低温有机朗肯循环工质性能分析
张秀芬，姜未汀，吕 涵
【摘 要】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
【关键词】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 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. 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.
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
低温有机朗肯循环工质性能分析
