低温再热式有机朗肯循环系统的不可逆损失分析
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YU Yi-da （China Energy Engineering Group Guangdong Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 510663，China）
Abstract：The performances of reheat Organic Rankine Cycle for low-temperature are investigated. R245ca and R601 are chosen as the working fluids，irreversible loss analysis and comparison of regenerative ORC system and common ORC system are conducted by evaporation temperature，superheat，condensation temperature，reheat pressure ratio, based on the second law of thermodynamics.
Copyright©博看网 . All Rights Reserved. · ６３ ·
2018 年 7 月 25 日第 35 卷第 7 期
Telecom Power Technology
Ｊｕｌ． ２５，２０１８，Ｖｏｌ． ３５ Ｎｏ． ７
假设忽略不计。冷凝器出口工质为饱和液体，其中循 环基本方程如下 [4]。
2018 年 7 月 25 日第 35 卷第 7 期
doi：10.19399/ki.tpt.2018.07.023
Telecom Power Technology
Ｊｕｌ． ２５，２０１８，Ｖｏｌ． ３５ Ｎｏ． ７
研制开发
低温再热式有机朗肯循环系统的不可逆损失分析
于一达 （中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东 广州 510663）
（4）定压冷却（2-4）：工质从汽轮机Ⅱ出来， 经过冷凝器凝结为液体，对外放热；
（5）绝热加压（4-5）：工质从冷凝器中出来， 为饱和液态通过泵升压；
（6）定压加热（5-1）：有机工质被加热，形成 高温高压的蒸汽。
图 1 再热式 ORC 系统流程图
1 再热式有机朗肯循环系统
1.1 再热式 ORC 系统简介
本文基于朗肯循环系统的基本原理建立热力系统 模型，利用热力学第二定律，以 R245ca 和 R601 作为 循环的有机工质 [3]，在不同的蒸发温度、过热度、冷 凝温度、再热压力比条件下，对再热式系统和基本有 机朗肯循环系统的不可逆损失、不同设备的不可逆损 失进行分析和比较
（3）绝热膨胀（Z2-2）：工质在汽轮机Ⅱ中膨胀 做功；
=Ic
T0m
( s4
−
s2
)
−
h4 − TL
h2
（5）
泵的不可逆损失：
3
3
Ip=T0m(s5-s4)
循环系统总不可逆损失：
（6）
3
3
3
3
3
3
3
Ioverall=It1+It2+Ie+Ip+Ic+Iz
（7）
3
式中，m 为质量流量，kg/s；TH 为高温热源温度，
K；TL 为低温热源温度，K；T0 为环境温度，K。
根据图 1 再热式 ORC 系统流程图可以看出，有机
工质经过集热器变成蒸汽，先进入汽轮机Ⅰ做功，再
排气进入再热器进行二次加热后进入汽轮机Ⅱ做功，
最后经过凝汽器、泵完成整个循环。
如图 2 所示，系统循环过程主要为：
（1）绝热膨胀（1-Z1）：工质在汽轮机Ⅰ中膨胀 做功；
（2）定压加热（Z1-Z2）：汽轮机Ⅰ出口的乏汽经 过再热器，温度被加热到 1 点的温度；
摘要：以 R245ca 和 R601 作为低温再热式有机朗肯循环的工质，并基于热力学第二定律建立模型，对再热式系统和 基本系统在不同的蒸发温度、过热度、冷凝温度、再热压力比条件下进行不可逆损失的分析和比较。
关键词：有机朗肯循环；再热式；不可逆损失
Irreversible Loss Analysis of Reheat Organic Rankine Cycle for Low-Temperature
集热器不可逆损失：
=Ie
T0
m
(
s1
−
s5
)
−
(
h1 − TH
h5
)
汽轮机Ⅰ不可逆损失：
3
3
It1=T0m(sz1-s1)
再热器不可逆损失：
=Iz
T0m
( sz2
−
sz1
)
−
(hz2 −
TH
) hz1
汽轮机Ⅱ不可逆损失：
3
3
It2=T0m(s2-st2)
冷凝器不可逆损失：
（1） （2） （3） （4）
图 2 再热式 ORC 系统温熵图
1.2 设定理论工况
收稿日期：2018-04-22 作者简介：于一达（1987-），男，吉林吉林人，硕士研究生， 工程师，主要研究方向为热能动力工程。
为进一步研究再热式系统和基本系统，统一设定 系统处于稳定流动的理想状态。各热力设备和外部环 境没有换热，各设备的热力和连接管道的压力损失均
2 计算结果与分析
选择 R245ca 和 R601 两种有机工质，研究系统蒸
发温度、过热度、冷凝温度和再热压力比对再热式有
机朗肯循环和基本循环的影响，并对二者进行比较。
设定相同的循环条件，如汽轮机Ⅰ和汽轮机Ⅱ的额定
功率为 120 kW，等熵效率为 80%，机械效率为 95%，
泵的等熵效率为 80%，冷凝温度为 30 ℃，环境温度为
Key words：Organic rreversible loss
0 引 言
随着我国经济的蓬勃发展，人们越来越注重环境 的保护和资源的节约。生产生活中存在着大量低品位热 能，包括太阳能热、地热、工业余热等。有机朗肯循环 可回收上述低品位热能用于发电，有效提高能源利用 率 [1]。有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，ORC） 是以有机物作为循环工质，基于朗肯循环系统有效回 收低品位热能用于发电，提高能源的利用效率 [2]。 目前，国内外众多学者对有机朗肯循环系统的改进、 有机工质的选择、循环系统的参数优化等方面等进行 了大量研究，利用有机朗肯循环回收和利用低品位热 能已经成为新的热点。
Abstract：The performances of reheat Organic Rankine Cycle for low-temperature are investigated. R245ca and R601 are chosen as the working fluids，irreversible loss analysis and comparison of regenerative ORC system and common ORC system are conducted by evaporation temperature，superheat，condensation temperature，reheat pressure ratio, based on the second law of thermodynamics.
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2018 年 7 月 25 日第 35 卷第 7 期
Telecom Power Technology
Ｊｕｌ． ２５，２０１８，Ｖｏｌ． ３５ Ｎｏ． ７
假设忽略不计。冷凝器出口工质为饱和液体，其中循 环基本方程如下 [4]。
2018 年 7 月 25 日第 35 卷第 7 期
doi：10.19399/ki.tpt.2018.07.023
Telecom Power Technology
Ｊｕｌ． ２５，２０１８，Ｖｏｌ． ３５ Ｎｏ． ７
研制开发
低温再热式有机朗肯循环系统的不可逆损失分析
于一达 （中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东 广州 510663）
（4）定压冷却（2-4）：工质从汽轮机Ⅱ出来， 经过冷凝器凝结为液体，对外放热；
（5）绝热加压（4-5）：工质从冷凝器中出来， 为饱和液态通过泵升压；
（6）定压加热（5-1）：有机工质被加热，形成 高温高压的蒸汽。
图 1 再热式 ORC 系统流程图
1 再热式有机朗肯循环系统
1.1 再热式 ORC 系统简介
本文基于朗肯循环系统的基本原理建立热力系统 模型，利用热力学第二定律，以 R245ca 和 R601 作为 循环的有机工质 [3]，在不同的蒸发温度、过热度、冷 凝温度、再热压力比条件下，对再热式系统和基本有 机朗肯循环系统的不可逆损失、不同设备的不可逆损 失进行分析和比较
（3）绝热膨胀（Z2-2）：工质在汽轮机Ⅱ中膨胀 做功；
=Ic
T0m
( s4
−
s2
)
−
h4 − TL
h2
（5）
泵的不可逆损失：
3
3
Ip=T0m(s5-s4)
循环系统总不可逆损失：
（6）
3
3
3
3
3
3
3
Ioverall=It1+It2+Ie+Ip+Ic+Iz
（7）
3
式中，m 为质量流量，kg/s；TH 为高温热源温度，
K；TL 为低温热源温度，K；T0 为环境温度，K。
根据图 1 再热式 ORC 系统流程图可以看出，有机
工质经过集热器变成蒸汽，先进入汽轮机Ⅰ做功，再
排气进入再热器进行二次加热后进入汽轮机Ⅱ做功，
最后经过凝汽器、泵完成整个循环。
如图 2 所示，系统循环过程主要为：
（1）绝热膨胀（1-Z1）：工质在汽轮机Ⅰ中膨胀 做功；
（2）定压加热（Z1-Z2）：汽轮机Ⅰ出口的乏汽经 过再热器，温度被加热到 1 点的温度；
摘要：以 R245ca 和 R601 作为低温再热式有机朗肯循环的工质，并基于热力学第二定律建立模型，对再热式系统和 基本系统在不同的蒸发温度、过热度、冷凝温度、再热压力比条件下进行不可逆损失的分析和比较。
关键词：有机朗肯循环；再热式；不可逆损失
Irreversible Loss Analysis of Reheat Organic Rankine Cycle for Low-Temperature
集热器不可逆损失：
=Ie
T0
m
(
s1
−
s5
)
−
(
h1 − TH
h5
)
汽轮机Ⅰ不可逆损失：
3
3
It1=T0m(sz1-s1)
再热器不可逆损失：
=Iz
T0m
( sz2
−
sz1
)
−
(hz2 −
TH
) hz1
汽轮机Ⅱ不可逆损失：
3
3
It2=T0m(s2-st2)
冷凝器不可逆损失：
（1） （2） （3） （4）
图 2 再热式 ORC 系统温熵图
1.2 设定理论工况
收稿日期：2018-04-22 作者简介：于一达（1987-），男，吉林吉林人，硕士研究生， 工程师，主要研究方向为热能动力工程。
为进一步研究再热式系统和基本系统，统一设定 系统处于稳定流动的理想状态。各热力设备和外部环 境没有换热，各设备的热力和连接管道的压力损失均
2 计算结果与分析
选择 R245ca 和 R601 两种有机工质，研究系统蒸
发温度、过热度、冷凝温度和再热压力比对再热式有
机朗肯循环和基本循环的影响，并对二者进行比较。
设定相同的循环条件，如汽轮机Ⅰ和汽轮机Ⅱ的额定
功率为 120 kW，等熵效率为 80%，机械效率为 95%，
泵的等熵效率为 80%，冷凝温度为 30 ℃，环境温度为
Key words：Organic rreversible loss
0 引 言
随着我国经济的蓬勃发展，人们越来越注重环境 的保护和资源的节约。生产生活中存在着大量低品位热 能，包括太阳能热、地热、工业余热等。有机朗肯循环 可回收上述低品位热能用于发电，有效提高能源利用 率 [1]。有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，ORC） 是以有机物作为循环工质，基于朗肯循环系统有效回 收低品位热能用于发电，提高能源的利用效率 [2]。 目前，国内外众多学者对有机朗肯循环系统的改进、 有机工质的选择、循环系统的参数优化等方面等进行 了大量研究，利用有机朗肯循环回收和利用低品位热 能已经成为新的热点。