有机朗肯循环蒸发器设计与不可逆损失分析

有机朗肯循环蒸发器设计与不可逆损失分析

胡剑刚1任海峰1韩冰2包海斌1王锐3赵俊

(1.国电浙江北仑第一发电有限公司浙江宁波315800;2.国电电力发展股份有限公司北京100101;

3.华北电力大学控制与计算机工程学院北京102206)

摘要：建立有机朗肯循环低温余热发电和蒸发器换热的物理模型，分析蒸发器系统参数和运行效率的关系，揭示热源入口温度和流量等因素对余热回收率和㶲损失的影响规律。结果表明热源出口温度、热源窄点温度和蒸发器窄点温差均随热源质量流量和入口温度的增加而单调增大。吸热系统的余热回收率随热源质量流量和入口温度的增加而单调降低。蒸发系统不可逆损失和ORC系统总体不可逆损失随热源质量流量和入口温度的增加而单调增大。当热源工质流量和入口温度提高时，适当提高蒸发温度和蒸气过热度，可降低蒸发器窄点温差，提高余热回收率和降低不可逆损失。

关键词：有机朗肯循环；低温余热发电；余热回收率；㶲损失；蒸发器窄点温差

1.引言

有机朗肯循环（简称ORC）是目前最有前景的200℃以下的低温工业余热利用技术，能将热水、废烟气和废蒸汽中的余热热能转化为电能[1-3]。ORC技术应用过程中，蒸发器的不可逆损失较大，因此合理设计蒸发器窄点温度、热源入口温度和流量，对提高ORC系统综合能量利用率具有重要的意义[2-5]。

本研究拟建立有机朗肯循环低温余热发电和蒸发器换热的物理模型，分析蒸发器系统参数和运行效率的关系，揭示热源入口温度和流量等因素对余热回收率和㶲损失的影响规律。本文的分析有助于认识ORC系统运行参数和蒸发器设计参数的影响规律，优化系统指标，提高能量的综合利用效率。

2.物理模型

图1示出有机朗肯循环系统主要包括预热器、蒸发器、膨胀机、冷凝器、储液器和压缩泵。ORC循环包括定压加热（5-6-7-1）、绝热膨胀（1-2）、定压冷却（2-3-4）和绝热加压（4-5）四个热力过程[1-5]。模型假设条件包括：1）系统处于稳定流动状态；2）忽略向环境的散热损失；3）蒸发器、冷凝器和连接管道的压力损失和焓降忽略不计。

3.结果分析与讨论

3.1热源质量流量的影响

热源的质量流量为5~21kg/s，热源的入口温度Ta,in为160℃，有机工质的质量流量为1kg/s。冷凝温度Tcond选定为25℃，蒸发温度Tev为120℃，膨胀机入口过热度为20℃，冷凝器窄点温差为5℃，蒸发器窄点温差为1.68~30.88℃。有机工质为R141b，工质的物性参数来自NIST提供的REFPROP9.0程序。

图2示出热源出口温度、热源窄点温度和蒸发器窄点温差均随热源质量流量的增加而增大。随热源质量流量从5kg/s增加至21kg/s，热源出口温度Ta,out从98.2℃增大至145.3℃，热源窄点温度Ta,m从121.7℃增大至150.9℃，蒸发器窄点温差ΔTev,min从1.68℃增大至30.88℃。由于蒸发温度和过热度设定为常数，说明预热器和蒸发器换热量保持不变。随工质流量增加，预热器和蒸发器的换热面积设计为减小，热源的温度变化变小，蒸发器窄点温差增大。

图3示出蒸发吸热系统的余热回收率随热源质量流量的增加而单调降低。蒸发系统不可逆损失和ORC系统总不可逆损失随热源质量流量的增加而单调增大。随热源质量流量从5kg/s增加至21kg/s，余热回收率ηrec从45.7%降低至10.9%；蒸发㶲损失Iev从13.2kW增加至29.2kW，ORC系统总㶲损失Itotal从18.2kW增加至34.3kW，蒸发㶲损失与总体㶲损失之比Iev/Itotal从72.1%增加至85.2%。

蒸发器窄点温差随热源质量流量增加而大幅增大，说明随热源质量流量增加，同样换热量的情况下换热器面积降低，蒸发器窄点温差增大，蒸发器中的换热更加不均匀，余热收回效率下降，蒸发系统的不可逆损失大幅提高。

3.2热源入口温度的影响

热源的质量流量为10kg/s，有机工质的质量流量为1kg/s，热源的入口温度Ta,in为140~220℃。冷凝温度Tcond选定为25℃，蒸发温度Tev为120℃，膨胀机入口过热度为20℃，冷凝器窄点温差为5℃，蒸发器窄点温差为0.839~80.84℃，有机工质为R141b。

图4示出热源出口温度、热源窄点温度和蒸发器窄点温差均随热源入口温度的增加而线性单调增大。随热源入口温度从140℃增加至220℃，热源出口温度Ta,out从109.1℃增大至189.1℃，热源窄点温度Ta,m从120.8℃增大至200.8℃，蒸发器窄点温差Ta,m–Tev从0.84℃增大至80.84℃。由于蒸发温度和有机工质过热度设定为常数，说明预热器和蒸发器的换热量保持不变。随热源入口温度的增加，热源质量流量不变，预热器和蒸发器的换热面积设计为减小，蒸发器的窄点温度单调增大。

图5示出蒸发吸热系统的余热回收率随热源入口温度的增加而单调降低。蒸发系统不可逆损失和ORC系统总不可逆损失随热源入口温度的增加而单调增大。随热源入口温度从140℃增加至220℃，余热回收率ηrec从26.9%降低至15.8%；蒸发㶲损失Iev从12.7kW增加至52.1kW，ORC系统总㶲损失Itotal从17.8kW增加至57.2kW，蒸发㶲损失与总体㶲损失之比Iev/Itotal从71.4%增加至91.1%。

蒸发器窄点温差随热源入口温度的增加而大幅增大，说明随热源入口温度增加，同样换热量的情况下换热器面积降低，蒸发器窄点温差增大，蒸发器中的换热更加不均匀，余热收回效率下降，蒸发系统的不可逆损失大幅提高。

4.结论

建立有机朗肯循环低温余热发电和蒸发器换热的物理模型，分析蒸发器系统的设计参数和运行效率的关系。结果表明：

（1）热源出口温度、热源窄点温度和蒸发器窄点温差均随热源质量流量的增加而增大。吸热系统的余热回收率随热源质量流量的增加而单调降低。蒸发系统不可逆损失和ORC系统总体不可逆损失随热源质量流量的增加而单调增大。

（2）热源出口温度、热源窄点温度和蒸发器窄点温差均随热源入口温度的增加而线性单调增大。吸热系统的余热回收率随热源入口温度的增加而单调降低。蒸发系统不可逆损失和ORC系统总体不可逆损失随热源入口温度的增加而单调增大。

（3）当热源工质流量和入口温度提高时，为了降低蒸发器窄点温差，提高余热回收率和降低蒸发系统的不可逆损失，应选择合适的工质，适当提高蒸发温度和膨胀机入口有机工质蒸气过热度。

参考文献：

[1]王振,马洪芳,孟扬,马龙,孙朝栋.太阳能有机朗肯循环发电系统分析[J].节能技术,2014,32(5):397-403.

[2]梁立鹏,曹树园,胡冰,卜宪标,马伟斌.R1234yf有机朗肯循环系统热力学性能研究[J].新能源进展,2014,2(3):197-203.

[3]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):1324-1328.

[4]梁志辉,罗向龙,陈颖,莫松平.气液分离双压有机朗肯循环系统的热力学分析及优化[J].热能动力工程,2016,31(4):24-32.

[5]张丽娜,朱彤,王海鹰.ORC系统热力性能计算程序开发[J].热能动力工程,2014,29(1):41-45.