有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)中工質(zhì)泵的運行性能

張紅光，楊宇鑫，孟凡驍，趙蕊，田亞明，劉毅

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有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)中工質(zhì)泵的運行性能

張紅光1,2，楊宇鑫1,2，孟凡驍1,2，趙蕊1,2，田亞明1,2，劉毅3

（1北京工業(yè)大學環(huán)境與能源工程學院，北京100124；2北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100124；3大同北方天力增壓技術(shù)有限公司，山西大同 037036）

為研究車用有機朗肯循環(huán)（organic Rankine cycle，ORC）余熱回收系統(tǒng)中工質(zhì)泵的性能及選型，在模擬車用ORC余熱回收系統(tǒng)的工作環(huán)境下，設計并搭建了以R123作為工質(zhì)的多級離心泵性能測試實驗系統(tǒng)。通過控制多級離心泵轉(zhuǎn)速（870～2900 r·min-1）、調(diào)節(jié)工質(zhì)流量（0.20～5.00 m3·h-1），得到了多級離心泵特性曲線。通過分析變工況時多級離心泵關(guān)鍵參數(shù)間相互作用關(guān)系，及其對車用ORC余熱回收系統(tǒng)性能的影響情況，驗證了多級離心泵應用于車用ORC余熱回收系統(tǒng)的可行性，并確定了其最佳工況點參數(shù)。研究結(jié)果表明：變工況時，多級離心泵總效率為15.00%～65.70%。車用ORC余熱回收系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力、熱效率均隨著多級離心泵轉(zhuǎn)速的增加而增加。在高轉(zhuǎn)速區(qū)，工質(zhì)流量對系統(tǒng)蒸發(fā)壓力和多級離心泵輸入功率（多級離心泵消耗的電功率）的影響明顯增大。隨著系統(tǒng)蒸發(fā)溫度的升高，工質(zhì)泵實際輸入功率占膨脹機輸出功率的比例（back work ratio，BWR）最高可達0.45。當多級離心泵轉(zhuǎn)速為2900 r·min-1時，車用ORC余熱回收系統(tǒng)熱效率最高可達10.50%。

有機朗肯循環(huán)；熱力學；泵；回收；變工況；運行性能

引 言

車用內(nèi)燃機運行時，只有20%～30%（汽油機）或30%～45%（柴油機）的燃料燃燒總能量用于動力輸出，其余能量被排氣和冷卻介質(zhì)帶走，造成能源浪費[1-3]。因此，將車用內(nèi)燃機的余熱能高效轉(zhuǎn)化再利用，必然會提高車用內(nèi)燃機的燃油經(jīng)濟性，達到節(jié)能減排的目的[4-6]。有機朗肯循環(huán)被認為是實現(xiàn)低品位能量回收的有效途徑之一，并在眾多領域得到了研究與應用[7-13]。國內(nèi)外學者針對ORC系統(tǒng)中的膨脹機和換熱器進行了大量的研究工作[14-19]，但目前針對工質(zhì)泵的研究較少[20-21]。工質(zhì)泵主要的作用是為ORC系統(tǒng)提供所需的工質(zhì)流量和壓力，工質(zhì)泵也是ORC系統(tǒng)中主要的耗能部件，其性能直接影響ORC系統(tǒng)的凈輸出功率和熱效率。

已有文獻中工質(zhì)泵的效率多為經(jīng)驗值，通常取為65.00%～85.00%[22-25]。往往忽略了工質(zhì)泵的效率變化對車用ORC余熱回收系統(tǒng)性能的影響情況。Quoilin等[26]針對ORC系統(tǒng)性能進行了分析，認為在計算ORC系統(tǒng)的熱效率和凈輸出功率時應充分考慮工質(zhì)泵輸入功率；當蒸發(fā)溫度接近工質(zhì)的臨界溫度時，BWR會顯著增加。Borsukiewicz-Gozdur[27]針對ORC系統(tǒng)中18種不同工質(zhì)的泵輸入功率進行了分析，認為低臨界溫度的工質(zhì)具有較大的工質(zhì)泵輸入功率；BWR在0.30%～14.00%的范圍內(nèi)變化。楊緒飛等[28]針對ORC系統(tǒng)中三柱塞泵進行研究，發(fā)現(xiàn)三柱塞泵的總效率為22.00%～30.00%；其機械效率偏低的主要原因是實際運行工況偏離額定工況。葉佳琦等[29]針對小型ORC系統(tǒng)中工質(zhì)泵的效率進行了研究，發(fā)現(xiàn)液壓隔膜泵的等熵效率為15.00%～47.00%；等熵效率隨工質(zhì)流量的增大和泵進出口壓差的增加而升高，而且受工質(zhì)流量的影響較大。Glover等[30]針對變工況有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)性能進行了分析，并搭建了車用內(nèi)燃機有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)仿真模型。假設工質(zhì)泵的等熵效率在任意熱源下均為75%。發(fā)現(xiàn)有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)熱效率為5%～23%。

若只在車用ORC余熱回收系統(tǒng)的實驗裝置中進行相關(guān)實驗工作，對于工質(zhì)泵的研究只能獲得部分工況點參數(shù)，無法系統(tǒng)且深入地研究變工況時工質(zhì)泵關(guān)鍵參數(shù)的變化規(guī)律及相互作用關(guān)系。當前，工質(zhì)泵在車用ORC余熱回收系統(tǒng)中的適用性及最佳控制策略也很少有相關(guān)研究成果發(fā)表。針對以上問題，以實驗為主要研究手段，搭建了以R123作為工質(zhì)的多級離心泵性能測試實驗系統(tǒng)，探究了多級離心泵全工況范圍內(nèi)關(guān)鍵參數(shù)變化規(guī)律及相互作用關(guān)系；分析了變工況時多級離心泵關(guān)鍵參數(shù)對車用ORC余熱回收系統(tǒng)性能的影響情況，為車用ORC余熱回收系統(tǒng)性能優(yōu)化及工質(zhì)泵選型提供可靠的理論依據(jù)。

1 實驗系統(tǒng)與方案

多級離心泵是一種典型的葉片式泵，密封性良好，調(diào)節(jié)方便，通過內(nèi)部的多級葉輪使工質(zhì)獲得高壓，其技術(shù)參數(shù)見表1。選用多級離心泵作為工質(zhì)泵，并搭建了多級離心泵性能測試實驗系統(tǒng)，用于探究多級離心泵轉(zhuǎn)速、工質(zhì)流量對出口壓力、總效率、輸入功率的影響規(guī)律。

表1 多級離心泵技術(shù)參數(shù)

1.1 實驗系統(tǒng)

圖1和圖2分別為多級離心泵性能測試實驗系統(tǒng)的原理和實物，該實驗系統(tǒng)主要由多級離心泵性能測試子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)組成。其中，多級離心泵性能測試子系統(tǒng)主要包括儲液罐、截止閥、多級離心泵和過濾器，各部件之間通過不銹鋼管路及法蘭連接；數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要包括功率表、溫度傳感器、壓力傳感器、質(zhì)量流量計、數(shù)據(jù)采集儀等。其中，儲液罐為不銹鋼材料，體積為100 L，為了避免多級離心泵發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，本實驗系統(tǒng)采取以下解決方式：①將儲液罐置于1 m×0.8 m×1.5 m的臺架上，與多級離心泵形成一定的高度差，避免多級離心泵內(nèi)產(chǎn)生較高的汽化壓力；②在儲液罐上方與多級離心泵進口處連接平衡管，使多級離心泵進口處壓力與儲液罐內(nèi)部壓力保持一致。

實驗前，保證管路和各部件之間密封連接，同時對系統(tǒng)進行抽真空處理，并向儲液罐內(nèi)注入R123。實驗過程中，工質(zhì)從儲液罐流出后進入多級離心泵被加壓，加壓后的工質(zhì)經(jīng)過濾器、質(zhì)量流量計等部件，最后流回儲液罐，完成一次循環(huán)。實驗中，變頻器用于改變多級離心泵轉(zhuǎn)速；功率表用于測量多級離心泵輸入功率；多級離心泵進口和出口處設置的溫度和壓力傳感器用于測量工質(zhì)的溫度和壓力；質(zhì)量流量計用于測量工質(zhì)的質(zhì)量流量和密度。實驗系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，通過數(shù)據(jù)采集儀實時采集實驗數(shù)據(jù)。實驗系統(tǒng)中各傳感器量程及測量精度見表2。

表2 實驗系統(tǒng)中傳感器技術(shù)參數(shù)

1.2 實驗方案

實驗過程中，儲液罐內(nèi)有機工質(zhì)溫度維持在313.15 K，對應的絕對壓力維持在0.22 MPa。由于該實驗是在模擬車用ORC余熱回收系統(tǒng)工作環(huán)境下進行的，儲液罐內(nèi)工質(zhì)的溫度用于模擬車用ORC余熱回收系統(tǒng)中的冷凝溫度，多級離心泵出口壓力用于模擬車用ORC余熱回收系統(tǒng)中的蒸發(fā)壓力。通過控制多級離心泵轉(zhuǎn)速（870～2900 r·min?1）、調(diào)節(jié)工質(zhì)流量（0.20～5.00 m3·h?1），進行多次實驗，從而得到多級離心泵特性曲線。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 出口壓力

圖3為不同轉(zhuǎn)速下多級離心泵出口壓力隨工質(zhì)流量的變化情況。由圖可知，當工質(zhì)流量一定時，多級離心泵出口壓力隨轉(zhuǎn)速的增加而升高；當多級離心泵轉(zhuǎn)速一定時，多級離心泵出口壓力隨工質(zhì)流量的增加而降低。當多級離心泵轉(zhuǎn)速為2900 r·min?1時，出口壓力最高可達2.79MPa。從圖中還可看出，多級離心泵轉(zhuǎn)速越高，工質(zhì)流量變化范圍越廣。當多級離心泵轉(zhuǎn)速從870 r·min?1提高到2900 r·min?1時，工質(zhì)流量變化范圍擴大了約3.6倍。同時，多級離心泵在高轉(zhuǎn)速區(qū)運行時，工質(zhì)流量對出口壓力的影響明顯增強。例如，當多級離心泵轉(zhuǎn)速為2610 r·min?1時，工質(zhì)流量每增加0.28 m3·h?1，出口壓力平均降低0.11MPa；而當其轉(zhuǎn)速為1160 r·min?1時，工質(zhì)流量每增加0.28 m3·h?1，出口壓力平均僅降低0.05 MPa。上述分析結(jié)果說明：在多級離心泵運行時，可通過協(xié)調(diào)控制工質(zhì)流量和多級離心泵轉(zhuǎn)速，以滿足變工況時車用ORC余熱回收系統(tǒng)對小流量、高蒸發(fā)壓力的需求。

2.2 輸入功率

圖4為不同轉(zhuǎn)速下多級離心泵輸入功率隨工質(zhì)流量的變化情況。由圖可知，當工質(zhì)流量一定時，多級離心泵輸入功率隨轉(zhuǎn)速的增加而增加；當多級離心泵在低轉(zhuǎn)速區(qū)運行時，其輸入功率隨工質(zhì)流量的變化不明顯，而在高轉(zhuǎn)速區(qū)運行時，其輸入功率隨工質(zhì)流量的增加而呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。多級離心泵轉(zhuǎn)速為2900r·min?1時的輸入功率大約是870r·min?1時的20倍。這說明了降低多級離心泵轉(zhuǎn)速能顯著降低其輸入功率。在大流量區(qū)運行時，多級離心泵轉(zhuǎn)速對輸入功率的影響較大。當工質(zhì)流量為0.20 m3·h?1時，多級離心泵轉(zhuǎn)速從1740r·min?1增加到2030r·min?1時，其輸入功率增長了0.39 kW；而從2610r·min?1增加到2900r·min?1時，其輸入功率增長了0.82kW。這主要是因為多級離心泵進出口壓差和工質(zhì)流量共同決定了其實際輸入功率的大小。上述分析結(jié)果說明：多級離心泵在高轉(zhuǎn)速區(qū)運行時，可通過協(xié)調(diào)控制轉(zhuǎn)速和工質(zhì)流量的方式，達到降低多級離心泵輸入功率的目的。

2.3 總效率

多級離心泵總效率的計算公式如下

圖5為不同轉(zhuǎn)速下多級離心泵總效率隨工質(zhì)流量的變化情況。由圖可知，在多級離心泵轉(zhuǎn)速一定時，多級離心泵總效率隨工質(zhì)流量的增加而呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，并在一定工質(zhì)流量范圍內(nèi)存在著穩(wěn)定高效區(qū)；隨著多級離心泵轉(zhuǎn)速的增加，多級離心泵總效率的最大值和穩(wěn)定高效區(qū)的范圍均逐漸增加。多級離心泵轉(zhuǎn)速為870 r·min?1時，總效率為15.80%～33.50%；而其轉(zhuǎn)速為2610 r·min?1時，總效率為15.90%～65.70%。由此可知，多級離心泵在接近額定工況點時效率較高，當多級離心泵在低轉(zhuǎn)速區(qū)運行時，其總效率明顯下降。這主要可能是因為以下兩點原因造成的：①多級離心泵實際運行工況嚴重偏離其額定工況；②當多級離心泵在低轉(zhuǎn)速區(qū)運行時，較高的進出口壓差和較低的流速使工質(zhì)泵的內(nèi)部泄漏問題更加突出。當多級離心泵在高轉(zhuǎn)速、大流量區(qū)運行時，其總效率也呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢。這可能是因為較大的工質(zhì)流量導致較多的有機工質(zhì)繞過葉輪，而沒有獲得有效能量。上述分析結(jié)果說明：當多級離心泵在低轉(zhuǎn)速區(qū)運行時，可通過提高多級離心泵轉(zhuǎn)速和工質(zhì)流量來提高其效率；在高轉(zhuǎn)速區(qū)運行時，可通過調(diào)節(jié)工質(zhì)流量使其運行在穩(wěn)定高效區(qū)。

圖5 多級離心泵總效率隨流量的變化情況

Fig.5 Overall efficiency of multistage centrifugal pump with flow rate

3 車用ORC余熱回收系統(tǒng)性能分析

3.1 BWR

BWR表示工質(zhì)泵實際輸入功率占膨脹機輸出功率的比例；BWRth（理論BWR）表示工質(zhì)泵理論輸入功率占膨脹機輸出功率的比例。圖6為不同轉(zhuǎn)速下BWR和BWRth隨蒸發(fā)溫度的變化情況。從圖中可以看出，BWRth隨著蒸發(fā)溫度的升高而呈現(xiàn)出緩慢增加的趨勢，最高為0.08。而隨著蒸發(fā)溫度的升高，實際BWR呈現(xiàn)出先緩慢減小后急劇增加的趨勢，最高可達0.45。主要是因為多級離心泵的效率隨工況變化而不斷變化，在低轉(zhuǎn)速、低蒸發(fā)溫度區(qū)運行時，多級離心泵的效率相對較高，導致BWR緩慢下降；而在高轉(zhuǎn)速、高蒸發(fā)溫度區(qū)運行時，多級離心泵的效率急劇下降，導致BWR迅速上升。在此情況下如果再考慮冷凝風扇，潤滑油泵等的輸入功率時，可能出現(xiàn)車用ORC余熱回收系統(tǒng)凈輸出功率為負值的情況。多級離心泵在高轉(zhuǎn)速、高蒸發(fā)溫度區(qū)運行時，可通過降低多級離心泵轉(zhuǎn)速和工質(zhì)流量的方式來有效控制其輸入功率和效率。綜上分析：在車用ORC余熱回收系統(tǒng)中，可在不影響蒸發(fā)溫度持續(xù)升高的條件下，通過提高多級離心泵轉(zhuǎn)速來有效地降低BWR，從而使車用ORC余熱回收系統(tǒng)熱效率和凈輸出功率達到最佳值。

3.2 熱效率

車用ORC余熱回收系統(tǒng)熱效率的計算公式如下

圖7為不同轉(zhuǎn)速下車用ORC余熱回收系統(tǒng)熱效率隨蒸發(fā)溫度的變化情況。從圖中可看出，在多級離心泵轉(zhuǎn)速一定時，車用ORC余熱回收系統(tǒng)熱效率隨蒸發(fā)溫度的升高而呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。在多級離心泵轉(zhuǎn)速為2900 r·min-1時，車用ORC余熱回收系統(tǒng)熱效率最高可達10.50%。還可以看出，通過提高多級離心泵轉(zhuǎn)速可使蒸發(fā)溫度升高，進而有利于提高車用ORC余熱回收系統(tǒng)熱效率。這是因為，根據(jù)有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)熱力學模型[26]，多級離心泵轉(zhuǎn)速增加使多級離心泵出口壓力增大，進而使蒸發(fā)壓力增大，由于膨脹機出口假定為飽和蒸氣狀態(tài)，所以蒸發(fā)溫度會隨之升高。上述分析表明：在多級離心泵轉(zhuǎn)速一定時，通過調(diào)節(jié)工質(zhì)流量，可使車用ORC余熱回收系統(tǒng)在最佳蒸發(fā)溫度條件下運行，并使車用ORC余熱回收系統(tǒng)的熱效率達到最佳值。

圖7 熱效率隨蒸發(fā)溫度的變化情況

Fig.7 Thermal efficiency with evaporating temperature

3.3 最佳工況點

表3為不同轉(zhuǎn)速下多級離心泵在車用ORC余熱回收系統(tǒng)中的最佳工況點參數(shù)。如表所示，隨著多級離心泵轉(zhuǎn)速的升高，系統(tǒng)最佳蒸發(fā)溫度對應的系統(tǒng)蒸發(fā)壓力、凈輸出功率、熱效率等也隨之升高。多級離心泵轉(zhuǎn)速從870 r·min?1提高到2900 r·min?1，系統(tǒng)最佳蒸發(fā)溫度從348.75 K提升到429.82 K，對應的蒸發(fā)壓力從0.44 MPa提高到2.35 MPa，系統(tǒng)熱效率從3.59%提高到10.50%。綜上所述，通過對多級離心泵轉(zhuǎn)速和工質(zhì)流量的協(xié)調(diào)控制可使車用ORC余熱回收系統(tǒng)達到最佳性能，從而為車用ORC余熱回收系統(tǒng)工況調(diào)控提供理論依據(jù)。

表3 多級離心泵在車用ORC余熱回收系統(tǒng)中的最佳工況點參數(shù)

4 結(jié) 論

（1）多級離心泵的效率變化范圍較廣，約為15.00%～65.70%。因此，在對車用ORC余熱回收系統(tǒng)進行理論分析時，工質(zhì)泵的效率取值應根據(jù)實驗結(jié)果來確定。

（2）實際BWR隨蒸發(fā)溫度的升高而呈現(xiàn)出先緩慢減小后急劇增加的趨勢，比理論值高出約5.30倍，此時對應的多級離心泵的效率為15.00%。低的工質(zhì)泵效率直接影響了車用ORC余熱回收系統(tǒng)的凈輸出功率和熱效率的提高。

（3）通過調(diào)節(jié)多級離心泵轉(zhuǎn)速和工質(zhì)流量，可使多級離心泵高效地應用于車用ORC余熱回收系統(tǒng)。在不同轉(zhuǎn)速下，存在使車用ORC余熱回收系統(tǒng)熱效率達到最佳值的工況點，對車用ORC余熱回收系統(tǒng)性能優(yōu)化具有重要意義。

（4）隨著多級離心泵轉(zhuǎn)速的增加，多級離心泵效率、車用ORC余熱回收系統(tǒng)蒸發(fā)壓力、熱效率、凈輸出功率均呈現(xiàn)出增加的趨勢。當多級離心泵在高轉(zhuǎn)速區(qū)運行時，通過控制工質(zhì)流量可使其運行在穩(wěn)定高效區(qū)。

（5）多級離心泵輸入功率隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，且增加的幅度逐漸增大?？赏ㄟ^協(xié)調(diào)控制轉(zhuǎn)速和工質(zhì)流量的方式來降低其在高轉(zhuǎn)速區(qū)運行時的輸入功率，從而增加車用ORC余熱回收系統(tǒng)凈輸出功率。

符 號 說 明

P——功率，W p——壓力，MPa Q——吸熱量，J q——流量，m3·s-1 W——功，J η——熱效率，% η′——效率，% 下角標 e——膨脹機 ORC——車用ORC余熱回收系統(tǒng) p——多級離心泵 th——理論 v——體積 1——進口 2——出口

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Running performance of working fluid pumpfor organic Rankine cycle system

ZHANG Hongguang1,2, YANG Yuxin1,2, MENG Fanxiao1,2, ZHAO Rui1,2, TIAN Yaming1,2, LIU Yi3

(1College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;2Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles in Beijing, Beijing 100124, China;3Datong North Tianli Turbocharging Technology Co. Ltd.,Datong037036, Shanxi, China)

To study the performance and selection of the working fluid pump in organic Rankine cycle (ORC) waste heat recovery system for vehicleengines, a test bench of a multistage centrifugal pump was constructed using R123 as working fluid in a condition of simulative ORC waste heat recovery system for vehicleengines. Experimental results of the multistage centrifugal pump under various operating conditions were obtained based on controlled working rotational speed (870—2900 r·min-1)and working fluid flow rate (0.20—5.00 m3·h-1). The interaction of the key pump parameters and their effect on the ORC performance were analyzed in this paper. In addition, the feasibility of the multistage centrifugal pump applied to the ORC waste heat recovery system for vehicleengineswas verified and the optimal working point parameters were also determined. Results showed that the overall pump efficiency of multistage centrifugal pump was between 15.00% and 65.70%. The outlet pressure, pump efficiency and ORC thermal efficiency increased with the increase of the rotating speed of the pump. The flow rate needed to be regulated as the frequency became increasingly high. The maximum thermal efficiencies of the ORC system corresponding to various working frequencies of the pump were observed. Furthermore, the practical back work ratio (BWR) can reach up to 0.45 with the increase of the evaporating temperature of the ORC system. And the thermal efficiency can reach up to 10.50% when the rotating speed of multistage centrifugal pump was 2900 r·min?1. Pumping power should not be neglected for small-scale ORC applications, and pump efficiency assumptions should be dependent on experiments. Low pump efficiency affected the increase of the thermal efficiency and net power of the ORC system.

organic Rankine cycle; thermodynamics; pump; recovery; various operating conditions; running performance

10.11949/j.issn.0438-1157.20170244

TK 11+5

A

0438—1157（2017）09—3573—07

2017-03-24收到初稿，2017-05-25收到修改稿。

張紅光（1970—），男，教授。

2016年度國家自然科學基金委員會與英國皇家學會合作交流項目（51611130193）；國家自然科學基金項目（51376011）；北京市自然科學基金面上項目（3152005）。

2017-03-24.

Prof. ZHANG Hongguang, zhanghongguang@ bjut.edu.cn

supported by the Projects of International Cooperation and Exchanges NSFC (51611130193), the National Natural Science Foundation of China (51376011) and the Natural Science Foundation of Beijing (3152005).