有机朗肯循环实验

实验名称： 有机朗肯循环：废热余热利用关于有机朗肯循环系统性能测试实验 动力工程学院本科生创新实验报告 题目：有机朗肯循环：废热余热利用

关于有机朗肯循环系统性能测试实验

学 号：2009XXXX 班 级：热能与动力工程X班 姓 名：XX 教 师：XXX 动力工程学院中心实验室 2013年1月 1

学 号： 考核成绩： 综合评语： 2009XXXX 姓 名： XX 教师签名： 年 月 日 注意：

1. 实验成绩按照百分制给出。

2. 教师评定成绩根据实际情况时要有区分度。 3. 本页由指导教师填写。

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报告内容 1.实验背景

能源是推动人类社会发展的动力，随着煤炭、石油、天然气等化石能源消耗量的不断攀升，以及能源消耗带来的环境负担（如二氧化碳排放、酸雨等），能源和环境问题已成为全世界共同关注的重大问题。能源利用形式不仅要讲究环境友好型，而且能源利用效率也要讲究高效型。经过人类的不断研究，高温热源利用技术已经相对成熟，为了更好地缓解能源压力，人类开始对新能源进行探索，同时也开始对低品位能源利用技术进行研究。因此，各种能源利用形式开始出现：太阳能、风能、潮汐能、地热能、生物质能、工业废热等。

因此，对低品位能源（如工业废热）形式的利用，人类开始有机朗肯循环技术进行探索。本实验对于有机朗肯循环系统利用废热进行了简单介绍及其性能进行实验研究。

2.研究进展

有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)是以有机物代替水作为工质，回收低品位热能的朗肯动力循环。有机物朗肯循环的研究最早始于1924年，有人以二苯醚作为ORC工作介质进行了研究。1966年有学者撰文指出可应用有机 朗肯循环回收低品位的热能 ，一时之间以氟利昂为工质回收低品位热能的朗肯循环引起了各国 学者的广泛关注。Curran H M J，Badr O J，Giampaolo G 等人在有机朗肯循环的设计、运行 及工质选择等方面开展了较深入的研究工作。我国自20世纪80年代开始对有机朗肯循环进行研究，分析了有机朗肯循环的热力系统及效率，论证了有机朗肯循环中工质的选择与循环参数的确定及对八种常用的氟里昂的动力粘度在100～450K范围内求出拟合公式。

1997-2001 年期间台湾义守大学Hung T C等人进行了深入的研究，采用苯、甲苯、对二甲苯、R113和R123等五种工质的有机朗肯循环分析表 明：采用对二甲苯工质的循环热效率最高，而以苯为工质的热效率最低。

2001年意大利巴里理工大学Maizza等人报道了l1种常见的氟利昂类单质及9种混合制冷剂的热物理性质，并在蒸发温度为80～110℃，冷凝温度为35～60℃时，对它们在有机朗肯循环系统中的效率进行计算，计算结果显示单质中R123、R12g，混合物中R401C效率最优。

2007年波兰学者Borsukiewicz—Gozdur等人对地热水温在35～110℃的地热有机朗肯循环机组也进行了研究，得出以下结论：当工质的临界温度与最高水温接近时，使用该工质的系统效率较高；使用丙烯和R245fa作为工质时系统效率较高，在水温为100℃时分别为14．6％和14．1％。

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2003年，在一篇《以HFC-245fa为工质的有机朗肯循环发电系统的优势》中，

美国学者GARY J.Z.等人通过研究认为，当废热的温度在150～200℃时HFC-245fa的性能要优于R123。

2004年台湾工业技术研究院Bo-Tau Liu等人发表了对于有机朗肯循环工质的认识，认为在分子中存在氢键的流体都不适合作为有机朗肯循环的工质,如水、氨和乙醇等湿流体。

2007年，意大利布雷西亚大学Invernizz C等人对回热式微型涡轮机采用有机朗肯循环进行了研究。利用质量流量为1 kg／s，温度为300℃的废热，100 kW的微型涡轮机中采用多甲基硅氧烷作为工质可以多产生45 kW的电能，将效率从30％增加至40％。

3.应用范围

有机朗肯循环可用于回收各种类型的中低品位热能用于发电，从应用上看，有

在生物质能利用中，生物质能驱动有机朗肯循环与一般低品位热源不同之

机朗肯循环可应用于生物质能发电，地热发电，工业废热发电，LNG冷能发电。 处在于，与有机工质换热的热油温度高达600 K 以上。奥地利学者Ingwald Obernberger在2002年报道了奥地利蒂罗尔州利用生物质能驱动有机朗肯循环产生热电的机组系统 。该机组电容量为1 MW，热容量为4．4 MW，循环最高温度为300℃，有机朗肯循环工质采用硅油。

在地热利用中，热源的温度范围一般从几十摄氏度到三百摄氏度，可分为高温(>220 ℃)、中温(100～220 ℃)、低温(70～100 ℃)三类。其中以中低温最为常见。世界上很多国家都把地热发电投入了实际应用。日本北海道浊川地热田和九州大岳地热田，在1978年即有1 MW发电容量，采用双工质有机朗肯循环发系统，前者使用R114(c C1 F )为工质，而后者则使用异丁烷 。德国、奥地利也分别在2000年前后建成地热有机朗肯循环系统，装机容量分别为1 MW和0．1 MW。它们使用同一种工质——全氟正戊烷 。

在工业余热利用中，水泥工业的余热总量非常巨大，具有极佳的回收前景。Baatz等和Legmann等介绍了位于Lengfurt的Heidelberger Zement AG Plant的1500kW有机物朗肯循环电站，该电站回收水泥工业中排放的300℃的余热，是最早的用于水泥工业的有机物朗肯循环电站。该电站每年可减少二氧化碳排放7600t，每年的减排量占到整个工厂因电力而产生的二氧化碳排放量的29.1%，输出的电力预计可以达到整个水泥厂12%的电力消耗。

有机朗肯循环另一个重要的应用领域是利用LNG冷能发电，它以LNG的冷能作为冷源，以普遍存在的低品位能（地热能、太阳能、工业余热）作为热源。这

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种在低温下运行的有机朗肯循环与直接膨胀法结合，可充分回收利用LNG的冷量火用和压力火用，可以大大提高冷能回收率。目前，利用低温朗肯循环回收LNG冷能主要采用丙烷、乙烯或它们的混合物。

4.工作原理

有机朗肯循环原理类似于水蒸气朗肯循环，理想朗肯循环过程如图4-1和图4-2所示的绝热膨胀（1-2）、定压冷却（2-3）、绝热加压（3-4）以及定压加热（4-1）四个过程，对应的有机物朗肯循环的四个主要设备为如图4-1所示的膨胀机、冷凝器、工质泵和蒸发器。有机朗肯循环的具体过程如下：

绝热膨胀（1-2）：来自蒸发器的高温高压的有机物蒸汽在膨胀机中绝热膨胀，从而实现对外做功的过程。理想的膨胀机过程为绝热等熵膨胀，此时，膨胀机的绝热效率为1；而实际的膨胀机，由于存在着摩擦、泄漏、漏热等不可逆损失，其绝热膨胀过程通常是不可逆的熵增过程，其绝热效率小于1。膨胀机的绝热效率可以通过下式进行计算：

h1?h2? Tur ? （4.1）

h1?h2sWTur?mW(h1?h2) （4.2）

h为工质的焓值。而膨胀机对外做的功，则可以由下式进行计算：

mW为工质质量流量。

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2 膨胀机 1 冷凝器 发电机 蒸发器 工质泵 3 4 图4-1有机朗肯循环原理图

定压冷却（2-3）：经过膨胀机膨胀之后的较低温度较低压力的有机物蒸汽，在冷凝器中冷却成过冷液体，同时将热量排到冷却流体中。通常这个过程包括预冷、冷凝和过冷三个阶段。冷凝器中的冷却过程，可以由下式进行计算：

Qcon?mW(h2?h3)?mL(hLb?hLa) （4.3）

mL为冷却工质的质量流量，对应的h为其焓值。

绝热加压（3-4）：经过冷凝器冷却之后的过冷的有机工质液体，在工质泵中被绝热加压至高压液体，以进入蒸发器进行加热。在考虑泵的效率之后，泵的耗功可以由下式进行计算：

W ? ( P 4 ? P 3 ) ? m w （4.4）

? ? Pump

P为压力，ρ为工质密度。泵出口的焓值可以由下式进行计算：

Pumph4?h3?WPumpmW （4.5）

定压加热（4-1）：高压的有机物工质液体，在蒸发器中被加热，经历了预热、

沸腾和过热三个过程后，产生的过热蒸汽进入膨胀机做功。这个过程通常被认为是有机朗肯循环不可逆损失最大的过程，主要是由于工质在沸腾过程中通常是等温的，从而导致换热温差较大，带来内部不可逆损失；同时由于换热不充分，热源经过换热之后仍有一定量的可用能，直接排放到环境，导致外部不可逆损失。

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这个过程可以由以下的方程进行描述：

Qeva?mW(h1?h4)?mH(hHa?hHb) （4.6）

综合上述四个过程，根据式(4.1)-(4.6)有机朗肯循环的热效率为：

图4-2有机朗肯循环温熵图 S T 1 ? ? （4.7） ?WTur?WPumpQevah1?h2?WPumpmWh1?h4

有机朗肯循环系统在于对废热利用，故除了定义了有机朗肯循环的热效率外，还定义系统评价指标为热回收率：

Wh?,e （4.8） Q evp ? Q H

?W为系统的有用功，即膨胀功减去泵功，QH,e为热源排放到环境中的

热量。

5.实验装置

有机朗肯循环系统的实验装置的主要装置包括：蒸发器、膨胀机、冷凝器、冷却器、储液罐、泵、热水器、热水泵、发电机以及相关的阀门和测试装置。系统工质为R600a，采用热水作为热源，温度为80℃-100℃，采用水冷方式，冷源则来自城市生活用水。

系统的管道连接如图5-1所示。该系统以15kW电热水器加热的热水模拟为低品位热能热源，通过热水泵将热水通入蒸发器来加热有机物工质。被加热后的 高温高压有机物蒸汽通入膨胀机进行做功。发电机输出电功率通过三角形连接方式与负载相连，负载为6个白炽灯。在膨胀机侧设置旁通阀，以用于旁通进入膨胀机的过多蒸汽。经膨胀机后的蒸汽进入冷凝器和冷却器进行冷凝，冷却的冷源

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为自来水。经过冷凝之后的有机物工质液体回流至储液罐中进行收集，储液罐的作用是储存液体并对系统起到缓冲稳定作用。储液罐上设置加液阀门，用于给整个系统加注有机物工质。储液罐出口与工质泵相连接。

系统的主要能量输入为工质泵、热水泵的电功率，以及电热水器消耗的电功率。工质泵需要将工质加压至较高压力，因而消耗的功率较大；而热水泵仅需克服管道阻力，消耗功率较小。电热水器是为系统提供热源。系统的测试装置主要包括温度传感器、压力传感器、流量传感器、电参数测量装置，以及相应的二次仪表。

图5-1实验装置

6.实验操作过程

由于本实验中采用R600a作为工质，存在着易燃易爆的问题，因此，实验系统所处环境需保证通风良好，并且严禁烟火。在完成上述的准备工作后，即可开始对系统的开机运行，其基本过程如下：

(a)打开控制总电源，再打开仪表电源，记录各个测量点温度、压力的初始值； (b)打开冷却水阀门，对系统进行冷却；

(c)确认电热水器水位，若水箱水量不足，则利用管道加水。然后对电热水器通电，对热水进行加热，直至加热至需要的热源温度；

(d)打开ORC系统主管道阀门；

(e)开热水泵，观察热源在蒸发器入口的温度，直至其达到要求的热源温度； (f)打开变频器电源，设定需要的工质泵频率，开工质泵电源，系统开始运行； (g)系统运行稳定后，记录各个读数；

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(h)调节系统设定值至另外一个参数，待系统稳定后再进行读数，直至达到测试目标。

完成实验测定之后，需要对系统进行关机，其过程与开机操作相反，具体如下： (i)关闭工质泵，然后关闭变频器电源； (j)切断热水泵电源；

(k)关闭电热水器电源，使其自然冷却； (l)切断各仪表电源，然后关闭控制柜电源；

(m)使用冷却水对系统进行冷却，半小时后关闭冷却水，之后再关闭ORC系统主管道各阀门。

7.测试数据 参数 热源入口温度℃ 热源出口温度℃ 工质泵出口温度℃ 蒸发器工质入口温度℃ 蒸发器工质出口压力MPa 膨胀机出口温度℃ 膨胀机出口压力MPa 储液罐压力MPa 储液罐温度℃ 工质流量L/min 膨胀机转速rpm 发电机负载W 发电机输出功率W 发电机输出电压V 发电机输出电流A 大气压力bar 环境温度℃

测试值 蒸发器工质出口（膨胀机入口）温度℃ 表格7-1

整个实验系统的性能指标主要包括：膨胀机输出功率、第一定律效率以及 热回收效率。

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系统的输出功率通过连接发电机后，测量发电机的输出电功率得到，测量的设备是功率分析仪。在实验过程中可能存在着净输出功率较小的现象，甚至有可能出现净输出功率为负。

在考查系统的第一定律效率时，也需要考虑泵耗功的影响。因此，在研究第一定律效率时，同时分析了考虑泵耗功与不考虑泵耗功时第一定律效率的变化情况。考虑泵耗功时的第一定律效率定义式为：

?1?WTur?WpumpmH(hHa?hHb)

(7.1)

上式中膨胀机的输出功率为电功率分析仪测试得到的发电机输出功率，hHahHb分别为热水进口焓值和热水在环境温度下对应的焓值，而分母为热水向系统传递的热量。因此上式定义的系统效率，包括了蒸发器的换热效率、有机物朗肯循环系统的效率、发电机的发电效率等因素。泵的耗功在实验过程中没有专门的设备进行测量，实验中采用计算泵进出口参数的方法计算其耗功。根据泵的基本原理，其耗功为：

W ? （7.2） Pump(P4?P3)?mw?Pump?当不考虑泵的耗功时，整个系统的第一定律效率定义式即为式(7.1)的分子项为，而分母项不变。同样的，分析热回收效率时，也分别研究了考虑泵耗功与不考虑泵耗功两种情况时的效率。考虑泵耗功时的热回收效率的定义式为：

2 ? ? （7.3） ?WQevp?QH,eWTur?WpumpmH(hHa?hHb)泵耗功的计算式与第一定律效率相同。而不考虑泵耗功时的热回收效率的定义式的分子为膨胀机输出功。

参考文献

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[1]. 顾伟, 低品位热能有机物朗肯动力循环机理研究和实验验证, 2010, 上海交通大学.

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[4]. 冯惠生等, 工业过程余热回收利用技术研究进展. 化学工业与工程, 2012(1): 第57-64页.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1yb6.html