低温有机朗肯循环的工质选择及系统性能分析

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浅谈太阳能低温有机朗肯循环

太阳能低温有机朗肯循环系统利用有机工质低沸点的特点，巧妙地应用低温太阳能技术发电，解决了太阳能利用的高精度设备制造问题，大大降低了设备制造成本，同时循环过程又有高效、节能、环保的特点，完全符合当代社会节约能源保护环境的需要。因而近年
一
能源与节能，１（：２２１）— ．０５１
２有机工质的选择
［４］韩中合，叶依林．基于太阳能的有机朗肯循环低温发电工质
的选择［］东电力，０１３（）９２９６Ｊ．华２１，９６：５ — ５．
ＯＣ系统既然是使用有机物作为工质，有机物的［］顾伟，Ｒ５翁一武，王艳杰，低温热能有机物发电系统热力等．物理性质对系统的运行就至关重要。选取哪种工质对分析［］Ｊ．太阳能学报，０８９５：８６２２０，（）０ — １．２６系统的安全性、热效率、经济性能都有很大影响。（责任编辑：张楠）在工质选择使用方面许多研究人员在各个角度从各个方面做出了有益的探索，对于ＯＣ系统较为常用Ｒ能源知识恭恭恭芥带的工质有Ｒ４ｆ、６０Ｒ１Ｒ２等。２５Ｒ０、２、１３］这几种有机物ａ分子式较为简单，标准沸点都在３ ℃以下，Ｏ临界温度油页岩的分布低于２０ｏ。臭氧层衰减指数（Ｄ）０ＣＯＰ和温室效应指数世界上已发现的非常规油气资源大多位于地缘政（ＷＰ都较低（Ｄ要求低于０５ＧＧ）ＯＰ．，ＷＰ尽可能小）０。治相对稳定的西半球，即美国、加拿大和拉丁美洲，美而且这几种气体都是无毒工质，不会因有机工质泄漏而造成人员中毒事故。而经过研究表明以上几种工质国是全球油页岩资源最丰富的国家，储量约占全球储０Ｘ的热力学特性良好，能够高效的利用太阳能。近期有的量的７％ｒ上；加拿大是全球沥青砂资源最丰富的国家，量约占全球储量的９％￣。全球油页岩资源十储０Ｘ上学者提出开发一种混合工质，利用工质混合后具有的分丰富，据不完全统计其蕴藏资源量约有１ ×１挖ｔ００，新特性来解决制约ＯＣ技术发展的瓶颈问题。Ｒ０２０世在实际应用中能否大规模推广应用的关键在于工比煤炭资源量多４％。００年初统计，界页岩油储量超过１０×１。ｔ国家有美国、罗斯、伊尔、０的俄扎巴西、质的经济性即工质的价格，如果工质难以制备价格高约旦、澳大利亚、爱沙尼亚和中国等，页岩油总昂那么在实际生产中发电成本就会很高，太阳能有机摩洛哥、４１ｔＸ０预计全世界页岩油资源总量约为４７０５朗肯循环技术就不具备市场竞争力，这种新型环保的量为３７１。， ×１。ｔ比传统石油资源量（１０，２７０×１ｔ多５％￣上。０）０Ｘ技术就不能造福人类，保护环境。因此，能否作为合适油页岩不仅资源丰富，而且分布相对集中。在美的有机朗肯循环工质取决于工质的经济性能、环保性、国，大约７％５的油页岩集中在科罗拉多州、犹他州和怀安全性、以及在朗肯循环中的物理性质的优良。俄明州。探明资源量排位，国继美国、按中巴西、苏联前３结语之后位居世界第四。中国油页岩探明资源量３５。，１１ｔｘ０

低沸点工质的有机朗肯循环纯低温余热发电技术

低沸点工质的有机朗肯循环纯低温余热发电技术引言我国水泥厂的余热发电，先后经历高温余热发电、带补燃炉的中低温余热发电和纯低温余热发电3个阶段。

纯低温余热发电与带补燃的中低温余热发电相比，具有投资省、生产过程中不增加粉尘、废渣、N 0。

和S0。

等废弃物排放的优点。

本文介绍以色列奥玛特(0RMAT)公司利用低温热源的有机朗肯循环(0 rganic RankineCyck，简称()RC)纯低温余热发电技术。

该技术有别于常规技术，其特点是：不是用水作为工质，而是使用低沸点的有机物作为工质来吸收废气余热，汽化，进入汽轮机膨胀做功。

1.低沸点的有机物在一个大气压下，水的沸点足100℃，而一些有机物的沸点却低于水的沸点，见表l。

有机物的沸点与压力之间存在着对应关系，以氯乙烷为例，见表2。

水的沸点与压力之间对应关系见表3。

由表2和表3町见，氯乙烷的沸点比水低，蒸气压力很高。

根据低沸点有机工质的这种特点，就可以利用低温热源来加热低沸点工质，使它产生具有较高压力的蒸气来推动汽轮机做功。

2 ORC纯低温余热发电在地热发电方面的应用0RC纯低温余热发电技术在我国地热发电方面已得到初步应用，我国目前已经勘测发现的地热田均属热水型热储。

热水型资源发电采用的热力系统主要有两种，即扩容(闪蒸)系统和双工质循环系统。

西藏羊八井地热电站，热水温度145℃，采用二次扩容热力系统，汽轮机(青岛汽轮机厂设计制造D3一1．’7／0．5型地热汽轮机发电机组)单机容量3000W，3 000W／min，一次进汽压力182kPa，温度115℃，二次进汽压力54kPa，温度81℃，额定排汽压力为10kPa。

双工质循环系统中，地热水流经热交换器，把地热能传递给另一种低沸点丁质，使之蒸发产生蒸气，组成低沸点工质朗肯循环发电。

双工质循环机组，其热效率高，结构紧凑。

我国的小型双工质循环系统地热电站——辽宁营口熊岳试验电站的装机容量2×J00KW，利用地热水(水温75℃)发电，于1977年1 1月投入运行。

有机朗肯循环低温余热发电系统综述

有机朗肯循环低温余热发电系统综述有机朗肯循环低温余热发电系统是一种利用低温余热发电的新型技术，其工作原理是通过有机朗肯循环过程实现的。

有机朗肯循环是一种基于有机工质（如丁烷、异丙烷等）的一种热力循环系统，主要工作于低温和中温条件下。

其工作原理可分为蒸发、压缩、冷凝和膨胀四个过程。

有机工质在蒸发器中吸收低温余热而蒸发成气体，然后通过压缩机将其压缩成高温高压气体，再经过冷凝器冷凝成液体，最后由膨胀阀膨胀成低温低压气体，从而驱动压缩机和发电机工作，产生电能。

整个循环过程中，有机工质的物理性质和循环方式决定了整个系统的发电效率和稳定性。

1. 有机工质的选择在有机朗肯循环低温余热发电系统中，有机工质的选择对系统性能至关重要。

一般而言，有机工质需要具有适当的沸点和饱和蒸汽压，以便在低温条件下能够很好地进行蒸发和冷凝过程。

还需要具有良好的化学稳定性和热稳定性，以确保系统的长期稳定运行。

目前常用的有机工质有丁烷、异丙烷、丙烷等，针对不同的工作条件和要求，需要综合考虑各种因素，选择合适的工质。

2. 蒸发器和冷凝器的设计蒸发器和冷凝器是有机朗肯循环低温余热发电系统中的关键部件，其设计能够直接影响系统的热效率和稳定性。

为了充分利用低温余热资源，蒸发器和冷凝器需要具有良好的传热性能和换热面积，同时还需要考虑系统的安全性和稳定性。

在设计过程中，需要综合考虑传热换热技术、材料技术等因素，以实现整个系统的高效、稳定运行。

3. 控制系统的设计有机朗肯循环低温余热发电系统的控制系统是整个系统的大脑，控制系统的性能和稳定性直接影响整个系统的运行效率和稳定性。

控制系统需要对蒸发器、压缩机、冷凝器等各个部件进行严格控制，以确保系统在不同工况下能够稳定运行，同时还需要具备足够的智能调节功能，以应对不同的工况和环境变化。

目前，有机朗肯循环低温余热发电系统在能源领域的应用越来越广泛，已经成为低温余热利用的一种重要技术。

在工业生产、生活热水、地热资源等领域，都可以利用有机朗肯循环低温余热发电系统进行能源回收和发电。

低温余热有机工质朗肯循环概要

工质选择
工质选择的原则：(1)化学稳定性好；(2)具有较低的臭氧破坏性和温室效应；(3)传热性能好；(4)价格低廉； (5)无毒、不可燃、不可爆国内研究根据各自情况采用比较多的工质是R245fa、 R123和R134a。
工质选择
—— 冷凝温度冷凝温度（℃） R245fa 40 冷凝压力（Mpa） 0.25
接触式机械密封
缺点 1. 结构较复杂，对制造加工要求高； 2. 安装与更换比较麻烦，要求工人有一定的安装技术水平； 3. 发生偶然事故时，处理比较困难；
非接触式机械密封
干气密封
非接触式机械密封
干气密封旋转环旋转时，密封气体被吸入动压槽内，由外径朝向中心，径向分量朝着密封堰流动。由于密封堰的节流作用，进入密封面的气体被压缩，气体压力升高。在该压力作用下，密封面被推开，流动的气体在两个密封面间形成一层很薄的气膜，此气膜厚度一般在3微米左右。气体动力学研究表明，当干气密封两端面间的间隙在2—3微米时，通过间隙的气体流动层最为稳定。当气体静压力、弹簧力形成的闭合力与气膜反力相等时，该气膜厚度十分稳定。
排烟温度，℃ 100～300 400～550 350～550
设备名称干法水泥窑氧吹平炉炼锌烟化炉炼铜反射炉镍精炼炉氧气顶吹转炉
排烟温度，℃ 600～800 700～1100 1000～1100 1100 ～1300 1400～1600 1650～1900
＞400
650～900 260～600 排烟余热
国内行情
工程应用：（1）目前国内ORC仅应用于西藏地热发电，采用以色列 ORMAT的ORC透平（2）包钢烟气ORC发电，正处于试运行阶段，由西安交大程代京教授带领的团队开发

低温烟气有机郎肯循环系统热力性能与经济性的对比分析

CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2017年第36卷第11期·4010·化工进展低温烟气有机郎肯循环系统热力性能与经济性的对比分析韩中合，许鸿胜，范伟，赵若丞，王智（华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，河北保定 071003）摘要：以工业低温烟气余热有机朗肯循环（ORC ）发电系统为研究对象，选取了两组共4种工质，基于热源参数分别对系统热力性能及经济性指标进行计算，分析不同工质系统的热经济性与经济性指标的变化，对4种工质的热力性能指标、经济性指标以及最佳工况进行对比分析。

结果表明，同组工质的净功量和热耗率变化相似且数值接近，但电力生产成本和投资回收期差别较大。

同一工质的最佳热经济性工况和最佳经济性工况存在差异，在本文条件下，工质最佳经济性工况下的蒸发温度高于最佳热经济性工况下的蒸发温度约8～10℃。

R600a 为所选4种工质中兼顾经济性与热经济性的最佳工质，采用R236ea 的系统热力性能好于R600，而采用R600的系统电力生产成本始终低于R236ea ，R600相比于R236ea 具有明显的经济性优势。

关键词：烟气余热；有机朗肯循环；热源参数；热经济性；经济性中图分类号：TK 12 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2017）11–4010–07 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2016-2287Comparison of thermodynamic performance and economic efficiency ofORC system for low temperature flue gasHAN Zhonghe ，XU Hongsheng ，F AN Wei ，ZHAO Ruocheng ，WANG Zhi（Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment ，North China Electric PowerUniversity ，Baoding 071003，Hebei ，China ）Abstract ：This paper established the organic Rankine cycle （ORC ） systems which utilized low-temperature flue gas as heat source to generate electricity. 2 Groups of single working fluids were researched. By changing heat source parameters to alter the heat absorption of the systems ，the thermal equilibrium method was used to calculate thermal performance. Both thermodynamics and economics were taken into consideration to analyze the performance of systems with different working fluids. The result revealed that the two working fluids with the same group retained the similar parameters of network and heat consumption rate with the similar regularity of changes ，while the LEC （levelized electricity cost ）and DPP （discounted payback period ）were not similar. Under the condition studied ，the evaporation temperature optimized by economics was about 8—10℃ higher than that by thermodynamics. The comprehensive comparison showed that R600a was the best choice. The thermal performance of system using R236ea was better than R600，but the LEC of system using R600 was lower than R236ea. Compared to R236ea ，R600 had obvious advantage at the aspect of economics.Key words ：flue gas waste heat ；organic Rankine cycle ；heat source parameter ；thermodynamic performance ；economic performance第一作者及联系人：韩中合（1964—），男，教授，博士，研究方向为热力设备状态监测与故障诊断及两相流计算测量。

低温烟气有机朗肯循环

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在工业生产过程中，大量低温烟气余热资源被浪费，通过有机朗肯循环技术回收利用这些资源，可以提高能源利用效率。
有机朗肯循环技术
作为一种高效、环保的能源利用技术，有机朗肯循环技术在低温烟气余热回收领域具有广阔的应用前景。
低温烟气有机朗肯循环简介
工作原理
低温烟气有机朗肯循环利用低温烟气余热资源，通过有机工质在蒸发器内吸收热量并蒸发，然后在膨胀机内做功，驱动发电机发电。做功后的乏汽在冷凝器内冷凝成液体，通过工质泵升压后回到蒸发器，完成一个循环。
04
实验研究与结果分析
实验装置与实验方法
实验装置
搭建了一套低温烟气有机朗肯循环系统，包括蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质泵等主要部件。
实验方法
通过模拟低温烟气的热源条件，对系统进行性能测试，记录并分析系统在不同工况下的运行数据。
实验结果与数据分析
系统性能参数
实验结果表明，系统在低温烟气热源条件下能够稳定运行，输出功率和热效率等性能参数达到预期目标。
参数优化与性能预测
参数选择
分析影响低温烟气有机朗肯循环系统性能的关键因素，如工质类型、系统结构、操作条件等，选择合适的参数进行优化。
优化方法
采用遗传算法、粒子群算法或模拟退火算法等优化方法，对选定的参数进行优化设计，以提高系统性能。
性能预测
基于优化后的参数组合，利用数值模型对低温烟气有机朗肯循环系统的性能进行预测，为实际应用提供理论支持。
03
系统设计与优化
系统总体设计
循环流程设计
系统安全性考虑
根据低温烟气特性和有机工质性质，设计合理的循环流程，包括蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质泵等主要部件。

用于CNG冷能回收的低温有机朗肯循环系统热力学分析

第50卷第10期2019年10月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University(Science and Technology)V ol.50No.10Oct.2019用于CNG冷能回收的低温有机朗肯循环系统热力学分析李铖灏，曾志勇，陈星宇，李洁(中南大学能源科学与工程学院，湖南长沙，410083)摘要：针对现有压缩天然气(CNG)降压过程中冷能浪费较大的问题，提出使用低温有机朗肯循环系统回收CNG冷能。

通过建立低温有机朗肯循环系统模型，探究循环蒸发温度、冷凝温度以及冷、热源温度等参数对系统性能的影响。

研究结果表明：系统净输出功和系统热效率随蒸发温度的上升而增加，且存在1个最优蒸发温度使系统㶲效率达到最大；系统净输出功随冷凝温度的升高存在1个峰值，系统热效率和㶲效率均随冷凝温度的升高而降低；提高热源温度和降低冷源温度可以有效提高系统净输出功和系统热效率，但过高的热源温度和过低的冷源温度将导致㶲损失增大，进而降低系统㶲效率，同时也对系统设备提出了更高的要求。

关键词：低温有机朗肯循环；热力学分析；冷能回收；压缩天然气(CNG)中图分类号：TE09文献标志码：A文章编号：1672-7207（2019）10-2586-09Thermodynamic analysis of low temperature organic Rankine cycle system applied for CNG cold energy recoveryLI Chenghao,ZENG Zhiyong,CHEN Xingyu,LI Jie(School of Energy Science and Engineering,Central South University,Changsha410083,China)Abstract:To solve the problem of large waste of the cold energy in depressurization process of compressed natural gas(CNG),a low-temperature organic Rankine cycle(LTORC)system recovering the cold energy of CNG was proposed.Through the establishment of the LTORC model,the influences of the parameters such as evaporation temperature,condensation temperature,cold and heat source temperature on the system performance were investigated.The results show that the net power output and thermal efficiency of the system increase with the increase of evaporation temperature,and there is an optimal evaporation temperature to maximize the exergy efficiency of the system.There is a peak value of net power output of the system with the increase of condensation temperature.Meanwhile,thermal efficiency and exergy efficiency of the system decrease.Increasing heat source temperature and decreasing cold source temperature can effectively improve the net output power and thermal efficiency of the system.However,when the heat source temperature is excessively high or the cold source temperature is excessively low,the system exergy loss increases which leads to the decrease of system exergy收稿日期：2019−01−12；修回日期：2019−03−22基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(21506257)(Project(21506257)supported by the National Natural Science Foundation of China)通信作者：曾志勇，博士，副教授，从事中低温热源发电系统及其优化研究；E-mail:*******************.cnDOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2019.10.026第10期李铖灏，等：用于CNG冷能回收的低温有机朗肯循环系统热力学分析efficiency.At the same time,it increases the requirements on system equipment.Key words:low temperature organic Rankine cycle;thermodynamic analysis;cold energy recovery;compressed natural gas(CNG)天然气是重要的一次能源，其主要成分是甲烷，具有燃烧热值高、对环境友好的特点[1−4]。

有机朗肯循环低温余热发电系统综述

有机朗肯循环低温余热发电系统综述引言在工业生产过程中，大量的热能会以余热的形式排放到环境中，造成了能源的浪费。

这些废热也可能对环境造成影响。

利用余热进行发电，不仅可以提高能源利用效率，还可以减少对环境的影响。

有机朗肯循环低温余热发电系统正是一种利用余热发电的新型技术，本文将就有机朗肯循环低温余热发电系统的原理、特点、应用及发展前景进行综述。

一、有机朗肯循环低温余热发电系统的原理有机朗肯循环低温余热发电系统是利用有机朗肯循环技术，将低温余热转化为电能的一种系统。

其原理是利用有机朗肯循环工质和低温热源之间的温差来驱动发电机发电。

有机朗肯循环是将有机工质置于一个封闭的循环系统内，利用热能的输入和排出来驱动涡轮机进行发电的一种循环系统。

当有机工质受热使得蒸汽压升高时，蒸汽压推动涡轮机工作，从而带动发电机发电；而在冷凝器中，有机工质又被冷却再次变成液态，完成循环。

有机朗肯循环低温余热发电系统是通过这样一个闭合的循环系统，将低温余热转化为电能。

二、有机朗肯循环低温余热发电系统的特点1. 低温工作：有机朗肯循环低温余热发电系统的工作温度低，通常在100°C以下。

这使得这种系统可以有效利用那些传统热能利用技术无法利用的低品位热能资源，如煤矿瓦斯、生活污水、工业废热等。

2. 环保高效：有机朗肯循环低温余热发电系统的工作过程无需核心机械设备如大型锅炉或锅炉，排放的废气和废水相对较少，具有较高的环保性。

由于其低温工作特点，利用的低品位热能资源不会与食品、药品等高温生产过程相冲突，环保性较好。

3. 经济效益：有机朗肯循环低温余热发电系统具有投资少、成本低、回收期短等特点，从经济角度来看很有吸引力。

4. 可操作性强：有机朗肯循环低温余热发电系统的操作比较简便，不需要特别复杂的操作程序，管理维护成本低。

三、有机朗肯循环低温余热发电系统的应用有机朗肯循环低温余热发电系统已经在多个领域得到了应用，主要包括以下几个方面：1. 电厂余热利用：在电厂生产过程中，通常会有大量的低温余热排放，有机朗肯循环低温余热发电系统可以有效地利用这些余热进行发电，提高能源利用效率。

分级抽汽回热式太阳能低温有机朗肯循环系统的热力性能分析

汽回热式有机朗肯循环系统的热效率更高；ｅａ等采用Ｄｓｉ
有机朗肯循环系统的热力性能变化进行比较和分析。
再热器和抽汽回热技术来提高朗肯循环热效率，同时提出一种方法集成和优化有机朗肯循环；ａｉＹｒ等将有机朗肯循环
系统和氦工质的布雷顿循环集成在一起，冷却核反应堆；
第５４卷
泵、阳能集热器、太汽轮机和冷凝器。循环过程如图１所示，有机工质经过泵升压后，送到太阳能集热器中，被吸收太阳能集热器中的热量，变成高温高压的蒸汽，然后进入汽轮机，驱动汽轮机旋转并带动发电机发电，汽轮机出来的蒸汽，从压力和温度均已大大降低，这些低温低压的工质经过冷凝器凝结成液体后，被送回到泵中，开始新的循环。
能。
对简单、适用性强，时不产生有害气体，环境不产生污同对
染，其研究与应用越来越受到人们的青睐。太阳能作为一种新型的绿色清洁能源，易于转换为低且温热能。将太阳能与有机朗肯循环系统有机结合起来对于有效利用低温热能具有重要的意义。罗琪等研究了低温余
热驱动的抽汽回热式有立系统热力模型的基础上，Ｒ０以６０和Ｒ４ｆ２５ａ作为循环工质，利用热力学第一定律和第二定律，不同的在
蒸发温度和膨胀比的条件下，分级抽汽回热式系统和基本对
ＡｂｔａｔＴｅＴｅｅｆｒｎｅｏｏ —ｅｅａｕｅｏｒｅｅａｉｎｙｔｍａｅｎｅｔａｅｂｓｄｎｈｇａｅｓｒｃ：ｈｈｐｒｏｍａｃｓｆｌｗｔｍｐｒｔｒｐｗｅｇｎｒｔｓｓｏｅｒｉｖｓｉｔｄａｅｏｔｅｒｄｄｇ

利用低品位热能的有机物朗肯循环的工质选择

利用低品位热能的有机物朗肯循环的工质选择徐建;董奥;陶莉;于立军【摘要】工质对低品位热能有机物朗肯循环的安全性、环保性、经济性和高效性具有很大的影响.本文首先对61种工质的热力学、物理、化学、环保、安全和经济特性进行了研究,并从中挑选出11种符合上述特性的候选工质,然后对这些候选工质的干湿性、饱和性质和循环热效率进行了研究,确定了8种适合低品位热能有机物朗肯循环且具有潜力的工质,它们是丙烷(R290)、R600、R600a、RS07A、R134a、异戊烷(Isopentane)、正戊烷(n-Pentane)、R404A,最后分析了这8种有潜力工质的适用条件.%Working fluid has a big influence on the safety, environmental protection, economy and high efficiency of Organic Rankine Cycle(ORC). Firstly, this paper studied the thermodynamic, physical, chemical, environmental, safety and economic properties of 61 working fluids, and picked out 11 working fluids which met the above properties. Then, the paper studied the isentropic, saturated properties and thermal efficiency of the 11 working fluids, and identified 8 potential working fluids which are R290, R600, R600a, R507A, R134a, Isopentane, n - Pentane and R404A. In the end, the paper analysed the applicable condition of the 8 potential working fluids.【期刊名称】《节能技术》【年(卷),期】2011(029)003【总页数】7页(P204-210)【关键词】有机物朗肯循环;工质选择;干湿性;饱和性质【作者】徐建;董奥;陶莉;于立军【作者单位】上海交通大学机械与动力工程学院热能工程研究所,上海,200240;上海交通大学机械与动力工程学院热能工程研究所,上海,200240;上海交通大学机械与动力工程学院热能工程研究所,上海,200240;上海交通大学机械与动力工程学院热能工程研究所,上海,200240【正文语种】中文【中图分类】TK1230 引言有机物朗肯循环(Organic Rankine Cycle,简称ORC)系统以如卤代烃(CFCs)、氢氯氟烃(HCFCs)、氢氟烃(HFCs)、烷烃(HCs)等低沸点的有机物为工质,可回收利用如工业废热、太阳能热、地热、生物质热等各种类型的低品位热能用于发电,它具有效率高、结构简单、环境友好等优点。

分析有机朗肯循环低温余热发电系统综述

分析有机朗肯循环低温余热发电系统综述摘要：余热发电是我国节能发展中的重点节能工程之一，目前在我国工业领域中存在着大量的低温余热资源，但因缺乏一定的利用从而导致能源被分散。

而有机朗肯循环在面对低温余热发电系统时，可有效达到能源再利用、节能减排、美化环境的效果。

在低温余热发电领域中，目前可利用有机朗肯循环模式进行余热发电系统的运行。

其中有机朗肯循环包括膨胀机、冷凝器、低压储液器、工质泵、预热器、蒸发器，以及润滑系统等部分组成。

有机朗肯循环原理为：以低沸点有机物作为工作介质，经预热器、蒸发器加热，吸收了热源的能量，由液体变为高温气体。

进入膨胀机，在转子基元容积内，气体膨胀对外做功，驱动发电机旋转发电。

工质变为低压、低温的气体，再经冷凝器冷凝为液体，通过储液器进入工质泵，经过工质泵加压后，重新回到预热器和蒸发器吸热，如此往复循环。

因为是热力系统的原因，所以膨胀机的轴功率输出、冷凝器负荷、预热器蒸发器负荷会因冷热源条件的变化而变化。

关键词：有机朗肯；循环；低温余热；发电；系统引言：目前随着节能减排工作的不断深入，低温余热资源的利用成为目前节能工作的首选。

根据调查显示，我国低温余热资源非常丰富，特别是在化工、工业领域中存在大量的低温余热，可回收率达到80%以上。

因此，利用有机朗肯循环发电系统对低温余热进行回收，进而充分回收用能设备与化学反应设备中产生的未被回收的低温余热。

有机朗肯循环系统是利用低沸点工质为循环介质，其主要是利用余热、换热器、冷凝器等进行的。

在有机工质进换热器时可吸收热量，进而形成一定的压力与温度的饱和液体状态，在蒸发器再次吸收热量变成饱和气态工质推动膨胀机运行，做工后的有机乏气（工质）返回储液器循环利用，可实现回收低温余热的效果。

由此可见，有机朗肯循环低温余热发电系统在我国有着较强的应用价值。

本文主要分析有机朗肯循环低温余热发电系统的特点，并提出目前利用现状，以供参考。

1.有机朗肯循环低温余热发电系统阐述1.1有机朗肯循环低温余热发电系统的原理有机工质朗肯循环低温余热的发电原理是采用有机工质作为热力循环的工质进行的，通过有机工质对低温余热进行吸收从而产生高压蒸汽，在高压蒸汽下可推动膨胀机带动发电机进行发电[1]。

低温有机朗肯循环工质性能分析

低温有机朗肯循环工质性能分析张秀芬;姜未汀;吕涵【摘要】根据对有机朗肯循环工质的选取原则,选出7种工质作为备选工质,建立了有机朗肯循环的热力学模型,并基于热力学第一定律和第二定律对其热力过程进行了计算分析,分别对7种工质的蒸发压力、单位工质净功量、不可逆损失、热效率、(火用)效率进行对比,结果表明,在给定的热源范围内,R141b各项性能最佳,R1233zd其次,而R1234yf和R1234ze表现较差.【期刊名称】《上海电力学院学报》【年(卷),期】2015(031)005【总页数】6页(P471-476)【关键词】余热利用;有机朗肯循环;有机工质;循环效率;(火用)效率【作者】张秀芬;姜未汀;吕涵【作者单位】上海电力学院能源与机械工程学院,上海200090;上海电力学院能源与机械工程学院,上海200090;上海电力学院能源与机械工程学院,上海200090【正文语种】中文随着我国经济的高速发展，节能越来越受到重视.我国能源利用效率总体依然较低，目前世界各国都非常重视能源的高效利用，一些发达国家的能源利用率达到50%以上，美国的能源利用率已经超过60%，而我国只有30%左右.[1]导致能源利用率不高的一个重要原因就是大量的余热资源在工业生产中被浪费，没有得到充分利用.从我国的能源消耗结构来看，工业能耗占能源消耗总量的70%左右，而工业能耗的60% ～65%都转化为载体不同、温度不同的余热.[2]余热资源按照其载体温度的不同，通常可以分为高温、中温和低温3类，分别为高温余热(500℃以上)、中温余热(200 ～500 ℃)、低温余热(200 ℃ 以下).[3]从余热发电方面考虑，有机朗肯循环(Organic Rankin Cycle，ORC)发电技术具有操作简便，灵活性好，安全性高，维修保养简单等优点，是回收余热的一种有效方式.因此，研究利用低温余热有机朗肯循环发电技术对我国的能源利用和发展具有重要的现实意义.1 有机朗肯循环及其原理1.1 有机朗肯循环有机朗肯循环系统与传统朗肯循环一样，由蒸发器(Evaporator)、膨胀机(expander)、冷凝器(Condenser)和工质泵(Pump)4部分构成.不同的是，有机朗肯循环采用的是低沸点有机工质，如R141b和R245fa等，利用余热加热有机工质，使工质蒸发，产生较高压力的蒸气推动汽轮机做功，带动发电机发电.图1为中低温余热发电有机朗肯循环系统流程图.有机工质在预热器和蒸发器中被余热流加热成透平入口状态点1的饱和或过热蒸气，加热后蒸气进入膨胀机做功，膨胀机被有机蒸气冲转，带动发电机发电，做功后的排气2进入冷凝器中，与冷却介质(通常冷却介质为冷却水或冷却空气)交换热量凝结为液体6，冷凝后的工质通过加压泵加压到状态点8，再次通过预热器和蒸发器加热到状态点1，进入膨胀机做功，至此一个循环过程结束.图1 有机朗肯循环系统流程1.2 有机工质的选择在每一个有机朗肯循环系统设计之前，循环工质的理论研究与选择都是第一步，这一方面的研究颇多.由于热物性的不同，不同的有机工质在相同的有机朗肯循环系统中有着不同的性能，因此针对不同热源参数特点，优选出适应的发电系统形式及合适工质，为有机朗肯循环发电系统设计和应用提供科学依据，是保证其有效应用的前提和关键.探索适宜的有机工质是目前有机朗肯循环研究领域的研究热点之一.[4]低温余热有机朗肯循环工质的选择一般应从以下几个方面考虑:(1)环保性能要好;(2)要保证化学稳定性;(3)工质的安全性要高;(4)工质的临界参数、标准沸点及凝固温度要符合要求;(5)工质的流动和换热性能，应选用对流换热系数较高、黏度低的有机工质;(6)工质的临界温度要根据不同的要求选择;(7)最高温度所对应的饱和温度不宜过高，最低温度所对应的饱和温度也不宜过低;(8)循环工质应该尽量廉价、容易购买.目前，国内外学者在物性研究以及工质优选方面做了大量工作.顾伟等人[5]针对温度低于100℃的热源，分别采用 R21，R123，R245fa在有机朗肯循环系统中进行了工质性能的比较，研究结果表明，R245fa在运行条件下表现最佳.WANG J L 等人[6]分别对以纯净物和非共沸混合物为工质的低温太阳能有机朗肯循环进行了实验研究和比较分析.HUNG T C等人[7]为了使有机朗肯循环的效率较高，对11种工质各方面的特性进行了比较，以寻找适合的工质.WANG E H[8]对9种不同的工质的物理化学性质进行比较，发现R11，R141b，R113的热力学性能较好，而R245fa和R245ca的环保性能最佳.综上所述，完全符合上述条件的工质很难找到，因此应当根据实际情况综合考量，选取物性参数较为合适的工质.本文研究的是100～150℃的热源范围，选出R141b，R245fa，R245ca，R236ea以及新型制冷剂 R1234ze，R1234yf，R1233zd作为备选工质.7种工质的物性参数如表1所示.表1 备选工质的物性参数注:ODP—评价工质对臭氧破坏能力的臭氧层衰减指数(Ozone Depletion Potential);GWP—工质温室效应危害程度的温室效应指数(Global Warming Potential).临界温度标况沸点工质ODP GWP℃临界压力/MPa R141b 204.35 32.05 4.212 0.086 700 R245fa 154.01 15.14 3.651 0 820 R245ca 174.42 25.13 3.925 0 720 R1234ze 109.37 -18.95 3.636 0 4 R236ea 139.29 6.19 3.500 0 710 R1234yf 95.00 -29.40 3.400 0 1 R1233zd 165.60 18.32 3.571 0低2 有机朗肯循环热力过程分析及计算循环工况的设定是在很大程度上决定了有机朗肯循环的性能，为了便于对7种备选循环工质进行分析和比较，应设定相同的循环工况，从而确定最佳循环工质.为了便于分析和计算，可作如下前提假设:(1)循环系统处于稳定工况下;(2)忽略系统管路以及蒸发器、冷凝器、循环泵的压降;(3)系统和外界的热量交换忽略不计;(4)汽轮机和工质泵等熵效率为定值;(5)冷凝器出口的工质为饱和液体;(6)忽略工质和管壁的轴向导热.因此，理想有机朗肯循环工质T-S(湿-焓)图如图2所示，其在膨胀机中的膨胀为等熵膨胀，低压液态有机工质(点1)经过泵增压后(点2)进入蒸发器吸收热量转变为高温高压蒸气(点3);之后，高温高压有机工质蒸气推动膨胀机做功，产生能量输出;膨胀机出口的低压过热蒸气(点4)进入冷凝器，向低温热源放热而被冷凝为液态，如此循环往复.有机朗肯循环热力过程中的计算公式如下.(1)工质泵的等熵压缩过程(点1至点2)，泵消耗的功为:不可逆损失为:式中:Wp，ideal——泵的理想耗功，kJ;T0——环境温度，K;m——工质质量流量，kg/s;h2s——工质泵出口处的理论焓值，kJ/kg;h1，h2——工质泵入口和出口处实际的焓值，kJ/kg;s1，s2——工质泵入口和出口处的工质熵值，kJ/(kg·K);ηp——泵的等熵效率.图2 理想有机朗肯循环T-S示意(2)蒸发器吸热过程(点2至点3)，蒸发器吸热量为:不可逆损失为:式中:TH——高温热源平均温度;ΔQ——工质的吸热量，kJ/kg;s3——膨胀机入口处的工质熵值，kJ/(kg·K);h3——膨胀机入口处实际的工质焓值，kJ/kg;E1，E2——工质泵入口和出口处的火用值，kJ/kg; Ein——进入系统的热量，kJ/kg.(3)蒸气在膨胀中等熵膨胀过程(点3至点4)，膨胀机的输出功为: 不可逆损失为:式中:Wt，ideal——膨胀机的理论输出功，kJ;h4，h4s——膨胀机出口处实际和理论的工质焓值，kJ/kg;ηt——膨胀机的等熵效率s4——膨胀机出口处的工质熵值，kJ/(kg·K);E3，E4——膨胀机入口和出口处的火用值，kJ/kg.(4)冷凝器的定压冷却过程(点4至点1)，工质释放的热量为:不可逆损失为:式中:T L——低温热源平均温度.3 热力性能计算结果及分析3.1 基于热力学第一定律的分析3.1.1 蒸发温度和蒸发压力有机朗肯循环操作条件如表2所示.表2 有机朗肯循环操作条件环境温度T0冷凝器出口工质温度Tn蒸发器传热温差TH冷凝器传热温差TL℃20 30 5 10环境压力P/MPa透平等熵效率ηt 泵等熵效率ηp%0.101 3 80 90为了得出工质特性随蒸发压力变化的趋势，在0.1～3.0 MPa 之间每隔 0.5 MPa 选取一个状态点，分别为 0.1 MPa，0.5 MPa，1.0 MPa，1.5 MPa，2.0 MPa，2.5 MPa，3.0 MPa，利用 REFPROP 软件进行热物性的计算，7种工质饱和压力和温度的关系如图3所示.由图3可以看出，随着蒸发温度的升高，工质的蒸发压力也逐渐升高.单从压力和温度的角度看，在相同的压力下，工质的饱和温度越低，可回收的余热温度将越低.7种工质中，R141b在0.1～3 MPa的条件下对应的饱和温度最高，R1234ze和R1234yf对应的饱和温度最低，说明R141b适用于较高的热源温度，接下来依次是 R245ca，R245fa，R236ea.在相同的蒸发温度下，蒸发压力从大到小依次是:R1234yf，R1234ze，R236ea，R245fa，R1233zd，R245ca，R141b.较高的蒸发压力将带来设备的承压问题，同时增加泵功的消耗，降低系统的经济性;若压力太小，系统可能出现外界空气漏入，影响系统的密封性，因此需要在实际中综合考量.图3 工质饱和压力和温度关系3.1.2 单位工质净功量单位工质净功量wnet是单位工质膨胀输出功wt和泵消耗功wp的差值，是评价工质做功能力的重要指标.其计算公式如下:7种工质在70～120℃的蒸发温度范围内，单位工质净功量的变化如图4所示.图4 蒸发温度和单位工质净功量的关系泵进出口工质的焓值和温度变化很小，计算中可以忽略不计.[9]由图4可以看出，随着蒸发温度的升高，系统的单位工质净功量逐渐增加，因为蒸发温度的提高，汽轮机进口工质焓提高，焓降增大.在相同的蒸发温度下，R141b的单位工质净功量最高，R245fa和R1233zd非常接近，R1234yf最低.观察工质R1234ze和R1234yf发现，工质R1234ze在接近100℃时，工质R1234yf在蒸发温度大于90℃时，两者的单位工质净功量增速随温度升高而放缓，这是因为 R1234ze的临界温度为109.37℃，R1234yf的临界温度为94.70℃，在接近临界温度时，工质的热物性发生变化，当蒸发温度为95℃时，R1234ze进口焓值为427.93 kJ/kg，当蒸发温度为100℃时，进口焓值为425.95 kJ/kg，呈现下降的趋势.由此可见，当蒸发温度越接近工质临界温度时，汽轮机由于进口焓的降低，从而使得净功增量减少，因此在进行循环工质的选择时，应当使临界温度高于循环中的最高温度. 3.1.3 热效率热效率是基于热力学第一定律的一项对系统性能的重要评价指标，其计算公式为:式中:q——蒸发器的单位吸热量.工质蒸发温度和热效率的关系如图5所示.图5 蒸发温度和热效率的关系由图5可以看出，热效率随着蒸发温度的升高而逐渐增大，虽然随着蒸发温度升高，工质的吸热量增加，但同时汽轮机焓降也在增加，净功量增加，且吸热量增幅小于净功量的增幅.同样的蒸发温度下，工质的热效率差距不大，R141b的热效率最高.在蒸发温度为70℃时，R141b的热效率最高，为8.54%，R236ea的热效率最低，为 8.14%，热效率相差 0.4%;当蒸发温度为120℃时，R141b的热效率最高，为15.28%，R236ea的热效率最低，为13.76%，相差1.52%.因此，随着蒸发温度的不断升高，热效率的差距也逐渐拉大.3.2 基于热力学第二定律的分析3.2.1 热力学第二定律效率由热力学第二定律可知，能量既有“量”多少的问题，还有“质”高低的问题.能量的品质高低是用其转换成有用功的能力来衡量的，以之作为评价标准，可以衡量出各种形态能量的优劣.能量的转换能力不仅与环境条件有关，还与转换过程的不可逆程度有关.在给定的条件下，采用理论上最大可能的转换能力作为量度能量品味高低的尺度，这种尺度称之为“”，即完全能够转化为有用功的那部分能量，与之相对应的则是无论如何也无法转变为有用功的那部分能量，称之为:“”分析方法以火用平衡方程为基础，可以定量分析热力系统的完善程度，确定朗肯循环各部分的不可逆损失程度，从而为提高热力系统各部分的完善程度和以及热力设备的优化提供了依据.系统的不可逆损失为:蒸发温度和系统不可逆损失的关系如图6所示.图6 蒸发温度和系统不可逆损失的关系由图6可以看出，工质的不可逆损失随着蒸发温度的升高逐渐增大.为了得到系统各部分的火用损，选取 R1234yf作为研究对象，以蒸发温度70℃和75℃为例，分别计算蒸发器、膨胀机、冷凝器和泵的不可逆损失，结果如表3所示.表3 R1234yf不可逆损失随蒸发温度变化蒸发温度/℃不可逆损失蒸发器Ie 透平It 冷凝器Ic 泵Ip 总损失kW 70 6.23 3.04 2.51 0.15 11.93 75 7.34 3.01 2.38 0.15 12.73由表3可以看出，蒸发器部分的损失最大，透平和冷凝器的损失较为接近，泵的不可逆损失较低，几乎可以忽略.因此，对热力设备完善程度进行优化时，应主要对蒸发器、透平、冷凝器3部分进行考虑.且随着温度的提升，蒸发器部分的不可逆损失增加较大，冷凝器部分的不可逆损失有所降低，但降低的幅度小于蒸发器增加的幅度，所以总不可逆损失逐渐增大.3.2.2 效率系统火用效率的表达式为:7种工质的火用效率变化趋势如图7所示.图7 蒸发温度和系统火用效率的关系由图7可知，7种工质中 R1234ze的火用效率最低，R141b最高，并且随着蒸发温度的升高，呈现出先升后降的趋势.这是因为温度升高，汽轮机焓降增大导致输出功增加，但质量流量减少又导致输出功降低，当前者大于后者时，则火用效率增加，反之则火用效率降低.4 结论(1)工质R141b在7种备选工质中具有最高的单位工质净功量、热效率和火用效率，是7种工质中的最佳工质.(2)新型工质R1234yf在研究的温度范围内，净功量、热效率、火用效率最低，不适合用来作为有机朗肯循环的工质.参考文献:【相关文献】[1]朱伟，霍小刚.邯钢西区低品质热源回收利用的关键技术研究与开发[J].金属世界，2013(4):59-60.[2]王华.低温余热发电有机朗肯循环技术[M].北京:科学出版社，2010:1-12.[3]赵钦新，王宇峰，王学斌，等.我国余热利用现状与技术进展[J].工业锅炉，2009(5):8-15.[4]邓立生，黄宏宇，何兆红，等.有机朗肯循环的研究进展[J].新能源进展，2014(3):180-189.[5]顾伟，翁一武，王艳杰，等.低温热能有机物发电系统热力分析[J].太阳能学报，2008，29(5):608-612.[6]WANG J L，ZHAO L，WANG X D.A comparative study of pure and azeotropic mixturesin low-temperature solar Rankine cycle[J].Applied Energy，2010，87(11):3 366-3 373.[7]HUNG T C.Waste heat recovery of organic Rankine cycle using dry fluids[J]. Energy Conversion ＆ Management，2001，42(5):539-553.[8]WANG E H，ZHANG H G，FAN B Y，et al.Study of working fluid selection of organic rankine cycle(ORC)for engine waste heat recovery[J].Energy，2011，36(5):3 406-3 418. [9]马新灵，孟祥睿，魏新利，等.有机朗肯循环的热力学分析[J].郑州大学学报:工学版，2011，32(4):94-98.。

低温热能有机朗肯循环工质选择及性能分析

低温与超导第４３卷第８期
制冷技术
Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ
Ｃｒｙｏ．＆ＳｕｐｅｒｃｏｎｄＶｏ１．４３Ｎｏ．８
低温热能有机朗肯循环工质选择及性能分析
束杨，孙淑凤，孙立佳，任小坤
ＴａｋｉｎｇＲ１２３，Ｒ６００ａ，Ｒ６０１ａ，Ｒ２４５ｆａ，Ｒ２３６ｅａ，Ｒ２４５ｃａ，Ｒ１４２ｂａｎｄＲ６０１ａｓｗｏｒｋｉｎｇｌｆｕｉｄｓｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｉｒｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｐｒｏｐ —
ｌｎｋｉｎｅｃｙｃｌｅｓｙｓｔｅｍ
ＳｈｕＹａｎｇ，ＳｕｎＳｈｕｆｅｎｇ，ＳｕｎＬｉｊｉａ，ＲｅｎＸｉａｏｋｕｎ（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｆｏＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｒｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ；
关键词：有机朗肯循环；工质；低温热源发电；性能分析
Ｗｏｒｋｉｎｇｌｕｆｉｄｓｅｌｅｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｌｏｗ — ・ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｒｇａｎｉｃ

有机朗肯循环低温余热发电系统综述

有机朗肯循环低温余热发电系统综述有机朗肯循环低温余热发电系统是一种利用废热能源进行发电的环保技术。

近年来，随着环保意识的增强和可再生能源的发展，有机朗肯循环低温余热发电系统受到了越来越多的关注。

本文将对该技术的原理、应用及发展进行综述，以期为读者提供一个全面的了解。

我们来了解一下有机朗肯循环低温余热发电系统的原理。

朗肯循环是一种热力循环系统，利用废热源（例如工业废气、废水等）进行发电。

其基本原理是利用工质的相变特性来实现热能到机械能的转换，从而产生电能。

有机朗肯循环系统是指采用有机工质作为工作流体的朗肯循环系统，通过蒸汽与液体相互转化来实现能量转换。

这种系统可以在低温条件下工作，通常在100摄氏度以下，适合于废热能源的利用，因此受到了广泛应用。

有机朗肯循环低温余热发电系统的应用领域非常广泛。

它被广泛应用于工业生产中的废热利用。

许多工业生产过程中产生大量的废热，而有机朗肯循环低温余热发电系统可以充分利用这些废热资源，实现能源的再生利用。

该技术也可以用于地热能利用。

地热能是一种清洁的可再生能源，利用有机朗肯循环低温余热发电系统可以更加高效地利用地热资源，为地热能发电提供了一种新的途径。

有机朗肯循环低温余热发电系统也可以应用于生活热水的供应、空调系统的能量回收等领域，为社会能源供应和环保做出重要贡献。

有机朗肯循环低温余热发电系统的发展也备受关注。

随着技术的不断进步和应用领域的不断拓展，有机朗肯循环低温余热发电系统的性能和效率得到了大幅提升。

目前，研究人员致力于开发更加高效的有机工质，以提高系统的发电效率和稳定性。

也在改进系统的工艺流程和设备设计，以满足不同应用场景的需求。

有机朗肯循环低温余热发电系统在智能化和自动化方面也有了很大的进展，使其在实际应用中更加方便和可靠。

有机朗肯循环低温余热发电系统是一种环保、高效的能源利用技术，具有广阔的应用前景和发展空间。

随着对可再生能源的需求不断增加，相信这项技术将会在未来得到更加广泛的应用和推广。

低温余热发电ORC有机朗肯循环技术及其产业化

有机朗肯循环余热发电技术 (ORC)
中低温烟气
有机透平凝汽器有机工质余热锅炉
～
发电机
冷却塔
加压泵
储液罐
冷却泵
烟气余热有机朗肯循环（ORC）发电系统示意图
ORC发电技术的优点
1.效率高,系统构成简单，不需要设置除氧、除盐、排污及疏放水设施；凝结器里一般处于略高于环境大气压力的正压，不需设置真空维持系统。 2.透平进排气压力高，所需通流面积较小，透平尺寸小。 3.使用干流体时，余热锅炉中不必设置过热段，工质蒸汽直接以饱和气体进透平膨胀做功。 4.可实现远程控制，无人值守，需要极少的运行、维修人员，运行成本很低。 5.单机容量可从几kW到数千kW。 6.系统部件、设备可实现标准模块化生产，能缩短安装周期，降低制造成本。 7.适用于温度高于70 ℃以上的低温余热源。
• 年度化净利润最大优化法
• 单位成本净利润最大优化法
昆工ORC技术研究成果
1.已申请多项国家专利专利名称： No.1 超临界朗肯循环回收低温余热动力的方法, 申请号200810058497.9 No.2 混合工质分散式低温太阳能热力发电系统及工艺, 申请号200810058626.2 No.3 一种用于低沸点工质低温热能热力发电和工业余压动力回收透平装置, 申请号200820081418.X No.4 分散式低温太阳能热力发电系统及工艺, 申请号200810058714.
1.工业余热资源
我国钢铁工业余热按品质分类高品位余热( >900℃) 47% 中品位余热 (400℃～900℃) 30% 低品位余热( <400℃) 23%
120 100 80 60 40 20 0
114.7

低温地热有机朗肯循环_ORC_工质选择

引言有机朗肯循环地热发电是地热利用的一种有效形式，由于它采用低沸点有机工质，可以充分利用较低温度的地热流体实现朗肯循环发电，且不须消耗化石燃料，对环境的污染小，因而受到人们的关注[1]，[2]。

低沸点有机工质的选择是朗肯循环系统优化的一个重要方面，在一定的循环方式下，选择合适的工质直接影响到系统的发电能力。

工质选择的条件：传热性能好，价格低廉，化学稳定性好，无毒，非易燃易爆，具有较低的臭氧破坏性（ODP ）和温室效应值（GWP ）[3]。

文献[4]～[6]推荐使用R601a ，R601，R134a ，R290，R1270作为工质。

此外，还应该根据地热流体（热源）的温度选择与之相匹配的工质。

本文以螺杆机代替气轮机，克服气轮机能量利用率较低和不能承受过量湿蒸气、污垢等缺点，以充分利用低沸点工质液态以及气态混合物的能量，实现工质的优化选择[7]。

收稿日期：2008-10-24。

基金项目：国家“863”计划项目（2007AA05Z212）。

作者简介：朱江（1982-），男，辽宁沈阳人，硕士研究生，从事可再生能源利用技术的研究。

E-mail ：zhujiang0626@低温地热有机朗肯循环（ORC ）工质选择朱江，鹿院卫，马重芳，吴玉庭（北京工业大学传热强化与过程节能教育部重点实验室，北京100022）摘要：对低温（60～150℃）地热有机朗肯循环（ORC ）系统，以净输出电功和系统能量损失作为评价指标，分析不同地热流体温度下有机工质R290，R134a ，R600a ，R600，R601a 的做功能力，确定最佳循环工质。

分析结果表明：对于湿流体工质，由于临界温度较低，当地热流体温度高于其临界温度20℃时，不存在最佳蒸发温度；对于60～80℃的地热流体，工质R601a 的最大净输出电功最大；对于90～120℃的地热流体，工质R134a 的最大净输出电功最大；对于125～150℃的地热流体，工质R290的净输出电功最大。

有机朗肯循环低温余热发电系统综述

有机朗肯循环低温余热发电系统综述【摘要】有机朗肯循环是一种利用低温余热发电的系统，本文就有机朗肯循环低温余热发电系统进行了综述。

首先介绍了系统的工作原理及基本原理，包括通过有机工质在低温下蒸发、膨胀驱动发电机发电的过程。

然后探讨了该系统在不同领域的应用及优势，如工业生产和暖通空调系统等。

接着分析了系统的组成及关键技术，如有机工质的选择和循环器件设计等。

对系统性能进行了深入分析，并列举了一些实验研究的案例。

最后展望了有机朗肯循环低温余热发电系统的发展趋势和前景，指出该技术在未来具有广阔的应用前景。

本文全面介绍了有机朗肯循环低温余热发电系统的相关内容，为读者对该技术有了更深入的了解。

【关键词】有机朗肯循环、低温余热发电系统、工作原理、应用领域、优势、系统组成、关键技术、性能分析、实验研究、发展趋势、前景展望、综述。

1. 引言1.1 有机朗肯循环低温余热发电系统综述有机朗肯循环低温余热发电系统是一种利用低温余热能源进行能量转化的热电联合发电技术。

其基本原理是通过有机工质在低温下蒸发和冷凝来驱动发电机发电。

有机朗肯循环低温余热发电系统具有能源高效、环保、可持续等特点，在工业生产、生活热水供应和能源回收利用等领域有着广泛的应用前景。

在应用领域和优势方面，有机朗肯循环低温余热发电系统可以广泛应用于钢铁、化工、制药、纺织等行业的工业余热回收利用，同时也可以用于地热能利用和生活热水供应等领域。

其主要优势在于能够有效降低碳排放、节能减排、并具有较长的使用寿命。

有机朗肯循环低温余热发电系统是一种具有巨大潜力和发展空间的热电联合发电技术，其在能源利用效率、环境保护和可持续发展等方面具有重要意义。

随着技术的不断进步和市场需求的增加，有机朗肯循环低温余热发电系统将在未来得到更广泛的应用和推广。

2. 正文2.1 工作原理及基本原理有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle, ORC）是低温余热利用的一种重要方式，其工作原理和基本原理如下：有机朗肯循环是一种热力循环系统，其基本原理是通过利用低温热源（一般为低于200摄氏度的余热）来加热有机工质，使其蒸发产生高温高压蒸汽，然后通过蒸汽驱动涡轮发电机工作，最终将热能转化为电能。

有机朗肯循环系统设计

有机朗肯循环系统设计一､有机朗肯循环简介有机朗肯循环利用100-350℃的废气作为热源在换热器中加热朗肯循环工质,朗肯循环工质在换热器中蒸发为高压蒸气,该蒸气推动低速气动马达输出动力,低速气动马达的设计转速为1000r/min｡通过液力变矩器直接将动力输出至压缩机曲轴｡该系统可以在减小气耗的前提下达到同样的输出气量｡最为关键的是这部分机械能为随时起停压缩机提供了动力和装置｡二者联合运行可以极大地减少燃气消耗量｡朗肯循环工质高压蒸气在低速气动马达中做功后压力降低,成为低压蒸气,然后进入冷凝器放热后成为低压液体,低压液体经过工质储存罐后经流量泵加压,然后再进入换热器｡冷凝器为空冷式,采用引风机抽引常温空气,以加强换热效果｡高温废气压缩机引风机二､换热器设计1.每月废气能够提供的总能量假设每月由燃气式天然气压缩机产生987.5吨320℃､含水的废气,所能提供的总能量由废气温差放热和水的相变放热两部分组成｡假设换热器中废气侧压力为1atm,废气放热后出口温度为30℃｡假设甲烷在空气中完全燃烧,则天然气燃烧过程可以近似表示为[1]:CH4+ 2O2 + 7.52 N2 CO2+ 2H2O + 7.52 N2由化学反应方程可得废气中CO2､H2O､N2的体积浓度为0.095､0.19､0.715,经计算可以得到三种成分相对应的质量浓度分别为0.09117､0.07091､0.837925｡987.5吨/月320℃废气的理论放热量为518170.5MJ/月,即放热功率为200kW｡1500吨/月､500吨/月320℃废气的理论放热量为787094.4 MJ/月､262364.8 MJ/月｡2.制冷剂选择可以选择氟利昂作为朗肯循环工质｡氟利昂的优点:无毒,不燃烧,对金属不腐蚀;绝热指数小,因而排气温度低;具有较大的分子量,适用于离心式制冷压缩机｡其缺点是:部分制冷剂(如R12)的单位容积制冷量较小,因而制冷剂的循环量大;密度大,流动阻力较大;吸水性差,所以,系统必须保持干燥;价格较贵,极易渗漏又不易被发现｡由于采用空气冷却式冷凝器,所以,工质的冷凝温度至少应比当地夏季最高日平均气温高3~5℃左右｡假设当地夏季日平均温度最高为25℃,则所选用工质的标准沸点应高于28℃｡可以考虑选用的工质有如下几种:（1）R30,二氯甲烷,CH2Cl2,标准沸点40.7℃,凝固温度-96.7℃;R30,高毒性,中等可燃｡（2）R10,四氯化碳,CCl4,标准沸点76.7℃,凝固温度-22.9℃｡R10,高毒性,不可燃｡（3）R123,二氯三氟乙烷,CHCl2CF3,标准沸点27.9℃,凝固温度-107℃｡R123,高毒性,不可燃｡本计算中选用R123作为工质｡3.换热器类型换热器采用燃气式天然气压缩机废气加热R123,得到R123蒸气｡换热器设计采用直接蒸发式,非满液型,采用翅片管结构｡选用Φ12mm 的铜管,肋片采用铝,绕片管式肋片｡肋片厚度0.2mm,肋高度为10mm,肋间距4mm｡铜管正方形顺排布置,管间距S=25mm｡肋片管束外废气侧的放热系数按下式计算[2]:14.054.0)()(--==ff b n ff S h S d CRe S Nu λανff S u Re max =minmax A Vu =fy bf f bA dS h S d A )]21(1[1min δ+-=式中,顺排,圆肋片C=0.104, n=0.72; f S 为肋片间距;ν为废气的运动粘度,m 2/s;fyA 为换热器迎风面积,m 2;1S 为铜管水平方向间距,m;f δ为肋片厚度,m;h 为肋片高度,m ｡公式中,定性温度为管束中液体的平均温度,特征速度为管束最窄截面处流体的流速,特征尺度为肋片管间距｡废气平均温度为175℃,查得烟气的/sm 10325-⨯=ν,K)W/(m 1079.32•⨯=-λ,3m /kg 8.0=ρ,K)kJ/(kg 09.1•=p c ｡假设废气在换热器进口处的流速为1m/s ｡铜管套片后的管外径为12.4mm mm )2.0212(20=⨯+=+=f b d d δ铜管内径 11.3mm mm )35.0212(20=⨯-=-=t i d d δ当量直径 mm 83.54==UAd eq 最窄截面处空气流速 m/s 09.2max =u 废气侧的雷诺数 16.406max ==feqf d u Re ν75.3==λαf S NuK)W/(m 53.352•==fS Nu λα废气侧当量表面传热系数 K)W/(m 353512•=..α987.5吨/月320℃废气的放热功率为200kW ｡假设换热器的蒸发负荷为180kW ｡设R123质量流速为140kg/( m 2•s) ｡27.9℃时,R123的潜热为170.6kJ/kg ｡设R123进入蒸发器时的干度x 1=0.16,出蒸发器时的干度为x 2=1.0｡则R123的流量为:2561160016170180120.)..(.)x x (Q q m =-=-=γ kg/sR123的总流通截面积3109781402561-⨯===..g q A m m 2 每根管的有效流通截面积00010401130143414322...d .A i i =⨯== m 2蒸发器的分路数 78900010008970...A A Z i ===取Z =90 可设计三组该种换热器,每组蒸发器的分路数为30组｡每一分路的R123流量 0140.Zq q md ==kg/s R123在管内蒸发时表面传热系数可按下式计算:K)W/(m 72234300202060•=.cr.i.m .i )p p (d q q.αK)W/(m 11002•=i α。