柴卓旻，梁家雨，孫雨晨，吳天旭，高曉蕾（通信作者，朱晨陽，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) 能源與動力工程學(xué)院，河南 鄭州 450001

0 引言

當(dāng)今世界經(jīng)濟的發(fā)展速度加快，世界各國對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方面的地位的話，化石能源很可能會被人類消耗殆盡。從另一方面來看，化石能源的利用率很低，而且其排放物對環(huán)境的污染十分嚴(yán)重。就目前開發(fā)的地?zé)崮?、太陽能等新能源以及大量的余熱資源來說，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)嵩矗魧⑦@些低溫?zé)崮苡行У乩闷饋恚瑢徑饽茉淳o張的局勢起到關(guān)鍵性的作用。所以說有機朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle，ORC）是很好的選擇，因此本文就ORC多個工質(zhì)的選擇和分析進行論述。

1 有機朗肯循環(huán)及采用有機工質(zhì)的優(yōu)勢

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

ORC使用低沸點有機工質(zhì)，其物理性質(zhì)對系統(tǒng)的性能有很大的影響。因此，ORC技術(shù)的基礎(chǔ)是對工質(zhì)物性以及系統(tǒng)性能影響的研究。有機工質(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熱回收率高，而且有機工質(zhì)沸點很低，極易產(chǎn)生帶有高壓的有機蒸汽。在較低的溫度下也能獲得壓力很高的蒸汽，無論是對于運行效率和穩(wěn)定性，還是對于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟性方面，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。并且ORC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對緊湊，投資成本也相對較低，同時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

大體來說，影響ORC系統(tǒng)性能的兩個主要因素是循環(huán)工質(zhì)和蒸發(fā)溫度，其研究的重點是工質(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，相對分子質(zhì)量為134g/mol，沸點約為15.3℃，在20℃時密度為1.32g/ml，蒸汽壓為123kPa，是揮發(fā)性無色液體，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，不會對臭氧層造成破壞。R245fa這種新型環(huán)保制冷劑的研究在國內(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。一般來說，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℃進水條件下將水加熱至80℃。

在ORC余熱回收領(lǐng)域，90℃時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，對于相同的工質(zhì)，目標(biāo)函數(shù)（經(jīng)濟效益、熱效率）會根據(jù)蒸發(fā)溫度得到不同的最優(yōu)工況，凈功輸出最大點與最小單位設(shè)備成本無關(guān)。R245fa在ORC系統(tǒng)中具有良好的熱性能、經(jīng)濟性和熱效率，更適用于低溫有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)，以及與潤滑油、加強管傳熱系數(shù)和其他制冷劑成比例混合的工質(zhì)物理性能實驗研究。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、與潤滑油的混合與可燃性研究、提高加強管傳熱系數(shù)的實驗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（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（沸點下，1atm）為170kJ/kg。

R123工質(zhì)的不足之處在于，ASHRAE的標(biāo)準(zhǔn)評定R-123有很強的毒性。在ORC中，通過測試可以得到：有機工質(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。相對比而言，R123在101kPa的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下比R245fa更為方便儲存。

Takahisa Yamamoto[1]在60～200℃的工況條件下對低品質(zhì)余熱（如太陽能、廢熱能量等）進行回收，以渦輪為做功設(shè)備，并通過對比水和R123作為循環(huán)工質(zhì)的系統(tǒng)輸出功，得出結(jié)論：有機工質(zhì)R123的沸點低和低潛熱特性在ORC有機朗肯循環(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等有機工質(zhì)，通過一系列的例子進行分析整合，得出結(jié)論：熱源溫度在100℃到180℃的溫度范圍下，工質(zhì)R123在有機朗肯循環(huán)中，余熱發(fā)電系統(tǒng)中熱經(jīng)濟性能較為優(yōu)秀。

劉建[3]等運用熱力學(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，有機工質(zhì)R123的熱效率高于有機工質(zhì)R245fa。其相同溫度下R123的低壓特性，對系統(tǒng)的安全運行起到良好作用。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。該有機工質(zhì)為無色透明液體，具有大氣壽命短暫，只有26d的突出特點。其臨界溫度為166.5℃，沸點為19℃，飽和壓力為0.190MPa。R1233zd（E）的ODP為0，GWP也非常低，因此說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種有機工質(zhì)，研究了低溫余熱有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)在不同的溫度下對于凈功率、熱力學(xué)效率、蒸發(fā)器出口工質(zhì)的可用勢熱力學(xué)性能及系統(tǒng)不可逆損失性能指標(biāo)開展對比分析，其中測試溫度為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ORC建立相關(guān)的仿真模型，在功率為50kW且測試的熱源溫度范圍為120～220℃之間的ORC系統(tǒng)對R123、R245fa、R600a和R1233zd（E）進行模擬計算，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。測試結(jié)果為膨脹機進氣口的溫度為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R1233zd（E）和R245fa進行試驗并進行數(shù)據(jù)對比分析。實驗結(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）是一種無氯原子，對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、無毒、無刺激性、無腐蝕性）。根據(jù)劉杰[8]對有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)三個不同工況實驗的設(shè)計，在此選擇對R245fa和R134a工質(zhì)進行實驗和分析。

以下為R134a和R245fa的對比。

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

（2）在熱源溫度低于150℃時，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，R245fa的不可逆損失較??；而R134a在蒸發(fā)壓力超過2000kPa時不可逆損失比較小。

（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，即說明R245fa利用熱源更充分，R134a冷源換熱性能更好。

（5）兩個循環(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)濟性的提高。

4 結(jié)語

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)別在于采用有機工質(zhì)，所以工質(zhì)特性將主導(dǎo)整個發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及效率。因此，對工質(zhì)物性及其對系統(tǒng)性能影響的研究是ORC技術(shù)研究的基礎(chǔ)。對于ORC系統(tǒng)來說，R245fa在90℃時，回收熱效率最高，且具有較好的熱力性能、經(jīng)濟性、熱效率良好、較低的APR等特點；R123的低沸點低潛熱特性，在有機朗肯循環(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、無毒、無刺激性、無腐蝕性，且不會對臭氧層造成破壞，在空氣中不可燃。