有机朗肯循环的热力学分析-马新灵

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1、2011年7月郑州大学学报(工学版)Jul．2011第32卷第4期JournalofZhengzhouUniversity(EngineeringScience)Vol.32No.4文章编号:1671－6833(2011)04－0094－05有机朗肯循环的热力学分析马新灵，孟祥睿，魏新利，王培萍，常佳(郑州大学化工与能源学院，河南郑州450001)摘要:应用热力学第一定律和第二定律对有机朗肯循环低温余热发电系统进行了热力计算、能量分析和火用分析．并以R245fa为工质，针对100℃左右的热源，在给

2、定工况下分析计算了系统的热效率．研究结果表明:影响热效率的因素为蒸发器出口、膨胀机出口以及冷凝器内的工质状态参数;要减少系统的不可逆损失，需减少各热力过程的有温差传热和摩擦损耗，即选取高效传热的蒸发器和冷凝器及设计制造适合有机工质的膨胀机;在冷凝器入口前加装回热器，可有效减少传热温差引起的不可逆损失，加装回热器后整个系统的热效率提高了0.32%．研究结果可供有机朗肯循环系统设计作参考．关键词:热力学;余热发电;有机朗肯循环;分析中图分类号:TK123文献标志码:A示．工质在蒸发器中从低温热源中吸收

3、热量产生0引言有机蒸汽，进而推动膨胀机旋转，带动发电机发利用有机朗肯循环(OrganicRankineCycle，电，在膨胀机中做完功的乏气进入冷凝器中重新ORC)系统，将低品位热能(一般低于200℃，如冷却为液体，由工质泵打入蒸发器，完成一个循太阳热能、工业余热等)转化为电能，既有助于解环．决能源紧缺问题，又能减少常规能源利用过程中CO2，NOx，SO2的排放，同时提高了能源的总利用［1－3］率．因此受到越来越多研究者的关注和重视．关于有机朗肯循环低温余热发电系统的热力［4－6］分析，虽然有一些

4、机构也进行了研究，但对热力过程、能量转换和火用等都是定性分析，没有可供参考的具体数据．笔者以R245fa为工质，针对100℃左右的热源，在给定工况下对影响ORC低温余热发电系统热效率的因素进行分析，并提出图1有机朗肯循环余热发电系统原理图了该系统的改进意见．Fig．1SchematicdiagramofORCwasteheat1有机朗肯循环的原理powergeneration对于低品位的焓热，ORC技术与常规的水蒸常规的朗肯循环系统以水—水蒸汽作为工汽朗肯循环相比有很多优点．最显著的特点是，相质，

5、系统由锅炉、汽轮机、冷凝器和给水泵4组设对于水蒸汽而言，有机工质的沸点低，在压力不太备组成．工质在热力设备中不断进行等压加热、绝高(0.15～0.5MPa左右)，温度60～70℃、甚至热膨胀、等压放热和绝热压缩4个过程，将高温高40～50℃左右，就可以汽化为蒸汽，从而可以利压水蒸汽的热能转化为机械能进而转化为电能．用原来废弃的品位较低的热能，将这些能源再生有机朗肯循环与常规的蒸汽朗肯循环类似，只是后以电能的形式输出．采用的是低沸点有机物作为工质．该循环系统由有机工质在回收显热方面也有较高的效率，蒸

6、发器、膨胀机、冷凝器和工质泵组成，如图1所收稿日期:2011－01－17;修订日期:2011－04－20作者简介:马新灵(1977－)，女，河南南阳人，郑州大学讲师，博士研究生，主要从事低温余热利用和生物质液化的实验研究．第4期马新灵，等:有机朗肯循环的热力学分析95由于朗肯循环中显热和潜热二者的比例不相等，2)与理想的等熵膨胀(1－2s)差别相当显著，所而ORC系统中显热的比例较大，因此采用该技术以实际的有机朗肯循环为1－2－3－4－5－6－［3］要比水蒸汽的朗肯循环可回收较多的热量．1．ORC

7、系统还具有设备简单、良好的机动性、实际的膨胀过程对外输出的功为:高度的安全性及对维护保养的要求比较低等优点．wT=h1－h2(kJ/kg)(6)膨胀机的等熵效率为:2ORC系统的热力过程及能量分析h1－h2［4］ηs=h－h(7)以R245fa(五氟丙烷)干性物质做工质时，12s理想的有机朗肯循环为如图2所示的1－2s－3－在冷凝器中的放热量为:4－5－6－1，4个热力过程组成．q2=h2－h3(kJ/kg)(8)实际循环的热效率为:wwT－wPh1－h2－(h4－h3)ηt===(9)q1h1－

8、h4h1－h4式中:h1，h2s，h2，h3，h4分别为各状态点的比焓值，kJ/kg．3ORC系统的热力性能分析以R245fa为工质回收利用100℃左右的低品位热源进行发电时，结合工程实际、各热力设备图2R245fa为工质的ORC系统的温－熵图的性能，选取了如下的操作参数作为计算工况:膨Fig．2T－SThermodynamicdiagramofORC胀机入口温度t1=70℃，入口压力p1=0.5MPa;systemforR245fa膨胀机出口压力p2=0.15MPa;冷却水的入口