有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的工質(zhì)選擇

柴卓旻，梁家雨，孫雨晨，吳天旭，高曉蕾（通信作者，朱晨陽(yáng)，武潭

1.鄭州大學(xué) 力學(xué)與安全工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；3.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 鄭州 450001

0 引言

當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度加快，世界各國(guó)對(duì)能源的需求量也在不斷將增加，導(dǎo)致化石能源的消耗速度也在不斷地增加，如果沒有其他可再生能源可以有效地替代如今化石能源在全球各個(gè)方面的地位的話，化石能源很可能會(huì)被人類消耗殆盡。從另一方面來(lái)看，化石能源的利用率很低，而且其排放物對(duì)環(huán)境的污染十分嚴(yán)重。就目前開發(fā)的地?zé)崮?、太?yáng)能等新能源以及大量的余熱資源來(lái)說(shuō)，中高溫?zé)崮苷嫉降谋壤⒉欢?，而絕大部分都是品位較低的低溫?zé)嵩?，若將這些低溫?zé)崮苡行У乩闷饋?lái)，將會(huì)對(duì)緩解能源緊張的局勢(shì)起到關(guān)鍵性的作用。所以說(shuō)有機(jī)朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle，ORC）是很好的選擇，因此本文就ORC多個(gè)工質(zhì)的選擇和分析進(jìn)行論述。

1 有機(jī)朗肯循環(huán)及采用有機(jī)工質(zhì)的優(yōu)勢(shì)

有機(jī)朗肯循環(huán)主要是由蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、工質(zhì)泵和冷凝器四個(gè)部件組成。工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)從低溫?zé)嵩粗形諢崃亢螽a(chǎn)生有機(jī)蒸氣，推動(dòng)了膨脹機(jī)旋轉(zhuǎn)做功，帶動(dòng)著發(fā)電機(jī)發(fā)電，做完功的乏氣進(jìn)入冷凝器中冷卻為液體儲(chǔ)存起來(lái)，再通過工質(zhì)泵打入蒸發(fā)器中，完成一個(gè)循環(huán)。

ORC使用低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)，其物理性質(zhì)對(duì)系統(tǒng)的性能有很大的影響。因此，ORC技術(shù)的基礎(chǔ)是對(duì)工質(zhì)物性以及系統(tǒng)性能影響的研究。有機(jī)工質(zhì)的蒸發(fā)需要的熱量比水小很多，因此在應(yīng)用低溫?zé)嵩磿r(shí)熱回收率高，而且有機(jī)工質(zhì)沸點(diǎn)很低，極易產(chǎn)生帶有高壓的有機(jī)蒸汽。在較低的溫度下也能獲得壓力很高的蒸汽，無(wú)論是對(duì)于運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，還是對(duì)于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)性方面，ORC系統(tǒng)比傳統(tǒng)的水蒸氣循環(huán)系統(tǒng)都具有更多的優(yōu)勢(shì)。并且ORC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊，投資成本也相對(duì)較低，同時(shí)也能利用余熱從而達(dá)到減少化石燃料使用的作業(yè)。

2 工質(zhì)的選擇

大體來(lái)說(shuō)，影響ORC系統(tǒng)性能的兩個(gè)主要因素是循環(huán)工質(zhì)和蒸發(fā)溫度，其研究的重點(diǎn)是工質(zhì)和蒸發(fā)參數(shù)的優(yōu)化，工作介質(zhì)和熱源溫度的匹配是工質(zhì)優(yōu)化的核心，最大可能回收余熱用于發(fā)電是ORC低溫余熱發(fā)電的根本目的。選擇正確的工作介質(zhì)，熟悉工質(zhì)隨蒸發(fā)參數(shù)的熱性能變化規(guī)律，是優(yōu)化工作介質(zhì)的重要條件。

3 工質(zhì)的性能分析

3.1 R245fa

工質(zhì)R245fa也稱作HFC-245fa，學(xué)名是“1，1，1，3，3-五氟丙烷”，化學(xué)分子式為CF3CH2CHF2，相對(duì)分子質(zhì)量為134g/mol，沸點(diǎn)約為15.3℃，在20℃時(shí)密度為1.32g/ml，蒸汽壓為123kPa，是揮發(fā)性無(wú)色液體，有清甜氣味，常溫常壓條件下不可燃，具有較低毒性。

由于R245fa零臭氧消耗潛值（Ozone Depletion Potential，ODP）和低全球變暖潛能值（Global Warming Potential，GWP）的制冷劑特性，其不僅能保持優(yōu)越的熱力性能，還綠色環(huán)保，不會(huì)對(duì)臭氧層造成破壞。R245fa這種新型環(huán)保制冷劑的研究在國(guó)內(nèi)外尚處于起步階段，已在發(fā)泡劑、ORC、高溫?zé)岜玫阮I(lǐng)域得到應(yīng)用。一般來(lái)說(shuō)，85～200℃的工業(yè)余熱是ORC的應(yīng)用條件，其應(yīng)用條件下的冷媒選擇原則是保證夾點(diǎn)溫差大于0℃。R245fa是一種不易燃、不易爆的流體，具有優(yōu)良的熱工性能，廣泛應(yīng)用于余熱回收領(lǐng)域。以R245fa為工質(zhì)開發(fā)的高溫?zé)岜孟到y(tǒng)，可在15℃進(jìn)水條件下將水加熱至80℃。

在ORC余熱回收領(lǐng)域，90℃時(shí)R245fa回收熱效率最高，明顯高于其他單一或混合工質(zhì)。結(jié)果表明，對(duì)于相同的工質(zhì)，目標(biāo)函數(shù)（經(jīng)濟(jì)效益、熱效率）會(huì)根據(jù)蒸發(fā)溫度得到不同的最優(yōu)工況，凈功輸出最大點(diǎn)與最小單位設(shè)備成本無(wú)關(guān)。R245fa在ORC系統(tǒng)中具有良好的熱性能、經(jīng)濟(jì)性和熱效率，更適用于低溫有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)，以及與潤(rùn)滑油、加強(qiáng)管傳熱系數(shù)和其他制冷劑成比例混合的工質(zhì)物理性能實(shí)驗(yàn)研究。此外，在目前的監(jiān)管條件下，R245fa將更好地用于ORC系統(tǒng)和高溫?zé)岜谩?/p>

未來(lái)新型環(huán)保工質(zhì)R245fa的研究方向主要是高溫?zé)岜玫膽?yīng)用、與潤(rùn)滑油的混合與可燃性研究、提高加強(qiáng)管傳熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究和物理混合工質(zhì)的性能與其他制冷劑成比例。

3.2 R123

工質(zhì)R-123，它的分子量為152.9，沸點(diǎn)（1atm）為27.7℃，臨界溫度是183.7℃，臨界壓力是3670kPa，25℃下飽和蒸氣壓為91.29kPa汽化熱/蒸發(fā)潛熱（沸點(diǎn)下，1atm）為170kJ/kg。

R123工質(zhì)的不足之處在于，ASHRAE的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定R-123有很強(qiáng)的毒性。在ORC中，通過測(cè)試可以得到：有機(jī)工質(zhì)R123的最大蒸發(fā)壓力是2.154MPa，其導(dǎo)熱油的溫度是233.18℃，冷凝壓力是0.123MPa。相對(duì)比而言，R123在101kPa的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下比R245fa更為方便儲(chǔ)存。

Takahisa Yamamoto[1]在60～200℃的工況條件下對(duì)低品質(zhì)余熱（如太陽(yáng)能、廢熱能量等）進(jìn)行回收，以渦輪為做功設(shè)備，并通過對(duì)比水和R123作為循環(huán)工質(zhì)的系統(tǒng)輸出功，得出結(jié)論：有機(jī)工質(zhì)R123的沸點(diǎn)低和低潛熱特性在ORC有機(jī)朗肯循環(huán)余熱回收方面有很好的提升效果。

李慧君[2]等利用Rc318、R365MFC、R141bR245fa、甲苯、正戊烷、苯、R123、R142b和R365MFC等有機(jī)工質(zhì)，通過一系列的例子進(jìn)行分析整合，得出結(jié)論：熱源溫度在100℃到180℃的溫度范圍下，工質(zhì)R123在有機(jī)朗肯循環(huán)中，余熱發(fā)電系統(tǒng)中熱經(jīng)濟(jì)性能較為優(yōu)秀。

劉建[3]等運(yùn)用熱力學(xué)定律和能量守恒建立ORC熱力分析模型，得出結(jié)論：在相同的蒸發(fā)參數(shù)條件下，有機(jī)工質(zhì)R123的熱效率高于有機(jī)工質(zhì)R245fa。其相同溫度下R123的低壓特性，對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行起到良好作用。另外，綜合環(huán)保性和熱力學(xué)性能，工質(zhì)R123都比R245fa更優(yōu)異。

3.3 R1233zd

R1233zd（E）全名為“反式-1-氯-3，3，3-三氟丙烯”，分子量為130.5。該有機(jī)工質(zhì)為無(wú)色透明液體，具有大氣壽命短暫，只有26d的突出特點(diǎn)。其臨界溫度為166.5℃，沸點(diǎn)為19℃，飽和壓力為0.190MPa。R1233zd（E）的ODP為0，GWP也非常低，因此說(shuō)R1233zd（E）具有良好的發(fā)展前景。

劉政[4]等選取SES36、R1233zd（E）、R245fa、R123這4種有機(jī)工質(zhì)，研究了低溫余熱有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)在不同的溫度下對(duì)于凈功率、熱力學(xué)效率、蒸發(fā)器出口工質(zhì)的可用勢(shì)熱力學(xué)性能及系統(tǒng)不可逆損失性能指標(biāo)開展對(duì)比分析，其中測(cè)試溫度為90～200℃。結(jié)果表明，R1233zd（E）是R123和R245fa良好的替代品。

劉美麗[5]等通過對(duì)ORC建立相關(guān)的仿真模型，在功率為50kW且測(cè)試的熱源溫度范圍為120～220℃之間的ORC系統(tǒng)對(duì)R123、R245fa、R600a和R1233zd（E）進(jìn)行模擬計(jì)算，考察了系統(tǒng)的熱效率與蒸發(fā)壓力、溫度、熱力特性等因素的關(guān)系。測(cè)試結(jié)果為膨脹機(jī)進(jìn)氣口的溫度為100～150℃，R1233zd（E）的循環(huán)效率和換熱系數(shù)都比R245fa的高。

Eyerer[6]等在ORC系統(tǒng)中對(duì)R1233zd（E）和R245fa進(jìn)行試驗(yàn)并進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在ORC系統(tǒng)中工質(zhì)R1233zd（E）可以獲得更高的效率，比R245fa高6.92%。在熱效率方面，與R245fa相比，R1233zd（E）的熱效率高2%。

YANG[7]等在ORC系統(tǒng)中測(cè)試了R1234ze（Z），R1233zd（E）和R336mzz（E）三種工質(zhì)替代R245fa的可行性。結(jié)果顯示在允許的工作條件范圍內(nèi)，R1234ze（Z）的最大循環(huán)熱效率為4.7%，相比之下，R245fa最大循環(huán)熱效率為4.6%，而R1233zd（E）和R1336mzz（E）的分別為4.5%和3.1%。證明R1233zd（E）具有在ORC系統(tǒng)中替代R245fa的能力。

3.4 R134a

R-134a（1，1，1，2-四氟乙烷）是一種無(wú)氯原子，對(duì)臭氧層沒有破壞性作用，是一種很安全性能良好的制冷劑（不易燃、非爆炸性、無(wú)毒、無(wú)刺激性、無(wú)腐蝕性）。根據(jù)劉杰[8]對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)三個(gè)不同工況實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，在此選擇對(duì)R245fa和R134a工質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和分析。

以下為R134a和R245fa的對(duì)比。

（1）低溫?zé)嵩?00℃時(shí)，最合適的循環(huán)工質(zhì)是R245fa。R134a也適合在該熱源下運(yùn)行，但效率相比R245fa較低。

（2）在熱源溫度低于150℃時(shí)，R245fa具有最高的效率，達(dá)到11.5%左右;而R134a在80℃以下的熱源利用率更高，接近6.5%。

（3）在蒸發(fā)壓力為1000kPa時(shí)，R245fa的不可逆損失較小；而R134a在蒸發(fā)壓力超過2000kPa時(shí)不可逆損失比較小。

（4）R245fa與R134a循環(huán)的蒸發(fā)溫度均隨著熱源溫度的上升而上升，但冷凝溫度保持不變。其中R245fa循環(huán)的冷凝器出口過冷度較大，而R134a循環(huán)的蒸發(fā)器出口過熱度比較大，即說(shuō)明R245fa利用熱源更充分，R134a冷源換熱性能更好。

（5）兩個(gè)循環(huán)的效率都隨著熱源溫度的升高而提高。其中，R245fa的循環(huán)效率更高。

綜上所述，相同工況條件下，R245fa的循環(huán)效率高于R134a，且其有利于系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的提高。

4 結(jié)語(yǔ)

ORC發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的根本區(qū)別在于采用有機(jī)工質(zhì)，所以工質(zhì)特性將主導(dǎo)整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及效率。因此，對(duì)工質(zhì)物性及其對(duì)系統(tǒng)性能影響的研究是ORC技術(shù)研究的基礎(chǔ)。對(duì)于ORC系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，R245fa在90℃時(shí)，回收熱效率最高，且具有較好的熱力性能、經(jīng)濟(jì)性、熱效率良好、較低的APR等特點(diǎn)；R123的低沸點(diǎn)低潛熱特性，在有機(jī)朗肯循環(huán)余熱回收中，循環(huán)熱效率高；R1233zd（E）具有不可燃、不含揮發(fā)性有機(jī)物且ODP和GWP極低的特性，在ORC循環(huán)中循環(huán)效率、熱效率和換熱系數(shù)都較高；R134a不易燃、不爆炸、無(wú)毒、無(wú)刺激性、無(wú)腐蝕性，且不會(huì)對(duì)臭氧層造成破壞，在空氣中不可燃。