1.背景和意义

当今世界能源形势越来越紧迫，我国能源消耗逐年上升，每年碳排放量仅次于美国，甚至大有超过之势。随着可用能源储量日益减少及环境问题日益严峻，针对余热利用率较低的现状^[1-2]，中低温余热回收利用已经成为节能研究领域的重要课题之一。余热回收利用是提高经济性、节约燃料的一个重要途径。目前，对于300℃以上高温余热已有成熟技术加以回收利用，但是对于80℃#8212;300℃的中低温余热目前还没有得到有效回收利用，正处于技术发展阶段。有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle）是利用低品位热能的有效途径之一^[3]。目前对于利用300℃以下甚至更低的低温余热,，国际上一般采用这种方法 ^[4]。

2.有机朗肯循环的介绍

#160;有机朗肯循环( Organic Rankine Cycle，简称ORC) 与传统的朗肯循环非常相似，但是其以低沸点有机物代替常规水蒸气作为循环工质。这使得ORC循环比水蒸气动力循环有明显的优势^[5]。系统主要设备包括蒸发器，透平，冷凝器，储液罐，工质泵^[6]。系统工作原理为：有机工质在中低温条件下获得较高的蒸汽压力，推动膨胀机做功，从而将低品位的热能转化为电能。该系统针对中低温余热（80℃-300℃）进行回收发电，可提高能源利用效率，进而实现节能减排的目标。

3.有机朗肯循环研究现状

3.1有机工质的研究

热源情况的不同影响着工质的热物性，而只有选择合适的工质才能建立高效的ORC 系统。因此许多科研工作者针对太阳能^[7]、地热能^[8]、生物质能、以及工业余热等低温热源做了大量的研究工作：

#160;#160;#160;#160; 刘超与徐进良^[9]在有机朗肯循环发电系统以进口温度为423.15 K 的中低温地热为热源，采用与热源耦合的反问题方法，选取干工质与等熵工质共6 种、湿工质6 种，在回灌温度为333.15~353.15 K 时进行分析比较。结果表明，随着回灌温度逐渐升高，大多数工质的净输出功呈现先升高后降低的趋势；对相同类型工质，工质临界温度越高，其最大净输出功越低，且最佳回灌温度越高；湿工质在微过热循环（膨胀机出口为饱和汽态）下与干工质饱和循环最大净输出功相当。综合考虑工质循环性能、环境影响、毒性及易燃性，确定最优工质为R236fa。

高建强等^[10]选取R123、R134a、R152a、R22和R245fa，5种有机工质进行太阳能超临界有机朗肯循环的计算和分析。结果表明：当膨胀机出口工质过热度一定时，太阳能超临界有机朗肯循环的热效率高于亚临界工况，且系统以R123为工质时热效率最大，因此R123是一种较理想的有机工质。

#160;#160;#160; Khennich等^[11]针对100℃的低温工业余热，分别以ORC 系统换热器的总热导率

UA最小和循环输出功率最大为目标，分别对5 种工质进行研究，结果选择以R141b 作

为合适工质。

Dai等^[12]在低温工业余热温度为145℃的条件下，比较朗肯循环（以水为工质）系统与ORC 系统的性能。结果表明，ORC系统的输出功率高于朗肯循环系统，而使用有机工质R236ea具有较高的有效能效率。

除此之外，筛选标准还有干湿性、环境影响和安全性等^[13]。目前市场使用较多的工质是R245fa^[14],其次是R134a^[15]。

3.2膨胀机的研究

#160;#160; 现有性能优良的膨胀机部件有两种：一种是容积型膨胀机，一种是汽轮机^[16]。容积型膨胀机在机组容量较小时性能突出，汽轮机在机组余热容量较大的时更有优势。因有机朗肯循环一般是小型或者微型系统，所以目前有机朗肯循环系统更多是采用容积型膨胀机。容积型膨胀机通常包括以下几种类型：螺杆式、涡旋式、活塞式、转子叶片式膨胀机。由于相比螺杆式、活塞式膨胀机，涡旋式及转子叶片式膨胀机受运行工况变化的影响较小，造价便宜。所以目前在热机应用上的膨胀机当中，学者们更着重于涡旋式及转子叶片式膨胀机的研究^[17]。

3.2.1涡旋式膨胀机

#160;#160; 涡旋式膨胀机根据制冷空调中涡旋压缩机的原理设计而成的。

韦伟等^[18]对采用涡旋膨胀机的ORC系统进行了实验研究，结果表明涡旋膨胀机具有较高的绝热效率，但实际流量小于理论流量。潘登等^[19]有机朗肯循环涡旋膨胀机性能试验研究，搭建了以R123为工质，设计输出功率为3kW 的有机朗肯循环涡旋膨胀机试验系统，对涡旋膨胀机在不同工况下的性能进行了试验研究。试验得到涡旋膨胀机的最大输出功率为2.425kW，最高等熵效率为55%。变负载研究中涡旋膨胀机的转速变化范围为1550~2165r /min。试验工况范围内，涡旋膨胀机输出功率、总机械效率随负载的增加而增加，转速随负载数量的增加而降低。

3.2.2转子叶片式膨胀机

#160;#160;#160; 转子叶片式膨胀机是根据制冷空调的转子压缩机的原理设计而成的。因此，它具有

结构简单、振动小、低噪音、可靠性高、适应大工况范围等特点^[20]。

Mohd 等^[21]在小型ORC 系统中使用了转子叶片式膨胀机，并采用工质R245fa 对系统进行实验研究。结果表明，转子叶片式膨胀机的效率为43%~ 48%，系统的热效率只有3.07% ~ 3.82%，远低于理论计算的数值。

4.换热器的研究

#160;#160;#160; 在有机朗肯循环中，蒸发器和冷凝器是重要的换热设备。换热器的传热好坏会影响系统的效率高低。目前国内外对换热器的研究方法主要有理论计算、实验研究和数值模拟三种方法^[22]。

三种方法各有利弊：

(1) 理论计算

#160;#160;#160; 利：对换热器的结构参数进行了优化分析；

#160;#160;#160; 弊：很难得到换热器内部的流动与传热规律。

(2) 实验研究

#160;#160;#160; 利：可以测得换热器内部温度和压力变化，利用可视方法可观测到内部流体的流动

情况。

#160;#160;#160; 弊：实验无法预测出换热器内详细的流动和换热情况，且实验研究需要消耗大量的

人力资金和时间。

(3) 数值模拟

#160;#160;#160; 利：可以详细得到换热器内部流场的分布情况，也可针对翅片管结构、流体的不同分别进行模拟预测，降低了投资成本。且所需时间少，不受时间和地点的限制。

#160;#160;#160; 魏莉莉等^[23]低温朗肯循环发电系统中的蒸发器设计研究针对低温有机朗肯循环发

电系统通过理论分析以及实验测试证实”壳管式预热器 满液式蒸发器”的组合式蒸发

器是有机工质朗肯循环低温发电系统中蒸发器的最佳选择。

#160;#160;#160; 魏新利等^[24]有机朗肯循环系统蒸发器的性能研究针对以Ｒ245fa 为工质的朗肯循

环系统，运用Aspen 换热器设计模拟软件，对该系统常用的满液式、降膜式和板式蒸发器进行结构设计和性能分析． 在相同工况参数下，对比3 种蒸发器的尺寸、造价和综合传热因子，结果表明: 板式蒸发器最适用于有机朗肯循环系统。

蒸发器是耦合热源(如烟气、太阳能集热器内导热油、地热水等)与ORC 机组的关键部件^[25]，其传热性能决定有机朗肯循环系统的热性能。学者 Mago 等^[26]通过火用拓扑图和火用轮图（exergy wheel）方式，对基本有机朗肯循环和再热型有机朗肯循环的火用流程进行了研究，并且给出了各个主要设备的火用损失情况。结果指出蒸发器是整个循环火用损失最大的部件，对于基本循环可占整个系统火用损失的 77%左右，而对再热型 ORC 蒸发器也要占到整个系统的 40% 多。因此对蒸发器设计的进一步优化，寻求系统各换热设备的压降、传热系数K和换热面积A 之间的关联关系，实现从设备到系统的协同优化，将有助于整个循环系统火用损失的减少，提高整个系统的换热效率。蒸发器的设计原则主要有：（1）以ORC 系统热功转换效率作为目标（热力学第一、二定律）；（2）以热经济效益作为目标^[27]。因此，蒸发器设计需要经济性分析。根据文献[28]，由于蒸发温度、蒸发器窄点温差、余热介质及冷却水流量对系统设备造价和净输出功的综合影响，其均存在最佳值使电力生产成本最小。综上所述，有机朗肯循环具有简单、效率高、环境友好等优点。因此，在能源危机日趋严重的情况下，它将在各种类型的中低温余热利用方面起到重要的作用。尽管日本、美国等发达国家很早就将ORC 系统应用在中低温余热回收上，并且已经形成了比较成熟的技术^[29]。但目前我国专家在ORC系统领域已经取得了诸多的技术进步，相信伴随着越来越成熟的ORC系统研究，用于中低温余热回收利用的ORC 系统将会尽快实现国产化。基于此，本课题以理论模拟作为主要研究方法。针对中低温资源，利用江苏首诺T55导热油模拟系统余热热源，以有机工质R123作为系统冷源，对该系统进行热力循环模拟，并且对系统中的重要部件蒸汽发生器进行结构设计。期望将中低端热能更高效的传递给工质，以减少整个系统的火用损失，获得更高效的电能。

5.本课题研究内容

本课题为基于有机工质R123的蒸发器设计，通过建立热力学模型，对有机朗肯循环系统进行稳态模拟以及对有机工质R123的研究，利用科学计算软件MATLAB^[30]进行蒸发器的热力计算，完成蒸发器的结构设计，为ORC电厂的设计及效率的提高提供有价值的参考。进一步加强我国在中低温余热方面的回收利用，达到节约资源与环境保护的目的。

#160;

文献查阅信息

[1] 丁毅, 史德明．钢铁企业余热资源高效利用[J]．钢铁，2011，6(10)：88.

[2] 舒型武．简析钢铁工业节能减排的途径[J]．冶金能源，2008，27(3)：6．

[3] 连红奎, 李艳, 束光阳子,等. 我国工业余热回收利用技术综述[J]. 节能技术,2011,29(2):123-128.

[4] 冯驯. 有机朗肯循环中低温余热发电系统理论研究[D]. 上海：上海交通大学，2011：

6-7.

[5] Yamamoto T,Furuhata T,Arai N,et al. Design and testing of the organic Rankine cycle［J］. Energy，2001，263（3）：239#8212;251.

[6] 沈维道,蒋智敏,童钧耕.工程热力学[M].第 3 版.北京:高等教育出版社,2000.

[7] Manolakos D， Kosmadakis G， Kyritsis S． On site experimental evaluation of a low temperature solar organic Rankine cycle system for RO desalination［J］． Solar Energy，2009，83( 5) : 646-656．

[8] Madhawa H H D， Golubovic M， Worek W M， et al． Optimum design criteria for an organic Rankine cycle using low-temperature geothermal heat sources［J］． Energy，2007， 32( 9) : 1698-1706．

[9] 刘超,徐进良.中低温地热发电有机朗肯循环工质筛选[J]．可再生能源，2014，32（8）：

1188-1194.#160;

[10]高建强，孙鑫，曲振肖，等. 太阳能超临界有机朗肯循环的工质选择和性能分析[J].

太阳能学报.2015,36(8):2002-2007.

[11] Khennich M, Galanis N. Thermodynamic analysis and optimization of power cycles #160;#160;#160;#160;

using a finite low temperature heat source [J]. International Journal of Energy Research, #160;#160;#160;#160;#160;

2012, 36(7): 871-885.

[12] Dai Y P, Wang J F, Gao L. Parametric optimization and comparative study of organic #160;#160;#160;#160;

Rankine cycle (ORC) for low grade waste heat recovery [J]. Energy Conversion and #160;#160;

Management, 2009, 50: 576-582.

[13] 于浩水, 冯霄, 王彧斐. 有机朗肯循环工质筛选准则分析[J]. 计算机与应用化学, 2015, 32(11).

[14]徐灏．疲劳强度[M]．北京: 高等教育出版社，1988．

[15]王大彪, 段捷, 胡哺松, 等. 有机朗肯循环发电技术发展现状[J].节能2015.33(3):235-242

[16]. Dahlqvist Johan E. Impulse turbine efficiency calculation methods with organic Rankine cycle［D］. Stockholm， Sweden： KTH， School of Industrial Engineering and Management （ITM） ， Energy Technology，Heat and Power Technology，2012.

[17]邓立生，黄宏宇，何兆红，等. 有机朗肯循环的研究进展[J].新能源进展.2014.6(3):180-189.

[18]韦伟, 严瑞东, 刘杰, 等. 采用涡旋式膨胀机的有机朗肯循环系统试验研究[J]. 流体机械, 2012, 40(11): 1-4.

[19]潘登，高乃平，谢飞博，等.有机朗肯循环涡旋膨胀机性能试验研究[J].FLUID MACHINERY.2014.05:10-14

[20] Musthafah M T, Yamada N. Thermodynamic analysis of expansion profile for

displacement-type expander in low-temperature Rankine cycle[J]. #160;Journal of Thermal #160;#160;

Science and Technology, 2010, 5(1): 61-74.

[21] Mohd M, Tahir N Y, Hoshino T. Efficiency of compact organic Rankine cycle system #160;#160;#160;#160;

with rotary-vane-type expander for low-temperature waste heat recovery[J].International #160;#160;

Journal of Environmental Science and Engineering, 2010, 2(1): 11-16.

[22]贝晨.ORC系统换热器性能分析及蒸发器对发动机性能影响研究[D]. 北京：北京工

业大学，2016

[23]魏莉莉,张于峰,穆永超.低温朗肯循环发电系统中的蒸发器设计研究[J]. 低温工程.#160;#160;#160;#160;#160; #160;#160;

2015.2(6):31-36

[24]魏新利，闫艳伟，马新灵，等. 有机朗肯循环系统蒸发器的性能研究[J].郑州大学

学报( 工学版).2015.36(4):45-53.

[25]刘超, 徐进良, 陈奇成, 等. 低温跨临界有机朗肯循环工质筛选[J]. 中国电机工程学报, 2013, 33(23):37-43.

[26].Mago P.J.,Srinivasan K.K.,Chamra#160; L.M.,Somayaji C.An examination of exergy#160; #160;#160;#160;#160;#160;

destruction#160; in organic Rankine cycles[J]. International Journal of Energy #160;#160;#160;

Research,2008,32(10):926-938.

[27]邓立生, 黄宏宇, 何兆红,等. 有机朗肯循环的研究进展[J]. 新能源进展, 2014(3):180-189.

[28]李慧君, 王培毅. 有机工质余热发电系统的经济性分析[J]. 华北电力大学学报自然科学版, 2015, 42(4):77-82.

[29].冯驯,徐建,王墨南,等. 有机朗肯循环系统回收低温余热的优势[J].节能技术,2010,(05)

[30]王沫然. MATLAB与科学计算[M]. #160;北京：电子工业出版社.2004-08

#160;

#160;

#160;