有机朗肯循环综述_伍淼

• 5•有机朗肯循环综述贵州大学 伍 淼 陈湘萍【摘要】因能源问题与环境问题日益突出，能源与生产之间的矛盾加剧，已经制约了生产力的发展。

为解决这一矛盾，有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle, ORC）技术越来越受到人们的重视，学者从各个方面对有机朗肯循环进行了大量的研究。

文中简介了ORC系统的主要组成，工质的优选，膨胀机、工质泵、冷凝器的研究进展。

【关键词】ORC系统简介；部件优选；工质；膨胀机0 引言随着社会的发展，人类对能源的依赖日益严重，煤、石油、天然气等不可再生能源的储备有限。

我国也是能源消耗大国，为了达到节能减排减少环境污染和提高能源的利用率，加强对这些能源二次利用，多使用新型能源如（地热，太阳能，潮汐能等）来替代这些传统能源。

在此背景下，有机朗肯循环技术回收中低品位能源越来越得到人们的关注。

有机朗肯循环主要由膨胀机、冷凝管、工质泵、蒸发器、发电机等组成。

首先液态的有机工质进入蒸发器，在蒸发器中进行热交换，工质由液态变为气态，再在膨胀机中膨胀做功带动发动机发电，膨胀做功后的乏气运送到冷凝管中进行冷却，使其由气态变为液态，由工质泵加压再次运输到蒸发器中，这样完成一个循环，从而实现对余热的回收。

基本的ORC系统如图1。

图1 有机朗肯循环系统图1 有机工质的优选研究作为ORC 系统的能量载体，有机工质的选择是否与热源相匹配，和运行时的工况等都可能对系统的热回收的效率造成重大影响。

有机工质的选择[1]应考虑如下因素：工质应尽量选择是无毒，不易燃，不易爆，其化学性质要稳定，在高温环境下不易分解，而且工质要求具有一定环保性，对大气臭氧层无破坏。

在T-s 图中的饱和蒸汽线上，ds/dT 应接近零或大于零（等熵流体或干流体）湿流体不适合做工质，因为在不过热或者过热度很小的情况下，湿流体在膨胀做功后容易进入汽液两相去，产生冷凝液滴，等熵流体最适合作为ORC 工质。

如图2。

1.1 纯工质的研究对单一工质的研究，国内外学者对工质的物性和不同热源环境下工质的选取做了大量研究。

刘健等[2]以R123，R245fa 做为工质，基于蒸发参数法进行优选，发现工质R123的热循环效率高于工质R245fa 。

戴晓业等[3]对工质的热稳定性进行研究，总结归纳出了ORC 工质热稳定性在试验和理论两方面的研究成果。

刘伟等[4]对余热资源的能级及其与ORC 工质的匹配进行了研究，用势分析法更能反映资源与工质的匹配特性，可作为选择工质的一种参考。

李惟毅等[5]采用一种结合经济性和火用效率的综合评价指标对有机朗肯循环工质进行多目标优化。

陈奇成等[6]针对573.15K 和523.15K 这两种中温热源的有机朗肯循环，选取八种有机工质分析，寻找系统最大的输出功率和最佳的运行参数。

图2 工质T-S图1.2 混合工质的研究ORC 系统除了使用单一的纯工质以外，还可以使用混合工质，在某一条件下混合工质相比纯工质有更优的系统性能，系统效率更高。

王羽平等[7]把工质R601a/R600a 分别按照0.8/0.2,0.6/0.4,0.4/0.6的比例进行混合，获得了相应部件运行参数与系统的性能。

倪渊等[8]研究了把R245fa 、R601a 以不同质量配比进行混合作为亚临界ORC 工质，利用热力学和经济学分析其性能。

以地热能的深度利用[9]作为目标，采用窄点分析法，使用不同质量配比的二元非共沸的12种混合物做为亚临界ORC 工质，分析其系统性能。

杨新乐等[10]以二元非共沸混合物R245fa 、R152a 为工质，分析比较不同热源温度下，在有/无分流闪蒸的两个系统中，工质配比对系统热性能的影响。

2 膨胀机膨胀机是有机朗肯循环的核心部件，直接影响到性能和效率。

膨胀机分为两种，速度型和容积型。

速度型膨胀机根据工质在工作轮中的流向又可分为径流式，径-轴流式，轴流式。

容积式膨胀机包括螺杆膨胀机，涡轮膨胀机，转子膨胀机，活塞膨胀机等。

由于速度型膨胀机的结构特点，当功率越低时，它的转速会越高，每分钟甚至会达到十几万转，这一特性迫使速度型膨胀机不适合小型的ORC 系统，通常用于大型的有机朗肯循环系统。

容积式膨胀机是通过改变容积从而得到膨胀比和焓降，适用于一些流量较小和大膨胀基金项目资助：贵州省自然科学基金（中低品位热源梯级能源利用关键技术研究，黔科合J字【2015】2034号）。

DOI:10.19353/ki.dzsj.2017.17.001• 6•比的环境，其输出功率较小，转速较低，而且其输出功率会随转速的增大而增大，适合于一些小型或微型的ORC 系统。

2.1 径流式膨胀机薄泽民等[11]针对温度为150~200℃的工业余热，以R600a 为工质，研究有机朗肯循环发电系统的150KW 级的有机工质向心平透初步设计和变工况性能研究。

王怀信等[12]针对膨胀部件等熵效率为定值这一分析方法的不足，研究了不同压比和绝热指数对径流式单级汽轮机结构尺寸和等熵效率的影响，为ORC 系统的膨胀机提供等熵效率的取值依据。

2.2 螺杆式膨胀机张业强[13]对单螺杆膨胀机进行研究，分析了螺杆直径、膨胀比、排气被压、进气压力和入口工质干度等因素对单螺杆膨胀机的性能影响，获得了单螺杆膨胀机的工况特性曲线，为单螺杆膨胀机的有机朗肯循环系统时间和分析提供了实验数据支持。

张于峰等[14]研究在不同工况下，存在最佳转速，该转速下螺杆机对外输出功最大，初始耗功量在低温区对系统输出功影响很大，随着热源温度的增加初始耗功量占最大输出功的比值趋于33%。

2.3 活塞式膨胀机冯黎明[15]认为往复活塞式膨胀机更适合于发动机尾气余热回收系统，指出往复活塞式膨胀机对优化ORC 的热力学第一定律效率和热力学第二效率具有一定的指导意义，并且为此设计了往复活塞式的热力学模型，并研究了相关关键参数对ORC 系统的影响。

2.4 涡轮式膨胀机姜亮等[17]以R152a 为工质对低温余热发电系统中涡轮式膨胀机进行了研究，采用EES 软件编程对涡轮膨胀机进行热力设计。

韦伟等[17]搭建涡旋式膨胀机的小型有机朗肯循环系统，采用R134a 、R245fa 、R22和R32为工质测试了ORC 系统的整体性能及涡旋式膨胀机的性能。

3 冷凝器在ORC 系统中冷凝器用来冷却从膨胀机做功排除的乏汽，使其变为液态运送到工质泵。

冷凝器是发电，制冷的主要设备。

陈紫薇[18]针对有机朗肯循环系统设计出新型分液冷凝器，与传统的冷凝器在换热系数、压降、初投资费用、操作费用、总费用、系统的净输出功、循环效率、系统火用效率的计算结果分析，发现新型分液冷凝器优于传统的冷凝器。

董冰等[19]在有机朗肯循环系统中分别采用水冷式，蒸发式和风冷式三种冷凝器，分析得到了不同地域和季节气候条件的变化对系统冷凝温度、发电量和发电效率的影响。

4 工质泵工质泵的作用是把冷凝器出来的液态工质经过加压运输到蒸发器中。

工质泵运行参数偏离额定参数是导致机械效率偏低的主要原因，工质泵易发生气蚀，导致等熵效率减小，同时还会造成工质流量的下降。

叶佳琦[20]建立了以R245fa 为工质的小型工质泵性能研究实验室，针对容积性工质泵展开研究，对工质泵的出口压力，进出口压差和系统质量流量分别进行控制。

杨绪飞等[21]提出了带有前置泵的有机朗肯循环系统，前置蹦按装在工质泵和储液罐之间，使工质泵的入口压力升高，确保工质泵入口有足够的气蚀余量。

选用三柱塞泵[22]建立的有机朗肯循环系统，泵的实际运行效率达到22%-30%，工质泵等熵效率和机械效率分别为60% ～69%和37%～45%。

5 结束文中对ORC 系统的研究现状进行了相关的综述，为以后有机朗肯循环系统的设计提供一定的参考。

工质作为系统的能量载体，工质选择的是否合适严重影响到系统的性能。

等熵流体是最为适合的工质，工质的选择还需考虑热源类型、热源温度、循环效率、火用损效率、安全性及环保性等因素。

混合工质在一定情况下相比纯工质有更好的热力学性能，为系统带来更高的系统效率。

膨胀机作为关键部件，其选择需要考虑诸多因素：如系统规模大小，输出功率，工质流量，以及绝热效率等。

目前螺杆膨机产品最为成熟在各个领域都有应用，而其它膨胀机则没有较为成熟的产品。

工质泵和冷凝器技术相对成熟选择余地较少。

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