廢熱源驅(qū)動(dòng)的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)夏冬季節(jié)性能比較

1、廢熱源驅(qū)動(dòng)的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)夏冬季節(jié)性能比較魏東紅 陸震 魯雪生 顧建明摘要：比較了廢熱源驅(qū)動(dòng)的有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)系統(tǒng)在夏冬季節(jié)的性能變化，循環(huán)工質(zhì)為HFC-245fa（1,1,1,3,3-五氟丙烷）。在回收利用微型燃?xì)廨啓C(jī)排放廢熱的方法中，ORC系統(tǒng)具有良好的機(jī)動(dòng)性、高度的安全性、對(duì)于維護(hù)保養(yǎng)的要求比較低等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于空氣冷卻的ORC系統(tǒng)，由于夏冬季節(jié)環(huán)境溫度的差異，其性能有很大的差別，對(duì)于所研究的系統(tǒng)輸出功偏離額定工況達(dá)30 % 以上。根據(jù)各地的實(shí)際情況，合理選擇額定工況點(diǎn)，使系統(tǒng)四季均工作在額定工況點(diǎn)周圍，有助于有效、穩(wěn)定的工作。同時(shí)，由于夏季循環(huán)的平均溫度與環(huán)境間的溫差減小，使系統(tǒng)總

2、不可逆 損失減小，即系統(tǒng)對(duì)廢熱的利用更加充分。 關(guān)鍵詞：廢熱 朗肯循環(huán) 系統(tǒng)性能 1 前言我國(guó)雖然是個(gè)能源大國(guó)，但是能源的人均占有量非常低，且能源的利用率也不高。隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源的生產(chǎn)和消費(fèi)、能源與環(huán)境之間的矛盾不斷增大。如何提高能源的利用率，減小能源對(duì)環(huán)境的污染越來(lái)越引起社會(huì)的廣泛關(guān)注。大多數(shù)工業(yè)過(guò)程或電廠排放大量的煙氣，溫度一般低于370。如果直接排放到空氣中，大量的熱能被浪費(fèi)掉且會(huì)造成環(huán)境的熱污染；如果以傳統(tǒng)的方式加以回收，其經(jīng)濟(jì)效益又非常有限。有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)系統(tǒng)具有良好的機(jī)動(dòng)性、高度的安全性及對(duì)于維護(hù)保養(yǎng)的要求比較低等優(yōu)點(diǎn)。將其整合到能源系統(tǒng)，即以煙氣余熱驅(qū)動(dòng)有機(jī)朗肯循

3、環(huán)發(fā)電，可以實(shí)現(xiàn)用低品位能源(廢熱)提供高品位能源(電能)，減輕電力負(fù)擔(dān)，提高總的發(fā)電效率及發(fā)電量，在相同輸出的條件下，減少了二氧化碳等污染物的排放，有利于環(huán)境保護(hù)1。根據(jù)需要，經(jīng)過(guò)有機(jī)朗肯循環(huán)利用后的廢氣還可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)吸收式制冷機(jī)制冷，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的能源利用率。有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)系統(tǒng)的工作狀況主要取決于以下兩個(gè)因素：循環(huán)工作條件及工質(zhì)熱力性能。循環(huán)工作條件取決于熱源。工質(zhì)的熱力性能在選取工質(zhì)時(shí)應(yīng)充分考慮。根據(jù)飽和蒸汽曲線的斜率，工質(zhì)可分為三種：(1)斜率為負(fù)的濕流體，大多為低分子量工質(zhì)，如水、氨，它們的等熵膨脹一般會(huì)產(chǎn)生冷凝現(xiàn)象；(2)斜率為正的干流體，大多為高分子量流體，如CFC-1

4、13及苯等；(3)具有近乎垂直的飽和蒸汽曲線的等熵流體，如CFC-11、HCFC-134a等。干流體及等熵流體在飽和蒸汽狀態(tài)下，即可推動(dòng)渦輪機(jī)做功，且不會(huì)使得狀態(tài)點(diǎn)落到變相飽和區(qū)內(nèi)，造成液滴侵蝕渦輪機(jī)葉片的情形。一般來(lái)說(shuō)，干流體適于較高的工作溫度，等熵流體則在低溫區(qū)中有較佳表現(xiàn)2。據(jù)Tzu-Chen Hung 1報(bào)道對(duì)二甲苯（p-xylene）適合于回收溫度在300 左右的高溫廢熱，而R113和R123在回收200 的低溫廢熱時(shí)有很好的性能。而據(jù)文獻(xiàn)3報(bào)道，當(dāng)廢熱的溫度在150 200 的范圍內(nèi)HFC-245fa（1,1,1,3,3-五氟丙烷）的性能比R123好。文獻(xiàn)3討論了HFC-245fa

5、在利用分布式發(fā)電系統(tǒng)廢熱來(lái)驅(qū)動(dòng)的有機(jī)朗肯循環(huán)中的應(yīng)用。HFC-245fa是Honeywell公司推出的應(yīng)用于發(fā)泡工業(yè)的一種新的不易燃(non-flammable)、低壓HFC制冷劑3。它屬于等熵流體4，具有較高的臨界溫度(427.2K)。在廢熱回收中的操作條件下它處于中壓范圍5。表1 HFC-245fa的相關(guān)參數(shù) 化學(xué)名稱1,1,1,3,3-五氟丙烷分子式分子式CF3CH2CHF2臨界壓力(kPa)3640臨界溫度(K)427.20臨界密度(kg/m3)517.0本文研究了回收溫度在630 K左右的煙氣廢熱的ORC系統(tǒng)夏冬季節(jié)的性能，系統(tǒng)采用HFC-245fa作為工質(zhì)。2 ORC系統(tǒng)熱力分析6

6、、7(a) ORC系統(tǒng)流程圖(b) ORC系統(tǒng)溫熵圖圖1 ORC系統(tǒng)流程圖和溫熵圖圖1 (a) 是ORC系統(tǒng)流程圖，包括高溫廢氣加熱的干式蒸發(fā)器，空氣冷卻的冷凝器，儲(chǔ)液器，液體泵和單級(jí)蒸汽透平發(fā)電機(jī)組。循環(huán)工質(zhì)R245fa在蒸發(fā)器內(nèi)被高溫廢氣加熱、汽化，變成高溫高壓蒸汽。隨后進(jìn)入蒸汽透平，膨脹作功發(fā)出電力。作功后的乏氣進(jìn)入冷凝器冷凝成液體，然后進(jìn)入儲(chǔ)液器。自儲(chǔ)液器流出的循環(huán)工質(zhì)由液體泵加壓后進(jìn)入蒸發(fā)器，開始下一個(gè)循環(huán)。圖1（b）給出了系統(tǒng)的溫熵圖。3 環(huán)境溫度對(duì)ORC系統(tǒng)性能的影響分析和討論本文主要考察環(huán)境溫度變化時(shí)，ORC系統(tǒng)對(duì)外輸出功、系統(tǒng)效率、能源利用率及系統(tǒng)各部件損失的變化。所研究的O

7、RC系統(tǒng)的額定功率為100 kW，廢氣的進(jìn)口溫度在610650 K之間。工質(zhì)HFC-245fa的物性參數(shù)來(lái)自美國(guó)NIST(National Institute of Standards and Technology) Laboratories 所開發(fā)的物性軟件REFPROP 6.08。采用Modelica/Dymola平臺(tái)9、10，編制仿真模型。(a) 環(huán)境溫度與系統(tǒng)效率、輸出功(b) 環(huán)境溫度與系統(tǒng)效率、能源利用率圖2 環(huán)境溫度與系統(tǒng)效率、輸出功、能源利用率由圖2 (a) 知，隨著環(huán)境溫度的提高，系統(tǒng)效率與系統(tǒng)輸出功均降低，基本呈線性關(guān)系。換句話說(shuō)，相對(duì)于冬季（假定室外氣溫在6 左右），夏季

8、系統(tǒng)（假定室外氣溫在25 左右）的輸出功和效率均會(huì)大大降低，比額定工況低30% 以上。近年來(lái)夏季持續(xù)高溫，環(huán)境溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于25 ，此時(shí)系統(tǒng)性能將大大惡化，甚至不能工作。因此，應(yīng)根據(jù)所在地四季的溫度，合理選擇額定工況設(shè)計(jì)溫度值，減少實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)輸出功過(guò)分偏離額定工況，系統(tǒng)不能有效工作的情況。由圖2 (b )可見，環(huán)境溫度增大時(shí)，能量利用率略有增加，約3 % 左右，而系統(tǒng)效率下降。結(jié)合圖2 (a)，系統(tǒng)對(duì)外輸出功也減小。對(duì)于廢熱回收，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求，優(yōu)先考慮系統(tǒng)對(duì)外輸出功和系統(tǒng)效率。由此可見，環(huán)境溫度低時(shí)，系統(tǒng)性能較好。圖3 環(huán)境溫度與系統(tǒng)及部件的不可逆損失如圖3所示，當(dāng)環(huán)境溫度上升時(shí)，循環(huán)

9、平均溫度與環(huán)境間溫差減小，系統(tǒng)總不可逆損失隨之減小；而蒸發(fā)器中工質(zhì)的溫度和壓力均上升，其不可逆損失隨之增加；冷凝器中工質(zhì)的平均溫度也上升，換熱溫差增大，不可逆損失略有增加；透平出口壓力和溫度上升，即在圖1 (b) 中點(diǎn)4a與點(diǎn)4s間的距離減小，不可逆損失隨之減小。由于透平中的損失減小大于蒸發(fā)器中的損失增大，因此，系統(tǒng)總不可逆損失隨著環(huán)境溫度上升而減小。4 結(jié)論以煙氣余熱驅(qū)動(dòng)有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電，可以實(shí)現(xiàn)用低品位能源(廢熱)提供高品位能源(電能)，減輕電力負(fù)擔(dān)，減少二氧化碳等污染物的排放，有利于環(huán)境保護(hù)。根據(jù)需要，經(jīng)過(guò)有機(jī)朗肯循環(huán)利用后的廢氣還可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)吸收式制冷機(jī)制冷，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的能源利用率

10、。（1）本文比較了廢熱源驅(qū)動(dòng)的有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)系統(tǒng)在夏冬季節(jié)的性能變化，循環(huán)工質(zhì)為HFC-245fa (1,1,1,3,3-五氟丙烷)。（2）近年來(lái)我國(guó)各地區(qū)夏季持續(xù)高溫，氣溫遠(yuǎn)高于25 ，在此種情況下，ORC系統(tǒng)性能將大大惡化，甚至不能工作。應(yīng)根據(jù)各地的實(shí)際情況，合理選擇額定工況點(diǎn)，使系統(tǒng)四季均工作在額定工況點(diǎn)周圍，將有助于系統(tǒng)高效、穩(wěn)定工作。（3）由于夏季循環(huán)的平均溫度與環(huán)境間的溫差減小，系統(tǒng)總不可逆損失隨著環(huán)境溫度上升而減小。參考文獻(xiàn)1. Tzu-chen, H. . Waste heat recovery of organic rankine cycle using dry fl

11、uids J. Energy Conversion and Management 42 (2001), pp. 539-53.2. Zhong, B., Bowman, J.M., Williams, D. . HFC-245fa: An Ideal Blowing Agent for Integral Skin Foam A. Paper presented at the International Conference and Exposition Polyurethanes Expo 2001, Columbus, Ohio, September 30- October 3, 2001.

12、3. Gary J. Z. . Opportunities for HFC-245FA organic rankine cycle appended to distributed power generation systems A. Proceeding of the 21st International Congress of Refrigeration, Washington D.C. 2003 4. 洪祖全，薛澤源. 廢熱轉(zhuǎn)換為動(dòng)力有機(jī)朗肯汽電共生底循環(huán)研究J. 科學(xué)發(fā)展月刊，Vol 28(1)，P.27-32 5. Zyhowski, Sr, G.J., Spatz, M. W. et al. . An Overview of the Properties and Applications of HFC-245fa A. Paper presented at the Ninth International Refrigeration and Air Conditioning Conference at Purdue, West Lafayette, Indiana, July 16-19, 20026. 沈維道，蔣智敏