论文部分内容阅读
摘要：有机朗肯循环发电系统对于中低温余热的有效利用发挥了巨大的作用，但是有机朗肯循环系统的工质选择依旧是中低温余热利用中存在的问题。文章提出优选工质的条件，并通过对十种低沸点有机工质的性能对比分析得出R141b 最适宜作为此温度的余热回收工质，综合性能高于其他工质，对于有机朗肯循环添加回热会大大提高系统效率。
关键词：有机朗肯循环 余热 工质选择
中图分类号：TM617
随着经济发展，世界正面临着能源紧张的严重问题，国内外一方面集中研究可再生的替代能源，如土海水温差能，壤温差能，生物质能，太阳能，一方面研究对现有的低品位热能的的利用，如工业余热，生活污水废热。而在整个有机朗肯循环系统中，有机工质的选择和运行情况对于有机朗肯循环系统的性能将具有重要影响。在现今科技条件下，针对不同的热源情况，以系统效率为目标，综合考虑环保要求，寻找适宜的有机工质是当前该领域研究的重点所在。而本文则试图在综合考量的基础上对有机工质的选择提出一些路径思考。
一、有机朗肯循环的理想工质的特征
有机朗肯循环发电系统与传统中的低温余热发电系统的根本区别在于采用有机工质，所以工质特性将主导整个发电系统的结构及效率。而使用有机工质的主要优势可以归纳为：
第一，有机工质的沸点比较低，很容易产生高压蒸汽；
第二，有机工质的冷凝压力接近或者稍微大于大气压，工质发生泄露的危险很小，也不需要复杂的真空系统；
第三，有机工质凝固点很低，在较低温度中也可以释放出能量；
第四，有机工质基本都是等熵工质或干流体，不用经过热处理即可，不会发生有水滴在高速情况下对透平机械的叶片造成冲击损害，也不会腐蚀透平机械。
而理想的有机朗肯循环工质在实现环保的基础上，在不同的热源情况下都可以极大的提高系统效率。其应该具备如下的特点：
第一，有机朗肯循环中所对应的饱和压力不能过高，因为过高的压力很容易出现机械承压问题，进而增加不必要的设备维修保养费用；
第二，临界的温度应该高于有机朗肯循环中的最高温度，以避免跨界循环可能带来的诸多问题，因为温度较高的热源相应便会要求高临界温度的有机工质；
第三，有机朗肯循环中的最低饱和压力最好能应尽量保持正压，避免最低饱和压力过低问题的发生，以防止外界空气的渗入而影响有机朗肯循环的性能；
第四，有机工质无毒、不爆炸、不易燃且与设备材料和润滑油具有良好的兼容性；
第五，有机工质对环境友好，不损害环境；
第六，价格便宜而且容易获得；
第七，有机工质拥有较小的比热容、低粘度和表面张力，较低的临界温度和压力，高热传导率，高汽化潜热，热稳定好。
总之，理想的有机工质应该综合考虑各方面的因素如不同的热源、价格、特质等并实现一种最优化的平衡。
二、有机循环朗肯系统的有机工质选择
本文基于中低温余热150-500℃作为热源的有机朗肯循环系统，总共选取了具有代表性的R600a，R236ea，R245ca，R236fa，Rc318，R600，R227，R142b，R141b，R245fa计算各种工质朗肯循环效率并与水和氨工质进行比较，并选择最优工质。
（一）有机工质的比热
在有机朗肯循环发电系统中，为提高膨胀机输出功率，常使蒸汽的温度非常的接近环境温度。因此冷凝器的换热温差较小，冷凝器的换热面积相对比较大，对大尺寸冷凝器进行的投资占总投资的比重相应较高。选用比热小的工质，可适当的减小冷凝器的换热负荷，这将有助于减少冷凝器换热面积和投资费用。
（二）有机工质的气化潜热
有机朗肯循环发电系统的工作原理是利用饱和或者过热蒸汽来做功，因此气化潜热大的工质，也会相应的提高余热回收的功率。而不带回热系统的系统，冷凝的负荷也会随之增大。
（三）导热系数
有机朗肯循环发电系统中涉及多处换热，导热系数越大，需要换热面积越小，设备的造价会越低，工质的导热系数随着温度的升高而增大，由此可知系统中蒸发器需要换热面积要小，而冷凝器需要大面积的热交换器，与设备的投入有很大关系。
综上各种数据分析可知，只有当工质在303 K 放热和363 K吸热的操作条件下，R141b 的效率才是最高的。而此时对应的膨胀机压力比为5.8，其他各种工质对应的最佳压力比可以读出。工质R141b添加回热系统后，可知添加回热循环可以将系统效率提高1～1.5 个百分点。但是由于回热温度和换热负荷、设备投资成反比，因此在实践中要综合考虑回收成本年限以及投资，选择合适的回热温度。
三、有机朗肯循环低温余热发电系统的最优工质
经过文章的一系列数据分析，综合考虑各因素，可知利用90 ℃的液态余热的有机朗肯循环装置，回收相同量的热量，采用R141b 为工质，最佳膨胀机压力比为5.8，蒸发器，冷凝器相对其他工质尺寸小，将会极大地节约投资，造福环境，提高经济效益。同时通过对余热利用效率高，环境友好，经济效益高。通过对添加回热的计算得知，添加回热至少能提高1 %～2 %的系统效率，但是回热系统会增加设备投资，应该综合考虑设备成本回收年限。
参考文献：
[1]顾伟，翁一武，曹广益，等.低温热能发电的研究现状和发展趋势[J].热能动力工程，2007，22.
[2]HUNG TZU CHEN.Waste heat recovery of Organic Rankine Cycle using dry fluids[J].Energy Conversion and Management，2001，42（5）：539-553.
[3] P. J. Mago， L.M. Chamra， K. Srinivasan， and C. Somayaji. An examination of regenerative organic Rankine cycles using dry fluids [J]. Applied Thermal Engineering. 28 （2008） 998-1007
[4] Somayaji， C.， Mago， P. J.， and Chamra， L. M.， “Second Law Analysis and Optimization of Organic Rankine Cycles.” Proceedings of IMECE2006 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition， November 5-10， 2006， Chicago，Illinois， USA
[5] Hung， T.C.， Shai， T.Y.， and Wang， S.K. “A Review of Organic Rankine Cycles （ORCs） for the Recovery of Low-grade Waste Heat.” Energy， 22， 7， 1997， pp. 661-667.
关键词：有机朗肯循环 余热 工质选择
中图分类号：TM617
随着经济发展，世界正面临着能源紧张的严重问题，国内外一方面集中研究可再生的替代能源，如土海水温差能，壤温差能，生物质能，太阳能，一方面研究对现有的低品位热能的的利用，如工业余热，生活污水废热。而在整个有机朗肯循环系统中，有机工质的选择和运行情况对于有机朗肯循环系统的性能将具有重要影响。在现今科技条件下，针对不同的热源情况，以系统效率为目标，综合考虑环保要求，寻找适宜的有机工质是当前该领域研究的重点所在。而本文则试图在综合考量的基础上对有机工质的选择提出一些路径思考。
一、有机朗肯循环的理想工质的特征
有机朗肯循环发电系统与传统中的低温余热发电系统的根本区别在于采用有机工质，所以工质特性将主导整个发电系统的结构及效率。而使用有机工质的主要优势可以归纳为：
第一，有机工质的沸点比较低，很容易产生高压蒸汽；
第二，有机工质的冷凝压力接近或者稍微大于大气压，工质发生泄露的危险很小，也不需要复杂的真空系统；
第三，有机工质凝固点很低，在较低温度中也可以释放出能量；
第四，有机工质基本都是等熵工质或干流体，不用经过热处理即可，不会发生有水滴在高速情况下对透平机械的叶片造成冲击损害，也不会腐蚀透平机械。
而理想的有机朗肯循环工质在实现环保的基础上，在不同的热源情况下都可以极大的提高系统效率。其应该具备如下的特点：
第一，有机朗肯循环中所对应的饱和压力不能过高，因为过高的压力很容易出现机械承压问题，进而增加不必要的设备维修保养费用；
第二，临界的温度应该高于有机朗肯循环中的最高温度，以避免跨界循环可能带来的诸多问题，因为温度较高的热源相应便会要求高临界温度的有机工质；
第三，有机朗肯循环中的最低饱和压力最好能应尽量保持正压，避免最低饱和压力过低问题的发生，以防止外界空气的渗入而影响有机朗肯循环的性能；
第四，有机工质无毒、不爆炸、不易燃且与设备材料和润滑油具有良好的兼容性；
第五，有机工质对环境友好，不损害环境；
第六，价格便宜而且容易获得；
第七，有机工质拥有较小的比热容、低粘度和表面张力，较低的临界温度和压力，高热传导率，高汽化潜热，热稳定好。
总之，理想的有机工质应该综合考虑各方面的因素如不同的热源、价格、特质等并实现一种最优化的平衡。
二、有机循环朗肯系统的有机工质选择
本文基于中低温余热150-500℃作为热源的有机朗肯循环系统，总共选取了具有代表性的R600a，R236ea，R245ca，R236fa，Rc318，R600，R227，R142b，R141b，R245fa计算各种工质朗肯循环效率并与水和氨工质进行比较，并选择最优工质。
（一）有机工质的比热
在有机朗肯循环发电系统中，为提高膨胀机输出功率，常使蒸汽的温度非常的接近环境温度。因此冷凝器的换热温差较小，冷凝器的换热面积相对比较大，对大尺寸冷凝器进行的投资占总投资的比重相应较高。选用比热小的工质，可适当的减小冷凝器的换热负荷，这将有助于减少冷凝器换热面积和投资费用。
（二）有机工质的气化潜热
有机朗肯循环发电系统的工作原理是利用饱和或者过热蒸汽来做功，因此气化潜热大的工质，也会相应的提高余热回收的功率。而不带回热系统的系统，冷凝的负荷也会随之增大。
（三）导热系数
有机朗肯循环发电系统中涉及多处换热，导热系数越大，需要换热面积越小，设备的造价会越低，工质的导热系数随着温度的升高而增大，由此可知系统中蒸发器需要换热面积要小，而冷凝器需要大面积的热交换器，与设备的投入有很大关系。
综上各种数据分析可知，只有当工质在303 K 放热和363 K吸热的操作条件下，R141b 的效率才是最高的。而此时对应的膨胀机压力比为5.8，其他各种工质对应的最佳压力比可以读出。工质R141b添加回热系统后，可知添加回热循环可以将系统效率提高1～1.5 个百分点。但是由于回热温度和换热负荷、设备投资成反比，因此在实践中要综合考虑回收成本年限以及投资，选择合适的回热温度。
三、有机朗肯循环低温余热发电系统的最优工质
经过文章的一系列数据分析，综合考虑各因素，可知利用90 ℃的液态余热的有机朗肯循环装置，回收相同量的热量，采用R141b 为工质，最佳膨胀机压力比为5.8，蒸发器，冷凝器相对其他工质尺寸小，将会极大地节约投资，造福环境，提高经济效益。同时通过对余热利用效率高，环境友好，经济效益高。通过对添加回热的计算得知，添加回热至少能提高1 %～2 %的系统效率，但是回热系统会增加设备投资，应该综合考虑设备成本回收年限。
参考文献：
[1]顾伟，翁一武，曹广益，等.低温热能发电的研究现状和发展趋势[J].热能动力工程，2007，22.
[2]HUNG TZU CHEN.Waste heat recovery of Organic Rankine Cycle using dry fluids[J].Energy Conversion and Management，2001，42（5）：539-553.
[3] P. J. Mago， L.M. Chamra， K. Srinivasan， and C. Somayaji. An examination of regenerative organic Rankine cycles using dry fluids [J]. Applied Thermal Engineering. 28 （2008） 998-1007
[4] Somayaji， C.， Mago， P. J.， and Chamra， L. M.， “Second Law Analysis and Optimization of Organic Rankine Cycles.” Proceedings of IMECE2006 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition， November 5-10， 2006， Chicago，Illinois， USA
[5] Hung， T.C.， Shai， T.Y.， and Wang， S.K. “A Review of Organic Rankine Cycles （ORCs） for the Recovery of Low-grade Waste Heat.” Energy， 22， 7， 1997， pp. 661-667.