低温余热驱动的无泵有机朗肯循环瞬时稳态发电性能

路会同，江龙，王丽伟，王如竹

（上海交通大学制冷与低温工程研究所，动力机械与工程教育部重点实验室，

上海 200240）

摘要

建立了一套低温热源驱动的小型无泵有机朗肯循环系统，研究无泵有机朗肯循环回收利用余热发电的性能。该系统中热水温度为75～95，冷却水温度为25，选择制冷剂R245fa作为系统工质，选择涡旋膨胀机将热能转换为机械能，并通过发电机进行发电。实验结果表明当热水进口温度为95时，最大瞬时发电功率为232 W，并可以在250 s的时间内保持稳定在230 W左右，总的发电持续时间为380 s。随着热源水温度下降，功率输出减小，但发电持续时间增加。系统稳定发电平均效率最大为3.92%，此时热源水温度为95，最低为3.02%，此时热源水温度为85。

引 言

世界能源急剧消耗，使得低品位热源的回收利用受到越来越多的重视。由于结构简单，可靠性高，维护成本低等优点，有机朗肯循环为低品位余热利用提供了一种可行的方法。有机朗肯循环实质为克劳修斯循环，系统采用有机工质，所需热源温度也相对较低，因此可以利用各种形式的低温余热资源来发电，包括生物质热能、发动机余热、太阳能、工业余热和地热能等。

传统有机朗肯循环主要由蒸发器、冷凝器、膨胀机及工质泵组成。目前，研究提高有机朗肯循环效率的两个主要方向是工质的选择以及系统部件的优化。在工质选择上，除考虑工质具有良好循环性能和环保性能外，其稳定性、腐蚀性、泄漏性、毒性及可燃性都是工质选择需要考虑的内容。刘杰等的研究表明，在低温热源情况下，考虑制冷剂性质以及环保等因素情况下，R245fa和R123具有较好的热力学性能。对于部件优化，除对于换热的设计研究之外，作为ORC系统中的功转换部件，膨胀机的选择与优化对系统效率影响很大。在有机朗肯循环中，膨胀机类型有涡旋膨胀机、径向涡轮膨胀机以及单螺杆膨胀机等。其中涡旋膨胀机运转平稳，动力性能优良，并且在气体膨胀比相同的情况下比活塞式膨胀机所需尺寸更小，因此广泛应用于ORC系统中。

传统有机朗肯循环中主要的耗能部件为工质泵，在计算系统效率时，工质泵耗能影响很大，因此对于工质泵的优化与改进主要集中在工质泵效率的提升上。但是对于小型有机朗肯循环系统，系统发电功率较小，系统效率已经相对较低，若再考虑到工质泵耗功，系统循环效率将进一步减小，甚至出现净输出功为负的情况。因此设想将传统有机朗肯循环中的工质泵移除并寻求替代装置，来提高系统的净功率输出。李晶等提出的重力驱动型ORC系统，采用工质自身重力驱动系统运行。但重力型的ORC系统对系统紧凑性有一定的影响，且不同工质对于高度差要求相差较大，不利于系统组装以及布局规划。因此，新型无泵有机朗肯循环系统的提出可为提高小型有机朗肯循环输出功率提供新的思路。

无泵有机朗肯循环主要包括蒸发器、冷凝器、膨胀机、发电机以及管道等辅助系统。系统中移除了工质泵，因此不存在工质泵耗功对系统发电效率的影响。用四通阀控制工质的流向，使制冷剂在高效换热罐内蒸发冷凝，进而将低温热能转换为电能，实现系统发电。

对于无泵有机朗肯循环的研究，Gao等搭建了一套实验装置用以研究系统发电性能，并对系统效率进行了分析。实验中系统轴功输出在一个发电循环中波动较大，相应的发电机功率输出稳定性较差。

因此，本文改进了无泵有机朗肯循环的实验装置以期达到更高的发电效果。系统组成主要包括两个高效换热罐，一个膨胀机以及发电机。通过实验研究了无泵ORC实际发电性能，实现系统连续稳定的发电。

结 论

建立了小型无泵有机朗肯循环系统用以回收利用温度以下废热资源，采用锅炉加热水模拟余热资源，热水温度变化为75～90，温度梯度为，冷却水温度为。选用制冷剂R245fa作为系统工质，系统中工质量为，涡旋膨胀机为热能转换为机械能部件，作为发电动力来源。通过实验研究得到以下结论。

（1）热水温度为时，系统可以达到最大的功率输出，最大输出为232 W，稳定发电功率输出为230 W。热水温度从75～95时，最大输出功率从103～232 W，稳定输出功率为101～230 W。

（2）随着热水温度升高，蒸发温度升高，蒸发压力随之增加，两个换热罐压差增加，在膨胀机转速相同的情况下可以负担更多负载的电力消耗，发电机输出功率随之增加。热源水温度的增加，使蒸发罐内换热温差增加，热源水进出口温差增加，热水在蒸发器中放热量增加。

（3）系统实际稳定发电时发电效率呈现先下降后上升的趋势，在时效率最小，为3.02%，时效率最大，为3.92%。并且随着温度增加，制冷剂质量流量增加，发电循环时间减少，从时的10.66 min下降到时的6.33 min。

（4）由于系统中不存在工质泵，制冷剂蒸气以及热、冷源水流动方向控制为四通阀控制，并且四通阀切换过程发生在发电结束及预加热前，所需时间为10 s左右，其消耗能量相较于传统有机朗肯循环的工质泵来说几乎可以忽略不计，最终实验结果表明，对于小型系统，低温热源驱动的小型无泵有机朗肯循环能量利用效率要高于相同条件下的传统有机朗肯循环系统。

1 无泵有机朗肯循环原理

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图1 无泵有机朗肯循环系统

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图2 有机朗肯循环理论T-s图

2 系统瞬时稳态热力学分析

表1 系统发电理论效率

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3 实验系统与性能分析

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图3 系统实物

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图4 压力-时间图

3.1 换热罐内压力变化

3.2 发电瞬时功率变化

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图5 时间-功率图

3.3 瞬时加热功率与效率

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图6 热源水加热功率与效率随时间变化

表2 发电相关的主要参数

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