冷凝条件对PEMFC混合工质ORC系统性能的影响

2022-01-13李青山汪春梅汪陈芳时礼宁诸葛伟林张扬军

汽车安全与节能学报 2021年4期

李青山，汪春梅，汪陈芳，时礼宁，诸葛伟林，张扬军

（1.合肥工业大学汽车与交通工程学院，合肥 230009，中国；2.汽车安全与节能国家重点实验室，清华大学，北京 100084，中国）

有机Rankin循环（organic rankine cycle, ORC）作为余热回收的有效装置，因其结构简单、灵活安全、工作稳定、技术成熟等特点，逐渐被应用于地热能[1]、太阳能[2]、工业余热回收[3]等领域。工质作为系统重要组成对系统性能有重要影响。不同工质因为物性不同，即使在相同工况下，热力循环性能也存在较大的差异[4]。如何选择一种与工况合理匹配的工质，对ORC系统性能最大化有重要意义。现存的纯组分工质在某些特定条件下无法充分提升ORC的性能，越来越多的学者将目光转向非共沸混合工质。

FANG Yuwen等[5]对比了采用不同临界温度的纯工质及非共沸混合工质的ORC在柴油机余热回收中的热力学性能和经济性能。LI Jian 等[6]将非共沸混合物作为工质应用到双压蒸发ORC中，系统的输出功率显著提高。HAN Jing等[7]提出一种采用非共沸混合物作为工质的发电和制氢混合系统，提高了能源效率和㶲效率。陈超男等[8]研究了一种组分可调的非共沸混合工质ORC系统，提高了系统的经济性和工况的适应性。DONG Bensi等[9]对比了常规有机工质及非共沸混合工质在ORC中的热力学性能。上述研究表明，在一定的操作工况及边界条件，非共沸混合物有机工质在ORC系统中性能比纯工质要好。

质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）因其工作温度低、启动快、功率密度大、效率高且产物无污染等特点成为能量转换的理想装置。在能量转化方面，PEMFC能量利用率约40% ～60%[10]，仍有近一半的化学能以产热的方式散耗。有机Rankine循环因其在低温余热回收方面具有良好的热性能，逐渐被应用到PEMFC系统中。ZHAO Pan等[11]提出了一种用于质子交换膜燃料电池电堆的ORC余热回收系统，系统整体效率提高约5 %。LIU Guokun 等[12]研究了不同工况、不同有机工质的PEMFC的ORC余热回收系统性能。上述关于ORC系统在PEMFC上的研究，选用的工质都是当前应用较为广泛的纯组分工质。I. Fakhari等[13]将非共沸混合工质应用到PEMFC和ORC混合系统中，通过遗传算法对比分析了20余种混合工质，筛选出最优混合工质。WANG Chenfang等[14]从物性角度分析了不同混合比的R245fa/R123混合工质在PEMFC-ORC系统中的性能。

本文通过Aspen Plus软件及其内置FORTAN模块建立ORC模型，以R123、R245fa及其不同质量比混合物为工质，以冷凝器为研究目标, 分别通过固定冷凝器冷凝温度、冷凝器冷凝压力即涡轮出口压力，以及变冷凝器热侧工质出口温度，研究以非共沸混合物为工质的ORC系统回收PEMFC余热时，不同冷凝工况下工质对ORC系统性能的影响。

1 系统描述

有机Rankine循环(ORC)系统回收PEMFC余热如图1所示，其中ORC系统主要由蒸发器、膨胀机、冷凝器和增压泵组成。其中蒸发器集成到燃料电池电堆极板，一方面对电堆进行降温，另一方面又作为ORC系统的蒸发器。

电堆工作时，随着电流密度增加，PEMFC净输出功率虽然也会随之增加，但热损耗增加更为明显。本文基于电堆稳定工作工况，电堆模型参考文献[14]，产热为60 kW。为防止电堆温度过高，通过ORC系统对其降温同时回收余热。受电堆结构和装配预紧力限制[15]，ORC系统工作压力不宜过大，设定ORC系统工作最高压力为5 atm（1 atm ≈ 1.013×105Pa）。本研究中，不同工质均在70℃ 蒸发，当工质蒸发压力高于5 atm时，调整工质流量使其在5 atm压力下过热到70 ℃（如图4a中a、b、c 这3点分别为3种工质蒸发对应的沸点和压力）。

冷凝器通过控制冷却液进出口温度、流量使ORC工质冷凝到研究状态。由于R123、R245fa及其混合物均为干工质，涡轮做工过程中并不会出现液化，本文涡轮出口压力设置最低为1.001 atm。

1.1 ORC系统模型

对于ORC系统，本文基于以下假设：1）系统运行过程为稳态；2）忽略系统中压力损失；3）泵和涡轮工作为等熵过程；4）泵和涡轮的机械效率为100 %；5）空气压缩机效率、泵效率和涡轮的绝热效率分别为78 %、85 %，85 %[12]；6）忽略ORC系统与环境之间的传热；7）非共沸混合物作为工质时，系统各处质量比不变。

图2 所示为ORC过程（1—6），工质直接作为电堆的冷却剂，在电堆中蒸发吸热变为蒸汽（4—1），然后进入涡轮机做功（1—2s），做功的乏汽进入冷凝器，通过冷却水降温冷凝为液态（2—4），然后经泵增压后继续循环（4—5）。由于R123、 R245fa及其混合物均为干工质，所以涡轮做工过程中并不会出现液化。

工质在电堆中吸收的热量为

涡轮做功为

冷凝器冷凝放热为

泵耗功为

其中，m为ORC系统中工质的质量流量，h1～h6为图2中工质不同工作状态的焓值，下标s表示绝热，ηtur、ηtpum分别为涡轮和泵效率。

本文从ORC净输出功率、ORC热效率、总效率提升几个方面评估系统的性能情况。

ORC净输出功率为

ORC热效率为

1.2 工质选择

当前，对于非共沸混合工质在ORC系统中应用的选择标准的研究越来越多。本文基于文献[16-17]中的选择原则，结合电堆工作时的工况，通过对比当前ORC常用有机工质，筛选出沸点对应压力在电堆工作压力范围内的工质，然后对比分析各工质相变潜热等热物性,以及安全性、环保性, 最终确定以R123、R245fa及其不同质量比的混合物作为研究对象。R123、R245fa物性参数调用Aspen软件物性库，状态方程选择NRTL方程。表1为2种工质的基本物性参数。

表1 R123、R245fa工质的物理性质

2 结果与分析

2.1 固定冷凝温度

本节选取冬季、常温、夏季3种季节工况。固定冷凝器热侧出口温度，冷热两侧进出口温差为10 ℃，冷却水出口温度（θC2）比入口温度（θC1）高8 ℃，调整涡轮出口压力，使冷凝器热侧工质出口状态为液态，对比分析不同质量分数的混合工质对ORC系统性能的影响。3种季节工况冷热侧进出口温度如表2所示，其中：θS1、θS4分别为冷凝器热侧工质进出口温度，θtur为涡轮机出口温度。

表2 冷凝器进出口温度

图3 为不同工况下ORC功率（WORC）及效率（ηORC）随R245fa质量分数（ωR245fa）的变化。冬季工况，ωR245fa= 0.6的混合工质ORC系统性能最优，WORC和ηORC分别为6.54 kW和10.90 %，ORC输出功率最大，比夏季提升60.92 %。常温和夏季工况，R123为工质时系统功率和热效率最大，WORC和ηORC分别为5.00 kW和8.34 %，4.36 kW和7.27 %。其中3个季节工况均在ωR245fa= 0.6处有明显的转折，冬季工况该点ORC性能最大，在常温和夏季工况，该处ORC性能骤降。工质的最佳混合比受环境温度影响，ωR245fa不宜超过0.6。

图4 a为3种工况下纯工质和ωR245fa= 0.6的混合工质（图中0.6/0.4）露点、沸点曲线（图中a、b、c 点分别为3种工质蒸发对应的沸点和压力），由于非混合工质温度滑移的原因，其露点和沸点曲线并不重合。，随ωR245fa增加，混合工质的露点和沸点曲线由R123逐渐逼近R245fa，即相同压力下，混合工质露点和沸点逐渐减小。图4b为3种工况下涡轮出口压力随不同混合质量分数工质的变化。冬季工况，由于工质冷凝温度为20℃，混合工质ωR245fa＜ 0.6时，冷凝压力＜ 1.001patm，涡轮出口压力为系统最小压力1.001patm；当ωR245fa＞ 0.6时，冷凝压力＞ 1.001patm，涡轮出口压力增加。

通过图4可以很好地解释上述3种工况ORC性能曲线的差异。常温和夏季工况下，随ωR245fa增加，涡轮出口压力增加，WORC和ηORC呈现下降趋势；当ωR245fa＞ 0.6时，受限于系统最高工作压力，工质蒸发温度下降，与涡轮出口压力增加双重作用导致ORC性能曲线骤降。冬季工况下，ωR245fa＜ 0.6时，系统冷凝压力不变，随ωR245fa增加，蒸发压力增加，ORC系统性能增加；当ωR245fa＞ 0.6时，由于冷凝压力的增加，ORC系统性能下降。

2.2 固定冷凝压力

本节中分别设定冷凝压力（pcold）1.001、1.500、2.000patm3个压力工况，冷热两侧进出口温差为10 ℃，冷却水温升为8℃。其中热侧工质出口温度为该压力下露点温度（该温度指混合工质完全冷凝为液态的温度）。图5为不同冷凝压力条件下，ORC系统输出功率（WORC）和热效率（ηORC）随R245fa质量分数（ωR245fa）变化。

由图5可以看出，冷凝压力越小，系统做功能力越强。随ωR245fa增加，系统性能先增加后减小，ωR245fa= 0.6时，系统性能最佳。3个冷凝压力工况WORC分别为6.65、5.35、4.31 kW，3个冷凝压力工况ηORC分别为11.08 %、8.92 %、7.19 %。

主要原因与3.1节类似，随ωR245fa增加，混合工质蒸发压力增加，ORC系统做功能量提升，但当ωR245fa＞0.6时，受限于系统最高工作压力，工质蒸发温度降低，性能下降。

2.3 冷凝器出口温度对系统影响

图6 为不同质量分数R245fa（ωR245fa）工质下ORC功率（WORC）和效率（ηORC）随冷凝器出口温度（θext）变化。

随冷凝器热侧工质出口温度增加，ORC系统功率和效率先增后降。不同质量分数的混合工质其ORC性能最大值和对应冷凝器工质出口温度不同，随ωR245fa增加，混合工质的ORC性能曲线由R123向R245fa靠近，工质对应最佳冷凝温度越低，即不同工况对应不同的最佳混合比。随冷凝器热侧出口温度升高，混合工质出口状态由液态过冷逐渐成为饱和状态，而工质出口状态变为饱和状态后冷凝压力随之升高，膨胀机做功能力降低，因此ORC系统性能曲线呈现先升后降的趋势。而混合工质中ωR245fa增加，露点降低，转折点向左移动。

图6 标记的冬季、常温、夏季即为上述3.1节中对应的3个季节工况。当θS1＜ 15 ℃时，纯组分R245fa作为工质，系统性能最高；当θS1＞ 27 ℃时，纯组分R123作为工质，系统性能最佳。θS1介于15～27 ℃时，ωR245fa= 0.6的混合工质性能最好。这也可以很好地解释3.1节中冬季工况与常温和夏季工况存在的差异。