有機(jī)朗肯循環(huán)的研究進(jìn)展*

鄧立生，黃宏宇?，何兆紅，窪田光宏,2，袁浩然，呼和濤力，小林敬幸,2

（1. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；2. 日本名古屋大學(xué)，名古屋 4648603）

有機(jī)朗肯循環(huán)的研究進(jìn)展*

鄧立生1，黃宏宇1?，何兆紅1，窪田光宏1,2，袁浩然1，呼和濤力1，小林敬幸1,2

（1. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；2. 日本名古屋大學(xué)，名古屋 4648603）

有機(jī)朗肯循環(huán)是一種被認(rèn)為能有效利用低溫?zé)崮艿募夹g(shù)。科研工作者在不同方面（包括工質(zhì)、膨脹機(jī)、換熱器的影響、系統(tǒng)的優(yōu)化）對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)效率的影響進(jìn)行了大量的研究。本文針對(duì)不同熱源的工質(zhì)篩選、膨脹機(jī)的特點(diǎn)、系統(tǒng)循環(huán)優(yōu)化以及換熱器的影響方面進(jìn)行了討論和總結(jié)，為有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

有機(jī)朗肯循環(huán)；工質(zhì)；膨脹機(jī)；換熱器；效率

0 前 言

隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)収展，能源需求不斷增長(zhǎng)，世界各國(guó)的能源消耗急劇增加，而能源消耗的來(lái)源主要是依靠石油、煤炭等不可再生資源。同時(shí)，這些能源的消耗也帶來(lái)了嚴(yán)重的生態(tài)破壞，加快了全球的溫室效應(yīng)。為解決全球的能源和環(huán)境問(wèn)題、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)収展，只有依靠科技創(chuàng)新、大力収展清潔能源，才能減少對(duì)環(huán)境的污染和破壞。

在過(guò)去幾十年里，將工業(yè)余熱回收進(jìn)行収電受到了極大的關(guān)注。直到目前，有機(jī)朗肯循環(huán) （Organic Rankine Cycle, ORC）収電被認(rèn)為是一項(xiàng)針對(duì)低溫?zé)嵩催M(jìn)行有效利用的技術(shù)，特別是針對(duì)地?zé)崮?、太?yáng)能、生物質(zhì)能、工業(yè)余熱、収動(dòng)機(jī)余熱等。所謂有機(jī)朗肯循環(huán)，即在傳統(tǒng)朗肯循環(huán)中采用有機(jī)工質(zhì)（如R245fa、R134a等）代替水蒸汽推動(dòng)膨脹機(jī)做功。由于低溫?zé)嵩淳哂袕V泛存在、熱源溫度低、能量密度小、不易收集等特點(diǎn)，通過(guò)有機(jī)朗肯循環(huán)將其轉(zhuǎn)變輸出的電功率相比起傳統(tǒng)的大型蒸汽収電系統(tǒng)要小得多，輸出功率多數(shù)情況是在10 kW以下。與內(nèi)燃機(jī)、生物質(zhì)能、斯特林収動(dòng)機(jī)等小型化熱力収電系統(tǒng)相比，有機(jī)朗肯循環(huán)収電具有更大的吸引力，因?yàn)樗鼛圆恍枰剂?，能夠減少石油化工燃料的消耗及CO2的排放，有利于生態(tài)環(huán)境保護(hù)。

盡管對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)的研究已有很多，但到目前為止，系統(tǒng)整體方面尚未得到全面優(yōu)化，仍存在許多不足之處。因此，科研工作者不僅針對(duì)新型環(huán)保工質(zhì)開(kāi)展研究，同時(shí)也著手于系統(tǒng)部件及循環(huán)優(yōu)化方面的研究。

1 有機(jī)工質(zhì)的研究

由于熱物性的不同，不同的有機(jī)工質(zhì)在相同的ORC系統(tǒng)中有著不同的性能，因此選擇合適有機(jī)工質(zhì)顯得十分重要。與其他熱力循環(huán)不同，ORC系統(tǒng)的工質(zhì)選擇顯得更復(fù)雜，其原因主要包括三個(gè)方面：（1）ORC系統(tǒng)可以使用的低溫?zé)嵩春芏嗲姨攸c(diǎn)各有不同，如太陽(yáng)能、地?zé)崮芤约肮I(yè)余熱等低溫?zé)嵩矗唬?）熱源復(fù)雜造成的運(yùn)行工況變化大；（3）ORC系統(tǒng)的工質(zhì)選擇范圍廣，例如CFC、丙烷、丁烷、氯乙烷、氨等都可以作為有機(jī)工質(zhì)。

1.1 理想有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)的特點(diǎn)

作為理想的有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)應(yīng)該具備以下特點(diǎn)[1-10]：

（1）工質(zhì)為干流體（dT/ds ＜ 0）或等熵流體（dT/ds=0）時(shí)，能夠保證高溫高壓的蒸汽在膨脹機(jī)的膨脹過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生液體，有利于延長(zhǎng)膨脹機(jī)的壽命。

（2）蒸汽密度高。低密度意味著具有高體積流量，這將會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器的壓降增大，同時(shí)膨脹機(jī)的體積也會(huì)增大，影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

（3）高臨界溫度。在給定蒸収和冷凝溫度的情況下，高臨界溫度的工質(zhì)使系統(tǒng)具有較高的效率。

（4）適當(dāng)?shù)膲毫?。能夠防止工質(zhì)泄漏以及不需要真空系統(tǒng)。

（5）高分子質(zhì)量。有利于提高膨脹機(jī)的效率。

（6）凝固點(diǎn)低?？煞乐鼓淘斐晒苈范氯?/p>

（7）對(duì)環(huán)境友好，無(wú)毒性、不易燃、不爆炸，以及對(duì)材料不具有腐蝕性，與潤(rùn)滑油兼容。

1.2 不同熱源的有機(jī)工質(zhì)選擇

不同的熱源情況影響著工質(zhì)的熱物性，而選擇合適的工質(zhì)才能建立高效的ORC系統(tǒng)。選擇工質(zhì)的方法一般是建立ORC穩(wěn)態(tài)模型，幵對(duì)各種工質(zhì)進(jìn)行模擬計(jì)算。工質(zhì)的篩選原則主要有：（1）以O(shè)RC系統(tǒng)熱功轉(zhuǎn)換效率為目標(biāo)（熱力學(xué)第一、二定律）[10-16]；（2）以熱經(jīng)濟(jì)效益作為目標(biāo)[17]；（3）以其他方面為目標(biāo)，如輸出功率、單位輸出功率的換熱器面積、収電成本、熱回收效率等[18,19]。

文獻(xiàn)[20]根據(jù)不同的優(yōu)化目標(biāo)以及不同熱源，推薦了不同的 ORC系統(tǒng)的純質(zhì)工質(zhì)，例如 R123、R245fa、R245ca、R134a等。另外，由于非共沸混合工質(zhì)的相變溫度滑移特性能夠改善換熱器中的工質(zhì)與熱源流體間的溫度匹配，減小熱源與工質(zhì)之間的換熱溫差，提升系統(tǒng)的效率和經(jīng)濟(jì)性，科研工作者也對(duì)非共沸工質(zhì)的篩選進(jìn)行了研究[11]。

Saleh等[10]針對(duì)地?zé)釤嵩?，以膨脹機(jī)進(jìn)口溫度100℃為條件，研究了31種純流體（烷烴、氟化烷烴、醚以及氟化醚）作為工質(zhì)的ORC系統(tǒng)熱效率，篩選出合適的工質(zhì)（RE134、RE245、R600、R245fa、R245ca、R601）。Borsukiewicz-Gozdur等[20]針對(duì)80℃～120℃的地?zé)釤嵩催M(jìn)行ORC系統(tǒng)研究，結(jié)果表明以R236fa為工質(zhì)的ORC系統(tǒng)對(duì)地?zé)崮艿睦眯首罡?。天津大學(xué)王懷信課題組[18]也對(duì)低溫地?zé)岬臒犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)采用不同制冷劑工質(zhì)進(jìn)行了研究，在最大輸出功、最小換熱面積與輸出功率比以及最小収電成本的準(zhǔn)則下，推薦E170、R600、R141b作為工質(zhì)。Heberle等[11]以 80℃～180℃的地?zé)釤嵩礊槟繕?biāo)，研究了兩種非共沸工質(zhì)（R227ea/R245fa，異丁烯/異戊烷）在不同組分時(shí)的熱力性能，結(jié)果表明，在研究工況范圍（80℃～180℃）內(nèi)，R227ea/R245fa工質(zhì)性能優(yōu)于異丁烯/異戊烷工質(zhì)。Wang等[12]針對(duì)地?zé)釤嵩唇⒘薕RC系統(tǒng)，在蒸収溫度為72℃～84℃的條件下，對(duì)比了R600a、R245fa、R134a工質(zhì)的ORC系統(tǒng)熱效率，収現(xiàn)R245fa工質(zhì)具有最大的輸出功率。

Khennich等[21]針對(duì)100℃的低溫工業(yè)余熱，分別以O(shè)RC系統(tǒng)換熱器的總熱導(dǎo)率UA最小和循環(huán)的功率輸出最大為目標(biāo)，對(duì)5種工質(zhì)進(jìn)行研究，結(jié)果選擇了R141b作為合適工質(zhì)。Dai等[22]在低溫工業(yè)余熱溫度為 145℃的條件下，對(duì)比了朗肯循環(huán)（以水為工質(zhì)）系統(tǒng)與ORC系統(tǒng)的性能，結(jié)果表明，ORC系統(tǒng)的功率輸出值高于朗肯循環(huán)系統(tǒng)，而使用R236ea工質(zhì)具有較高的有效能效率。

Rayegan等[15]針對(duì)太陽(yáng)能熱収電ORC系統(tǒng)，在蒸収溫度為80℃和130℃的條件下，以工質(zhì)的分子復(fù)雜程度、溫熵圖斜率、工質(zhì)循環(huán)熱效率、凈功率、膨脹比、有效能效率作為篩選依據(jù)，開(kāi)展了不同工質(zhì)循環(huán)的對(duì)比研究。Hung等[23]針對(duì)低溫太陽(yáng)能ORC系統(tǒng)或海水溫差収電系統(tǒng)，考察了11種有機(jī)工質(zhì)的熱力學(xué)性能隨系統(tǒng)循環(huán)參數(shù)的變化情況。韓中合等[24]針對(duì)太陽(yáng)能余熱利用，建立了低溫太陽(yáng)能ORC系統(tǒng)，根據(jù)熱力學(xué)第一、二定律，對(duì)9種工質(zhì)的熱力循環(huán)特性進(jìn)行了分析，収現(xiàn)當(dāng) R245fa作為工質(zhì)時(shí)，系統(tǒng)具有較高的熱效率和有效能效率。

表1總結(jié)了近幾年一些具有代表性的不同熱源純質(zhì)工質(zhì)的選擇。目前對(duì)混合工質(zhì)的研究尚不夠深入，包括混合工質(zhì)的換熱系數(shù)、流動(dòng)阻力以及泄漏等問(wèn)題還需進(jìn)一步的研究，因此表1不包含混合工質(zhì)的總結(jié)。表1顯示，研究的熱源大多數(shù)集中在地?zé)崮?、太?yáng)能、余熱回收這幾方面，對(duì)生物質(zhì)能熱源的研究相對(duì)較少。對(duì)于地?zé)崮埽?0℃～120℃）、太陽(yáng)能（60℃～130℃）、可回收余熱（100℃～180℃）等低溫?zé)嵩?，有機(jī)工質(zhì)的選擇主要集中在制冷劑方面。制冷劑由于其沸點(diǎn)低，而且已經(jīng)應(yīng)用在制冷系統(tǒng)中，因此在研究中通常會(huì)作為候選工質(zhì)。而從對(duì)相同熱源的大量工質(zhì)篩選的結(jié)果來(lái)看，推薦的工質(zhì)可能幵不唯一。相同的熱源在不同的工況下有不同的最佳工質(zhì)選擇[14,15,19]。相同的工況，不同的優(yōu)化目標(biāo)也會(huì)有不同的最佳工質(zhì)選擇[18,19]。從熱源溫度來(lái)看，R245fa由于其具有較高的熱效率而被推薦為低溫的地?zé)?、較低溫度的余熱回收以及太陽(yáng)能等熱源的適宜工質(zhì)。而在考慮了環(huán)境、經(jīng)濟(jì)性等因素后，Kang等[25]選擇將R245fa作為ORC系統(tǒng)工質(zhì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。盡管表1為ORC系統(tǒng)的工質(zhì)選擇提供了參考，但所推薦的工質(zhì)極少在實(shí)際中應(yīng)用，其主要原因是大部分工質(zhì)缺乏在膨脹機(jī)的性能研究。因此，針對(duì)ORC工質(zhì)的篩選模型需要更多地考慮工質(zhì)在膨脹機(jī)的膨脹過(guò)程。

表1 不同熱源工質(zhì)選擇的總結(jié)Table 1 Summary of working fluids selection for different heat sources

2 膨脹機(jī)的研究

目前用于系統(tǒng)的膨脹機(jī)主要分為兩類。一類是速度型膨脹機(jī)，它利用噴嘴和葉輪將高溫高壓工質(zhì)氣體轉(zhuǎn)化為高速流體輸出軸功。速度型膨脹機(jī)功率越小，轉(zhuǎn)速越高，甚至可能達(dá)到每分鐘十幾萬(wàn)轉(zhuǎn)，所以速度型膨脹機(jī)一般情況下功率不可能很小，它通常只用于大型的朗肯循環(huán)系統(tǒng)。另外一類是容積型膨脹機(jī)，它通過(guò)改變體積來(lái)獲得膨脹比和焓降，適合于小流量大膨脹比的場(chǎng)合，同時(shí)其輸出功率較小，轉(zhuǎn)速較低，幵且輸出功率隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大，因此適用于小型或微型的系統(tǒng)。

因有機(jī)朗肯循環(huán)一般是小型或者微型系統(tǒng)，所以有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)更多是采用容積型膨脹機(jī)。容積型膨脹機(jī)通常包括以下幾種類型：螺桿式、渦旋式、活塞式、轉(zhuǎn)子葉片式膨脹機(jī)。活塞式和轉(zhuǎn)子葉片式膨脹機(jī)通常應(yīng)用于CO2跨臨界制冷系統(tǒng)中，而螺桿式和渦旋式膨脹機(jī)大多應(yīng)用于有機(jī)朗肯循環(huán)。另外，有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)也有應(yīng)用速度型膨脹機(jī)——向心透平。

2.1 螺桿式膨脹機(jī)

螺桿膨脹機(jī)具有適應(yīng)氣、液兩相的特點(diǎn)，非常適合作為氣液兩相膨脹機(jī)[4]。當(dāng)螺桿膨脹機(jī)的工質(zhì)為氣液混合狀態(tài)時(shí)，在干度為0.05～0.20的范圍內(nèi)，其相對(duì)內(nèi)效率比干飽和蒸汽狀態(tài)要高，這是由兩方面原因造成的：一方面，由于液體的密度和粘度較大，入口處的工質(zhì)突然加速、造成局部阻力損失很大，同時(shí)膨脹中液體不斷被離心力甩向邊壁，又對(duì)轉(zhuǎn)子的端部產(chǎn)生很大的粘滯阻力，引起動(dòng)力損失；另一方面，由于液體粘度大，它對(duì)泄露間歇產(chǎn)生封閉作用，這種封閉作用再通過(guò)液體的表面張力得到進(jìn)一步強(qiáng)化。

對(duì)螺桿膨脹機(jī)的研究最早始于1952年，當(dāng)時(shí)，Nillson[26]已取得了螺桿膨脹機(jī)作為動(dòng)力機(jī)的專利。但此后的二十年內(nèi)，螺桿膨脹機(jī)的研究進(jìn)展緩慢。直到20世紀(jì)70年代初，能源危機(jī)的出現(xiàn)以及地?zé)崮?、太?yáng)能及工業(yè)余熱的開(kāi)収和利用受到關(guān)注后，螺桿膨脹機(jī)作為一種能有效利用低焓能源的動(dòng)力機(jī)，才重新得到重視。早在1971年，已經(jīng)有螺桿膨脹機(jī)作為氣液兩相膨脹機(jī)的嘗試。1973年，美國(guó)水熱電力公司的 Sprankle[27]獲得了螺桿膨脹機(jī)用于地?zé)釁щ姷膶＠?971年至 1973年，美國(guó)水熱電力公司將兩臺(tái)螺桿空壓機(jī)改為膨脹機(jī)，幵進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。20世紀(jì)80年代初，美國(guó)水熱電力公司設(shè)計(jì)制造了1 MW大型螺桿膨脹機(jī)収電機(jī)組[28]。

天津大學(xué)熱能研究所在 1987年成功研制了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)氣、液兩相地?zé)釁щ娐輻U膨脹機(jī)（功率為5 kW）。之后，天津大學(xué)熱能研究所對(duì)多螺桿膨脹機(jī)的性能、調(diào)節(jié)方法、設(shè)計(jì)、加工及組裝技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和試驗(yàn)研究。在前期基礎(chǔ)上，他們也進(jìn)行了相當(dāng)于400 kW機(jī)型的氣、液兩相螺桿膨脹機(jī)工業(yè)性試驗(yàn)研究幵獲得成功[29]。對(duì)于利用螺桿膨脹機(jī)進(jìn)行収電的項(xiàng)目，江蘇省揚(yáng)州市有機(jī)化工廠早在10多年前就建立了國(guó)內(nèi)第一個(gè)工業(yè)化應(yīng)用推廣示范基地，幵獲得了熱電冷聯(lián)產(chǎn)運(yùn)行的相關(guān)數(shù)據(jù)，證明該機(jī)組設(shè)備已經(jīng)具備推廣應(yīng)用的條件[30]。

目前，還存在另外一種單螺桿膨脹機(jī)。這種膨脹機(jī)的輸出功率范圍在l kW～1 000 kW內(nèi)，克服了傳統(tǒng)蒸汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)功率不能太小的缺陷。而且，單螺桿膨脹機(jī)適合多種工質(zhì)，可以為高壓氣體、過(guò)熱蒸汽、飽和蒸汽、氣液兩相或熱液，所以特別適合各種廢氣余熱的回收。因?yàn)槭褂脝温輻U膨脹機(jī)的低溫?zé)嵩磪щ?熱電聯(lián)機(jī)組在采用低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)作為熱力循環(huán)工質(zhì)時(shí)，可在較低溫度下獲得相對(duì)較高的収電效率。目前，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)余熱回收収電的最低余熱溫度可達(dá)80℃[31-33]。而單螺桿膨脹機(jī)的研究尚處于初始階段，很多地方需要改進(jìn)，相比其他膨脹機(jī)，雖然其具有運(yùn)行穩(wěn)定、噪音低等優(yōu)勢(shì)，但機(jī)械及絕熱損失較大，因此單螺桿膨脹機(jī)的研究還有待科研工作者進(jìn)一步深入探討。

2.2 渦旋式膨脹機(jī)

由于渦旋膨脹機(jī)具有效率高、振動(dòng)小、噪音低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、大范圍的輸出功等特點(diǎn)，而且，其基于制冷空調(diào)中渦旋壓縮機(jī)的原理，制造設(shè)計(jì)相對(duì)容易，因此，渦旋膨脹機(jī)對(duì)于有機(jī)朗肯循環(huán)是一個(gè)很好的選擇。

Yanagisawa等[34]對(duì)一款無(wú)油渦旋式膨脹機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示其性能因機(jī)械損失而造成了很大的下降，泄露情況隨著轉(zhuǎn)速下降而降低，膨脹機(jī)的最高容積和絕熱效率分別達(dá)到了 76%和60%。Aoun等[35]研究了與Yanagisawa等[34]相同的無(wú)油渦旋膨脹機(jī)，但是采用蒸汽作為工質(zhì)。為了提高在高溫工況的容積效率，原來(lái)的密封圈被替換成聚四氟乙烯密封圈。在他們的實(shí)驗(yàn)中，膨脹機(jī)的最高容積和絕熱效率分別達(dá)到 62%和 48%，與Yanagisawa等[34]使用空氣作為工質(zhì)的結(jié)果相比，其容積效率和絕熱效率有所下降。這是由兩方面原因造成的，一方面高溫運(yùn)行引起軸向和徑向間隙以及節(jié)流損失增大；另一方面，由于蒸汽的粘度比空氣低，導(dǎo)致在相同壓差下，其泄露和節(jié)流損失增大。因此，要提高渦旋式膨脹機(jī)的效率，應(yīng)從蒸汽粘度對(duì)泄露和高溫對(duì)間隙的影響這兩方面著手。

為減少泄漏方面的影響，Zanelli等[36]對(duì)一款封閉式渦旋膨脹機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，其絕熱效率達(dá)到了65%。Lemort等[37]研制了一臺(tái)個(gè)密封渦旋式膨脹機(jī)幵采用了工質(zhì)R245fa進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，其最大輸出功率為2.2 kW，膨脹機(jī)的效率最高達(dá)到了71.03%。Wang等[38]將渦旋式壓縮機(jī)改造成渦旋式膨脹機(jī)，幵采用工質(zhì)R134a進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果収現(xiàn)，轉(zhuǎn)速和膨脹比對(duì)絕熱效率的影響很小，膨脹機(jī)的絕熱效率達(dá)到了65.9%～77.5%。

國(guó)內(nèi)天津大學(xué)嚴(yán)雨林等[39]在中低溫地?zé)釤嵩吹挠袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)中應(yīng)用了渦旋膨脹機(jī)，輸出功率最大可達(dá) 0.5 kW。上海交通大學(xué)顧偉等[40]在 ORC系統(tǒng)中采用了渦旋膨脹機(jī)，幵進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，其凈輸出功率最大可達(dá) 0.74 kW，系統(tǒng)效率最大達(dá)2.4%。韋偉等[41]也對(duì)采用渦旋膨脹機(jī)的 ORC系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明渦旋膨脹機(jī)具有較高的絕熱效率，但實(shí)際流量小于理論流量。

人們對(duì)渦旋膨脹機(jī)的研究已有十多年，但截至目前，渦旋膨脹機(jī)還沒(méi)有真正進(jìn)入到實(shí)用的階段，其主要原因是絕熱膨脹效率不夠高。而目前的渦旋膨脹機(jī)絕熱膨脹效率偏低的原因主要包括兩方面：一方面是結(jié)構(gòu)的原因，徑向和軸向間隙的存在以及膨脹過(guò)程中內(nèi)部之間的傳熱；另一方面是原理和系統(tǒng)方面的原因，針對(duì)膨脹過(guò)程使用的工質(zhì)的熱力特性分析不足，在運(yùn)行時(shí)的工質(zhì)參數(shù)與膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)優(yōu)化匹配，以及系統(tǒng)存在潤(rùn)滑密封性的問(wèn)題。

2.3 活塞式膨脹機(jī)

在大型蒸汽動(dòng)力循環(huán)中，由于蒸汽流量大，渦輪機(jī)可以有很高的熱效率。但是，當(dāng)蒸汽流量很小時(shí)，渦輪機(jī)的熱效率就會(huì)變得非常低。由于回收収動(dòng)機(jī)排氣的熱量所產(chǎn)生的蒸汽量較小，而活塞式膨脹機(jī)對(duì)小蒸汽流量有較高的熱效率，且設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。所以，活塞式膨脹機(jī)更合適作為回收収動(dòng)機(jī)排氣廢熱系統(tǒng)的膨脹機(jī)。

在1994年，Lorentzen[42]提出了通過(guò)膨脹機(jī)回收膨脹功的方法。而針對(duì)回收膨脹功的膨脹機(jī)一般是采用轉(zhuǎn)子葉片式以及活塞式膨脹機(jī)兩種。目前，研制CO2活塞式膨脹機(jī)已經(jīng)成為推動(dòng)CO2跨臨界循環(huán)走向?qū)嶋H應(yīng)用的途徑。CO2活塞式膨脹機(jī)的研制一般是在壓縮機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，但膨脹機(jī)的體積要小于壓縮機(jī)，特別是CO2的比容很小，使得膨脹機(jī)的尺寸大大縮小；吸氣控制裝置的設(shè)計(jì)需保證吸氣的角度和位置；同時(shí)也要滿足耐壓和泄漏小的特點(diǎn)。與 CO2活塞式壓縮機(jī)的研究一樣，目前國(guó)際上對(duì)CO2活塞式膨脹機(jī)研究的文獻(xiàn)報(bào)道較少，而公開(kāi)報(bào)道的膨脹效率都比較低，最高值在40%左右。

2.4 轉(zhuǎn)子葉片式膨脹機(jī)

轉(zhuǎn)子葉片式膨脹機(jī)是根據(jù)制冷空調(diào)的轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的原理設(shè)計(jì)而成的。因此，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、振動(dòng)小、低噪音、可靠性高、適應(yīng)大工況范圍、高膨脹比、承受高壓等特點(diǎn)[43,44]。

Mohd等[44]在小型 ORC系統(tǒng)中使用了轉(zhuǎn)子葉片式膨脹機(jī)，幵采用工質(zhì) R245fa對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)子葉片式膨脹機(jī)的效率為43%～48%，系統(tǒng)的熱效率只有3.07%～3.82%，遠(yuǎn)低于理論計(jì)算的數(shù)值。Yang等[45]采用CO2工質(zhì)，實(shí)驗(yàn)研究了轉(zhuǎn)子葉片式膨脹機(jī)，結(jié)果収現(xiàn)膨脹機(jī)的容積效率和絕熱效率最高只有30%和23%。Singh等[46]對(duì)轉(zhuǎn)子葉片式膨脹機(jī)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，密封性是導(dǎo)致理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異的一個(gè)重要因素。他們通過(guò)對(duì)模型修正，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分接近理論結(jié)果，在轉(zhuǎn)速2 500～3 000 rpm的情況下，膨脹機(jī)的效率為70%～95%。因此，要提高轉(zhuǎn)子葉片式膨脹機(jī)的效率，需要改善葉片與氣缸之間的密封性。

2.5 向心透平膨脹機(jī)

向心透平由于一般是采用徑流-軸流混合的結(jié)構(gòu)，也被稱為徑流式透平，是一種速度型膨脹機(jī)。工質(zhì)氣體在葉輪流道中從徑向轉(zhuǎn)到軸向流動(dòng)。其結(jié)構(gòu)緊湊，具有大焓降、高轉(zhuǎn)速、高膨脹比的特點(diǎn)。向心透平大多用于輸出功率大于50 kW的系統(tǒng)中。當(dāng)功率小于50 kW時(shí)，向心透平的性能將會(huì)下降。另外，小型向心透平的造價(jià)昂貴，而且功率越小，轉(zhuǎn)速越高，其可靠性也將會(huì)下降。

Sauret等[47]在一定工況下，選擇了正戊烷等 6種工質(zhì)來(lái)對(duì)向心透平進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。Kang[48]在ORC系統(tǒng)使用了向心透平，幵采用工質(zhì)R245fa進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，其最高系統(tǒng)效率、透平絕熱效率以及輸出功率分別達(dá)5.22%、78.7%、32.7 kW。Cho等[49]對(duì)使用向心透平的ORC系統(tǒng)進(jìn)行了理論研究，研究考察了進(jìn)口溫度、轉(zhuǎn)速、噴嘴數(shù)量等對(duì)系統(tǒng)的影響，収現(xiàn)通過(guò)調(diào)整進(jìn)口溫度、轉(zhuǎn)速以及流量可以使系統(tǒng)處于最佳工況。

在實(shí)際應(yīng)用中，小于10 kW的ORC系統(tǒng)不會(huì)使用向心透平，因此，小型透平一般是在實(shí)驗(yàn)室使用。Yamamoto等[50]設(shè)計(jì)制造了采用向心透平的小型 ORC系統(tǒng)，幵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，其輸出功率為0.15 kW。Fiaschi等[51]針對(duì)ORC系統(tǒng)設(shè)計(jì)了小型向心透平，幵對(duì)不同工質(zhì)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，R134a工質(zhì)具有最高的效率。中國(guó)科技大學(xué)季杰教授課題組[52-54]同樣在小型 ORC系統(tǒng)中使用了小型向心透平。他們采用了工質(zhì)R123，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，収現(xiàn)膨脹比和轉(zhuǎn)速是兩個(gè)重要的影響因素，在一定膨脹比的情況下，提高轉(zhuǎn)速有利于提高效率，而轉(zhuǎn)速一定時(shí)，增大膨脹比將導(dǎo)致效率下降。天津大學(xué)王懷信教授課題組等[55,56]也對(duì)向心透平在 ORC系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，為向心透平在ORC系統(tǒng)的應(yīng)用提供了指導(dǎo)。

針對(duì)在有機(jī)朗肯循環(huán)中使用向心透平，要提高系統(tǒng)的效率，需要從工質(zhì)在流向中的熱損失以及阻力損失方面著手。

2.6 膨脹機(jī)的對(duì)比和選擇

目前在熱機(jī)應(yīng)用上的膨脹機(jī)當(dāng)中，學(xué)者們更著重于渦旋式及轉(zhuǎn)子葉片式膨脹機(jī)的研究。一方面是這兩種膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)制造比螺桿以及活塞式的要容易，適于小型化以及制造費(fèi)用相對(duì)便宜。很多研究都是在轉(zhuǎn)子以及渦旋壓縮機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造使用。另一方面是渦旋式及轉(zhuǎn)子葉片式膨脹機(jī)受運(yùn)行工況變化的影響相對(duì)較小，這有利于在熱源較不穩(wěn)定的情況下進(jìn)行熱力収電。但目前從渦旋膨脹機(jī)的研究情況來(lái)看，大部分都是在渦旋壓縮機(jī)改造的膨脹機(jī)上研究其輸出功率以及效率，而國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有成熟的產(chǎn)品，同時(shí)，其研究可能需要針對(duì)不同的工質(zhì)以及不同的壓比進(jìn)一步深入。向心透平具有成熟的生產(chǎn)工藝，更適合于大輸出功率的有機(jī)朗肯循環(huán)。但是目前市面上商業(yè)化的向心透平更多是基于其他系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，如微型燃?xì)廨啓C(jī)。而且與容積型膨脹機(jī)相比，其造價(jià)昂貴。表2對(duì)比了五種膨脹機(jī)的特點(diǎn)。

表2 膨脹機(jī)特點(diǎn)對(duì)比Table 2 Comparison of characteristics of expanders

3 系統(tǒng)循環(huán)研究

3.1 帶回?zé)崞鞯腛RC系統(tǒng)

為提高ORC系統(tǒng)的效率，科研工作者希望利用其他方式來(lái)達(dá)到目的。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)采用回?zé)岬姆绞絹?lái)提高壓縮蒸汽制冷系統(tǒng)的效率，是一種常見(jiàn)的方法。帶回?zé)崞鞯腛RC系統(tǒng)，其原理是將膨脹后的蒸汽通過(guò)使用回?zé)崞鬟M(jìn)行回?zé)嵋蕴岣呦到y(tǒng)的效率[10]。徐榮吉等[57]搭建了以R123為工質(zhì)的ORC系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)有無(wú)回?zé)醿煞N形式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在蒸収溫度為75℃～105℃的實(shí)驗(yàn)條件下，収現(xiàn)帶回?zé)岬腛RC系統(tǒng)的循環(huán)效率較無(wú)回?zé)岬奶岣吡?.21%。

而 Quoilin等[58]的研究在更高的熱源溫度下同樣采用了回?zé)崞?，卻未能提高系統(tǒng)的效率。Maraver等[59]在研究ORC系統(tǒng)時(shí)，對(duì)帶回?zé)岷蜔o(wú)回?zé)岬那闆r進(jìn)行了分析，指出如果熱源的出口溫度沒(méi)有下限，則沒(méi)有必要增加回?zé)崞?。這意味著回?zé)崞髟诘蜏赜酂峄厥障到y(tǒng)中才適用，因此需要慎重選擇。

3.2 抽氣回?zé)崾絆RC系統(tǒng)

Desai等[60]通過(guò)采用對(duì)膨脹機(jī)中間抽氣的方式提高了系統(tǒng)的效率，但同時(shí)減少了輸出的軸功。張紅光等[61]和王智等[62]通過(guò)熱力學(xué)第一、二定律，研究抽氣壓力、抽氣系數(shù)對(duì)抽氣回?zé)崾絆RC系統(tǒng)的影響，結(jié)果表明，優(yōu)化抽氣壓力、抽氣系數(shù)可提高系統(tǒng)的效率。

西安交通大學(xué)的徐榮吉等[63]提出一種帶噴射器的抽氣回?zé)崾絆RC系統(tǒng)，它的特點(diǎn)是將抽氣回?zé)崾絆RC系統(tǒng)的回?zé)崞鞲臑榱藝娚淦?。該系統(tǒng)從膨脹機(jī)抽取具有一定壓力的蒸汽，幵與冷凝器的液態(tài)工質(zhì)混合進(jìn)入噴射器進(jìn)行升壓，然后通過(guò)循環(huán)泵進(jìn)入到蒸汽器蒸収。經(jīng)過(guò)噴射器的作用，可以使系統(tǒng)的效率得到提高。劉朝等[64]在噴射回?zé)崾?ORC系統(tǒng)[63]的基礎(chǔ)上，建立了跨臨界的噴射式回?zé)酧RC系統(tǒng)，幵對(duì)8種制冷劑進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，噴射器在最優(yōu)條件下能夠降低泵功率以及增加輸出功率，從而提高系統(tǒng)的效率。雖然采用抽氣回?zé)崾降姆绞娇梢蕴岣逴RC系統(tǒng)的熱效率，但是往往會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本上升、可靠性下降等問(wèn)題。

3.3 帶噴射器的ORC系統(tǒng)

天津大學(xué)李新國(guó)等[65]提出了一種帶噴射器的兩級(jí)ORC系統(tǒng)，幵與簡(jiǎn)單的ORC系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果表明在膨脹機(jī)出口采用噴射器來(lái)降低膨脹機(jī)的出口壓力可以提高系統(tǒng)的熱效率。李新國(guó)等[66]還對(duì)帶噴射器的ORC系統(tǒng)和兩級(jí)ORC系統(tǒng)性能進(jìn)行了理論分析，通過(guò)對(duì)比，収現(xiàn)帶噴射器的ORC系統(tǒng)性能不及兩級(jí)ORC系統(tǒng)，但其在投資成本方面有優(yōu)勢(shì)。

3.4 ORC與其他循環(huán)耦合系統(tǒng)

除了上述研究，還有一些研究是通過(guò)與其他系統(tǒng)進(jìn)行耦合來(lái)提高整體系統(tǒng)效率。

（1）結(jié)合冷能回收的耦合系統(tǒng)。重慶大學(xué)的饒文姬等[67]對(duì)同時(shí)回收 LNG的冷能與工業(yè)余熱的ORC系統(tǒng)進(jìn)行了研究，幵采用乙烷作為工質(zhì)，其循環(huán)熱效率達(dá)可30%。

（2）冷電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。Tamm等[68]提出結(jié)合制冷技術(shù)和 ORC系統(tǒng)對(duì)低品位熱能回收幵實(shí)現(xiàn)冷電輸出的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。

（3）結(jié)合燃?xì)廨啓C(jī)。趙巍等[69]提出幵建立 kW級(jí)的微型燃?xì)廨啓C(jī)和ORC組成聯(lián)合系統(tǒng)，幵進(jìn)行理論分析。在相同運(yùn)行條件下，聯(lián)合系統(tǒng)能夠增加40 kW 的輸出功率，將系統(tǒng)的熱效率從 29% 提高到38.4%。

（4）結(jié)合海水淡化系統(tǒng)。劉乙成等[70]提出了一種ORC與苦咸水淡化的聯(lián)合系統(tǒng)，系統(tǒng)將閃蒸法與ORC進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，能夠?qū)I(yè)煙氣余熱有效回收以生產(chǎn)淡水和電能，幵通過(guò)與水朗肯循環(huán)對(duì)比，證明該系統(tǒng)的優(yōu)越性。

4 換熱器的研究

在有機(jī)朗肯循環(huán)中，蒸収器和冷凝器是重要的換熱設(shè)備。換熱器的傳熱好壞會(huì)影響系統(tǒng)的效率高低。許多研究結(jié)果顯示，ORC系統(tǒng)通常會(huì)受到工況的影響，這些影響將會(huì)造成系統(tǒng)效率的下降。而在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，由于ORC系統(tǒng)使用的熱源大都處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，因此在某些工況下當(dāng)熱源溫度或者流量改變的時(shí)候，ORC系統(tǒng)的性能將會(huì)受到影響[71]。

另外，在ORC系統(tǒng)理論研究中，科研工作者在換熱器模型方面通常只考慮換熱的情況[8,72]，而忽略了壓降的影響。雖然這樣可以簡(jiǎn)化理論模型，但同時(shí)也使得理論模型偏離了實(shí)際情況。這是因?yàn)閾Q熱器的壓降變化將影響到膨脹機(jī)的進(jìn)口狀態(tài)點(diǎn)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)輸出功的變化。

因此，在研究ORC系統(tǒng)時(shí)，不僅要考慮到換熱設(shè)備換熱方面的影響，同時(shí)還要考慮到壓降的影響，如在建立換熱器模型的時(shí)候考慮移動(dòng)邊界模型，減少誤差[73]。另外在實(shí)際過(guò)程中，熱源變化引起換熱器換熱以及流動(dòng)的變化，同樣也會(huì)對(duì)ORC系統(tǒng)造成影響。在設(shè)計(jì)換熱器的時(shí)候需要注意到熱源變化的情況，以確保系統(tǒng)在熱源變化的情況下能夠保持較好的效率。

5 結(jié) 論

本文對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的研究進(jìn)行了綜述，為設(shè)計(jì)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)提供參考。工質(zhì)的類型會(huì)影響系統(tǒng)的運(yùn)行以及壽命，選擇適當(dāng)工質(zhì)的時(shí)候需要綜合考慮其熱物性（臨界溫度、密度以及分子質(zhì)量等等）才能獲得較高的系統(tǒng)效率；同時(shí)還需要考慮熱源類型、溫度以及數(shù)量大小等因素，結(jié)合不同的考察標(biāo)準(zhǔn)來(lái)建立模型進(jìn)行理論分析以及工質(zhì)篩選。另外，可考慮結(jié)合工質(zhì)在膨脹機(jī)的膨脹過(guò)程，以篩選更符合實(shí)際應(yīng)用參考的工質(zhì)。

膨脹機(jī)作為關(guān)鍵部件，它的選擇需要考慮多種因素，如輸出功率、絕熱效率以及流量等。目前除了螺桿膨脹機(jī)作為成熟的產(chǎn)品在各個(gè)行業(yè)都有應(yīng)用外，其他膨脹機(jī)均沒(méi)有成熟的產(chǎn)品。在小型化有機(jī)朗肯循環(huán)上，渦旋膨脹機(jī)是一個(gè)較好的選擇，但其目前也沒(méi)有成熟的產(chǎn)品。因此，還需要針對(duì)不同熱源以及溫度等因素進(jìn)一步深入研究。

在有機(jī)朗肯循環(huán)中，可通過(guò)回?zé)?、抽氣、帶噴射氣等方法?lái)提高系統(tǒng)效率，但需要注意的是，這些方法需要考慮到熱源的情況或者系統(tǒng)的穩(wěn)定性，否則將得不償失。而結(jié)合其他循環(huán)也可以提高整體系統(tǒng)效率。換熱器作為能量轉(zhuǎn)換的重要部件，在設(shè)計(jì)時(shí)不僅需要考慮傳熱方面的影響，還要考慮壓降的影響。壓降的變化會(huì)引起工質(zhì)進(jìn)入膨脹機(jī)的狀態(tài)，從而引起膨脹機(jī)效率的變化。另外還需要考慮熱源變化引起的換熱變化。合適的換熱器結(jié)構(gòu)有助于提高系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。

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Research Progress on Organic Rankine Cycle

DENG Li-sheng1, HUANG Hong-yu1, HE Zhao-hong1, KUBOTA Mitsuhiro1,2, YUAN Hao-ran1, HUHE Tao-li1, KOBAYASHI Noriyuki1,2
(1. CAS Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2. Nagoya University, Nagoya 4648603, Japan)

Organic Rankine Cycle (ORC) is considered as a promising technology for effective utilization of low-temperature energy. Large number of studies on the ORC system (including the working fluid, the expander, the heat exchanger, and optimization of system) have been carried out by the researchers. In this study, the working fluids selection for different type heat sources, characteristics of expanders, heat exchanger influences and system design optimization are discussed and summarized to provide some references for the utilization of the ORC system.

Organic Rankine Cycle (ORC); working fluid; expander; heat exchanger; efficiency

TK11+5

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.03.003

2095-560X（2014）03-0180-10

鄧立生（1985-），男，碩士，研究實(shí)習(xí)員，主要從事低品位能源利用、吸附式制冷技術(shù)的研究。

2013-12-26

2014-05-18

中國(guó)科學(xué)院外籍青年科學(xué)家計(jì)劃（2013Y1GA0008）

? 通信作者：黃宏宇，E-mail：huanghy@ms.giec.ac.cn

黃宏宇（1978-），男，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”項(xiàng)目引進(jìn)人才，主要從事低品位能提質(zhì)高效利用技術(shù)的研究。