韓中合，潘歌，范偉，王智（華北電力大學(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003）

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內(nèi)回?zé)崞鲗Φ蜏赜袡C(jī)朗肯循環(huán)熱力性能的影響及工質(zhì)選擇

韓中合，潘歌，范偉，王智
（華北電力大學(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003）

摘要：目前對有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）有無內(nèi)回?zé)崞鞯膶Ρ妊芯恐饕性谘h(huán)熱力性能隨初參數(shù)變化的對比，但很少考慮吸熱量對兩個(gè)系統(tǒng)熱力性能的影響。本文以煙氣余熱為熱源，構(gòu)建無回?zé)岷蛶в袃?nèi)回?zé)岬腛RC系統(tǒng)，選用10種干工質(zhì)，通過熱源參數(shù)變化引起工質(zhì)吸熱量的變化，分析工質(zhì)分別在兩種系統(tǒng)中的初溫、凈功量、熱耗率及?損的變化規(guī)律，得出了較優(yōu)工質(zhì)和各工質(zhì)對內(nèi)回?zé)崞鞯钠ヅ湫?。結(jié)果表明：當(dāng)熱源溫度為150℃、排煙溫度在70～90℃間引起的工質(zhì)吸熱量變化時(shí)，在窄點(diǎn)溫差為10℃下，帶有內(nèi)回?zé)崞鞯腛RC系統(tǒng)更適用于吸熱量較低的區(qū)間；當(dāng)吸熱量較高時(shí)，內(nèi)回?zé)崞鲗ο到y(tǒng)熱力性能提升的能力降低，甚至低于無回?zé)岬腛RC系統(tǒng)；經(jīng)綜合比較，工質(zhì)R236ea和R600a最優(yōu)，工質(zhì)R245fa和 R600為較適合工質(zhì)；以R123為工質(zhì)的帶有內(nèi)回?zé)崞骱蜔o回?zé)岬腛RC系統(tǒng)熱力性能差異較小，熱耗率最大差值僅為約600kJ/kg，凈功量最大差值也僅為約2kW，因此，R123對內(nèi)回?zé)崞鞯臒崞ヅ湫韵鄬^差。

關(guān)鍵詞：熱力學(xué)性質(zhì)；有機(jī)朗肯循環(huán)；內(nèi)回?zé)崞?；熱力性能；工質(zhì)；模擬；?

第一作者及聯(lián)系人：韓中合（1964—）,男，教授，博士生導(dǎo)師，方向?yàn)殡姀S熱力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷、兩相流動計(jì)算與測量、葉輪機(jī)械 CFD 與優(yōu)化設(shè)計(jì)等。E-mail han_zhonghe@163.com。

低溫余熱普遍存在于建材、冶金、化工和輕工等工業(yè)過程中，利用余熱資源每發(fā)1kW·h電量，可節(jié)約近0.4kg標(biāo)準(zhǔn)煤及4kg水的消耗，減少約1.1kg 的CO2、SO2及氮氧化物等物質(zhì)的排放，同時(shí)減輕電廠大量用煤造成的沿線交通、運(yùn)輸及環(huán)境壓力，緩解電廠鍋爐灰渣的儲運(yùn)壓力[1]。實(shí)現(xiàn)工業(yè)余熱高效回收利用，對我國的節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境工作具有重要的實(shí)際意義。由于低溫余熱的品位較低，傳統(tǒng)的水蒸氣朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)難以直接利用，而有機(jī)朗肯循環(huán)（organic rankine cycle，簡稱ORC）技術(shù)能夠直接利用低品位熱能進(jìn)行熱功轉(zhuǎn)換，且具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、效率高、環(huán)境友好和適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2]，因此，利用有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)回收低溫余熱已經(jīng)成為目前的研究熱點(diǎn)。HUNG等[3-4]分析了干工質(zhì)、濕工質(zhì)和絕熱工質(zhì)的劃分并結(jié)合T-S圖分析不同類型工質(zhì)在循環(huán)中的特點(diǎn)，又進(jìn)一步根據(jù)干、濕工質(zhì)的特點(diǎn)分別對基于海洋溫差發(fā)電和太陽能熱發(fā)電的ORC進(jìn)行討論，分析循環(huán)熱效率與工質(zhì)熱力特性間的關(guān)系，得出苯系列有機(jī)工質(zhì)較為適用。劉廣林等[5]選用HFC類和烷類共8種工質(zhì)，以煙氣為熱源進(jìn)行分析，提出有內(nèi)回?zé)崞鞯腛RC系統(tǒng)熱效率較無回?zé)岬暮唵蜲RC系統(tǒng)高，R245fa相對適用。郭叢等[6]采用R601和R601a配比構(gòu)成的非共沸混合工質(zhì)，進(jìn)行基于地?zé)岬腛RC系統(tǒng)熱力性能分析，指出以凈功率為目標(biāo)函數(shù)的地?zé)酧RC系統(tǒng)中不宜加入內(nèi)回?zé)崞?。徐榮吉等[7]采用R123為工質(zhì)，對具有內(nèi)回?zé)岷蜔o回?zé)岬腛RC系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，在熱源溫度為100℃時(shí)，內(nèi)回?zé)岷蜔o回?zé)岬南到y(tǒng)輸出功率是一樣的，但是具有內(nèi)回?zé)岬南到y(tǒng)熱效率比無回?zé)釙r(shí)高1.21%。研究表明，在相同初、終參數(shù)下，具有內(nèi)回?zé)岬腛RC熱效率高于無回?zé)岬腛RC，然而實(shí)際熱源的熱容量是有限的，不同有機(jī)工質(zhì)由于熱物性的不同，導(dǎo)致其在相同吸熱量下初參數(shù)不同，由此引起的具有內(nèi)回?zé)崤c無回?zé)岬腛RC熱力性能差異在當(dāng)前的文獻(xiàn)中報(bào)道相對較少。

本文以煙氣余熱為熱源，構(gòu)建無回?zé)岷蛶в袃?nèi)回?zé)岬腛RC系統(tǒng)，選用R236ea、R600a、R245fa 等10種干工質(zhì)，通過熱源參數(shù)變化引起工質(zhì)吸熱量的變化，分析不同工質(zhì)分別在兩種系統(tǒng)中的初溫、凈功量、熱耗率及?損隨吸熱量的變化規(guī)律；同時(shí)，比較兩種系統(tǒng)的熱力性能差異，篩選出較為適用的工質(zhì)。

1　有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)

1.1工作原理

無回?zé)岬腛RC系統(tǒng)如圖1所示，煙氣余熱在蒸發(fā)器內(nèi)放熱，將工質(zhì)定壓加熱至干飽和蒸汽狀態(tài)1，蒸汽進(jìn)入膨脹機(jī)做功，由狀態(tài)2進(jìn)入冷凝器，在冷凝器內(nèi)定壓放熱至狀態(tài)3，工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵升壓達(dá)到狀態(tài)4后，被輸送至蒸發(fā)器進(jìn)行加熱，在圖1的T-S圖中，1—2s為膨脹機(jī)內(nèi)的理想膨脹過程，3—4s為工質(zhì)泵內(nèi)的理想壓縮過程，3′點(diǎn)為冷凝器內(nèi)工質(zhì)的干飽和狀態(tài)點(diǎn)，ΔTpp為窄點(diǎn)溫差。

圖1　無回?zé)岬腛RC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和循環(huán)原理圖

由圖1中的T-S圖可以發(fā)現(xiàn)，膨脹機(jī)排汽狀態(tài)點(diǎn)位于過熱蒸汽區(qū)，即排汽在冷凝器內(nèi)釋放的熱量為過熱熱量與潛熱量之和。具有內(nèi)回?zé)岬腛RC系統(tǒng)如圖2所示，由于加裝了內(nèi)回?zé)崞?，系統(tǒng)能夠?qū)⒐べ|(zhì)泵升壓后的工質(zhì)在輸送至蒸發(fā)器之前，吸收排汽中的過熱熱量，進(jìn)而減少了冷凝器中的放熱量，同時(shí)提高蒸發(fā)器的進(jìn)口溫度，減少熱源吸熱量。因此，在相同的初、終參數(shù)下，相對于無回?zé)岬腛RC系統(tǒng)，有回?zé)岬腛RC系統(tǒng)能夠使循環(huán)熱效率得到提升。

為方便討論，本文將無回?zé)岬腛RC系統(tǒng)簡稱為ORC系統(tǒng)，具有內(nèi)回?zé)岬腛RC系統(tǒng)簡稱為IORC系統(tǒng)。

圖2　有回?zé)岬腛RC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和循環(huán)原理圖

1.2熱力模型

基于工程熱力學(xué)理論對ORC和IORC系統(tǒng)中各主要部件中的熱力過程進(jìn)行分析，并建立熱力性能評價(jià)指標(biāo)模型。本文從熱源參數(shù)變化的角度來分析系統(tǒng)熱力性能，因此蒸發(fā)器煙氣側(cè)的進(jìn)口溫度、出口溫度、比熱容和流量均為已知量，蒸發(fā)器的能量平衡方程見式(1)、式(2)。

ORC系統(tǒng)

IORC系統(tǒng)

膨脹機(jī)的相對內(nèi)效率ηi見式(3)。

由相對內(nèi)效率可以得出膨脹機(jī)實(shí)際輸出功率為式(4)。

工質(zhì)在冷凝器內(nèi)的放熱量Q2見式(5)、式(6)。

ORC系統(tǒng)

IORC系統(tǒng)

工質(zhì)泵的效率為ηp，則泵耗功功率見式(7)、式(8)。

ORC系統(tǒng)

IORC系統(tǒng)

從理論上講，在IORC系統(tǒng)中，內(nèi)回?zé)崞髌麄?cè)工質(zhì)為定壓放熱，由于泵功作用，液側(cè)工質(zhì)溫度略高于冷凝器內(nèi)工質(zhì)凝結(jié)溫度，因此在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，汽側(cè)工質(zhì)不會發(fā)生相變，且放熱后的汽側(cè)工質(zhì)進(jìn)入冷凝器時(shí)具有少量的過熱度。內(nèi)回?zé)崞鞯哪芰科胶夥匠虨槭?9)。

采用不同工質(zhì)的系統(tǒng)，當(dāng)吸熱量相同時(shí)，熱效率越高輸出凈功也就越高，此時(shí)熱效率與凈功量在熱力性能評價(jià)方面具有一致性，此點(diǎn)與部分文獻(xiàn)中提出的“反問題及其求解方法”[8]相似。由于熱效率與凈功量具有一致性，為了能夠直觀地反映出系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換完善程度與熱源參數(shù)間的關(guān)系，本文以熱耗率替代熱效率作為系統(tǒng)熱力性能評價(jià)指標(biāo)之一。同時(shí)，基于熱力學(xué)第二定律，通過各熱力過程的?損失以及系統(tǒng)總?損失對系統(tǒng)熱力性能進(jìn)行評價(jià)。系統(tǒng)熱力性能評價(jià)指標(biāo)見式(10)～式(21)。

凈功量

熱耗率

蒸發(fā)器?損ORC系統(tǒng)

IORC系統(tǒng)

膨脹機(jī)?損

冷凝器?損ORC系統(tǒng)

IORC系統(tǒng)

工質(zhì)泵?損ORC系統(tǒng)

IORC系統(tǒng)

內(nèi)回?zé)崞?損

系統(tǒng)總?損ORC系統(tǒng)

IORC系統(tǒng)

2　工質(zhì)選擇

有機(jī)工質(zhì)按不同的劃分依據(jù)具有多種類型，如根據(jù)T-S圖上干飽和蒸汽線斜率為正、負(fù)或無窮可以分為干工質(zhì)、濕工質(zhì)和絕熱工質(zhì)；從工質(zhì)發(fā)展歷程及環(huán)保性方面，可以分為CFC類、HC類、HCFC類、HFC類、HFO類等。目前關(guān)于工質(zhì)的分類已有大量報(bào)道[9-12]，故不再贅述。本文以消耗臭氧層潛值（ODP）為零或近零、全球變暖潛值（GWP）盡量低、并綜合安全性為基準(zhǔn)，同時(shí)，為了分析ORC系統(tǒng)與IORC系統(tǒng)的熱力性能差異及工質(zhì)與內(nèi)回?zé)崞鞯臒崞ヅ湫?，選取了10種干工質(zhì)，各工質(zhì)熱力性質(zhì)參數(shù)如表1所示。

3　計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)熱力模型可知，熱源參數(shù)均為已知量，其中蒸發(fā)器煙氣側(cè)出口溫度可變，其余熱源參數(shù)均為定值。同時(shí)，假設(shè)熱源參數(shù)變化時(shí)，膨脹機(jī)相對內(nèi)效率與泵效率均為定值保持不變，蒸發(fā)器與冷凝器的換熱效率為100%，忽略所有設(shè)備及連接管道、閥門附件的散熱損失，具體計(jì)算工況如表2所示。

表1　工質(zhì)的熱力性質(zhì)參數(shù)

表2　計(jì)算條件

3.1ORC系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果及分析

工質(zhì)在膨脹機(jī)入口溫度，即初溫隨吸熱量的變化如圖3所示，隨著吸熱量的增大，工質(zhì)初溫降低。這是由于受蒸發(fā)器窄點(diǎn)溫差的約束，工質(zhì)的質(zhì)量流量隨著吸熱量的增大而增加，在初溫較低時(shí)，工質(zhì)質(zhì)量流量大，隨著初溫的升高，質(zhì)量流量下降。在相同吸熱量下，R236ea和R600a初溫較高，正已烷（hexane）和R123初溫較低。

隨著吸熱量的增大，系統(tǒng)的凈功量提高，如圖4所示，除R236ea外，其余工質(zhì)的凈功量增幅均隨吸熱量的增大而逐漸趨于平緩，其中R123、R601、R601a和hexane的凈功量出現(xiàn)了先升高后下降的變化趨勢，但總體而言，這4種工質(zhì)的凈功量相對較低。R600a的凈功量最高，R236ea凈功量的增幅是所有工質(zhì)中最大的，當(dāng)吸熱量大于660kW后，R236ea的凈功量逐漸與R600a接近。整體而言，工質(zhì)在所有工況下的凈功量排序?yàn)椋篟600a>R236ea> R245fa>R600>R245ca>R365MFC>R601a>R601>R1 23>hexane。其中吸熱量小于700kW時(shí)，R600a>R236ea>R245fa>R600>R245ca>R123>R601a>R601> R365MFC>hexane，hexane的凈功量最小。

圖3　ORC系統(tǒng)膨脹機(jī)入口溫度隨吸熱量的變化

圖4　ORC系統(tǒng)凈功量隨吸熱量的變化

熱耗率隨吸熱量的變化如圖5所示，相同吸熱量下，熱耗率越低熱經(jīng)濟(jì)性越高，隨著吸熱量的增大，所有工質(zhì)的熱耗率均升高。這是因?yàn)槌鯗仉S吸熱量增大而降低，導(dǎo)致平均吸熱溫度降低，工質(zhì)冷凝溫度不變，熱效率下降，熱耗率升高。由于熱耗率可以看作是熱效率倒數(shù)的函數(shù)，因此，可以發(fā)現(xiàn)圖5中采用各工質(zhì)的ORC系統(tǒng)熱耗率排序與圖4中凈功量的排序相反，R600a的熱耗率最低，R236ea次之，而hexane的熱耗率最高。

圖6為系統(tǒng)總?損隨吸熱量變化的曲線，隨著吸熱量增大，所有工質(zhì)的?損增加，這是由于吸熱量較高時(shí)，初溫較低，工質(zhì)比?損小，質(zhì)量流量大，總?損大。隨著吸熱量減小，初溫升高，質(zhì)量流量減小導(dǎo)致系統(tǒng)總?損下降。從圖中可以得出，在相同吸熱量下，系統(tǒng)總?損的排序?yàn)椋篽exane>R123> R601>R601a>R365MFC>R245ca>R600>R245fa>R2 36ea>R600a。當(dāng)吸熱量小于700kW時(shí)，hexane> R365MFC>R601>R601a>R123>R245ca>R600> R245fa>R236ea>R600a。整體而言，從熱經(jīng)濟(jì)性的角度來看，總?損的排序與熱耗率相類似，其中hexane的系統(tǒng)?損最高，R600a最低。

圖5　ORC系統(tǒng)熱耗率隨吸熱量的變化

圖6　ORC系統(tǒng)?損隨吸熱量的變化

3.2IORC系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果及分析

IORC系統(tǒng)膨脹機(jī)入口溫度隨吸熱量的變化趨勢與ORC系統(tǒng)一致，如圖7所示。相對于圖3，相同吸熱量下，各工質(zhì)在IORC系統(tǒng)的初溫小于ORC系統(tǒng)。這是由于IORC系統(tǒng)蒸發(fā)器工質(zhì)側(cè)進(jìn)口溫度升高，工質(zhì)單位質(zhì)量吸熱量減小進(jìn)而質(zhì)量流量增大所致。相同吸熱量下，各工質(zhì)初溫的高低排序與圖3基本一致，其中R600a一直高于R236ea，不存在圖3中的交叉，這是因?yàn)閮?nèi)回?zé)崞髋c工質(zhì)熱物性的共同作用。

圖7　IORC系統(tǒng)膨脹機(jī)入口溫度隨吸熱量的變化

圖8為IORC系統(tǒng)凈功量隨吸熱量的變化，對比圖4可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)吸熱量較低時(shí)，相同吸熱量下各工質(zhì)在IORC系統(tǒng)中的凈功量均高于ORC系統(tǒng)，結(jié)合圖7的分析可知，工質(zhì)質(zhì)量流量增大使系統(tǒng)凈功量增加，此點(diǎn)可進(jìn)一步解釋為工質(zhì)質(zhì)量流量的增幅大于初溫降低導(dǎo)致比焓降降低的幅值。然而，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，在全部吸熱量區(qū)間內(nèi)，尤其是吸熱量較高時(shí)，在相同吸熱量下，并非所有工質(zhì)在IORC系統(tǒng)中的凈功量都大于ORC系統(tǒng)。圖中所有工質(zhì)的凈功量增幅隨吸熱量增大而減小，除R236ea 和R600a外的所有工質(zhì)，均明顯的出現(xiàn)了隨吸熱量的增大凈功量先升高后降低的變化。在IORC系統(tǒng)中，R236ea的凈功量最高，R600a次之，吸熱量小于680kW時(shí)，R123凈功量最低，大于680kW時(shí)，hexane最低，其余工質(zhì)排序?yàn)椋篟245fa> R600> R245ca>R365MFC>R601a>R601。

圖8　IORC系統(tǒng)凈功量隨吸熱量的變化

各工質(zhì)在IORC系統(tǒng)中的熱耗率隨吸熱量的變化趨勢與ORC系統(tǒng)一致，見圖9。與圖5進(jìn)行對比可知，在較低的吸熱量區(qū)間內(nèi)，相同吸熱量下各工質(zhì)在IORC系統(tǒng)的熱耗率低于ORC系統(tǒng)，這是由于此區(qū)間IORC系統(tǒng)的熱效率高于ORC系統(tǒng)。而吸熱量較高時(shí)，各工質(zhì)的熱耗率增幅較ORC系統(tǒng)大。結(jié)合圖8可知，這是因?yàn)樵诖藚^(qū)間內(nèi)凈功量的增幅逐漸減小，甚至出現(xiàn)降幅，進(jìn)而導(dǎo)致熱耗率的升高。熱耗率的數(shù)值高低排序與圖8中凈功量的排序相反，R236ea最低，R600a次之，且與R236ea非常接近。

圖9　IORC系統(tǒng)熱耗率隨吸熱量的變化

相對于ORC系統(tǒng)總?損在各吸熱量下的分布，圖10中所有工質(zhì)在IORC系統(tǒng)中的?損在較低的吸熱區(qū)間低于ORC系統(tǒng)，而在較高的吸熱量區(qū)間內(nèi)的增幅較ORC系統(tǒng)更為劇烈，此點(diǎn)與圖8和圖9中相應(yīng)吸熱量區(qū)間的變化相對應(yīng)。從整體吸熱量區(qū)間來看，R236ea最低，R600a與R236ea非常接近，正已烷最高，當(dāng)吸熱量小于680kW時(shí)，R123的?損略高于正已烷，為所有工質(zhì)中最高。

圖10　IORC系統(tǒng)?損隨吸熱量的變化

4　工質(zhì)與內(nèi)回?zé)崞鞯臒崞ヅ湫詫Ρ?/h2>

在兩種系統(tǒng)中，綜合熱力性能評價(jià)指標(biāo)，10種工質(zhì)的總體排序?yàn)椋篟236ea和R600a最優(yōu)，其余為R245fa>R600>R245ca>R365MFC>R601a>R601>R1 23>hexane，其中采用R245fa、R600的系統(tǒng)熱力性能也較為理想，R245ca居中。

圖11　幾種工質(zhì)在兩種系統(tǒng)中的熱力性能對比

根據(jù)ORC與IORC系統(tǒng)熱力性能分析可知，采用不同工質(zhì)的IORC系統(tǒng)熱力性能并不是在所有吸熱量下均優(yōu)于ORC系統(tǒng)。由于工質(zhì)特性的差異，導(dǎo)致內(nèi)回?zé)崞鲗ο到y(tǒng)熱力性能的提升程度有所不同，即在相同吸熱量下，不同工質(zhì)與內(nèi)回?zé)崞鞯臒崞ヅ湫源嬖诓町悺Ｍㄟ^分析計(jì)算結(jié)果，找出具有代表性的工質(zhì)，繪制工質(zhì)在ORC和IORC系統(tǒng)中熱耗率、凈功量隨吸熱量的變化關(guān)系，得到圖11。從圖11中可以明顯看出，在全部吸熱量區(qū)間內(nèi)，采用R236ea、R600a的IORC系統(tǒng)熱力性能優(yōu)于ORC系統(tǒng)，但是在吸熱量較高的區(qū)間，即初溫較低時(shí)，IORC 與ORC系統(tǒng)熱耗率、凈功量的差值隨吸熱量增大而減小，直至接近于0，而吸熱量較低時(shí)，即初溫較高的區(qū)間，IORC系統(tǒng)熱力性能明顯好于ORC系統(tǒng)。在吸熱量小于780kW時(shí)，采用R245fa、R600 的IORC系統(tǒng)熱力性能優(yōu)于ORC系統(tǒng)，當(dāng)吸熱量為約780kW時(shí)，IORC與ORC系統(tǒng)的熱力性能接近，隨著吸熱量進(jìn)一步增大，ORC系統(tǒng)的熱力性能略優(yōu)于IORC系統(tǒng)，其中采用R245fa的兩種系統(tǒng)熱力性能差異略小于R600。采用R245ca的IORC系統(tǒng)熱力性能只在低吸熱量區(qū)間具有較好的熱力性能，由圖11(e)可以得出IORC與ORC系統(tǒng)的熱耗率曲線交點(diǎn)、凈功量曲線交點(diǎn)對應(yīng)的吸熱量為約770kW，與圖11(c)、(d)相對比，曲線交點(diǎn)所對應(yīng)的橫坐標(biāo)位置有所提前，當(dāng)吸熱量大于770kW時(shí)，IORC系統(tǒng)熱力性能低于ORC系統(tǒng)，且兩種系統(tǒng)熱力性能差異大于R600。hexane在10種工質(zhì)中為最不理想工質(zhì)，但從圖中可看出，其IORC系統(tǒng)的熱力性能與ORC系統(tǒng)還是具有明顯差異，就此點(diǎn)來看，采用hexane的IORC系統(tǒng)更適用于吸熱量小于740kW的區(qū)間，即初溫較高的工況。而采用R123的IORC 與ORC系統(tǒng)熱力性能差異是所有工質(zhì)中最小的，在低吸熱量區(qū)間，IORC與ORC系統(tǒng)的熱耗率最大差值約為600kJ/kg，而其余工質(zhì)均在1100kJ/kg左右及以上，凈功量的差值也僅約2kW，當(dāng)吸熱量大于740kW之后，IORC系統(tǒng)的熱耗率、凈功量與ORC系統(tǒng)非常接近，在高吸熱量區(qū)間時(shí)，ORC系統(tǒng)熱力性能僅略好于IORC系統(tǒng)。

5　結(jié)　論

當(dāng)熱源參數(shù)變化導(dǎo)致吸熱量發(fā)生變化時(shí)，對采用10種干工質(zhì)的ORC和IORC系統(tǒng)熱力性能進(jìn)行計(jì)算，通過對計(jì)算結(jié)果的分析得出如下結(jié)論。

（1）熱源參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，采用不同工質(zhì)的IORC系統(tǒng)的熱力性能并不是完全優(yōu)于ORC系統(tǒng)。綜合來看，工質(zhì)R236ea和R600a最優(yōu)， 采用工質(zhì)R245fa和 R600的系統(tǒng)熱力性能較為接近，為較適合工質(zhì)。

（2）對于選用的10種干工質(zhì)，在本文設(shè)定的計(jì)算條件下，IORC系統(tǒng)更適用于吸熱量較低的區(qū)間，即初溫高的工況，當(dāng)初吸熱量高，初溫較低時(shí)內(nèi)回?zé)崞鲗ο到y(tǒng)熱力性能提升的能力降低，甚至低于無回?zé)岬腛RC系統(tǒng)。

（3）R123對內(nèi)回?zé)崞鞯臒崞ヅ湫韵鄬^差，在低吸熱量區(qū)間，IORC系統(tǒng)的熱耗率只與ORC系統(tǒng)相差僅600kJ/kg左右，凈功量的差值也僅為約2kW，而高吸熱量區(qū)間，ORC系統(tǒng)熱力性能也僅略優(yōu)于IORC系統(tǒng)。因此，以R123為工質(zhì)的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)，若初溫較低時(shí)不建議加裝內(nèi)回?zé)崞鳎@樣可以再保證系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)減少投資和系統(tǒng)的復(fù)雜性，進(jìn)而可以提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。

符號說明

hi——各點(diǎn)實(shí)際焓值，kJ/kg（i=1，2，…）

his——理想等熵過程終點(diǎn)焓值，kJ/kg（i=1，2，…）

Ir ——?損，kW

mf——工質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s

mg——煙氣流量，kg/s

Q2——工質(zhì)在冷凝器內(nèi)的放熱量，kJ

qcp——熱耗率，kJ/(kW·h)

Si——各點(diǎn)熵值，kJ/(kg·K)（i=1，2，…）Ten——環(huán)境溫度，K

ta——煙氣側(cè)進(jìn)口溫度，℃

tb——煙氣側(cè)出口溫度，℃

wi——膨脹機(jī)輸出功率，kW

wnet——系統(tǒng)凈功率，kW

wp——泵耗功功率，kW

ηi，ηp——分別為膨脹機(jī)相對內(nèi)效率、工質(zhì)泵效率

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研究開發(fā)

Effect of internal heat exchanger on thermodynamic performance of low temperature organic Rankine cycle and working fluid selection

HAN Zhonghe，PAN Ge，F(xiàn)AN Wei，WANG Zhi
（School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，Hebei，China）

Abstract：Most studies on the comparison of organic Rankine cycle（ORC）without internal heat exchanger（IHE）and ORC with internal heat exchanger（IORC） mainly focused on thermal performance changes with the initial parameters，but researches on the comparison based on heat absorption amount are rare. This paper established two systems，ORC without IHE and IORC，with the flue gas as the heat source. Based on the heat absorption amount change with changing the parameter of heat source，the regularity of changes of inlet temperature，net work，heat consumption and exergy loss in the two systems mentioned were analyzed with ten selected fluids，and the better working fluids and their compatibilities with internal heat exchanger showed up. The results showed that when the heat source enters the system at 150℃ and exits between 70℃ to 90℃，plus the pinch temperature keeps at 10℃，IORC is more suitable for the low heat absorption amount area；in the high area，IORC increases little in the thermodynamic performance，and sometimes IORC performs even worse than non-IHE ORC；Through comprehensive comparison，R236ea and R600a are the best choices，and R245fa and R600 are relatively suitable fluids；The difference of thermodynamic performance betweenbook=41,ebook=48the two systems using R123 as working fluid is little，the maximum difference of the heat consumption and net work between IORC and ORC system is only about 600kJ/kg and 2kW，and R123 have worse thermal compatibility with internal heat exchanger.

Key words：thermodynamic properties；organic Rankine cycle；internal heat exchanger；thermodynamic performance；working fluid；simulation；exergy

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51306059）及中央高校科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目（2014ZD34）。

收稿日期：2015-07-16；修改稿日期：2015-08-07。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.01.006

中圖分類號：TK 514

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）01–0040–08