有机朗肯循环综述
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Ｅ Ｌ Ｅ Ｃ Ｔ Ｒ Ｏ Ｎ Ｉ Ｃ Ｓ ＷＯ Ｒ Ｌ Ｄ・ ｊ ６ ｉ 勇 与ｇ Ｉ ？ 赛
有机 朗 肯循 环综 述
贵 州大学 伍 淼 陈湘萍
Ｉ 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 （ Ｏｒ ￣ｍ ｃ Ｒａ ｎ Ｈ ｎ ｅ Ｃ ｙ ｃ ｌ ｅ ， 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ＯＲ Ｃ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
质 ，基 于蒸 发参数 法 进行优 选 ，发现 工质Ｒ１ ２ ３ 的热 循环 效率 高于 工
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
质Ｒ ２ ４ ５ ｆ ａ 。戴 晓 业等 【 ］ 对 工质 的 热稳定 性进 行 研 究， 总结 归纳 出了 Ｏ Ｒ Ｃ 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Ｏ Ｒ Ｃ 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 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 针 对５ ７ ３ ． １ ５ Ｋ和５ ２ ３ ． １ ５ Ｋ 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
Ｔ
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Ｏ Ｒ Ｃ 系统 如 图ｌ 。
ｌ
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图２工质Ｔ — Ｓ 图
１ ． ２ 混合工 质 的研究
Ｏ Ｒ Ｃ 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Ｒ ６ ０ １ ａ ／ Ｒ ６ ０ ０ ａ 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 研 究
了把Ｒ ２ ４ ５ ｆ ａ 、Ｒ ６ ０ １ ａ 以不 同质量配 比进行 混合作 为亚临界０ Ｒ ｃ 工质 ，
图１有机 朗肯循环 系统 图
利用 热力学和 经济 学分析其 性能 。以地热 能的深度 利用 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１ ２ 种混 合物做为 亚临界Ｏ Ｒ Ｃ Ｓ Ｅ 质 ，分 析其系统性 能。杨新 乐等 ［ １ ｏ １ 以二元非共 沸混合物
Ｒ ２ ４ ５ ｆ ａ 、Ｒ １ ５ ２ ａ 为工质 ，分析 比较不 同热源 温度下 ，在 有／ 无 分流 闪蒸
１ 有机工 质的优选研 究
作为Ｏ Ｒ Ｃ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
的两个系统 中，工质配 比对系 统热性 能 的影响 。
响 。有 机 工质 的选 择 川 应 考虑 如 下因 素 ：工 质应 尽 量选 择 是无 毒 ，
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
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 ，ｄ ｓ ／ ｄ Ｔ 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
有机 朗 肯循 环综 述
贵 州大学 伍 淼 陈湘萍
Ｉ 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 （ Ｏｒ ￣ｍ ｃ Ｒａ ｎ Ｈ ｎ ｅ Ｃ ｙ ｃ ｌ ｅ ， 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ＯＲ Ｃ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
质 ，基 于蒸 发参数 法 进行优 选 ，发现 工质Ｒ１ ２ ３ 的热 循环 效率 高于 工
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
质Ｒ ２ ４ ５ ｆ ａ 。戴 晓 业等 【 ］ 对 工质 的 热稳定 性进 行 研 究， 总结 归纳 出了 Ｏ Ｒ Ｃ 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Ｏ Ｒ Ｃ 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 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 针 对５ ７ ３ ． １ ５ Ｋ和５ ２ ３ ． １ ５ Ｋ 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
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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Ｏ Ｒ Ｃ 系统 如 图ｌ 。
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图２工质Ｔ — Ｓ 图
１ ． ２ 混合工 质 的研究
Ｏ Ｒ Ｃ 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Ｒ ６ ０ １ ａ ／ Ｒ ６ ０ ０ ａ 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 研 究
了把Ｒ ２ ４ ５ ｆ ａ 、Ｒ ６ ０ １ ａ 以不 同质量配 比进行 混合作 为亚临界０ Ｒ ｃ 工质 ，
图１有机 朗肯循环 系统 图
利用 热力学和 经济 学分析其 性能 。以地热 能的深度 利用 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１ ２ 种混 合物做为 亚临界Ｏ Ｒ Ｃ Ｓ Ｅ 质 ，分 析其系统性 能。杨新 乐等 ［ １ ｏ １ 以二元非共 沸混合物
Ｒ ２ ４ ５ ｆ ａ 、Ｒ １ ５ ２ ａ 为工质 ，分析 比较不 同热源 温度下 ，在 有／ 无 分流 闪蒸
１ 有机工 质的优选研 究
作为Ｏ Ｒ Ｃ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
的两个系统 中，工质配 比对系 统热性 能 的影响 。
响 。有 机 工质 的选 择 川 应 考虑 如 下因 素 ：工 质应 尽 量选 择 是无 毒 ，
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
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 ，ｄ ｓ ／ ｄ Ｔ 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