，设计有机朗肯系统回收某一工业余热，并以r 1 2 3 为工质进行有机工质透平的气动设计、造型设计和c f d 模拟计算研究，并对透平 尺寸进行优化。研究表明，以r 1 2 3 为工质的有机朗肯循环系统能有效可靠利用 该工业余热，所设计透平基本达到设计要求，优化设计有效改善透平叶轮内部流 动；中科院的吴治坚等【2 5 】对余热发电单级能量转换系统进行研究。通过建立数学 模型，对电站的功率和效率进行了计算与分析。计算结果表明，对于双工质循环 天津大学硕士学位论文第一章绪论 方式采用过热系统是不可取的。天津大学赵力等【2 9 】针对太阳能驱动的o r c 系 统，开展一系列理论和实验研究，并对带回热器的o r c 系统性能进行了考察；研 究工质包括纯工质r 2 4 5 f a 和非共沸混合工质r 1 5 2 a 】也4 5 f a 。 天津大学王怀信【3 0 】针对低温o r c 进行能量和火用分析，考察6 0 1 0 0 。c 热源， 对2 6 种工质进行筛选。系统性能指标为在各工质最佳运行工况下，净功输出、 换热器面积以及透平成本。研究表明，不存在同时满足上述标准的工质。对各标 准兼顾考虑，推荐采用r 2 4 5 f a 作为较适宜工质。随即提出一种中低温地热耦合利 用系统【3 13 9 ，并对该新型系统进行工质选择。通过对p p r ( 发电子系统产电量与 热泵子系统耗电量之比) 作为目标函数，提出r 2 3 6 e a 和r 2 4 5 c a 作为工质，系统 p p r 较其它工质提高7 7 。张圣君【3 2 】对亚临界o r c 和跨临界发电循环进行参数 优化和性能对比，系统采用6 0 - - 1 0 0 地热源。文中提出五种性能指标：热效率、 火用效率，热源回收率，单位功量的换热面积( a p r ) ，平准化能源成本( l e c ) 。 指出：从系统热效率和火用效率角度考虑，r 6 0 0 ，r 1 2 3 ，r 2 4 5 f a ，r 2 4 5 c a 和r 6 0 0 a 可作为优选工质。但对热源回收率而言，r 2 1 8 ，r 1 2 5 和r 4 1 也可使系统获得较 高的热源回收率。另外，通过其它指标的优化得到，r 1 5 2 a ，r 1 3 4 a ，r 6 0 0 和r 1 4 3 a 具有低a p r 值：在l e c 方面，r 1 5 2 a ，r 6 0 0 ，r 6 0 0 a ，r 1 3 4 a ，r 1 4 3 a ，r 1 2 5 以 及r 4 1 具有低l e c 值。 中国科学技术大掣3 3 研究太阳能有机朗肯循环发电系统，采用r 1 2 3 作为工 质。系统采用两级集热器使导热油与工质进行直接传热，降低二者之间的换热温 差，提高系统效率。 西安交通大掣蚓对有回热o r c 循环( r o r c ) 进行研究。系统中采用蒸汽喷 射器进行回热，运行工质为r 1 2 3 。通过对r o r c 循环和常规o r c 循环的热力学性 能计算，得到在不同蒸发和冷凝压力下，存在最佳喷射器进口蒸汽压力( 即抽气 压力) 区间，使得r o r c 循环性能优于o r c ( 仅体现在热效率上) 。 综上所述，有机朗肯循环研究主要集中在工质选择、系统改进和运行参数优 化等方面 3 s - 3 7 1 。 1 3 课题主要研究内容 为提高o r c 循环净输出功，同时兼顾系统效率，对常规o r c 进行改进，提出 了喷射式有机朗肯循环( e o r c ) 【4 1 埘1 和双级膨胀朗肯循环( d o r c ) 4 5 】。对于 e o r c 系统，根据喷射器引射方式的不同，可分为采用蒸汽引射的v e o r c 和采用 液体引射的l e o r c ，详见下图1 - 6 。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 a ：蒸汽引射的v e o r c b ：液体引射的l e o r c 图1 6 喷射式有机朗肯循环v e o r c ( a ) 和l e o r c ( b ) 针对喷射式有机朗肯循环e o r c ，论文开展如下具体研究： 1 ) 有机朗肯循环( o r c ) 及其工质的研究 针对目前常用的工质进行朗肯循环性能对比，以最大净输出功作为工质选择 主要标准，同时兼顾效率和单位体积做功量等，推选几种具有代表性的工质，并 讨论干、湿工质的过热度对o r c 的影响。对混合工质o r c 进行初步研究。 2 ) e o r c 循环理论研究 采用o r c 推选的工质进行e o r c 循环性能研究，主要针对v e o r c 展开性 能研究。9 5 ( 2 热源下，r 2 4 5 f a 为工质，v e o r c 引射系数对系统性能研究，确定 最大净输出功时引射系数：v e o r c 系统确定一级蒸发器参数时，讨论二级蒸发 温度对系统做功等的影响。 对l e o r c 进行循环计算，比较不同引射系数下，净输出功变化情况。 3 ) o r c 、d o r c 和e o r c 循环性能对比分析 热源6 0 - 1 0 0 。c 范围下，对四种循环进行对比研究，以最大净输出功时的系 统参数进行对比研究；评价各系统性能；进行典型热源下四种循环性能的分析比 较。 4 ) o r c 和v e o r c 实验研究 建立实验台，对o r c 和v e o r c 进行实验对比研究。 天津大学硕士学位论文 第二章有机朗肯循环( 0 r c ) 理论研究 第二章有机朗青循环( o r c ) 理论研究 针对o r c ，从l o 种常用工质中，推选出具有代表性的工质进行o r c 循环性 能研究。 有机工质朗肯循环( o r c ) 由蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质泵四大部件组 成，见图2 1 ，图2 - 2 为o r c 循环的s 图。 图2 1有机工质朗肯循环示意图图2 - 2 有机工质朗肯循环t - s 图 低温低压的工质( 状态点3 ) 经工质泵加压后进入蒸发器，与热源进行热交 换，发生相变，变成高温高压蒸汽( 状态点1 ) ，然后进入膨胀机膨胀至冷凝压 力，将热能转化为轴功驱动发电机发电。经膨胀机排出的低压蒸汽( 状态点2 ) 进入冷凝器，同冷凝水换热后凝结成冷凝压力下饱和液体( 状态点3 ) ，再次进 入工质泵加压，完成一次循环。 o r c 应用于中低温热源发电，同水蒸汽朗肯循环相比有很多优剧3 1 ，主要体 现在以下几点： 1 、热源的要求 常规朗肯循环中采用水作为循环介质，由于水在常压下蒸发温度为1 0 0 左 右，故对热源的温度提出较高的要求。对于热源温度在5 0 0 以下，采用水进行 循环，运行效果不佳。但对于采用低沸点的o r c 循环而言，热源温度在8 0 以 天津大学硕士学位论文第二章有机朗肯循环( 0 r c ) 理论研究 上仍可进行热量回收，这主要受益于有机工质的低沸点。 2 、工质种类多 常规朗肯循环只能以水作为工质，对于循环性能的提高仅体现为系统部件优 化设计。对于o r c 循环，系统可用工质种类多。目前，有些学者【”3 将正构烷烃、 含氟烷烃、醚和氟醚应用于o r c ，在系统设计方面灵活性强。 3 、能源利用率高和成本低 采用低沸点有机物作为工质，在中低温热源再利用时，使得工质蒸发温度与 热源温度接近，能源利用效率高。有机工质的分子量比水的分子量大很多，密度 大，导致系统中工质的比容小，同等情况下，o r c 系统所需膨胀机尺寸、排气 管道的尺寸以及冷凝器的换热面积都比水蒸汽朗肯循环小。 4 、无过热度或小过热度 o r c 系统工质可分为干工质、湿工质和等熵工质，在系统运行过程中，蒸发 器出口蒸汽只需很小过热度或无过热度，即可保证膨胀机出口蒸汽为饱和或过热 蒸汽，避免形成湿气或高速小水滴，对膨胀机尾部造成冲击和腐蚀损坏。 5 、运行可靠 o r c 系统采用低沸点有机工质，易产生高压蒸汽。同时，有机工质的冷凝压 力接近或稍大于大气压，工质泄露可能性小，无需复杂的真空系统。同时，有机 工质凝固点很低( 低于7 3 ) ，允许系统在较低温度下正常运行。在寒冷地区， 冬季冷凝器不需增加防冻设施。 下面从工质侧和热源侧对o r c 系统进行热力学分析。t ，l 为热源水初始温度， t r 2 为热源水出口温度，热源水流量为1 3 1 ，k g s 。 蒸发部分： 工质侧：q e = m w ( 一) ( 2 1 ) 水侧： q = 聊，c p ( 耳1 一霉2 ) ( 2 - 2 ) 膨胀部分： 形= m w ( 一h 2 ) ( 2 3 ) 冷凝部分： q c = m w c d ( 一缟) ( 2 4 ) 工质泵部分： 形= 聊w ( k 一) ( 2 - 5 ) o r c 系统热效率： 天津大学硕士学位论文 第二章有机朗肯循环( 0 r c ) 理论研究 仉= 鲁= 罴等 单位体积做功量： 既= 鲁 2 2 纯工质选择 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 有机工质的选择成为o r c 的研究热点。工质选择应充分考虑工质的毒性、 易燃性、稳定性、腐蚀性及熟力特性等。由于工质选择上各标准不统一，本文选 用近年来研究较多的有机工质，旨在进行工质问对比，不进行最优工质确定。 根据工质在s 图上饱和蒸汽线的斜率不同，有机工质可分为干流体、等熵流 体与湿流体，并可通过相关公式( 2 1 ) 进行量化处理。 c 7 一 f = = 一a hh f ，o 3 8 - 二 等一+ 1 少7 h2 (2-8) 1hl 一1r h 上式告= ( d s d t h ) 代表s 图中工质饱和蒸汽线的斜率，通过公式( 2 - 8 ) 对不同有机工质的属性进行初步预测。干工质( d 型) ：4 0 ：等熵工质( i 型) ： 三0 ；湿工质( w 型) ：三 9 5 ，因此，对于湿工质保证膨胀机为饱和蒸汽，以 避免液击现象出现。干工质在整个膨胀过程均为过热蒸汽，不会造成膨胀机末端 液击，若考虑过热度影响，暂定为5 。c 。 由图2 8 ，有无过热度时的r 1 3 4 a 系统净输出功相差不大，最大净输出功为 1 0 9 9 k w ，过热度为3 。c 。通过计算，最大净输出功时，蒸发温度发生略微降低， 由6 4 2 。c 变为6 3 9 。c ，系统考虑过热度后，状态点l 温度升高，使得工质流量减 小，净输出功量减少。 1 1 5 1 1 0 釜1 0 5 霄1 0 0 丑 舞9 5 炙 9 o 8 5 8 0 勋5 5砷稻7 0 7 5 舯 煮荡激( ) 图2 - 89 5 。c 热源下，四种工质净输出功随蒸发温度变化 由图2 - 9 ，9 5 热源时，各工质的系统效率均随蒸发温度的增加而增加：相 同蒸发温度时，有无过热度时的r 1 3 4 a 系统效率均高于r 2 2 7 e a 和r 2 4 5 f a ，但 低于r 1 2 3 。相同蒸发温度下，增加过热度使得r 1 3 4 a 的系统效率有所提高，最 大净输出功时，系统效率达到7 6 6 左右，其余三工质系统效率分别达到7 5 7 ( r 1 2 3 ) 、7 5 8 ( r 2 4 5 f a ) 、7 4 9 ( r 2 2 7 e a ) 。结合图2 - 8 表明，相同蒸发温度 下，r 1 2 3 系统效率最大，但最大净输出功时，各工质的蒸发温度不同，但r 1 2 3 的系统效率会略低于r 1 3 4 a 。 图2 8 和2 - 9 ，干工质增加过热度后，净输出功和系统效率均有所降低。 图2 1 0 为四种工质单位体积做功量随蒸发温度的变化情况。单位体积做功量 是指系统净输出功同膨胀机出1 2 1 工质体积流量之比，其值越大，表示相同净输出 功时，工质体积流量越小，所需膨胀机体积越小，系统成本越低。因此，单位体 积做功量可做为考虑系统成本高低的热物性参数。 由图2 1 0 ，随着蒸发温度的增加，系统的单位体积做功量呈递增趋势。有 天津大学硕士学位论文 第二章有机朗肯循环( 0 r c ) 理论研究 无过热度对于r 1 3 4 a 的单位体积做功量影响不大，从图上可知，两条曲线基本重 合，最大净输出功时，分别达到6 0 6 0 5k j m 3 ( 无过热度) 和6 0 7k j m 3 ( 有过热 度) 。r 1 2 3 的单位体积做功量最小，最大净输出功时达到1 1 3 4 k j m 3 ，而对于 r 2 2 7 e a 和r 2 4 5 f a 分别为4 2 5 4 9k j m 3 、18 2 1 4 k j m 3 。 9 5 9 o 懿砷 6 2 “6 8 7 07 2 裁汤鞫臣度( ) 图2 - 99 5 。c 热源下，四种工质的系统效率随蒸发温度变化 5 5岱7 07 5 蒸发温度( ) 图2 1 09 5 热源下，四种工质单位体积做功量随蒸发温度变化 图2 1 1 和2 1 2 为四种工质对热源的利用情况。热量利用率t l r 指以热源与环 境的温度( 2 0 。c ) 之差为最大利用温差，循环实际利用温差与最大利用温差之比。 随蒸发温度增加，各工质热源水出口温度呈递增趋势，热量利用率t 1 r 呈递减 趋势。结合图2 - 9 ，r 2 2 7 e a 净输出功最大，相同热源情况下，转化为功的热量最 多，虽r 2 2 7 e a 系统效率最小，但其对热源的利用程度最高，r 1 2 3 为最低。r 1 3 4 a 5 o 5 0 5 o 8 8 7 7 6 6 毋v静凝螺瞩 帅 舯 帅 帅 帅 8 7 6 5 4 3 2 1 nv一雷基器犟斟砰 天津大学硕士学位论文第二章有机朗肯循环( 0 r c ) 理论研究 增加过热度后，工质流量减少，蒸发器换热量减少，下降低。最大净输出功时， 四种工质的叩分别为r 1 2 3 - - 4 3 19 ，r 2 2 7 e a - - 4 8 ：6 5 ，r 2 4 5 f a - - 4 4 2 6 ，r 13 4 a - 4 5 4 9 ( 有过热度) 和r 1 3 4 a - 4 5 8 6 ( 无过热度) 。 7 5 p7 0 蜊 赠6 5 茁 莲6 0 辕 5 5 蜘 5 6 髓印记甜酾6 87 0 7 27 4 煮汤激( ) 图2 1 19 5 。c 热源下，四种工质热源水出1 ：3 温度随蒸发温度变化 艺 锝 暖 熏 一 辗 6 06 57 0 蒸发温度( ) 图2 1 29 5 。c 热源下，四种工质热量利用率随蒸发温度变化 2 3o r c 混合工质研究 针对混合工质，以高的净输出功和效率为目标筛选混合工质。选取n 1 、n 2 和n 3 和按不同组分同n 4 进行混合，从不同组合中选出做功和效率较优的混合 工质，并同n 4 进行对比。 天津大学硕士学位论文 第二章有机朗肯循环( 0 r c ) 理论研究 图2 1 3 中三种混合工质分别为m 1 ( n l m 按0 5 0 5 的比例组合) 、m 2 ( n 2 n 4 按0 i 0 9 的比例组合) ，m 3 ( n 3 n 4 按0 5 0 5 的比例组合) ，其中m 1 、m 2 和 m 3 为不同组合中性能较好的组分。得到三种混合物中m 1 的净输出功最大，蒸 发温度6 2 6 。c ，达到1 7 1 5 k w ；m 2 和m 3 的输出功分别为1 5 6 3 k w 和1 5 2 5 k w 。 相比r 2 2 7 e a 最大输出功( 1 1 4 5 k w ) ，三种混合工质分别提高m 1 - 4 9 8 ， m 2 3 6 5 和m 3 3 3 2 。 每 _ 雷 羽 聋 受 1 8 4 3 5 4 04 5 勋5 5 们俩7 07 58 0 龉9 09 5 呷嗖豫酾鼢匾度( ) 图2 - 1 3 三种混合工质与r 2 2 7 e a 的o r c 净输出功比较 1 2 l o 誉 锝8 校 饕6 4 2 4 5卯5 56 57 07 5 踟8 5 平均蒸发温度( ) 图2 1 4 三种混合工质系统效率同r 2 2 7 e a 的比较 m 1 、m 2 和m 3 不仅净输出功量增大，而且o r c 的系统效率也相应提高， 主要受到混合工质蒸发过程非等温相变的影响。由图2 1 4 可知，m 1 的系统效率 撕 h 心 ，加 8 6 天津大学硕士学位论文 第二章有机朗肯循环( 0 r c ) 理论研究 最高，r 2 2 7 e a 效率最低。最大净输出功时，三种混合工质的系统效率分别达到 m 1 - 8 9 、m 2 。8 2 2 和 m 3 。8 3 5 ，相对于最大净输出功时r 2 2 7 e a 的系统效率 ( 7 4 9 ) 分别提高m 1 1 9 、m 2 - 9 9 ，m 3 1 1 6 。相比r 1 2 3 ( 7 6 2 ) ，混合 工质也体现出各自优势。因此，将n 4 与n 1 、n 2 和n 3 混合，在很大程度上提 高了o r c 循环的净输出功率，同时系统效率也得到改善。 2 a 小结 选取1 0 种有机工质，进行o r c 循环性能计算。以净输出功为主要目标，兼 顾系统效率，同时考虑环保性和安全性，对工质进行优选。选取热源温度范围 6 0 - 1 0 0 ，和特定热源9 5 进行各工质分析对比。得到： l 、不考虑蒸发器过热度，优选出四种代表性工质：r 2 2 7 e a 、r 1 3 4 a 、r 1 2 3 和r 2 4 5 f a 。其中，r 2 2 7 e a 净输出功最大，达到1 1 4 5 k w ，系统效率为7 5 。 2 、r 1 3 4 a 采用3 过热度，蒸发温度为6 4 ，净输出功最大达到1 0 9 k w ， 略低于无过熟度时。r 2 2 7 e a 有过热度时的o r c 净输出功和效率降低。 3 、对o r c 混合工质初步研究，得到n 1 n 4 按0 5 0 5 比例的混合工质循环 性能最优，相比r 2 2 7 e a ，净输出功和系统效率分别提高4 9 8 和1 9 。 天津大学硕士学位论文第三章喷射式有机朗肯循环( e o r c ) 理论研究 第三章喷射式有机朗青循环( 雹o r c ) 理论研究 针对提出的喷射式有机朗肯循环( e o r c ) h 1 - 4 4 1 ，采用推选的四种工质，对 采用蒸汽引射的v e o r c 进行循环性能及工质问对比分析；并针对特定热源，讨 论v e o r c 中引射系数对循环性能的影响。对液体引射的l e o r c 系统，进行循环 性能的分析计算。 针对提出的喷射式有机朗肯循环( o r g a n i cr a n k i n ec y c l e w i t he j e c t o r ) 【4 1 “】， 具体提出两种喷射式有机朗肯循环( e o r c ) ，一种为用蒸汽作为喷射器工作流体 的有机朗肯循环( v e o r c ) ；另一种为用液体作为喷射器工作流体的有机朗肯循 环( l e o r c ) 。 3 1 1 三0 i i 蛹原理与性能 图3 1蒸汽引射的喷射式有机朗肯循环( v 】三o r c ) 原理图 蒸汽引射的有机朗肯循环( v e o r c ) ，见图3 - 1 ，是在常规o r c 系统的基础 上，增设了喷射器和二级蒸发器。具体工作流程为：工质在冷凝器放热后，一部 分经工质泵加压后( 状态点7 ) ，进入一级蒸发器吸热变成高温高压蒸汽，然后进 入膨胀机膨胀做功，膨胀机出口工质( 状态点2 ) 作为喷射器的引射流体，进入 天津大学硕士学位论文第三章喷射式有机朗肯循环( e o r c ) 理论研究 喷射器；另一部分工质经工质泵加压后( 状态点6 ) 进入二级蒸发器，与来自一 级蒸发器的热源水进行换热，产生的蒸汽作为喷射泵的工作蒸汽( 状态点3 ) 。工 作流体与引射流体在喷射泵内混合、扩压后排出，然后进入冷凝器冷却，完成循 环。图3 2 为v e o r c 系统t - s 图。 s 图3 - 2 蒸汽引射