内回热器对低温有机朗肯循环热力性能的影响及工质选择

韩中合，潘歌，范伟，王智（华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003）



内回热器对低温有机朗肯循环热力性能的影响及工质选择

韩中合，潘歌，范伟，王智
（华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003）

摘要：目前对有机朗肯循环（ORC）有无内回热器的对比研究主要集中在循环热力性能随初参数变化的对比，但很少考虑吸热量对两个系统热力性能的影响。本文以烟气余热为热源，构建无回热和带有内回热的ORC系统，选用10种干工质，通过热源参数变化引起工质吸热量的变化，分析工质分别在两种系统中的初温、净功量、热耗率及㶲损的变化规律，得出了较优工质和各工质对内回热器的匹配性。结果表明：当热源温度为150℃、排烟温度在70～90℃间引起的工质吸热量变化时，在窄点温差为10℃下，带有内回热器的ORC系统更适用于吸热量较低的区间；当吸热量较高时，内回热器对系统热力性能提升的能力降低，甚至低于无回热的ORC系统；经综合比较，工质R236ea和R600a最优，工质R245fa和 R600为较适合工质；以R123为工质的带有内回热器和无回热的ORC系统热力性能差异较小，热耗率最大差值仅为约600kJ/kg，净功量最大差值也仅为约2kW，因此，R123对内回热器的热匹配性相对较差。

关键词：热力学性质；有机朗肯循环；内回热器；热力性能；工质；模拟；㶲

第一作者及联系人：韩中合（1964—）,男，教授，博士生导师，方向为电厂热力设备的状态监测与故障诊断、两相流动计算与测量、叶轮机械 CFD 与优化设计等。E-mail han_zhonghe@163.com。

低温余热普遍存在于建材、冶金、化工和轻工等工业过程中，利用余热资源每发1kW·h电量，可节约近0.4kg标准煤及4kg水的消耗，减少约1.1kg 的CO2、SO2及氮氧化物等物质的排放，同时减轻电厂大量用煤造成的沿线交通、运输及环境压力，缓解电厂锅炉灰渣的储运压力[1]。实现工业余热高效回收利用，对我国的节约资源和保护环境工作具有重要的实际意义。由于低温余热的品位较低，传统的水蒸气朗肯循环发电技术难以直接利用，而有机朗肯循环（organic rankine cycle，简称ORC）技术能够直接利用低品位热能进行热功转换，且具有系统结构简单、效率高、环境友好和适应能力强等优点[2]，因此，利用有机朗肯循环技术回收低温余热已经成为目前的研究热点。HUNG等[3-4]分析了干工质、湿工质和绝热工质的划分并结合T-S图分析不同类型工质在循环中的特点，又进一步根据干、湿工质的特点分别对基于海洋温差发电和太阳能热发电的ORC进行讨论，分析循环热效率与工质热力特性间的关系，得出苯系列有机工质较为适用。刘广林等[5]选用HFC类和烷类共8种工质，以烟气为热源进行分析，提出有内回热器的ORC系统热效率较无回热的简单ORC系统高，R245fa相对适用。郭丛等[6]采用R601和R601a配比构成的非共沸混合工质，进行基于地热的ORC系统热力性能分析，指出以净功率为目标函数的地热ORC系统中不宜加入内回热器。徐荣吉等[7]采用R123为工质，对具有内回热和无回热的ORC系统进行了实验研究，在热源温度为100℃时，内回热和无回热的系统输出功率是一样的，但是具有内回热的系统热效率比无回热时高1.21%。研究表明，在相同初、终参数下，具有内回热的ORC热效率高于无回热的ORC，然而实际热源的热容量是有限的，不同有机工质由于热物性的不同，导致其在相同吸热量下初参数不同，由此引起的具有内回热与无回热的ORC热力性能差异在当前的文献中报道相对较少。

本文以烟气余热为热源，构建无回热和带有内回热的ORC系统，选用R236ea、R600a、R245fa 等10种干工质，通过热源参数变化引起工质吸热量的变化，分析不同工质分别在两种系统中的初温、净功量、热耗率及㶲损随吸热量的变化规律；同时，比较两种系统的热力性能差异，筛选出较为适用的工质。

1　有机朗肯循环系统

1.1工作原理

无回热的ORC系统如图1所示，烟气余热在蒸发器内放热，将工质定压加热至干饱和蒸汽状态1，蒸汽进入膨胀机做功，由状态2进入冷凝器，在冷凝器内定压放热至状态3，工质经工质泵升压达到状态4后，被输送至蒸发器进行加热，在图1的T-S图中，1—2s为膨胀机内的理想膨胀过程，3—4s为工质泵内的理想压缩过程，3′点为冷凝器内工质的干饱和状态点，ΔTpp为窄点温差。

图1　无回热的ORC系统结构图和循环原理图

由图1中的T-S图可以发现，膨胀机排汽状态点位于过热蒸汽区，即排汽在冷凝器内释放的热量为过热热量与潜热量之和。具有内回热的ORC系统如图2所示，由于加装了内回热器，系统能够将工质泵升压后的工质在输送至蒸发器之前，吸收排汽中的过热热量，进而减少了冷凝器中的放热量，同时提高蒸发器的进口温度，减少热源吸热量。因此，在相同的初、终参数下，相对于无回热的ORC系统，有回热的ORC系统能够使循环热效率得到提升。

为方便讨论，本文将无回热的ORC系统简称为ORC系统，具有内回热的ORC系统简称为IORC系统。

图2　有回热的ORC系统结构图和循环原理图

1.2热力模型

基于工程热力学理论对ORC和IORC系统中各主要部件中的热力过程进行分析，并建立热力性能评价指标模型。本文从热源参数变化的角度来分析系统热力性能，因此蒸发器烟气侧的进口温度、出口温度、比热容和流量均为已知量，蒸发器的能量平衡方程见式(1)、式(2)。

ORC系统

IORC系统

膨胀机的相对内效率ηi见式(3)。

由相对内效率可以得出膨胀机实际输出功率为式(4)。

工质在冷凝器内的放热量Q2见式(5)、式(6)。

ORC系统

IORC系统

工质泵的效率为ηp，则泵耗功功率见式(7)、式(8)。

ORC系统

IORC系统

从理论上讲，在IORC系统中，内回热器汽侧工质为定压放热，由于泵功作用，液侧工质温度略高于冷凝器内工质凝结温度，因此在稳定运行时，汽侧工质不会发生相变，且放热后的汽侧工质进入冷凝器时具有少量的过热度。内回热器的能量平衡方程为式(9)。

采用不同工质的系统，当吸热量相同时，热效率越高输出净功也就越高，此时热效率与净功量在热力性能评价方面具有一致性，此点与部分文献中提出的“反问题及其求解方法”[8]相似。由于热效率与净功量具有一致性，为了能够直观地反映出系统能量转换完善程度与热源参数间的关系，本文以热耗率替代热效率作为系统热力性能评价指标之一。同时，基于热力学第二定律，通过各热力过程的㶲损失以及系统总㶲损失对系统热力性能进行评价。系统热力性能评价指标见式(10)～式(21)。

净功量

热耗率

蒸发器㶲损ORC系统

IORC系统

膨胀机㶲损

冷凝器㶲损ORC系统

IORC系统

工质泵㶲损ORC系统

IORC系统

内回热器㶲损

系统总㶲损ORC系统

IORC系统

2　工质选择

有机工质按不同的划分依据具有多种类型，如根据T-S图上干饱和蒸汽线斜率为正、负或无穷可以分为干工质、湿工质和绝热工质；从工质发展历程及环保性方面，可以分为CFC类、HC类、HCFC类、HFC类、HFO类等。目前关于工质的分类已有大量报道[9-12]，故不再赘述。本文以消耗臭氧层潜值（ODP）为零或近零、全球变暖潜值（GWP）尽量低、并综合安全性为基准，同时，为了分析ORC系统与IORC系统的热力性能差异及工质与内回热器的热匹配性，选取了10种干工质，各工质热力性质参数如表1所示。

3　计算结果及分析

根据热力模型可知，热源参数均为已知量，其中蒸发器烟气侧出口温度可变，其余热源参数均为定值。同时，假设热源参数变化时，膨胀机相对内效率与泵效率均为定值保持不变，蒸发器与冷凝器的换热效率为100%，忽略所有设备及连接管道、阀门附件的散热损失，具体计算工况如表2所示。

表1　工质的热力性质参数

表2　计算条件

3.1ORC系统计算结果及分析

工质在膨胀机入口温度，即初温随吸热量的变化如图3所示，随着吸热量的增大，工质初温降低。这是由于受蒸发器窄点温差的约束，工质的质量流量随着吸热量的增大而增加，在初温较低时，工质质量流量大，随着初温的升高，质量流量下降。在相同吸热量下，R236ea和R600a初温较高，正已烷（hexane）和R123初温较低。

随着吸热量的增大，系统的净功量提高，如图4所示，除R236ea外，其余工质的净功量增幅均随吸热量的增大而逐渐趋于平缓，其中R123、R601、R601a和hexane的净功量出现了先升高后下降的变化趋势，但总体而言，这4种工质的净功量相对较低。R600a的净功量最高，R236ea净功量的增幅是所有工质中最大的，当吸热量大于660kW后，R236ea的净功量逐渐与R600a接近。整体而言，工质在所有工况下的净功量排序为：R600a>R236ea> R245fa>R600>R245ca>R365MFC>R601a>R601>R1 23>hexane。其中吸热量小于700kW时，R600a>R236ea>R245fa>R600>R245ca>R123>R601a>R601> R365MFC>hexane，hexane的净功量最小。

图3　ORC系统膨胀机入口温度随吸热量的变化

图4　ORC系统净功量随吸热量的变化

热耗率随吸热量的变化如图5所示，相同吸热量下，热耗率越低热经济性越高，随着吸热量的增大，所有工质的热耗率均升高。这是因为初温随吸热量增大而降低，导致平均吸热温度降低，工质冷凝温度不变，热效率下降，热耗率升高。由于热耗率可以看作是热效率倒数的函数，因此，可以发现图5中采用各工质的ORC系统热耗率排序与图4中净功量的排序相反，R600a的热耗率最低，R236ea次之，而hexane的热耗率最高。

图6为系统总㶲损随吸热量变化的曲线，随着吸热量增大，所有工质的㶲损增加，这是由于吸热量较高时，初温较低，工质比㶲损小，质量流量大，总㶲损大。随着吸热量减小，初温升高，质量流量减小导致系统总㶲损下降。从图中可以得出，在相同吸热量下，系统总㶲损的排序为：hexane>R123> R601>R601a>R365MFC>R245ca>R600>R245fa>R2 36ea>R600a。当吸热量小于700kW时，hexane> R365MFC>R601>R601a>R123>R245ca>R600> R245fa>R236ea>R600a。整体而言，从热经济性的角度来看，总㶲损的排序与热耗率相类似，其中hexane的系统㶲损最高，R600a最低。

图5　ORC系统热耗率随吸热量的变化

图6　ORC系统㶲损随吸热量的变化

3.2IORC系统计算结果及分析

IORC系统膨胀机入口温度随吸热量的变化趋势与ORC系统一致，如图7所示。相对于图3，相同吸热量下，各工质在IORC系统的初温小于ORC系统。这是由于IORC系统蒸发器工质侧进口温度升高，工质单位质量吸热量减小进而质量流量增大所致。相同吸热量下，各工质初温的高低排序与图3基本一致，其中R600a一直高于R236ea，不存在图3中的交叉，这是因为内回热器与工质热物性的共同作用。

图7　IORC系统膨胀机入口温度随吸热量的变化

图8为IORC系统净功量随吸热量的变化，对比图4可以发现，当吸热量较低时，相同吸热量下各工质在IORC系统中的净功量均高于ORC系统，结合图7的分析可知，工质质量流量增大使系统净功量增加，此点可进一步解释为工质质量流量的增幅大于初温降低导致比焓降降低的幅值。然而，根据计算结果分析，在全部吸热量区间内，尤其是吸热量较高时，在相同吸热量下，并非所有工质在IORC系统中的净功量都大于ORC系统。图中所有工质的净功量增幅随吸热量增大而减小，除R236ea 和R600a外的所有工质，均明显的出现了随吸热量的增大净功量先升高后降低的变化。在IORC系统中，R236ea的净功量最高，R600a次之，吸热量小于680kW时，R123净功量最低，大于680kW时，hexane最低，其余工质排序为：R245fa> R600> R245ca>R365MFC>R601a>R601。

图8　IORC系统净功量随吸热量的变化

各工质在IORC系统中的热耗率随吸热量的变化趋势与ORC系统一致，见图9。与图5进行对比可知，在较低的吸热量区间内，相同吸热量下各工质在IORC系统的热耗率低于ORC系统，这是由于此区间IORC系统的热效率高于ORC系统。而吸热量较高时，各工质的热耗率增幅较ORC系统大。结合图8可知，这是因为在此区间内净功量的增幅逐渐减小，甚至出现降幅，进而导致热耗率的升高。热耗率的数值高低排序与图8中净功量的排序相反，R236ea最低，R600a次之，且与R236ea非常接近。

图9　IORC系统热耗率随吸热量的变化

相对于ORC系统总㶲损在各吸热量下的分布，图10中所有工质在IORC系统中的㶲损在较低的吸热区间低于ORC系统，而在较高的吸热量区间内的增幅较ORC系统更为剧烈，此点与图8和图9中相应吸热量区间的变化相对应。从整体吸热量区间来看，R236ea最低，R600a与R236ea非常接近，正已烷最高，当吸热量小于680kW时，R123的㶲损略高于正已烷，为所有工质中最高。

图10　IORC系统㶲损随吸热量的变化

4　工质与内回热器的热匹配性对比

在两种系统中，综合热力性能评价指标，10种工质的总体排序为：R236ea和R600a最优，其余为R245fa>R600>R245ca>R365MFC>R601a>R601>R1 23>hexane，其中采用R245fa、R600的系统热力性能也较为理想，R245ca居中。

图11　几种工质在两种系统中的热力性能对比

根据ORC与IORC系统热力性能分析可知，采用不同工质的IORC系统热力性能并不是在所有吸热量下均优于ORC系统。由于工质特性的差异，导致内回热器对系统热力性能的提升程度有所不同，即在相同吸热量下，不同工质与内回热器的热匹配性存在差异。通过分析计算结果，找出具有代表性的工质，绘制工质在ORC和IORC系统中热耗率、净功量随吸热量的变化关系，得到图11。从图11中可以明显看出，在全部吸热量区间内，采用R236ea、R600a的IORC系统热力性能优于ORC系统，但是在吸热量较高的区间，即初温较低时，IORC 与ORC系统热耗率、净功量的差值随吸热量增大而减小，直至接近于0，而吸热量较低时，即初温较高的区间，IORC系统热力性能明显好于ORC系统。在吸热量小于780kW时，采用R245fa、R600 的IORC系统热力性能优于ORC系统，当吸热量为约780kW时，IORC与ORC系统的热力性能接近，随着吸热量进一步增大，ORC系统的热力性能略优于IORC系统，其中采用R245fa的两种系统热力性能差异略小于R600。采用R245ca的IORC系统热力性能只在低吸热量区间具有较好的热力性能，由图11(e)可以得出IORC与ORC系统的热耗率曲线交点、净功量曲线交点对应的吸热量为约770kW，与图11(c)、(d)相对比，曲线交点所对应的横坐标位置有所提前，当吸热量大于770kW时，IORC系统热力性能低于ORC系统，且两种系统热力性能差异大于R600。hexane在10种工质中为最不理想工质，但从图中可看出，其IORC系统的热力性能与ORC系统还是具有明显差异，就此点来看，采用hexane的IORC系统更适用于吸热量小于740kW的区间，即初温较高的工况。而采用R123的IORC 与ORC系统热力性能差异是所有工质中最小的，在低吸热量区间，IORC与ORC系统的热耗率最大差值约为600kJ/kg，而其余工质均在1100kJ/kg左右及以上，净功量的差值也仅约2kW，当吸热量大于740kW之后，IORC系统的热耗率、净功量与ORC系统非常接近，在高吸热量区间时，ORC系统热力性能仅略好于IORC系统。

5　结　论

当热源参数变化导致吸热量发生变化时，对采用10种干工质的ORC和IORC系统热力性能进行计算，通过对计算结果的分析得出如下结论。

（1）热源参数发生变化时，采用不同工质的IORC系统的热力性能并不是完全优于ORC系统。综合来看，工质R236ea和R600a最优， 采用工质R245fa和 R600的系统热力性能较为接近，为较适合工质。

（2）对于选用的10种干工质，在本文设定的计算条件下，IORC系统更适用于吸热量较低的区间，即初温高的工况，当初吸热量高，初温较低时内回热器对系统热力性能提升的能力降低，甚至低于无回热的ORC系统。

（3）R123对内回热器的热匹配性相对较差，在低吸热量区间，IORC系统的热耗率只与ORC系统相差仅600kJ/kg左右，净功量的差值也仅为约2kW，而高吸热量区间，ORC系统热力性能也仅略优于IORC系统。因此，以R123为工质的有机朗肯循环系统，若初温较低时不建议加装内回热器，这样可以再保证系统热经济性的同时减少投资和系统的复杂性，进而可以提高系统经济性。

符号说明

hi——各点实际焓值，kJ/kg（i=1，2，…）

his——理想等熵过程终点焓值，kJ/kg（i=1，2，…）

Ir ——㶲损，kW

mf——工质质量流量，kg/s

mg——烟气流量，kg/s

Q2——工质在冷凝器内的放热量，kJ

qcp——热耗率，kJ/(kW·h)

Si——各点熵值，kJ/(kg·K)（i=1，2，…）Ten——环境温度，K

ta——烟气侧进口温度，℃

tb——烟气侧出口温度，℃

wi——膨胀机输出功率，kW

wnet——系统净功率，kW

wp——泵耗功功率，kW

ηi，ηp——分别为膨胀机相对内效率、工质泵效率

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研究开发

Effect of internal heat exchanger on thermodynamic performance of low temperature organic Rankine cycle and working fluid selection

HAN Zhonghe，PAN Ge，FAN Wei，WANG Zhi
（School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，Hebei，China）

Abstract：Most studies on the comparison of organic Rankine cycle（ORC）without internal heat exchanger（IHE）and ORC with internal heat exchanger（IORC） mainly focused on thermal performance changes with the initial parameters，but researches on the comparison based on heat absorption amount are rare. This paper established two systems，ORC without IHE and IORC，with the flue gas as the heat source. Based on the heat absorption amount change with changing the parameter of heat source，the regularity of changes of inlet temperature，net work，heat consumption and exergy loss in the two systems mentioned were analyzed with ten selected fluids，and the better working fluids and their compatibilities with internal heat exchanger showed up. The results showed that when the heat source enters the system at 150℃ and exits between 70℃ to 90℃，plus the pinch temperature keeps at 10℃，IORC is more suitable for the low heat absorption amount area；in the high area，IORC increases little in the thermodynamic performance，and sometimes IORC performs even worse than non-IHE ORC；Through comprehensive comparison，R236ea and R600a are the best choices，and R245fa and R600 are relatively suitable fluids；The difference of thermodynamic performance betweenbook=41,ebook=48the two systems using R123 as working fluid is little，the maximum difference of the heat consumption and net work between IORC and ORC system is only about 600kJ/kg and 2kW，and R123 have worse thermal compatibility with internal heat exchanger.

Key words：thermodynamic properties；organic Rankine cycle；internal heat exchanger；thermodynamic performance；working fluid；simulation；exergy

基金项目：国家自然科学基金（51306059）及中央高校科研业务费资助项目（2014ZD34）。

收稿日期：2015-07-16；修改稿日期：2015-08-07。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.01.006

中图分类号：TK 514

文献标志码：A

文章编号：1000–6613（2016）01–0040–08