有機(jī)工質(zhì)郎肯循環(huán)用在太陽能熱發(fā)電技術(shù)中的應(yīng)用

1、有機(jī)工質(zhì)郎肯循環(huán)技術(shù)及其應(yīng)用有機(jī)工質(zhì)郎肯循環(huán)用在太陽能熱發(fā)電技術(shù)中的應(yīng)用有機(jī)工質(zhì)郎肯循環(huán)用在太陽能熱發(fā)電技術(shù)中的應(yīng)用摘要: 作者通過文獻(xiàn)閱讀,綜述了目前國內(nèi)及國外學(xué)者對于基于低溫有機(jī)工質(zhì)郎肯循環(huán)的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀。文章開篇首先介紹了有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)的基礎(chǔ)概念，并簡單介紹了有機(jī)工質(zhì)的物理特性及理論特征。作為工程應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)對象，作者也敘述了如何選取合適的工質(zhì)作為太陽能有機(jī)郎肯循環(huán)的循環(huán)工質(zhì)關(guān)鍵詞：有機(jī)工質(zhì)；朗肯循環(huán)；太陽能發(fā)電Low-temperature Solar Powered Rankine Cycle System Based on Organic Working FluidA

2、bstract：Based on referring to articles, the author summarized both domestic and international research results about low-temperature solar powered Rankine cycle system.The most suitable organic working fluid for low-temperature solar powered Rankine cycle will also be given.Key words: organic workin

3、g fluid, Rankine Cycle, Solar-powered1 引言能源是人類賴以生活的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是國家安全發(fā)展及社會繁榮穩(wěn)定的物質(zhì)基礎(chǔ)。能源安全不僅僅是簡單的能源問題或者是經(jīng)濟(jì)問題，而是一個涉及國家安全及對外戰(zhàn)略等多層面的國家戰(zhàn)略問題，亦是一個關(guān)乎國際能源供求和地緣政治與國際戰(zhàn)略問題。在全球范圍內(nèi)，近年來發(fā)生了許多由能源引發(fā)的問題，諸如資源紛爭和區(qū)域戰(zhàn)爭、能源價(jià)格飆升和燃料市場博弈、全球氣候暖化及減排戰(zhàn)略談判等。這是全球人類首次對能源課題給予如此高度的重視，為此，以提高能源利用效率及優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的新型能源技術(shù)將成為科技發(fā)展的重要方向。人類自從懂得使用火以來，便開始學(xué)習(xí)使用外部

4、能源。隨著人類對能源資源使用經(jīng)驗(yàn)的不斷積累與學(xué)習(xí)，特別是科技不斷進(jìn)步，人類所使用的能源資源模式也在不斷更替。至今為止，人類利用能源的歷史經(jīng)歷了三個重要時期：即以薪柴及木炭等植物燃料為主的“木炭時代”；以煤炭為主的“煤炭時代”；以石油及天然氣為主的“石油時代”。目前世界能源的發(fā)展與利用正在往“可再生及可持續(xù)”的綠色能源過渡。能源過渡時期的主要特點(diǎn)是，石油及天然氣仍然是消費(fèi)最多的能源，但消費(fèi)比重呈逐漸降低的趨勢，而核能及一些可再生能源的消費(fèi)將逐漸上升?；茉吹拇罅块_發(fā)和使用，是造成大氣和其他多種類型環(huán)境污染與生態(tài)破壞的主要原因之一。如何在開發(fā)和使用能源資源的同時保護(hù)好我們賴以生存的地球環(huán)境與生態(tài)

5、，已經(jīng)成為全球性的重大課題，而大力開發(fā)和利用可再生能源是人類走出困境的唯一出路。而在本文章里，我們將會介紹使用太陽能作為替代能源的可行方案。2 能源資源太陽能在目前已經(jīng)正式投入使用的各式可再生能源中，太陽能具有其與眾不同的地方。太陽能作為一種干凈的、持久的、可持續(xù)供應(yīng)的能源，是地球上幾乎所有能源的根源。地球大氣層上表面的太陽輻射照度約為1367W/m2地球表面每年接受的太陽輻射約為5x1024J，遠(yuǎn)大于全球的能源消耗總量。雖然太陽能的總量巨大，但是其能量密度太低，且不能連續(xù)供應(yīng)，并受到季節(jié)與天氣的影響，為大規(guī)模的開發(fā)利用帶來了技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的困難。因此，太陽能利用的關(guān)鍵在于提高太陽能裝置的效率

6、以及增加有效的能量儲存裝置。目前，太陽能利用有許多方式，主要集中在主動和被動的環(huán)境供熱與制冷、生活熱水、工業(yè)加熱、化工分離、海水淡化及發(fā)電等方面。使用太陽能進(jìn)行電力生產(chǎn)主要有兩種方式，即太陽能熱發(fā)電及太陽能光伏發(fā)電，而在本文中我們將主要探討太陽能熱發(fā)電。在太陽能熱發(fā)電方面，太陽輻射通過太陽能集熱器轉(zhuǎn)化為載熱流體的熱能，載熱流體通過一定的循環(huán)方式，將其熱能轉(zhuǎn)化為動力機(jī)械的機(jī)械能，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為供我們使用的電能。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)首先需要具有高效收集太陽輻射并能夠?qū)⑻栞椛溥M(jìn)行轉(zhuǎn)換的集熱器。目前主要應(yīng)用的太陽集熱裝置有平板集熱器、真空集熱器、槽式集熱器、碟式聚光器及塔式聚光系統(tǒng)，具體參數(shù)可以參閱表1。這

7、幾類集熱器集熱溫度范圍差別很大，集熱溫度從150到1500不等，因此，不同集熱器適用的載熱工質(zhì)和熱力循環(huán)也有較大的差別 William B. Stine,Raymond W,Harrigan.Solar Energy Fundamentals and Design,John Wiley & Sons,Inc,1985,287-315。表 1不同集熱器工作溫度范圍及適用熱力循環(huán)集熱器類型聚光倍率典型工作溫度范圍/適用熱力循環(huán)平板集熱器1小于120朗肯循環(huán)真空集熱器1100至200朗肯循環(huán)槽式聚光集熱器3至50150至350朗肯循環(huán)碟式聚光集熱器200至500250至700斯特林循環(huán)塔式聚

8、光系統(tǒng)500至大于3000500至1000布萊頓循環(huán)太陽能熱發(fā)電是目前所有發(fā)電方式中唯一無需增加環(huán)境熱載荷的發(fā)電方式，在全球變暖日益嚴(yán)重的情況下，這一點(diǎn)顯得尤為重要。太陽能熱發(fā)電技術(shù)作為一項(xiàng)環(huán)保、安全及可持續(xù)的能源供應(yīng)技術(shù)，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的關(guān)注與研究。由于高溫太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)較為復(fù)雜，建造、使用及管理成本較高，總體上嚴(yán)重缺乏競爭力。反之，在中低溫太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的研究領(lǐng)域中卻取得了不錯的進(jìn)展，使得系統(tǒng)的效率獲得了較大的提高。3 有機(jī)郎肯循環(huán)隨著煤炭、天然氣及石油等化石燃料的消耗量不斷攀升，以及由于能源消耗帶來的環(huán)境破壞等系列問題，能源和環(huán)境問題已經(jīng)成為全世界共同關(guān)注的重大問題。因此

9、，使用有機(jī)朗肯循環(huán)將低品位熱量轉(zhuǎn)換為電能引起了越來越多的關(guān)注。3.1 有機(jī)郎肯循環(huán)原理所謂有機(jī)朗肯循環(huán)，即在傳統(tǒng)朗肯循環(huán)中采用有機(jī)工質(zhì)代替水推動渦輪機(jī)做功。圖1-1為有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)示意圖。圖 1 有機(jī)郎肯循環(huán)示意圖低壓液態(tài)有機(jī)工質(zhì)（點(diǎn)1）經(jīng)過泵增壓后進(jìn)入蒸發(fā)器吸收熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷馗邏赫魵猓c(diǎn)2），之后，高溫高壓有機(jī)工質(zhì)蒸氣推動渦輪機(jī)做功，產(chǎn)生能量輸出，渦輪機(jī)出口的低壓過熱蒸氣（點(diǎn)3）進(jìn)入冷凝器，向低溫?zé)嵩捶艧岫焕淠秊橐簯B(tài)（點(diǎn)4）, 如此往復(fù)循環(huán)。3.2 有機(jī)郎肯循環(huán)的實(shí)際應(yīng)用目前，有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)作為回收余熱廢熱進(jìn)而提高總體熱力效率，實(shí)現(xiàn)太陽能、地?zé)岬刃履茉蠢玫囊粭l有效途徑，各國學(xué)術(shù)界和工

10、業(yè)界正積極投入力量進(jìn)行相關(guān)研發(fā)工作。有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電可利用的低品位能主要有以下幾種形式：(1)工業(yè)余熱?；厥展I(yè)余熱可減少工業(yè)能耗和溫室氣體的排放。大多數(shù)工業(yè)過程或電廠排放大量的煙氣，溫度一般不高于400。(2)地?zé)?。地?zé)岚l(fā)電利用地?zé)嵴羝蛘邿崴鳛闊嵩?，我國目前已?jīng)勘測發(fā)現(xiàn)的地?zé)崽锞鶎贌崴蜔醿ΑＫ玫牡責(zé)崴蠖嘣陲柡蜖顟B(tài)附近，溫度一般不超過300。(3)太陽能。太陽能能量密度低，熱源溫度不高，需采用基于集熱技術(shù)的有機(jī)朗肯循環(huán)熱電系統(tǒng)，經(jīng)過集熱裝置后，溫度可以達(dá)到300。(4)生物質(zhì)能。生物質(zhì)能也是有機(jī)朗肯循環(huán)的重要驅(qū)動源之一。生物質(zhì)能發(fā)電采用有機(jī)朗肯循環(huán)主要是由于在機(jī)組規(guī)模較小時，有機(jī)工

11、質(zhì)具有更高的渦輪機(jī)效率。此外, 有機(jī)朗肯循環(huán)還被用于液化天然氣的冷能回收等場合。4 太陽能有機(jī)工質(zhì)的郎肯循環(huán)太陽能郎肯循環(huán)與其他使用有機(jī)工質(zhì)的朗肯循環(huán)（主要指地?zé)?、工業(yè)余熱利用）相似，根據(jù)循環(huán)的最高溫度不同，大致可以劃分為低溫、中溫及高溫三種類型。但是對于確切的溫度劃分，不同的學(xué)者之間存在爭論。表2給出了幾種不同的劃分范圍。表 2對太陽能郎肯循環(huán)的不同溫度劃分/ Saaoguang Lu,Termodynamic Analysis and Optimization of a New Ammonia Based Combined Power/Colling Cycle,Dissertation

12、for the Degree of Doctor Philosophy,University of Florida,2002類型（A）（B）（C）（D）低溫小于90小于125小于100小于等于150中文90至150125至225100至200-高溫大于150大于225大于200大于150提出學(xué)者及年份：（A） Muffler 與 Cataldi 1977（B） Hochstein 1990（C） Benderitter 與 Cormy 1990（D） Haenel 1998在目前對太陽能郎肯循環(huán)的研究中，循環(huán)的最高溫度不會超過120，因此屬于太陽能低溫郎肯循環(huán)范圍。在循環(huán)大致的溫度范圍（從環(huán)境

13、溫度到100左右）確定以后，太陽能低溫郎肯循環(huán)系統(tǒng)所使用的集熱器類型及其效率也可以大致確定，因此系統(tǒng)的總效率取決于郎肯循環(huán)的熱效率及膨脹機(jī)的效率。同時，膨脹機(jī)的效率與循環(huán)工質(zhì)的膨脹比有密切聯(lián)系，因此，當(dāng)前針對太陽能低溫郎肯循環(huán)的研究主要集中在朗肯循環(huán)適用工質(zhì)的選擇上。4.1 太陽能郎肯循環(huán)的相關(guān)理論在理論研究方面，Bahaa Saleh等人對31種工質(zhì)進(jìn)行了理論計(jì)算，并在設(shè)定工況下分析了它們應(yīng)用于低溫朗肯循環(huán)的效率。其分析結(jié)果表明，對于太陽能低溫郎肯循環(huán)，使用R236ea、R245ca、R245fa、R600、R600a、R60la、REl34和RE245等工質(zhì)比較適宜 Bahaa Saleh

14、,Gerald Koglbauer,Martin Wendland,Johann Fischer,Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles,Energy,2007,32:1210-1221；HDMadhawa Hettiarachchi等人通過對氨、R123、正戊烷、PF5050的理論分析，提出了以地?zé)釣闊嵩吹牡蜏乩士涎h(huán)適用工質(zhì)的最佳辨別標(biāo)準(zhǔn) Madhawa Hettiarachchi HD,et al.Optimum design criteria for an Organic Rankine cycle using

15、 low-temperature geothermal heat sources,Energy 2007,32:1698-1706，對太陽能低溫朗肯循環(huán)具有一定借鑒意義；西安交通大學(xué)趙遠(yuǎn)揚(yáng)等人對低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)進(jìn)行了理論分析，討論了R113，R123，R600a三種工質(zhì)在蒸發(fā)溫度為80-120，冷凝溫度為3550時的系統(tǒng)性能 趙遠(yuǎn)揚(yáng)，李連生，劉云霞等，工質(zhì)對低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)的影響，中國工程熱物理學(xué)會工程熱力學(xué)與能源利用學(xué)術(shù)會議，2007，中國紹興；天津大學(xué)曹斌濱博士從理論上對比分析了R245fa和R600用100以下的工業(yè)余熱回收的循環(huán)性能，指出在使用螺桿膨脹機(jī)的條件下，兩者的最佳

16、膨脹比分別為4和3 曹斌濱，螺桿膨脹機(jī)余熱回收系統(tǒng)分析，碩士論文，天津大學(xué)，2007，25-4l。4.2 太陽能郎肯循環(huán)的實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)研究方面，D.Manolakos等人建立了以R134a為工質(zhì)的太陽能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)，輸出的軸功用于海水淡化，循環(huán)溫度范圍為3575.8，系統(tǒng)總效率約為4 D.Manolakosa,G.Papadakisa,S.Kyritsisa,Experimental evaluation of an autonomous low-temperature solar Rankine cycle system for reserve osmosis desalination.

17、Desalination,2007,203:366-374；V.M.Nguyen等人以正戊烷為工質(zhì)，建立了小型太陽能低溫?zé)岚l(fā)電裝置，發(fā)電量1.5kw，系統(tǒng)熱效率為4.3% V.M.Nguyen,P.S. Doherty and S.B. Riffat,Development of a prototype low-temperature Rankine cycle electricity generation system,Appl. Thermal Eng,2001,21:169-181。5 適用于太陽能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)的工質(zhì)太陽能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)理論分析的目的，在于選擇對環(huán)境友好且熱力性

18、能優(yōu)良的循環(huán)工質(zhì)。理論循環(huán)分析主要是根據(jù)工質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)評價(jià)其循環(huán)性能的一種穩(wěn)態(tài)簡化方法。它忽略了具體設(shè)備情況以及工質(zhì)在傳熱、流動阻力和溶油特性等方面的差異，并對所有工質(zhì)設(shè)定相同的循環(huán)工況。優(yōu)良的熱力學(xué)性能是循環(huán)工質(zhì)的必備條件，所以理論循環(huán)分析進(jìn)行工質(zhì)的初步選擇是合理的，但理論分析所得的結(jié)果需要在實(shí)驗(yàn)中得到進(jìn)一步驗(yàn)證，綜合考慮其性能。如緒論中所述，對于太陽能低溫?zé)犭娧h(huán)系統(tǒng)，集熱器效率、工質(zhì)朗肯循環(huán)效率以及膨脹機(jī)效率是制約系統(tǒng)總效率的三個因素。太陽能低溫?zé)犭娧h(huán)的溫度范圍大致在環(huán)境溫度到100左右，平板集熱器和普通真空管集熱器即可滿足系統(tǒng)要求。因此，選取適用于太陽能低溫?zé)犭娧h(huán)溫度范圍的有機(jī)工

19、質(zhì)成為關(guān)鍵，本章將在此溫度范圍內(nèi)對太陽能低溫朗肯循環(huán)適用工質(zhì)進(jìn)行理論研究和分析。5.1 太陽能低溫郎肯循環(huán)系統(tǒng)概況太陽能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。系統(tǒng)主要包括圖中所示的太陽能集熱器矩陣、膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)、冷凝器、儲液罐、工質(zhì)泵等主要部件，還包括相應(yīng)的溫度和壓力測量設(shè)備。圖 2 太陽能低溫郎肯循環(huán)系統(tǒng)示意圖系統(tǒng)運(yùn)行原理如下：低溫低壓的有機(jī)工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵加壓后進(jìn)入太陽能集熱器。高壓的液態(tài)工質(zhì)在太陽能集熱器中吸收熱量，并發(fā)生相變。因此，系統(tǒng)中的太陽能集熱器可以被看作為蒸發(fā)器。工質(zhì)在太陽能集熱器入口的溫度大致等于環(huán)境溫度，而工質(zhì)在集熱器出口的溫度則受到蒸發(fā)壓力、工質(zhì)流量、太陽輻照度、集熱器效率等

20、因素的影響。同時，在其他因素不變的情況下，對應(yīng)于不同的蒸發(fā)和冷凝壓力，在膨脹機(jī)出口的工質(zhì)乏氣可能出現(xiàn)濕蒸汽、干飽和蒸汽和過熱蒸汽三種狀態(tài)。為了避免在膨脹過程中出現(xiàn)對膨脹機(jī)存在危害的液擊現(xiàn)象，因此應(yīng)該使工質(zhì)在膨脹機(jī)出口存在少量過熱。過熱度可以根據(jù)不同的工質(zhì)及不同的工況進(jìn)行調(diào)整。過熱蒸汽被吸入膨脹機(jī)膨脹做功，此時蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為軸功來驅(qū)動發(fā)電機(jī)。最后，膨脹機(jī)排出的低壓工質(zhì)蒸汽經(jīng)冷凝器冷凝后流入儲液罐。圖3同樣顯示了上文描述的熱力循環(huán)過程。理論循環(huán)包括以下基本過程：1-2：等熵壓縮(工質(zhì)泵)2-5：等壓蒸發(fā)(太陽能集熱器)5-6：等熵膨脹(膨脹機(jī))6-1：等壓冷凝(冷凝器)圖 3 太陽能低溫郎肯循環(huán)

21、理論過程示意圖（T-S圖）5.2 循環(huán)工質(zhì)的選擇面對眾多的有機(jī)循環(huán)工質(zhì)，如何對其進(jìn)行挑選并選擇基準(zhǔn)進(jìn)行定性與定量的分析是目前所面對的問題，為此提出了“理想有機(jī)工質(zhì)”及“實(shí)際有機(jī)工質(zhì)”的概念。5.2.1 太陽能低溫郎肯循環(huán)的理想工質(zhì)Abbin和Leuenberger在1974年提出太陽能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)的理想工質(zhì)i,iv，應(yīng)具有如圖4中所示的如下一些性質(zhì)：1. 液相的比熱要小，即圖中的2-2線要盡可能垂直2. 臨界溫度要高于系統(tǒng)的最高運(yùn)行溫度，以利于循環(huán)吸收熱量3. 出于對安全和設(shè)備的考慮，循環(huán)達(dá)到最高溫度時的氣相壓力，不應(yīng)過大4. 工質(zhì)的冷凝壓力，應(yīng)該高于環(huán)境大氣壓，防止空氣進(jìn)入系統(tǒng)5. 狀態(tài)

22、點(diǎn)4(透平出口)的比容應(yīng)該盡量小，以防止不得不使用大直徑的渦輪葉片，外套和冷凝換熱器6. 飽和蒸汽線(3-4)應(yīng)該盡量垂直，以保證膨脹不進(jìn)入濕蒸汽區(qū)7. 對于低功率渦輪應(yīng)用情況，工質(zhì)應(yīng)有大分子量。以降低流動和葉輪轉(zhuǎn)動的速度，減少渦輪機(jī)級數(shù)，以及達(dá)到合理的質(zhì)量流速和合理的噴嘴區(qū)域8. 三相點(diǎn)溫度應(yīng)該低于循環(huán)的最低溫度9. 流體應(yīng)該有較好的輸運(yùn)性質(zhì)，較高的換熱系數(shù)，高溫下的穩(wěn)定性、便宜、無毒、不可燃等圖 4 太陽能低溫郎肯循環(huán)的理想工質(zhì)性質(zhì)圖5.2.2 太陽能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)的候選工質(zhì)應(yīng)該指出，前述由Abbin和Leuenberger提出的太陽能低溫朗肯循環(huán)理想工質(zhì)的特點(diǎn)，同時也是篩選工質(zhì)的主要指

23、導(dǎo)原則。但是在實(shí)際應(yīng)用中，工質(zhì)很難同時滿足上述全部條件。同時，隨著科技的發(fā)展和人們認(rèn)識的深入，環(huán)境因素已經(jīng)成為有機(jī)朗肯循環(huán)選擇工質(zhì)的首要標(biāo)準(zhǔn)。要求工質(zhì)不破壞大氣臭氧層，即ODP值為零；對全球變暖的影響要小，即溫室效應(yīng)GWP值盡可能小，大氣中的壽命盡可能短。另一方面，對于不同的工質(zhì)，循環(huán)中所體現(xiàn)的循環(huán)參數(shù)各有不同，對工質(zhì)泵、膨脹機(jī)、管道等設(shè)備要求也不同，因此工質(zhì)的選擇將極大地影響到太陽能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)的初投資。因此，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性也必須在選擇工質(zhì)時予以考慮。目前，專門針對太陽能低溫朗肯循環(huán)的研究較少。另一方面，大多數(shù)的太陽能低溫?zé)岚l(fā)電實(shí)驗(yàn)研究主要以烷類物質(zhì)為對象，其他應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)研究的有機(jī)工質(zhì)比較

24、少，僅有R134a，氨水等幾種工質(zhì)。5.3 實(shí)際循環(huán)中工質(zhì)的選取與確定為了選取用于實(shí)驗(yàn)研究的太陽能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)工質(zhì)，天津大學(xué)的王曉東選取了R600(丁烷)、R134a、R245fa、R236fa四種典型工質(zhì)作為候選工質(zhì)，對其應(yīng)用于太陽能低溫朗肯循環(huán)的性能進(jìn)行分析與比較。在設(shè)定的工況下，對四種候選工質(zhì)的循環(huán)參數(shù)分別進(jìn)行了計(jì)算，并從壓力水平、做功能力、循環(huán)效率、熱力學(xué)完善度、工質(zhì)安全性和工質(zhì)環(huán)境性能等方面進(jìn)行了分析比較。表3為四種有機(jī)工質(zhì)的特性參數(shù)。表 3 候選工質(zhì)的特性參數(shù)工質(zhì)分子量(g/mol)臨界溫度T()臨界壓力P(MPa)ODPGWP安全等級R60058.12152.03.80020

25、A3R134a102.03101.14.0601200A2R245fa134.05154.14.430950B1R236fa152.04124.93.2009400A1分析結(jié)果表明，在設(shè)定工況下，R600和R245fa的循環(huán)熱力性能要高于Rl34a和R236fa。在蒸發(fā)溫度為90時，R600和R245fa效率分別為14.69和14.50，R600的朗肯循環(huán)效率與熱力學(xué)完善度略高于R245fa，但考慮到實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行時的安全因素，綜合分析后決定選取R245fa作為太陽能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)的工質(zhì)。理論計(jì)算結(jié)果還表明，在冷凝和蒸發(fā)溫度分別為25和80時，以R245fa為工質(zhì)的太陽能低溫朗肯循環(huán)效率能達(dá)到

26、約13。此工況在實(shí)際應(yīng)用中可以利用普通集熱器得到。同時，如果太陽能集熱器可以進(jìn)一步提高工質(zhì)蒸發(fā)溫度，朗肯循環(huán)效率會得到進(jìn)一步提高。綜合考慮以上分析的因素，選取R245fa作為太陽能低溫朗肯循環(huán)的工質(zhì)是可行、合理的。5.3.1 有機(jī)工質(zhì)的選取為了選取用于實(shí)驗(yàn)研究的太陽能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)工質(zhì)，天津大學(xué)的王曉東選取了R600(丁烷)、R134a、R245fa、R236fa四種典型工質(zhì)作為候選工質(zhì)，對其應(yīng)用于太陽能低溫朗肯循環(huán)的性能進(jìn)行分析與比較。在設(shè)定的工況下，對四種候選工質(zhì)的循環(huán)參數(shù)分別進(jìn)行了計(jì)算，并從壓力水平、做功能力、循環(huán)效率、熱力學(xué)完善度、工質(zhì)安全性和工質(zhì)環(huán)境性能等方面進(jìn)行了分析比較。分析結(jié)

27、果表明，在設(shè)定工況下，R600和R245fa的循環(huán)熱力性能要高于Rl34a和R236fa。在蒸發(fā)溫度為90時，R600和R245fa效率分別為1469和1450，R600的朗肯循環(huán)效率與熱力學(xué)完善度略高于R245fa，但考慮到實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行時的安全因素，綜合分析后決定選取R245fa作為太陽能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)的工質(zhì)。理論計(jì)算結(jié)果還表明，在冷凝和蒸發(fā)溫度分別為25和80時，以R245fa為工質(zhì)的太陽能低溫朗肯循環(huán)效率能達(dá)到約13。此工況在實(shí)際應(yīng)用中可以利用普通集熱器得到。同時，如果太陽能集熱器可以進(jìn)一步提高工質(zhì)蒸發(fā)溫度，朗肯循環(huán)效率會得到進(jìn)一步提高。通過更加綜合的分析，我們可以更好地了解R600與

28、R245fa用在低溫太陽能朗肯循環(huán)中的優(yōu)越性。雖然說在相同的設(shè)定工況下，R600的朗肯循環(huán)效率與熱力學(xué)完善度略高于R245fa，但總體差距不大；R245fa壓力水平較低且分子量較大，這將有利于太陽能集熱器和膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)和制造。同時，與R600相比，R245fa最大的優(yōu)點(diǎn)在于其安全、不可燃，這是實(shí)際工程中必須要考慮的因素。特別是對于太陽能朗肯循環(huán)系統(tǒng)，運(yùn)行中集熱器和膨脹機(jī)可能會出現(xiàn)工質(zhì)泄露的情況，因此使用R600的風(fēng)險(xiǎn)較大。此外，作為有機(jī)工質(zhì)，R245fa還擁有可以接受的環(huán)境參數(shù)。綜合考慮以上分析的因素，選取R245fa作為太陽能低溫朗肯循環(huán)的工質(zhì)是可行、合理的。5.3.2 以R245fa為工質(zhì)的郎肯循環(huán)參數(shù)表4和表5給出了一個以R245fa為工質(zhì)的典型的太陽能低溫朗肯循環(huán)循環(huán)參數(shù)詳細(xì)計(jì)算結(jié)果。計(jì)算中，設(shè)定冷凝冷凝溫度為25；蒸發(fā)溫度為80，實(shí)際應(yīng)用中，此蒸發(fā)溫度能夠通過平板集熱器或普通真空管集熱器輕松得到。表 4 以R245fa為循環(huán)工質(zhì)的郎肯循環(huán)工況參數(shù)1狀態(tài)tP(MPa)h(kJ/kg)s(kJ/kgK)1250.1494233.21.116225.20.7888233.71.1163800.7888312.81.3594800.7888466.11.7935850.7888471.91.809642.1