基于内置换热器有机闪蒸循环的热性能研究

黄桂冬，张凇源，葛众，解志勇，相华江，鄢银连，袁志鹏

（1 云南大学建筑与规划学院，云南昆明650504； 2 昆明冶金高等专科学校冶金与矿业学院，云南昆明650033）

引 言

目前，社会的发展主要是依赖于传统的化石能源，如煤、石油和天然气。然而大量的化石能源消耗导致能源短缺、生态污染和环境破坏等问题出现[1-5]。而地球上存在着大量的中低温可再生能源，如将这些中低温能源利用，则可以缓解能源危机[6-8]。有机闪蒸循环（organic flash cycle,OFC）是采用低沸点有机工质的新型循环系统，具有结构简单、设备维护方便、运行可靠性高和适用热源温度范围广等优点[9-11]。此外循环工质采用低沸点有机工质，可与中低温热源有较好的匹配性，对提高OFC系统对中低温热源的利用有很好的帮助[12]。Ho等[13]对芳香烃和环烷烃在OFC系统中的热性能进行了研究，结果表明，OFC 系统与中低温热能的匹配性好，且芳香烃的热效率要优于环烷烃。Lee等[14]研究了OFC 系统对低温余热的回收效率，结果表明，OFC 系统对低温余热的回收效率与有机朗肯循环（organic rankine cycle, ORC）系统相当。Baccioli等[15]对OFC 系统的热力学性能进行了研究，结果表明，对于中低温热源，OFC 系统表现出了很好的热力学性能。Varma 等[16]采用R124 为循环工质，对比研究了传统OFC 与ORC 的系统性能，结果表明，传统OFC 能有效利用中低温热源，且当热源温度为124～160℃时，传统OFC 的功率和效率均大于ORC，当热源温度为132℃时，OFC 功率相对于ORC的最大增量可达8.33%，对比结果见表1。上述研究表明，OFC系统能有效利用中低温热能。

然而OFC 系统性能仍需提高，内置换热器（internal heat exchanger, IHE）是一种能够利用高温端的乏气对低温端工质进行预热的设备，具有结构简单、设备紧凑和换热效率高的优点，能够提升系统性能[17-20]。但是目前，大部分IHE 系统的研究是基于ORC 系统。Lu 等[21]研究了在不同边界条件下，IHE-ORC 系统的热利用效率，结果表明，IHE-ORC系统较传统ORC 提高了系统的热利用效率。李惟毅等[19]研究了在十四种有机工质条件下，IHE-ORC系统的热效率、效率和经济性，结果表明，加入IHE 后，经过透平的较高温气体与经过工质泵的较低温气体进行换热，系统的热性能均有所提高，且有机工质R236fa 的综合性能最高。综上所述，在ORC系统中加装IHE可以提高系统的性能。

表1 R124的OFC与ORC的功率比较［16］Table 1 Comparison of power of OFC and ORC of R124［16］

与ORC 系统不同，当OFC 系统采用内置换热器后，乏气流量会受闪蒸压力的影响，进而会影响IHE的性能。因此在OFC 系统中加装IHE 时，是否会提高系统的热力学性能，此外，系统的运行参数对IHE-OFC 的性能影响需要进行研究。再者，热源温度和工质均会对系统性能产生重要影响，两者对IHE-OFC系统的影响也需要进行研究。

本文针对IHE-OFC 对中低温热源的利用开展了热力学分析，基于热力学第一定律和第二定律，采用Matlab2019a进行热性能模拟计算，且所有工质的物性参数均来自于REFPROP9.0。研究了闪蒸压力对IHE-OFC 系统的热性能影响。揭示热源温度与工质对IHE 系统净输出功率、热效率和效率的影响；并对IHE-OFC与传统OFC的净输出功率进行比较，得出系统的最优循环工质。

1 循环系统及工质选择

1.1 内置换热器有机闪蒸循环原理

图1 所示为IHE-OFC 系统，图2 为系统的T-s图。系统主要由加热器、高压节流阀、气液分离器、透平、低压节流阀、内置换热器、混合器、冷凝器和工质泵组成。其热力学过程如下：

（1）系统从热源吸收热量以加热有机工质（2—3），经高压节流阀节流后（3—4）进入气液分离器中进行闪蒸分液（4—5，8）；

（2）闪蒸分液后的气体进入透平膨胀做功（5—6），而液体则进入低压节流阀节流（8—9）与透平排出的乏气在混合器中混合（10，9—7）；

（3）混合后的有机工质进入冷凝器冷凝（7—1）后经工质泵加压（1—11）回到加热器中，形成一个循环；

（4）6—10和11—2是内置换热器利用透平膨胀做功排出的乏气对工质泵出口流体进行预热的过程，目的是为了减少加热器过程的传热损失，提高循环的热利用效率。

1.2 基本假设

（1）热流体及有机工质均处于稳定流动状态；

图1 IHE-OFC系统Fig.1 IHE-OFC system

图2 IHE-OFC系统T-s图Fig.2 T-s diagram of IHE-OFC system

（2）有机工质在工质泵和透平中的等熵效率不随工况变化；

（3）管道和设备表面的散热损失可忽略不计；

（4）忽略有机工质在泵进出口的重力势能及动能变化。

1.3 工质选择

循环工质是影响OFC 系统性能的重要因素，选取时应充分考虑工质的环保性、成本和热性能等方面，由此本文根据文献[22-30]选取R600a、R600、R601a、R601、R236ea、R227ea、R245fa、R123 作为循环工质，其热物性和环保性如表2所示。

1.4 热力学分析

IHE-OFC 中循环工质从热源吸收热量，使得工质的热力状态发生变化，进而热能发生传递和转换，系统吸热量为

式中，Qsys为系统吸热量，kW；mHS为热流体流量，kg·s-1；hHS,in和hHS,out分别表示热源进口和出口比焓，kJ·kg-1。

循环工质的质量流量、气相质量流量和液相质量流分别为

式中，mf为工质质量流量，kg·s-1；mv为气相质量流量，kg·s-1；ml为液相质量流量，kg·s-1；x为蒸汽干度。

在循环冷凝过程中，由于冷凝器夹点温差的影响，混合后的循环工质进入冷凝器中与冷却水进行热交换变为饱和工质；循环工质在冷凝器中释放热量，冷却介质吸收工质所释放的热量，冷却水温升由此增大。因此循环工质在冷凝过程中，可根据能量守恒定律计算冷却水的质量流量

表2 工质主要热物性和环保性能Table 2 Major thermophysical properties and environmental performance of working fluids

IHE 是利用透平膨胀做功排出的乏气，来预热工质泵出口饱和工质[31]，增大加热器入口温度，减小传热损失。因此根据能量守恒定律，IHE 的基本换热公式为

透平做功为

工质泵耗功为

冷却水泵耗功为

式中，Wcool为冷却水泵耗功，kW；g为重力加速度，取值为9.8 m·s-2；H表示冷却水泵压头，m；ηcool,P表示冷却水泵效率，%。

IHE-OFC的净输出功率和系统效率为

在热力学循环系统中，单独依赖于热力学第一定律来分析循环系统的热力学性能不能揭示系统内部能量“品位”的损耗，为了解决这个问题，本文使用热力学第二定律来进一步分析循环系统的热力学性能。热力学第二定律效率为

式中,Eex,in为热流体向循环系统输入的，kW。

2 模型验证

将本文的计算结果与文献[12]的计算结果进行对比分析，边界条件与文献一致。对透平入口比焓和出口比焓进行比较，对比结果如表3 所示。当加热器出口温度为413 K，闪蒸压力为1.2 MPa 时，透平入口比焓和出口比焓的最大相对误差分别为0.08%和0.06%，表明本模型是可靠的。

表3 本文结果与文献结果的比较Table 3 Comparison of results of present and literature（butane）

3 结果和讨论

本文以100～200℃地热水作为热源，根据IHEOFC 热力学模型计算每种工质的净输出功率、热效率和效率。并以净输出功率为目标函数，得出每种工质的最优工况。此外，通过对IHE-OFC 的净输出功率进行比较，得出IHE-OFC与传统OFC的优异性。为了减小传热损失，吸热压力应尽可能高，同时为了避免工质运行参数接近临界点以及工质温度高于热源温度，吸热压力取值为0.85 倍临界压力（0.85Pcri）和饱和液相温度THS,in-ΔTHS,pp对应的压力间的较小值。再者，为了维持热流体的液体状态，在热 源 温 度 分 别 为100～150℃、151～180℃和181～200℃时，热流体压力分别为0.5 MPa、1.2 MPa 和1.6 MPa[32]。透平和工质泵等熵效率取值为68%[33]。本文IHE-OFC 系统参数设置如表4 所示。本文计算流程如图3所示。

3.1 IHE-OFC的热效率分析

图4 所示为最优闪蒸压力随热源温度的变化。R600a、R600、R601a、R601、R236ea、R227ea、R245fa、R123 的最优闪蒸压力随热源温度的升高而先增大后不变。最优闪蒸压力先增大的原因是每一工质均存在一个特征温度，工质特征温度为工质0.85倍临界压力所对应的温度与加热器夹点温差之和。当热源温度低于工质特征温度时，吸热压力取值为饱和液相温度THS,in-ΔTHS,pp所对应的压力。最优闪蒸压力不变的原因是热源温度高于工质特征温度，吸热压力取值为0.85Pcri定值，且由于纯工质在循环系统中的冷凝压力值相同。因此，最优闪蒸压力随热源温度的升高而不变。

表4 IHE-OFC系统参数设置Table 4 System parameter setting of IHE-OFC

图3 计算流程Fig.3 Calculation flowchart

图4 最优闪蒸压力随热源温度的变化Fig.4 Variation of optimal flash pressure with heat source temperature

图5 IHE冷流体温升随热源温度的变化Fig.5 Variation of temperature rise of IHE cold fluid with heat source temperature

图5 所示为在优化运行条件下，IHE 冷流体温升随热源温度的变化。R600a、R600、R601a、R601、R236ea、R227ea、R245fa、R123 的IHE 冷流体温升随热源温度的升高先增大后不变。先增大的原因是热源温度低于工质特征温度，系统的吸热压力及最优闪蒸压力增大，IHE 对过热区的热量回收利用效率增大，提高了加热器进口温度。IHE 冷流体温升不变的原因是由于热源温度高于工质特征温度，系统的吸热压力及最优闪蒸压力保持不变，IHE 对过热区的热量回收利用效率不变，工质泵出口和加热器工质进口温度相同。

图6 所示为在优化运行条件下，IHE-OFC 系统最大净输出功率随热源温度的变化。在最优工况条 件 下，R600a、R600、R601a、R601、R236ea、R227ea、R245fa、R123 的最大净输出功率随着热源温度的升高而增大，当升高到某一温度时，增大幅值减缓。最大净输出功率增大幅值快速的原因是热源温度低于工质特征温度，循环与热源的匹配好，减小了系统的传热损失，从而系统净输出功率增大。增量减缓的原因是因为当热源温度高于工质特征温度时，随着热源温度的升高，加热器出口温差不再为夹点温差，而是随着热源温度的升高而增大，此时循环与热源的匹配变差，系统传热损失逐渐增大，从而系统最大净输出功率的增量减缓。当热源温度为100～160℃时，R601 系统的净输出功率最大；当热源温度为170～180℃时，R601a 系统的净输出功率为最大；当热源温度为190～200℃时，R601系统的净输出功率最大。此外，当热源温度为100℃时，R600a 系统的净输出功率最小；当热源温度 为110～200℃时，R227ea 系 统 的 净 输 出 功 率最小。

图6 IHE-OFC系统最大净输出功率随热源温度的变化Fig.6 Variation of maximum net power output of IHE-OFC system with heat source temperature

图7 IHE-OFC系统效率随热源温度的变化Fig.7 Variation of IHE-OFC system efficiency with heat source temperature

图7 所示为在优化运行条件下，IHE-OFC 系统效率随热源温度的变化。在最优工况下，R600a、R600、R601a、R601、R236ea、R227ea、R245fa、R123的系统效率随着热源温度的升高先增大后不变。系统效率主要受系统净输出功率和系统吸热量的影响。系统效率先增大的原因是当热源温度低于工质特征温度时，虽然系统吸热量随热源温度的升高而增大，但是系统净输出功率比系统吸热量的增量要大。因此，系统效率主要受系统净输出功率的影响，从而系统效率增大。系统效率不变的原因是虽然热源温度的升高提高了系统吸热量，但是由于热源温度高于工质特征温度，系统吸热压力及最优闪蒸压力不变，此时系统净输出功率与吸热量的比值不变，从而系统效率保持不变。当热源温度为100～150℃时，R601 系统的效率为最大；当热源温度为160～190℃时，R601a 系统的效率为最大；当热源温度为200℃时，R601 系统取得最大效率。当热源温度为100℃时，R600a系统的效率最小。当热源温度为110～200℃时，R227ea 系统的效率最小，这是由于R227ea 的临界温度较低，随着热源温度的升高，工质与热源的匹配性较差，导致传热损失较大，系统效率相应较小。

3.2 IHE-OFC的效率分析

图10 IHE 损随热源温度的变化Fig.10 Variation of IHE exergy destruction with heat source temperature

如表5 所示，有机工质R600a、R600、R227ea、R236ea、R245fa 和R123 在IHE-OFC 系统中的净输出功率较传统OFC 系统要大。当热源温度≤170℃时，R601a 和R601 的IHE-OFC 系统净输出功率大于传统OFC 系统。当热源温度≥180℃时，R601a 和R601 的传统OFC 系统净输出功率大于IHE-OFC 系统。这是因为虽然在OFC 系统中加装IHE，提高了加热器入口温度，减小了IHE-OFC 系统的吸热量，此时系统的传热损失也减小。但是由于工质自身热物性的影响，当IHE-OFC 系统吸热量低于一定值时，工质的质量流量减量较大，从而IHE-OFC 系统的净输出功率较传统OFC 系统减小。当热源温度为100～160℃时，采用R601 IHE-OFC 系统的净输出功率最大，为3.43～24.95 kW；当热源温度为170℃时，采用R601a IHE-OFC 系统的净输出功率最大，为31.10 kW；当热源温度为180℃时，采用R601a 传统OFC 系统的净输出功率最大；当热源温度为190～200℃时，采用R601 传统OFC 系统的净输出功率最大。

表5 传统OFC系统与IHE-OFC系统净输出功率的比较Table 5 Comparison of net power output between traditional OFC system and IHE-OFC system/kW

4 结 论

为了提高对中低温热源的回收效率。本文在传统OFC 系统中加装IHE 进行热性能分析，采用100～200℃地热水进行驱动。研究不同工质与热源在IHE-OFC 系统中的热性能变化规律，并比较IHE-OFC 系统与传统OFC 系统的优异性，主要结论如下。

（1）对于IHE-OFC 系统而言，各工质均存在一个特征温度。且由于工质特征温度的影响，随着热源温度的升高，IHE-OFC 系统的闪蒸压力、IHE冷流体温升和系统效率均呈先增大后不变的趋势。

（2）当热源温度≤170℃时，各工质在IHE-OFC系统中的净输出功率比传统OFC 均有所提高；而当热源温度≥180℃时，R601a 和R601 在传统OFC 系统中的净输出功率比IHE-OFC要大。

（3）当热源温度为100～160℃时，R601 IHEOFC 系统的净输出功率最大，相对于传统OFC 增大1.50%～0.57%；当热源温度为170℃时，R601a IHEOFC 系统的净输出功率最大，相对于传统OFC 增大0.09%；当热源温度为180℃时，R601a 传统OFC 系统的净输出功率最大；当热源温度为190～200℃时，R601传统OFC系统的净输出功率最大。

（4）对于IHE-OFC 而言，随着热源温度的升高，系统效率呈先增大后减小的趋势。且当热源温度为100～160℃和190～200℃时，R601系统的效率为最大；当热源温度为170～180℃时，R601a 系统的效率为最大。

符 号 说 明

E——损，kW

g——重力加速度，m·s-2

H——冷却水泵压头，m

h——比焓，kJ·kg-1

m——质量流量，kg·s-1

P——压力，MPa

Q——吸热量，kW

s——比熵，kJ·(kg·K)-1

T——温度，℃

ΔT——温差，℃

W——功率，kW

x——蒸汽干度

η——效率，%

下角标

am——环境

c——冷凝器

cool——冷却水

cri——临界值

F——闪蒸器

f——工质

H——加热器

HPTV——高压节流阀

HS——热源

IHE——内置换热器

in——入口

LPTV——低压节流阀

l——液相组分

mix——混合器

net——净输出功率

out——出口

P——工质泵

pp——夹点

S——气液分离器

sys——系统

T——透平

tot——总值

v——气相组分

1～11——状态点