非共沸混合工质ORC在近临界状态时的性能分析

陈斌 王重阳

摘 要：对于临界温度较低的工质，不仅适合亚临界有机朗肯循环，也适用于超临界有机朗肯循环。该文针对使用150℃低温烟气作为热源的有机朗肯循环（ORC），采用R236fa、R152a和两者作为组分的9种不同浓度配比的非共沸混合物共11种物质作为循环工质，使用热力学第一定律和第二定律分别分析了这11种工质在临界状态附近的参数变化情况。研究结果表明，由亚临界状态过渡到超临界状态时，系统的净输出功、吸热量均不连续。在近临界状态时，混合工质的净输出功大于纯工质。

关键词：非共沸二元混合物  亚临界有机朗肯循环  超临界有机朗肯循环  近临界状态  连续

中图分类号：TK123          文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（c）-0108-02

这些年来，随着全球化石能源储量的减少和人们对电力需求的不断增加，低温余热的利用越来越受到人们的重视。由于传统的朗肯循环使用水作为工质，其所需热源温度较高，这就成为了人们直接使用朗肯循环利用低温余热的障碍。为了克服这一障碍，用有机物作为循环工质的有机朗肯循环（ORC）[1]被提了出来。

循环工质的选择对整个系统影响甚大，针对不同的热源情况，人们提出了不同的工质以使整个系统达到最佳的性能，主要包括地热能。Aghahosseini和I.Dincer[2]对采用纯工质和非共沸混合工质的有机朗肯循环从循环效率、不可逆性和对环境的影响进行了分析比较，结果表明非共沸混合工质有较好的循环特性。目前国内外对非共沸混合工质ORC在近临界状态的研究还比较少，Pan等[3]研究了纯工质在近临界ORC附近的状态参数变化情况。文章以烟气作为热源，采用9种非共沸混合物作为工质。通过分析9种非共沸混合工质有机朗肯循环，分析了系统由亚临界过渡至超临界时系统参数变化的特征。

1 有机朗肯循环系统

用有机物代替水作为工质的朗肯循环称为有机朗肯循环（ORC），由于有机工质的沸点普遍比水的低，因此利用低温余热发电成为可能。主要包括5个部分：冷凝器、泵、蒸发器、膨胀机和发电机。循环过程如下：从膨胀机排出的乏汽进入冷凝器中，经过冷却水的降温后进入工质加压泵，升压后的工质进入蒸发器，吸收来自热流体放出的热量，高温高压的有机蒸汽进入膨胀机推动膨胀机做功，膨胀机带动发电机发电，做完功的乏汽进入冷凝器，完成循环。文章采用R236fa、R152a和两者作为组分的9种不同浓度配比的非共沸混合物共11种物质作为循环工质，工质的热物性均由NIST提供的REFPROP 8.0查取所得。循环工况参数如表1所示。

2 计算结果分析

2.1 吸热量

工质的吸热量随膨胀机入口对比压力的变化规律。所用11种工质从亚临界ORC到超临界ORC的过程中，系统吸热量均是不连续的。在亚临界ORC时，工质的吸热量均是先减小而后在接近临界状态时增加，当膨胀机入口对比压力在0.9附近时出现极小值;在超临界ORC时，所有工质的吸热量均先降低后增大，存在一个极小值点，但极小值的位置却不同。工质M0～M5的极小值点出现在对比压力为1.15附近，而工质M6～M10出现在对比压力为1.05附近。另外，可以观察到，近临界状态时，除了工质M9，其余非共沸混合工质的吸热量均大于两种纯工质的吸热量。

2.2 净输出功

图1为净输出功随膨胀机入口对比压力的变化规律。从图中可知，系统由亚临界ORC过渡至超临界ORC时均是不连续的。亚临界ORC时，所选工质均出现了一个极大值和一个极小值，但极大值出现的位置有所不同。工质M0～M7的极大值点出现在对比压力为0.7附近，其余工质则出现在对比压力为0.6附近;极大值点均出现在对比压力为0.9的附近。在近临界状态时，净输出功均增大，但是工质M0～M7的增幅较大，而工质M8～M10增幅相对平稳，且非共沸混合工质M1-M6的净输出功均大于两种纯工质的净输出功量。在超临界ORC时，工质M0～M6在对比压力为1.15附近出现了极小值，而工质M7～M10则在对比压力为1.03附近出现极小值。另外，在亚临界ORC过渡至超临界ORC时，超临界ORC的净输出功均均小于亚临界状态的净输出功。

3 结论

文中以150℃烟气为低温热源，用R236fa、R152a和两者作为组分的9种不同浓度配比的非共沸混合物共11种物质作为循环工质，主要分析了這11种工质由亚临界过渡至超临界状态时参数变化的情况及其连续性。研究结果表明：（1）由亚临界过渡至超临界状态时，系统的净输出功、吸热量均不连续;（2）由于在近临界状态时，系统的净输出功会发生急剧变化，当以追求净功最大化为目标时，近临界状态附近的参数会更有使用价值，且混合工质净输出功大于纯工质的。（3）该文条件下，在近临界状态时，非共沸混合工质M5的净输出功最大，为97.3 kW;纯工质M10净输出功最小，为79.8 kW。

参考文献

[1] Moran MJ，Shapiro HN，Boettner DD，etal.Fundamentals of engineeers thermodynamics[M].Chichester：Wiley，2011.

[2] Aghahosseini S.，I.Dincer.Comparative performance analysis of low-temperature Organic Rankine Cycle（ORC）using pure and zeotropic working fluids[J].Applied Thermal Engineering，2013，54（1）：35-42.

[3] PanL.Performance analysis in near-critical conditions of organic Rankine cycle[J].Energy，2012，37（1）：281-286.