R1234yf有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)熱力學(xué)性能研究*

梁立鵬，曹園樹，胡 冰，卜憲標(biāo)，馬偉斌

（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. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

R1234yf有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)熱力學(xué)性能研究*

梁立鵬1,2，曹園樹1,2，胡 冰1,2，卜憲標(biāo)1?，馬偉斌1

（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. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

為提高有機(jī)朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle, ORC）在中低溫地?zé)釁щ婎I(lǐng)域的效率，本文以R1234yf為工質(zhì)，依據(jù)熱力學(xué)第一定律與第二定律分析了系統(tǒng)單位質(zhì)量熱水凈収電功率和系統(tǒng)?效率，幵與目前應(yīng)用廣泛的R245fa工質(zhì)進(jìn)行了性能對(duì)比。研究結(jié)果表明，存在最佳蒸収溫度和最佳冷凝溫度，使得ORC収電系統(tǒng)單位質(zhì)量熱水凈収電功率、?效率最大。對(duì)于熱源溫度為110℃～150℃的ORC収電系統(tǒng)，R1234yf對(duì)應(yīng)的最大系統(tǒng)單位質(zhì)量熱水凈収電功率和最大?效率均大于R245fa。

地?zé)崮軈щ?；有機(jī)朗肯循環(huán)；R1234yf；參數(shù)優(yōu)化

0 引 言

隨著能源與環(huán)境問(wèn)題的日益突出，地?zé)崮茏鳛橐环N清潔能源，其高效性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境效益越來(lái)越受到各個(gè)國(guó)家的重視[1,2]。我國(guó)地處世界兩大地?zé)釒?，地?zé)豳Y源豐富，已探明的地?zé)醿?chǔ)量相當(dāng)于4626億噸標(biāo)煤，但目前開収的僅為該儲(chǔ)量的十萬(wàn)分之一[3]。我國(guó)地?zé)豳Y源以 100℃左右的熱水型地?zé)釣橹?，開収這種地?zé)豳Y源収電，具有廣泛現(xiàn)實(shí)意義[4]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)中低溫地?zé)釁щ娤到y(tǒng)開展了大量研究，研究表明有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）是一項(xiàng)簡(jiǎn)便且高效的技術(shù)[5-7]。此前，大部分研究集中于 ORC系統(tǒng)工質(zhì)的選擇及其所適用工況[8-10]，回?zé)?、再熱等低品位熱源的有效余熱利用方式的選取[11-15]和利用熱力學(xué)第一定律與第二定律對(duì)循環(huán)效率的分析[16-20]。地?zé)崮軈щ姷闹饕繕?biāo)之一是獲得單位熱水的最大収電功率，很多研究忽略了這方面的考慮。

前兩代 ORC循環(huán)工質(zhì)由于其高臭氧消耗潛值（Ozone Depletion Potential, ODP）已經(jīng)被禁止或限制使用。目前市場(chǎng)上多是對(duì)臭氧層無(wú)害的第三代循環(huán)工質(zhì)，但其全球變暖潛能（Global Warming Potential, GWP）值偏高[21]。例如，目前應(yīng)用廣泛的R245fa，其GWP值高達(dá)1 030[22]。在這種現(xiàn)狀下，氫-氟-烯烴（hydrofluorooflefins, HOFs）被認(rèn)為是克服環(huán)境問(wèn)題的第四代循環(huán)工質(zhì)，其中R1234fy以其零ODP和低GWP的優(yōu)勢(shì)已在2013年商業(yè)化應(yīng)用。R1234yf是微毒、微燃工質(zhì)，在中低溫ORC収電中有著極大的應(yīng)用價(jià)值，目前，其相關(guān)的研究較少。

本文選擇中低溫地?zé)嵊袡C(jī)朗肯収電系統(tǒng)作為研究對(duì)象，以R1234yf作為循環(huán)工質(zhì)，選擇系統(tǒng)單位質(zhì)量熱水凈収電功率和?效率作為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)熱力學(xué)第一定律與第二定律，分析蒸収溫度和冷凝溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響，得到系統(tǒng)運(yùn)行最佳工況。對(duì)最佳工況下透平収電功率與各泵的電耗，以及系統(tǒng)各部件的?損進(jìn)行分析，幵與目前應(yīng)用廣泛的R245fa工質(zhì)進(jìn)行了性能對(duì)比。

1 ORC系統(tǒng)模型

圖1 ORC系統(tǒng)示意圖（a）和T-s圖（b）Fig. 1 Schematic (a) and T-s diagram (b) of the ORC system

對(duì)于干工質(zhì)，過(guò)熱不利于循環(huán)熱效率的提高，因此工質(zhì)一般從飽和氣態(tài)開始膨脹[23]?；綩RC収電系統(tǒng)流程圖和T-s圖如圖1所示。其工作原理說(shuō)明如下：

基本ORC循環(huán)（過(guò)程1→2→3→4→5→1）。處于透平入口處的熱飽和蒸汽經(jīng)過(guò)透平做功后（1→2），乏汽經(jīng)過(guò)冷凝器冷凝（2→3），冷凝后的低溫液態(tài)工質(zhì)經(jīng)過(guò)工質(zhì)循環(huán)泵加壓（3→4），加壓后的工質(zhì)送入預(yù)熱器進(jìn)行預(yù)熱（4→5），再送入蒸収器吸熱達(dá)到熱飽和狀態(tài)（5→1），循環(huán)完成。

地?zé)崴h(huán)。地?zé)崴?jīng)過(guò)熱水循環(huán)泵加壓在溫度 tg,in時(shí)進(jìn)入蒸収器，在蒸収器中與工質(zhì)非接觸換熱達(dá)到溫度tg,m，蒸収器出口的熱水進(jìn)入預(yù)熱器與預(yù)熱器中工質(zhì)非接觸換熱，溫度為 tg,out的預(yù)熱器尾水進(jìn)行回灌。

冷卻水循環(huán)。低溫冷卻水在溫度 tw,in時(shí)進(jìn)入冷凝器，在冷凝器中與工質(zhì)進(jìn)行換熱，換熱后溫度為tw,out，經(jīng)過(guò)冷卻水循環(huán)泵送入冷卻塔冷卻為溫度tw,in的水，循環(huán)完成。

2 系統(tǒng)熱力過(guò)程

假設(shè)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，忽略預(yù)熱器、蒸収器、及連接管路與外界的散熱損失和壓力損失。系統(tǒng)基本方程如式（1）～式（8）所示。

熱水窄點(diǎn)溫差：

冷卻系統(tǒng)：

預(yù)熱器：

蒸収器：

透平：

冷凝器：

工質(zhì)泵：

冷卻循環(huán)泵：

熱水循環(huán)泵：

系統(tǒng)凈収電功率為透平功轉(zhuǎn)化的電能減去工質(zhì)泵、熱水泵、冷水泵的功耗：

ORC収電功率為透平功轉(zhuǎn)化的電能減去工質(zhì)泵功耗：

ORC的熱效率定義為：

系統(tǒng)?：

系統(tǒng)?損：

収電系統(tǒng)熱效率定義為：

ORC的?效率定義為：

系統(tǒng)?效率定義為：

3 結(jié)果與分析

以R1234yf和R245fa為循環(huán)工質(zhì)，基本輸入?yún)?shù)如表1所示，計(jì)算収電系統(tǒng)性能。

表 1 參數(shù)取值Table 1 Standard parameters

3.1 最佳工況

3.1.1 蒸發(fā)溫度

在熱源溫度為100℃、冷凝溫度為30℃工況下，模擬計(jì)算了蒸収溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

圖2顯示了蒸収溫度對(duì)ηsys和Wnet的影響。兩種工質(zhì)的 ηsys均隨著蒸収溫度的升高而增大，而且R1234yf工質(zhì)的ηsys較R245fa的低。隨著蒸収溫度的升高，Wnet先增大后減小，存在最佳蒸収溫度，使得此時(shí)Wnet最大。在溫度低于65℃時(shí)，R245fa工質(zhì)的Wnet大于R1234yf工質(zhì)，當(dāng)溫度高于65℃時(shí)，R1234yf工質(zhì)系統(tǒng)則更具優(yōu)勢(shì)。當(dāng)蒸収溫度為68℃時(shí)，Wnet達(dá)到最大值，R1234yf對(duì)應(yīng)的最大 Wnet為9.26 kW，R245fa對(duì)應(yīng)的最大Wnet為9.15 kW。計(jì)算結(jié)果表明，最大WORC,net所對(duì)應(yīng)的蒸収溫度為66℃，與最大Wnet所對(duì)應(yīng)的蒸収溫度不同，因此以O(shè)RC最佳蒸収溫度作為最佳系統(tǒng)蒸収溫度，勢(shì)必造成 Wnet的減小，以往研究忽略了這點(diǎn)，此處進(jìn)行了分析。

WORC,net與透平入口工質(zhì)與出口工質(zhì)的焓差以及工質(zhì)流率相關(guān)。由于地?zé)崴肟跍囟扰c流率不變且窄點(diǎn)溫差不變，為獲得更高的蒸収溫度，則需減小工質(zhì)流率。蒸収溫度升高而冷凝溫度不變，所以透平出入口工質(zhì)焓差增大。當(dāng)工質(zhì)流率的減小比焓差的增大影響小時(shí)，WORC,net增大；反之，WORC,net減小。熱水流率不變故熱水泵功耗不變，由于工質(zhì)流率減小，冷卻水流率相應(yīng)降低，冷卻水泵的功耗降低。Wnet為WORC,net減去熱水泵與冷水泵的總功率，所以在WORC,net增加的情況下，Wnet增加；在WORC,net減小的情況下，當(dāng)WORC,net減小的幅度小于熱水泵與冷水泵總功率減小幅度時(shí)，Wnet增大，反之，Wnet小，則Wnet有最大值，且與最大WORC,net對(duì)應(yīng)的蒸収溫度不同。

圖2 蒸収溫度對(duì)系統(tǒng)效率與凈収電功率的影響Fig. 2 Effect of evaporation temperature on system efficiency and system net power output

圖3顯示了蒸収溫度對(duì)ηEx,sys和Isys的影響。?效率表示了系統(tǒng)對(duì)最大可用能的利用效率，隨著蒸収溫度升高，ηEx,sys先增大后減小，存在最佳蒸収溫度使得ηEx,sys最大。在溫度低于63℃時(shí)，R245fa工質(zhì)的ηEx,sys高于R1234yf工質(zhì)，溫度高于63℃時(shí)則相反。經(jīng)計(jì)算表明，ηEx,sys最大值與Wnet最大值對(duì)應(yīng)的蒸収溫度相同，為68℃，此時(shí)R1234yf的ηEx,sys為23.7%，R245fa的ηEx,sys為23.5%。隨著蒸収溫度升高，Isys減小后增大，在低于63℃時(shí)R1234yf工質(zhì)的Isys高于R245fa工質(zhì)，高于63℃時(shí)則相反。在68℃時(shí)，Isys最小，R1234yf的Isys為29.69 kW，R245fa的系統(tǒng)?損為29.80 kW。

圖3 蒸収溫度對(duì)?效率與系統(tǒng)?損的影響Fig. 3 Effect of evaporation temperature on system 2ndlaw efficiency and system irreversibility rate

3.1.2 冷凝溫度

在3.1.1的分析中可得在熱源為100℃、冷凝溫度為30℃工況下，最佳蒸収溫度為68℃。故本節(jié)設(shè)定熱源溫度為100℃，蒸収溫度為68℃，冷凝溫度在27℃～45℃的范圍內(nèi)變化，其它參數(shù)見表1，模擬計(jì)算冷凝溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

經(jīng)計(jì)算収現(xiàn)，冷凝溫度越低，系統(tǒng)的 WORC,net和ηORC越大，而Wnet與ηsys存在最大值。由于冷卻循環(huán)泵是通過(guò)電能驅(qū)動(dòng)，因此考慮 ηsys與 Wnet比只考慮ORC過(guò)程更有實(shí)際意義。

圖4顯示了冷凝溫度對(duì)ηsys與Wnet的影響。隨著冷凝溫度的升高，ηsys與Wnet均先增大后減小，存在最大值點(diǎn)，此時(shí)兩者對(duì)應(yīng)的最佳冷凝溫度相同，為31℃。R1234yf的ηsys比R245fa的低，在最佳冷凝溫度下，R1234yf和 R245fa的 ηsys分別為 5.2%和6.1%。低于29℃時(shí)，R1234yf的Wnet低于R245fa的，高于29℃時(shí)，R1234yf的系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)。R1234fy的最大Wnet為9.28 kW，R245fa的最大Wnet為9.14 kW。

圖4 冷凝溫度對(duì)系統(tǒng)熱效率和凈収電功率的影響Fig. 4 Effect of condensation temperature on system efficiency and system power output

冷卻水循環(huán)泵功率隨著冷凝溫度的升高而迅速減小。由于在冷凝溫度為27℃左右時(shí)，冷凝窄點(diǎn)溫差為定值，故冷卻水入口與出口溫差很小，為了使工質(zhì)冷卻，必須加大冷卻水流率，勢(shì)必造成冷卻泵的高能耗，此時(shí)冷卻泵的能耗是影響 ηsys與 Wnet的主要因素。在冷凝溫度較低時(shí)，隨著冷凝溫度升高，冷卻泵能耗大幅減小，故Wnet增大。隨著冷凝溫度繼續(xù)升高，蒸収溫度與冷凝溫度間的溫差減小，WORC,net減小。當(dāng) WORC,net減小的幅度大于冷卻泵能耗減小的幅度時(shí)，Wnet減小，故出現(xiàn) Wnet最大值。該結(jié)果與劉強(qiáng)等[24]關(guān)于有機(jī)朗肯収電冷凝溫度影響所得的結(jié)果一致。

圖5 冷凝溫度對(duì)系統(tǒng)?效率和系統(tǒng)?損的影響Fig. 5 Effect of condensation temperature on system 2ndlaw efficiency and system irreversibility rate

圖5顯示了冷凝溫度對(duì)ηEx,sys和Isys的影響。隨著冷凝溫度升高，ηEx,sys先增大后減小，存在最佳冷凝溫度使得 ηEx,sys最大。在 29℃～37℃區(qū)間內(nèi)，R1234yf的ηEx,sys大于R245fa的，在區(qū)間外則相反。計(jì)算表明，ηEx,sys最大值與Wnet最大值對(duì)應(yīng)的冷凝溫度相同，為31℃，此時(shí)R1234yf和R245fa的ηEx,sys分別為23.8%和23.5%。隨著冷凝溫度升高，Isys先減小后增大，在 31℃時(shí)達(dá)到最小值，R1234yf和R245fa的Isys最小值分別為29.67 kW和29.80 kW。而ηEx,ORC隨著冷凝溫度升高而降低，不存在最大值。

3.1.3 最佳工況的分析

由上述分析可知，在熱源溫度為 100℃時(shí)，系統(tǒng)的最佳蒸収溫度為68℃，最佳冷凝溫度為31℃。在此工況下，系統(tǒng)的凈収電功率、?效率均有最大值。

在最佳工況下，系統(tǒng)功率的輸入與輸出部件功率分布如圖6所示。透平是系統(tǒng)功率輸出的唯一部件，以R1234yf為工質(zhì)的循環(huán)具有更高的透平輸出功率，意味著具有更高的収電功率。對(duì)于 R1234yf工質(zhì)系統(tǒng)，工質(zhì)泵與冷卻循環(huán)泵為耗功的主要部件；對(duì)于R245fa工質(zhì)系統(tǒng)，冷卻循環(huán)泵為功耗的主要部件，而工質(zhì)泵的功耗相對(duì)較小。

以R1234yf為例，如以WORC,net作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，凈収電功率為11.56 kW；以Wnet為指標(biāo)，凈収電功率為9.28 kW，將會(huì)造成2.28 kW的収電功率誤差，造成24.6%的相對(duì)誤差。

圖6 最佳工況下系統(tǒng)功率輸入與輸出部件的功率分布Fig. 6 Power inputs and outputs at optimal condition

在最佳工況下，系統(tǒng)?損的分布如圖7所示?；毓酂崴糠?、蒸収器、冷凝器是?損的主要來(lái)源。R1234yf工質(zhì)系統(tǒng)相對(duì)于R245fa工質(zhì)系統(tǒng)，?損最大值與最小值之間差距較小，工質(zhì)泵中的?損相對(duì)較大，回灌水部分的?損大幅減小。回灌部分?損減小值與系統(tǒng)吸熱的熱流率增大值相等，即增大3.7 kW，而凈輸出功相對(duì)大0.13 kW，凈輸出功增大值與循環(huán)吸熱量增大值相比，比值小于R245fa工質(zhì)系統(tǒng)熱效率，所以R1234yf工質(zhì)系統(tǒng)熱效率相對(duì)較低。由于R1234yf工質(zhì)系統(tǒng)總?損小于R245fa工質(zhì)系統(tǒng)總?損，而系統(tǒng)最大?相等，所以R1234yf具有更高的系統(tǒng)?效率，即更高的最大可用能利用率。

圖7 最佳工況下系統(tǒng)?損分布Fig. 7 Irreversibility rate of each component of the system at optimal condition

3.2 熱源溫度

研究者更偏向于研究具有高臨界溫度的工質(zhì)，因?yàn)橹挥性谂R界溫度足夠高的情況下，才能獲得高的蒸収溫度，從而獲得高的系統(tǒng)熱效率[25]。然而，對(duì)于溫度100℃～150℃的地?zé)崴畢щ娤到y(tǒng)，臨界溫度低的R1234yf可能更有應(yīng)用價(jià)值。熱源溫度變化范圍為100℃～150℃時(shí)，最佳蒸収溫度與冷凝溫度通過(guò)本文3.1中所述方法確定。

圖8 不同熱源溫度下系統(tǒng)最大凈収電功率Fig. 8 System maximised net power output at various geothermal inlet temperature

圖9 不同熱源溫度下?效率Fig. 9 System 2ndlaw efficiency at various geothermal inlet temperature

圖8、圖 9分別顯示了不同熱源溫度下的最大Wnet及最大 ηEx,sys。熱源溫度升高，Wnet和 ηEx,sys增大。R1234yf工質(zhì)系統(tǒng)在100℃時(shí)的最大Wnet與最大ηEx,sys略小于R245fa的，而在110℃～150℃時(shí)，最大Wnet與最大ηEx,sys均大于R245fa的，且溫度越高優(yōu)勢(shì)越明顯。

4 結(jié) 論

（1）本文論證了在熱源溫度、冷卻水溫度和地?zé)崴髀室欢ǖ墓r下，存在最佳蒸収溫度與最佳冷凝溫度，使得系統(tǒng)單位質(zhì)量熱水凈収電功率與?效率最大。

（2）本文提出了性能研究要以整個(gè)系統(tǒng)為基礎(chǔ)而不是僅以O(shè)RC（不包括冷熱水泵）為基礎(chǔ)，幵且提出以系統(tǒng)凈収電凈功率與系統(tǒng)?效率作為性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。①最大 WORC,net所對(duì)應(yīng)的蒸収溫度與最大Wnet所對(duì)應(yīng)的蒸収溫度不同，因此以WORC,net對(duì)應(yīng)的最佳蒸収溫度作為系統(tǒng)最佳蒸収溫度，勢(shì)必造成最大Wnet的減小。②WORC,net和ηEx,ORC隨著冷凝溫度的升高均減小，而 Wnet與 ηEx,sys均存在最大值。由于冷卻循環(huán)泵消耗功率，因此考慮系統(tǒng)而不是ORC的?效率和凈収電功率更有實(shí)際意義。

（3）R1234yf在熱源溫度為110℃～150℃的條件下，有著更具優(yōu)勢(shì)的熱力學(xué)性能，由于其零ODP和DWP的優(yōu)勢(shì)，R1234yf將在中低溫地?zé)嵊袡C(jī)朗肯循環(huán)中収揮重要的應(yīng)用價(jià)值。

符號(hào)表

[1] 中國(guó)新能源與可再生能源 1999年白皮書[M]. 北京:中國(guó)計(jì)劃出版社, 1999.

[2] Campos Rodríguez C E, Escobar Palacio J C, Venturini O J, et al. Exergetic and economic comparison of ORC and Kalina cycle for low temperature enhanced geothermal system in Brazil[J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 52(1): 109-119.

[3] Lund J W, Freeston D H, Boyd T L. Direct application of geothermal energy: 2005 worldwide review[J]. Geothermics, 2005, 34(6): 691-727.

[4] 吳治堅(jiān), 龔宇烈, 馬偉斌, 等. 閃蒸-雙工質(zhì)循環(huán)聯(lián)合地?zé)釁щ娤到y(tǒng)研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 2009, 30(3): 316-321.

[5] DiPippo R. Second Law assessment of binary plants generating power from low temperature geothermal fluids[J]. Geothermics, 2004, 33(5): 565-586.

[6] Yari M. Exergetic analysis of various types of geothermal power plants[J]. Renewable Energy, 2010, 35(1): 112-121.

[7] Desideri U, Bidini G. Study of possible optimisation criteria for geothermal power plant[J]. Energy Conversion and Management, 1997, 38(15-17): 1681-1691.

[8] Saleh B, Kogelbauer G, Wendland M, et al. Working fluids for low temperature Organic Rankine Cycles[J]. Energy, 2007, 32: 1210-1221.

[9] 朱江, 鹿院衛(wèi), 馬重芳, 等. 中低溫有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)収電系統(tǒng)優(yōu)化研究[D]. 北京工業(yè)大學(xué), 2009, 27(2): 76-79.

[10] 王輝濤, 王華, 葛眾, 等. 中低溫有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)的選擇[J]. 昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 37(1): 41-46.

[11] Wang M, Wang J, Zhao Y, et al. Thermodynamic analysis and optimization of a solar-driven regenerative organic Rankine cycle (ORC) based on flat-plate solar collectors[J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 50(1): 816-825.

[12] Pei G, Li J, Ji J. Analysis of low temperature solar thermal electric generation using regenerative organic Rankine cycle[J]. Applied Thermal Engineering, 2010, 30(8): 998-1004.

[13] Xu R J, He Y L. A vapor injector-based novel regenerative organic Rankine cycle[J]. Applied Thermal Engineering, 2011, 31(6): 1238-1243.

[14] Roy J P, Mishra M K, Misra A. Performance analysis of an Organic Rankine Cycle with superheating under different heat source temperature conditions[J]. Applied Energy, 2011, 88(9): 2995-3004.

[15] DiGenova K J, Botros B B, Brisson J G. Method for customizing an organic Rankine cycle to a complex heat source for efficient energy conversion, demonstrated on a Fischer Tropsch plant[J]. Applied Energy, 2013, 102: 746-754.

[16] Somayaji C. First and second law analysis of Organic Rankine Cycle[D]. Mississippi State University, 2008.

[17] Li X, Li X, Zhang Q. The first and second law analysis on an organic Rankine cycle with ejector[J]. Solar Energy, 2013, 93: 100-108.

[18] Butcher C J, Reddy B V. Second law analysis of a waste heat recovery based power generation system[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2007, 50(11): 2355-2363.

[19] Reddy B V, Ramkiran G, Ashok Kumar K, et al. Second law analysis of a waste heat recovery steam generator[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2002, 45(9): 1807-1814.

[20] Liu B T, Chien K H, Wang C C. Effect of working fluids on organic Rankine cycle for waste heat recovery[J]. Energy, 2004, 29(8): 1207-1217.

[21] United Nations Framework Convention on Climate Change. Kyoto protocol reference manual on accounting of emissions and assigned amount[R]. esocialsicences, 2009.

[22] Handbook-Fundamentals A. American society of heating, refrigerating and air-conditioning engineers[J]. Inc., New York, 1993.

[23] Chen H, Goswami D Y, Stefanakos E K. A review of thermodynamic cycles and working fluids for the conversion of low-grade heat[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2010, 14(9): 3059-3067.

[24] Liu Q, Duan Y, Yang Z. Performance analyses of geothermal organic Rankine cycles with selected hydrocarbon working fluids[J]. Energy, 2013, 63: 123-132.

[25] Liu W, Meinel D, Wieland C, et al. Investigation of hydrofluoroolefins as potential working fluids in organic Rankine cycle for geothermal power generation[J]. Energy, 2014, 67: 106-116.

Thermodynamic Analysis of Organic Rankine Cycle System with R1234yf

LIANG Li-peng1,2, CAO Yuan-shu1,2, HU Bing1,2, BU Xian-biao1, MA Wei-bing1
(1. CAS Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

This paper presents a study on optimizing low-medium temperature geothermal Organic Rankine Cycle (ORC) power generation. Here we examine the effect of working fluid R1234yf on net power output per kilogram of geothermal water and exergy efficiency of the system by using first and second thermodynamic laws. The overall system performance is then compared with the system using R245fa. The results show that there exist the optimum evaporation and condensation temperature which can maximize net power output per kilogram geothermal water and exergy efficiency of the system. The maximum net power output per kilogram of geothermal water and exergy efficiency is higher by using R1234yf as working fluid at the geothermal source temperature ranging from 110oC to 150oC.

geothermal power generation; Organic Rankine Cycle (ORC); R1234yf; parameter optimization

TK529

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.03.005

2095-560X（2014）03-0197-07

梁立鵬（1989-），男，碩士研究生，主要從事余熱利用技術(shù)研究。

2014-04-02

2014-04-20

國(guó)家高新技術(shù)研究収展計(jì)劃（863）項(xiàng)目（2012AA053003）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51106161）；廣東省中國(guó)科學(xué)院全面戰(zhàn)略合作項(xiàng)目（2012B091100263）；廣州市珠江科技新星專項(xiàng)（2014J2200079）

? 通信作者：卜憲標(biāo)，E-mail：buxb@ms.giec.ac.cn

卜憲標(biāo)（1979-），男，博士，副研究員，碩士生導(dǎo)師，主要從事余熱利用技術(shù)、中低溫地?zé)釁щ娂夹g(shù)等方面的研究。