工質(zhì)流量對ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)性能的影響

王慧，馬新靈，孟祥睿，魏新利

（1鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001；2河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，河南 鄭州 450046）

工質(zhì)流量對ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)性能的影響

王慧1,2，馬新靈1，孟祥睿1，魏新利1

（1鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001；2河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，河南 鄭州 450046）

搭建了以自行研發(fā)的向心透平為膨脹機(jī)的ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了R123質(zhì)量流量對循環(huán)系統(tǒng)的性能影響。結(jié)果表明：液壓隔膜泵的溫升和熵增均較小，所消耗的功率隨流量的增加而增加。工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)的壓降明顯大于冷凝器內(nèi)的壓降，均隨流量的增加而增加；向心透平的等熵效率隨質(zhì)量流量的增加先增加后減小，存在最佳流量0.215 kg·s?1使透平等熵效率達(dá)到最大值0.775；系統(tǒng)輸出的電功率隨流量的增加而增加，流量為0.283 kg·s?1時(shí)輸出系統(tǒng)最大功率為2.009 kW；蒸發(fā)器的?損率占系統(tǒng)總?損率的比重最大，冷凝器次之，向心透平第三，在本實(shí)驗(yàn)最佳質(zhì)量流量下，三者的?損率分別為62%、32%、6%。

有機(jī)朗肯循環(huán)；余熱發(fā)電；熵；熱力學(xué)；?

引 言

有機(jī)朗肯循環(huán)（organic Rankine cycle，ORC）是利用低品位熱能最有效的方法之一。研究ORC發(fā)電技術(shù)不僅可以回收工業(yè)生產(chǎn)中的低溫余熱，減少排放，提高能源利用率，還可以有效開發(fā)太陽能、地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)能、海洋溫差能等清潔能源，并將這些低溫?zé)崮苻D(zhuǎn)化為高品位的電能。文獻(xiàn)[1-5]等通過數(shù)值模擬的方法，對不同熱源溫度、熱流體流量、膨脹機(jī)進(jìn)口的溫度和壓力、壓比、冷凝溫度、冷卻水流量等參數(shù)對選用工質(zhì)、膨脹機(jī)輸出功、膨脹機(jī)效率、系統(tǒng)熱效率、?效率等性能的影響進(jìn)行了理論分析，以最大輸出功或最大熱效率或最大?效率或最低發(fā)電成本或上述參數(shù)的有機(jī)組合等為目標(biāo)函數(shù)，尋找ORC系統(tǒng)的最佳工況時(shí)的操作條件，為ORC的實(shí)驗(yàn)研究奠定了基礎(chǔ)。

而Quoilin等[6-8]將渦旋壓縮機(jī)改裝成渦旋膨脹機(jī)用于ORC系統(tǒng)，以熱空氣為熱源，R245fa為工質(zhì)，實(shí)驗(yàn)研究了膨脹機(jī)進(jìn)出口壓力、轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明：等熵效率隨壓比的增加先增加后減??；軸功、系統(tǒng)效率隨壓比的增加而增加；膨脹機(jī)進(jìn)口壓力和輸出轉(zhuǎn)速越大，等熵效率、系統(tǒng)效率、?效率越大，膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，膨脹機(jī)的等熵效率、系統(tǒng)的輸出功率先隨壓比的增加而增加，然后趨于平穩(wěn)。劉廣彬等[9]設(shè)計(jì)渦旋膨脹機(jī)，以R123為工質(zhì)，研究膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)熱電效率和系統(tǒng)不可逆損失的影響。結(jié)果表明：系統(tǒng)熱電效率隨渦旋膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而降低，系統(tǒng)不可逆損失隨轉(zhuǎn)速的增加而增加。還有采用其他膨脹機(jī)對ORC系統(tǒng)進(jìn)行研究的。如Li Maoqing等[10]以導(dǎo)熱油為熱源，以R123為工質(zhì)，單級軸流透平為膨脹機(jī)，研究工質(zhì)質(zhì)量流量的變化對ORC系統(tǒng)的性能的影響。研究表明，當(dāng)蒸發(fā)溫度一定時(shí)，透平的進(jìn)口壓力、輸出轉(zhuǎn)速隨質(zhì)量流量的增加而增加。Wang等[11]以R245fa為工質(zhì)建立太陽能ORC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，節(jié)流閥代替膨脹機(jī)進(jìn)行研究，同時(shí)將設(shè)計(jì)出的滾動(dòng)活塞膨脹機(jī)[12]引入系統(tǒng)。研究表明，在工質(zhì)流量一定的情況下，系統(tǒng)輸出功、膨脹機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速的變化趨熱與太陽輻射強(qiáng)度變化相似，等熵效率變化不大。還有采用單螺桿膨脹機(jī)[13]、葉片膨脹機(jī)[14]進(jìn)行相關(guān)研究的，但文獻(xiàn)較少。

向心透平因其結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、效率高，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、空分制冷設(shè)備、渦輪增壓器等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。許多學(xué)者也正將其引入到ORC系統(tǒng)進(jìn)行研究。早在2001年，Yamamoto等[15]以R123為工質(zhì)，向心透平為膨脹機(jī)，搭建了小型的ORC系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明在熱源輸入功率一定時(shí)，輸出功率隨轉(zhuǎn)速的增加先增加后減小，存在最佳轉(zhuǎn)速使系統(tǒng)的輸出功率最大，并且最佳轉(zhuǎn)速和其對應(yīng)的最大輸出功隨熱源功率的增加而增加。Pei等[16]專門設(shè)計(jì)制造出向心透平，以壓縮空氣為工質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，也建立了kW級的ORC系統(tǒng)[17]，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果顯示：向心透平的等熵效率為65%，在非工況下工作時(shí)性能仍保持良好，泄漏少。Kang[18]以導(dǎo)熱油為熱源，R245fa為工質(zhì)，向心透平直接耦合高速發(fā)電機(jī)為動(dòng)力機(jī)械，建立了ORC發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了蒸發(fā)溫度對透平進(jìn)出口壓比、透平效率、工質(zhì)質(zhì)量流量、系統(tǒng)輸出功的影響。實(shí)驗(yàn)得出：透平進(jìn)出口壓力、壓比、透平效率、工質(zhì)質(zhì)量流量、輸出功率、系統(tǒng)熱效率隨蒸發(fā)溫度的增加而增加。李晶[19]以向心透平為膨脹機(jī)，R123為工質(zhì)、導(dǎo)熱油為熱源，建立小型ORC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)研究表明：透平的內(nèi)效率為62.5%、內(nèi)功率為1.36 kW，最高轉(zhuǎn)速大約23000 r·min-1。本課題組的馬新靈等[20]對自行研發(fā)的向心透平性能進(jìn)行測試研究，結(jié)果表明：向心透平作為系統(tǒng)的膨脹機(jī)，具有良好的性能和推廣應(yīng)用前景。

上述文獻(xiàn)關(guān)于工質(zhì)流量對ORC系統(tǒng)性能的影響研究較少。本文以R123為工質(zhì)，實(shí)驗(yàn)研究工質(zhì)流量對基于向心透平膨脹機(jī)的ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)性能的影響，為系統(tǒng)主要部件的選用、有機(jī)工質(zhì)向心透平的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的性能優(yōu)化等提供了參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

ORC低溫余熱發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工藝流程如圖1所示，圖2為搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由導(dǎo)熱油電加熱器、蒸發(fā)器、冷凝器、工質(zhì)泵、透平膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)、負(fù)載等組成。電加熱器加熱導(dǎo)熱油作為熱源，讓其在蒸發(fā)器中與R123逆流換熱，R123被加熱成一定溫度和壓力的蒸氣，進(jìn)入向心透平做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，透平出口乏氣在冷凝器中被冷卻水冷凝成液體，流回儲(chǔ)液罐，由工質(zhì)泵重新加壓，輸送至蒸發(fā)器，完成一個(gè)動(dòng)力循環(huán)。課題組自行研發(fā)的適用于本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的有機(jī)工質(zhì)向心透平如圖3所示，通過齒輪減速器帶動(dòng)三相永磁高速發(fā)電機(jī)對外輸出電能。

圖1 ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic of ORC low temperature waste heat generation system

圖2 基于向心透平的有機(jī)朗肯循環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.2 Experimental platform of ORC system employing radial inflow turbine

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的各測量儀器分布如圖1所示，科氏質(zhì)量流量計(jì)測量液壓隔膜泵輸出的R123流量。溫度傳感器和壓力傳感器測量各設(shè)備的進(jìn)出口溫度和壓力。安捷倫數(shù)據(jù)采集儀遠(yuǎn)程采集科氏質(zhì)量流量計(jì)、溫度傳感器、壓力傳感器的數(shù)據(jù)。電參數(shù)測量儀采集發(fā)電機(jī)的頻率、輸出功率等，其型號、精度如表1所示。

為研究工質(zhì)流量對系統(tǒng)的性能影響，保持系統(tǒng)其他參數(shù)不變，僅改變R123的流量，實(shí)驗(yàn)測試ORC系統(tǒng)各設(shè)備及系統(tǒng)性能的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)過程中，質(zhì)量流量分別取0.091、0.117、0.166、0.215、0.254、0.283 kg·s?1。根據(jù)測量的壓力、溫度，結(jié)合NIST發(fā)布的物性軟件RREFPROP7查得不同工況下有機(jī)工質(zhì)的熵、焓等參數(shù)值。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，室內(nèi)環(huán)境溫度約為20℃，熱源溫度為128℃±2℃，冷凝水采用自來水，負(fù)載不變額定功率為3 kW。

圖3 向心透平Fig.3 Photograph of radial inflow turbine

2 熱力分析與評價(jià)指標(biāo)

2.1 系統(tǒng)主要設(shè)備的熱力計(jì)算方法

2.1.1 隔膜泵 ORC系統(tǒng)采用液壓隔膜泵，消耗功率WP為

2.1.2 蒸發(fā)器和冷凝器 有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器中的吸熱量Q21為：

在冷凝器中的放熱量Q56為

2.1.3 向心透平 工質(zhì)在向心透平內(nèi)對外輸出的膨脹功WT為

表1 測試儀器Table 1 Parameters of testing instruments

等熵膨脹時(shí)，理論輸出功WT,S為：

工質(zhì)在向心透平內(nèi)的實(shí)際輸出功與理想等熵膨脹功的比值稱為等熵效率ηS，它是表征工質(zhì)做功能力大小的性能指標(biāo)

等熵膨脹功中沒有轉(zhuǎn)換為實(shí)際功的那部分能量包括透平中的靜葉流道損失、葉輪流道損失、葉輪出口的余速損失、輪背鼓風(fēng)摩擦損失、內(nèi)泄漏損失等。除了上述損失外，向心透平將機(jī)械能傳遞到發(fā)電機(jī)軸端以電能形式輸出時(shí)，還存在各種傳動(dòng)損失，包括聯(lián)軸器損失、減速器損失、發(fā)電機(jī)損失等，將這些損失統(tǒng)稱為機(jī)械損失。作為回收能量的動(dòng)力系統(tǒng)而言，最終輸出的可供使用的電功率的大小才是系統(tǒng)最關(guān)鍵的性能指標(biāo)。

將發(fā)電機(jī)軸端輸出的電功率Pe與向心透平的實(shí)際膨脹功WT之比稱為機(jī)械效率，用ηm表示，即

則發(fā)電機(jī)輸出電功率Pe與透平的理論膨脹功WT,S之比稱為軸功率，用ηe表示，即：

ηe是包括向心透平、聯(lián)軸器、減速器、發(fā)動(dòng)機(jī)等在內(nèi)的整個(gè)動(dòng)力裝置性能好壞的指標(biāo)，數(shù)值上等于透平等熵效率與機(jī)械效率的乘積。

上述公式中，qm為工質(zhì)質(zhì)量流量，kg·s?1；h1、h2，h3，h4，h5，h6，h7，h8分別為工質(zhì)在蒸發(fā)器入口、出口，向心透平入口、出口，冷凝器入口、出口，液壓隔膜泵入口、出口的焓值，kJ·kg?1；h4S為工質(zhì)在向心透平出口的等熵焓，kJ·kg?1。

2.2 ORC系統(tǒng)的熱效率和能量回收率

ORC系統(tǒng)的熱效率ηt指向心透平實(shí)際輸出的凈功與工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)的吸熱量的比值，即

系統(tǒng)輸出的凈功與工質(zhì)在蒸發(fā)器的吸熱量之比稱為系統(tǒng)能量回收率ηr。因?yàn)橄到y(tǒng)輸出的凈功是ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際輸出的可以直接被利用的電能，能量回收率ηr表征系統(tǒng)回收能量能力的大小，更具有實(shí)際意義。

2.3 ?損失

通過?分析得出?損失，直接反映裝置中各部分不可逆因素引起的做功能力損失以及整個(gè)循環(huán)做功能力損失。系統(tǒng)視為穩(wěn)定流動(dòng)，忽略管道壓降等其他因素引起的?損失，僅考慮由溫差傳熱和摩擦引起的?損失。根據(jù)公式，可以得到各部件的?損失Ij

式中，sj,in、sj,out分別表示各設(shè)備進(jìn)、出口有機(jī)工質(zhì)的熵值，kJ·kg?1·K?1；qj為單位質(zhì)量工質(zhì)的換熱量，kJ·kg?1；Tk為熱源或冷源溫度；T0為環(huán)境溫度。

其中qj為

式中，hj,in、hj,out分別表示工質(zhì)在各設(shè)備進(jìn)、出口的焓值，kJ·kg?1。工質(zhì)吸熱，qj為正值；工質(zhì)放熱，qj為負(fù)值。

系統(tǒng)的?損失Isys為：

式中，IP、IE、IT、IC分別表示液壓隔膜泵、蒸發(fā)器、向心透平、冷凝器的?損失，kW。

各部件的?損率ij為：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

各測量點(diǎn)得到的測量數(shù)據(jù)見表2。

3.1 工質(zhì)流量對液壓隔膜泵性能的影響

從表2可知，液壓隔膜泵加壓輸送工質(zhì)，其溫升較小，查RREFPROP7可知其熵增也較小，泵送過程消耗的功率隨流量的增加而增加，如圖4所示，但當(dāng)流量小于0.215 kg·s?1時(shí)，其增幅較小，當(dāng)質(zhì)量流量大于0.215 kg·s?1時(shí)，增幅較大。當(dāng)R123的流量為0.283 kg·s?1時(shí)，泵消耗的最大功率為0.105 kW。

3.2 工質(zhì)流量對蒸發(fā)器、冷凝器性能的影響

本實(shí)驗(yàn)采用板式蒸發(fā)器和板式冷凝器，逆流換熱。圖5所示為工質(zhì)在蒸發(fā)器和冷凝器內(nèi)的焓降、換熱量隨工質(zhì)流量變化的關(guān)系，由圖可知：隨流量的增加，工質(zhì)的焓降降低，換熱量增加。宏觀上分析焓降下降的原因是工質(zhì)在蒸發(fā)器進(jìn)口的焓相近，在蒸發(fā)器吸收導(dǎo)熱油的熱能后，隨流量的增加，壓力雖然增加，但其出口溫度有所下降，使得工質(zhì)的焓值下降，如表2所示，最終導(dǎo)致焓降減少。由于流量的增加，吸收熱量隨之增加。因而在實(shí)驗(yàn)時(shí)可以通過增加質(zhì)量流量的方法來提高換熱量。

表2 各流量下四個(gè)設(shè)備的進(jìn)出口測量值Table 2 Inlet and outlet measured value of four equipment

圖4 工質(zhì)流量對液壓隔膜泵消耗功率的影響Fig.4 Effect of mass flow rate on hydraulic diaphragm pump power

圖5 工質(zhì)流量對工質(zhì)的焓降、換熱量的影響Fig.5 Effect of mass flow rate on enthalpy drop and heat transfer rate

圖6 工質(zhì)流量對換熱器壓降的影響Fig.6 Effect of mass flow rate on pressure drop of heat exchanger

工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)經(jīng)歷了從液相到液氣兩相再到氣相的變化，而在冷凝器的變化剛好相反，情況復(fù)雜。圖6所示為工質(zhì)在蒸發(fā)器和冷凝器的流動(dòng)壓降與工質(zhì)流量的關(guān)系，由圖可見：工質(zhì)在蒸發(fā)器和冷凝器的壓降隨質(zhì)量流量的增加而增加，在蒸發(fā)器內(nèi)的壓降損失明顯高于冷凝器內(nèi)的。質(zhì)量流量增加，流速增加，壓降增加。同一工況下，質(zhì)量流量相等，工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)的平均流速大于冷凝器內(nèi)的平均流速，因而工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)的壓力損失大于在冷凝器內(nèi)的壓力損失。

3.3 工質(zhì)流量對向心透平性能的影響

圖7為工質(zhì)在向心透平內(nèi)的溫降、焓降與工質(zhì)流量的關(guān)系。溫降、焓降變化曲線規(guī)律相似，隨流量的增加先增加，然后趨于平緩。這說明向心透平存在一性能最佳的最小工質(zhì)流量工況，在本實(shí)驗(yàn)條件下，該流量為0.215 kg·s?1。

圖8為向心透平速比與等熵效率的關(guān)系，由圖可見：等熵效率隨著速比的增加先增加后下降。等熵效率最大值對應(yīng)的速比稱為最佳工況點(diǎn)，相應(yīng)的質(zhì)量流量稱為最佳質(zhì)量流量。本實(shí)驗(yàn)最佳質(zhì)量流量為0.215 kg·s?1，最大等熵效率為0.775。

圖7 工質(zhì)質(zhì)量流量對向心透平的溫降、焓降的影響Fig.7 Effect of mass flow rate on temperature drop and enthalpy drop of radial inflow turbine

圖8 向心透平等熵效率與速比的性能曲線Fig.8 Variation of isentropic efficiency with speed ratio

圖9 工質(zhì)流量對向心透平轉(zhuǎn)速與實(shí)際膨脹機(jī)的影響Fig.9 Effect of mass flow rate on rotational speed and output power of radial inflow turbine

圖9為向心透平轉(zhuǎn)速、實(shí)際膨脹功與流量的關(guān)系。由圖可見，向心透平轉(zhuǎn)速nT和膨脹功WT都隨流量的增加而增加，與透平的等熵效率曲線變化不同。當(dāng)工質(zhì)流量為0.283 kg·s?1時(shí)，透平轉(zhuǎn)速達(dá)到實(shí)驗(yàn)最大值55309 r·min?1，此時(shí)膨脹功為3.4 kW。

圖10為等熵效率、軸效率與工質(zhì)質(zhì)量流量關(guān)系。兩效率曲線都隨工質(zhì)質(zhì)量流量的增加先增加后減小。當(dāng)質(zhì)量流量為0.215 kg·s?1，最大等熵效率為0.775，最大軸效率為0.445。軸效率遠(yuǎn)低于等熵效率，說明動(dòng)力系統(tǒng)中機(jī)械損失較大。

圖10 工質(zhì)流量對等熵效率、軸效率的影響Fig.10 Effect of mass flow rate on isotropic efficiency and shaft efficiency

3.4 工質(zhì)流量對低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)性能的影響

圖11為ORC系統(tǒng)的熱效率、能量回收效率與工質(zhì)流量的關(guān)系，從圖中可以看出兩曲線變化規(guī)律基本一致，當(dāng)工質(zhì)的質(zhì)量流量從0.091增至0.215 kg·s?1時(shí)，熱效率和能量回收效率隨著質(zhì)量流量迅速增加，當(dāng)大于0.215 kg·s?1時(shí)，兩條曲線都趨于水平，再次印證了系統(tǒng)存在最佳質(zhì)量流量。

圖11 工質(zhì)流量對系統(tǒng)熱效率、能量回收效率的影響Fig.11 Effect of mass flow rate on thermal efficiency and energy recover efficiency of cycle

圖12為發(fā)電機(jī)輸出功率Pe與工質(zhì)流量的關(guān)系圖，Pe隨質(zhì)量流量的增加而增加，當(dāng)工質(zhì)流量為0.283 kg·s?1時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出的最大功率為2.009 kW。在實(shí)驗(yàn)過程中，液壓隔膜泵所消耗的功率占發(fā)電機(jī)輸出功率的比重最大值約為0.043%，說明液壓隔膜泵適用于該系統(tǒng)。

圖12 工質(zhì)流量對發(fā)電機(jī)輸出功率的影響Fig.12 Effect of mass flow rate on output power of electric generator

圖13為各部件的?損率與質(zhì)量流量的變化關(guān)系，由圖可見：在ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的總?損失中，蒸發(fā)器的?損失所占比重最大，其次是冷凝器，最后是向心透平。蒸發(fā)器的?損失大于冷凝器的?損失是因?yàn)楣べ|(zhì)從熱源吸收熱量時(shí)的傳熱溫差大于冷源中放熱時(shí)的傳熱溫差，從表2可以看出。隨流量增加，蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)溫升變小導(dǎo)致?損失隨之減少，而冷凝器的溫升反而增大所以?損失不斷提高；向心透平的?損失幾乎不隨質(zhì)量流量的變化而變化。查RREFPROP7可知，液壓隔膜泵的熵增幾乎為零，所以?損率視為零。工質(zhì)在系統(tǒng)最佳流量0.215 kg·s?1時(shí)，蒸發(fā)器、冷凝器、向心透平的?損率分別為62%、32%、6%。

通過以上分析可知，工質(zhì)流量對換熱量、實(shí)際膨脹功、透平轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)輸出功率、透平等熵效率、軸效率、系統(tǒng)熱效率、能量回收效率等均有不同程度的影響。在本實(shí)驗(yàn)條件下，換熱量、實(shí)際膨脹功、透平轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)輸出功率隨著質(zhì)量流量的增加而增加，而等熵效率、軸效率、系統(tǒng)熱效率、能量回收效率等在最佳流量處存在最大值。該結(jié)果對指導(dǎo)ORC系統(tǒng)的高效運(yùn)行具有重要的意義。另外，軸效率、回收效率還與系統(tǒng)的機(jī)械效率有關(guān)，在本實(shí)驗(yàn)裝置中，由于聯(lián)軸器、減速器、發(fā)電機(jī)等設(shè)備選型匹配不盡合理，機(jī)械效率偏低，約為0.55～0.65。如果將這些設(shè)備進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，機(jī)械效率可以得到很大提高，從而使軸效率和回收效率得到提高。

圖13 工質(zhì)流量對各部件的?損失的影響Fig.13 Effect of mass flow rate on exergy destruction rate

4 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)研究了R123的工質(zhì)流量對以向心透平為膨脹機(jī)的ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的主要設(shè)備和系統(tǒng)性能的影響，得到如下結(jié)論：

（1）液壓隔膜泵泵送過程的溫升和熵增均較小，所消耗的功率隨質(zhì)量流量的增加而增加，但當(dāng)流量小于最佳質(zhì)量流量0.215 kg·s?1時(shí)，增幅較小。隔膜泵所消耗的功率占系統(tǒng)輸出功率的比重較小。

（2）工質(zhì)在蒸發(fā)器和冷凝器中的焓降隨工質(zhì)質(zhì)量流量的增加而單調(diào)減少，而吸熱量和放熱量卻隨著質(zhì)量流量的增加而增加；工質(zhì)在蒸發(fā)器、冷凝器的壓降隨著質(zhì)量流量的增加而增加，且在蒸發(fā)器內(nèi)的壓降大于冷凝器內(nèi)的壓降。

（3）該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的最佳流量為0.215 kg·s?1。在最佳流量下，透平的焓降、等熵效率、軸效率，系統(tǒng)的熱效率、能量回收效率都為最大值。

（4）?分析表明，蒸發(fā)器的?損失占系統(tǒng)總?損失的比重最大，冷凝器的?損失次之，向心透平第三，液壓隔膜泵的?損失幾乎為零。在最佳流量下，蒸發(fā)器、冷凝器、向心透平的?損率分別是為62%、32%、6%。

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Effect of mass flow rate on performance of organic Rankine cycle for power generation system with low-temperature waste heat

WANG Hui1,2, MA Xinling1, MENG Xiangrui1, WEI Xinli1
(1School of Chemical Engineering and Energy,Zhengzhou University,Zhengzhou450001,Henan,China;2Mechanical and Electronic Engineering Department,Henan Polytechnic,Zhengzhou, 450046,Henan,China)

An experimental prototype of organic Rankine cycle (ORC) was built for low-temperature waste heat power generation. With R123 as working fluid, heat transfer oil as the waste heat source, and radial inflow turbine as expander, a series of tests were carried out by adjusting the R123 mass flow rate to evaluate the performance of apparatus and system. The temperature rise and entropy increase of hydraulic diaphragm pump were lower, and consumed power increased with the mass flow rate. The pressure drop in the evaporator was greater than that in the condenser, and both increased with the mass flow rate of R123. The isentropic efficiency of the radial inflow turbine increased first and then decreased with the increase of R123 flow rate, with the maximum value of 0.775 kg·s?1and the optimum value of 0.215 kg·s?1. The system output power increased monotonously to 2.009 kW as the flow rate of R123 increased to 0.283 kg·s?1. Exergy destruction rate of evaporator was the largest parts in total exergy destruction rate, followed by condenser and radial inflow turbine, about 62%, 32% and 6%, respectively, under the optimum condition.

organic Rankine cycle; waste heat power generation; entropy; thermodynamics; exergy

Prof. WEI Xinli, xlwei@zzu.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20150255

TK 11+5

：A

：0438—1157（2015）10—4185—08

2015-03-02收到初稿，2015-05-22收到修改稿。

聯(lián)系人：魏新利。

：王慧（1979—），女，博士研究生，講師。

河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（142102210072）；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（14A480009）。

Received date: 2015-03-02.

Foundation item: supported by the Key Scientific and Technological Project of Henan Province (142102210072), the Education Department of Henan Province Science and Technology Research Projects (14A480009).