采用二氧化碳工质低品位热源驱动的郎肯循环发电实验研究

赵戈平，李勇*，EIKEVIK Trygve Magne，陈俊超

（1-上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240；2-挪威科技大学，特隆赫姆 9473）

采用二氧化碳工质低品位热源驱动的郎肯循环发电实验研究

赵戈平1，李勇*1，EIKEVIK Trygve Magne2，陈俊超1

（1-上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240；2-挪威科技大学，特隆赫姆 9473）

本课题主要包括了对二氧化碳工质在传热过程中的性质，尤其是超临界状态下二氧化碳工质性质的研究，以及对采用二氧化碳工质的郎肯循环发电系统研究。本课题所使用的概念性热源可以是任何低品位热源，并对根据这一概念所建立的实验系统进行了实验测试，将所得到的实验结果进行深入分析和研究，以验证该系统在发电领域中的可行性和应用前景。依据实验结果和分析来看，该系统的可行性得到了相当可靠的验证，并且显示出未来大规模应用的良好潜力和改良方向。

郎肯循环；实验研究；低品位热源

0　引言

人类发展带来的对能源的巨大需求，已经持续了很长一段时间。随着过去几百年来科技的飞速发展，现代的人类生活已经离不开持续而充足的电力和能源供应。良好的能源供应必须满足以下这些标准：在长期运作的工况下保持稳定、能抵抗需求的峰值和谷值变化、以及在能源的初级转化过程中维持较高的效率。

目前主流的发电方式为基于煤炭和天然气等化石燃料的火电，但化石燃料作为一种非可再生能源，终有耗尽的一天。因此，开发其他替代能源提供电力供给是摆在人们面前的重要课题之一。目前，一种非常有前景的方案是利用低品位热源来发电。在工业领域，存在着大量的相对低品位废热可供利用，现实中这些废热往往直接被排向了大气环境中。因此，对这部分废热在发电方面的应用引起了广泛的兴趣。针对这些废热的利用方法已有若干可行方案，其中之一便是采用合适的工质通过郎肯循环以发电。

本文所涉及的研究是通过对一个二氧化碳工质的郎肯循环系统进行实验测试，并对其结果进行分析总结的过程。

1　本测试实验台的简介

超临界状态的二氧化碳事实上是一种介于液相和气相之间的工质，因此对于该种工质究竟应该采用何种膨胀机进行推动做功是技术上的难点之一。通常采用公式（1）对膨胀机产生的功进行计算：

式中：

mc——二氧化碳工质的质量流量；

R——气体常数；

k——定压比热容和定容比热容之比；

T1——膨胀机进口温度；

P1——膨胀机进口压强；

P2——膨胀机出口处的压强值。

该实验台由4个循环组成，分别为膨胀机循环、空气循环、乙二醇循环以及热泵循环（见图1）。其中膨胀机循环的目标是测试系统的功输出，空气循环和乙二醇循环是为了使系统能在良好的换热条件下正常运作，而热泵循环则是为了模拟太阳能输入热源的温度以驱动系统运转。因为在实验室环境下，若直接采用太阳能接收器作为热源会受到天气状况和气候的干扰，难以稳定实验工况和对实验效果进行精确测定，因此直接引入了一个热泵循环以提供膨胀机循环运转所需的温度输入。

图1　实验台系统示意图

1.1膨胀机循环

这是整个测试系统中最为主要的一个循环，在图1中用粗灰色实线标明。这一循环中的关键部件是膨胀机，它利用高温高压的超临界二氧化碳工质做功输出。该循环中所有其他部件均根据膨胀机的相应工作需求，以及做功最大化的目的来确定选择的参数。在膨胀机循环中，热量输入过程是通过加热蒸发端换热器HX-2来进行的，热量散发过程则是通过冷却冷凝端换热器HX-3进行的。CO2泵设置在HX-3之后，以提供推动循环所需的工质压差驱动力。考虑到防止气蚀的缘故，该泵被安装在整个系统的最低点，该放置点可以确保发生气蚀的危险性降到最低，此外还在工质进入泵机之前通过安装储液器来进一步确保进入泵的工质是纯液体状态。这些设置是为了确保工质在进入泵之前已经过冷，从而不会将气泡带入泵里。

该实验台所采用的膨胀机是将高温工质的动能转化为发电机转子的转动，从而产生电能输出的装置。该膨胀机是针对二氧化碳工质而设计的，另有（5～10）ml的润滑油注入膨胀机进口处，从而对膨胀机的运作进行润滑，并且对部件进行油封。该循环中使用的发电机是直流发电机，当膨胀机转速超过1,500 r/min时，直流发电机可由电机模式进入发电模式，产生电能输出。为了使直流发电机和膨胀机正常运作，给该装置外接了电池，以启动直流电机，电池仅在电机模式对其提供电能。

图2　膨胀机循环中所采用的循环泵

1.2空气循环

考虑到整个设计实验台的重点，其目标是为了检验在太阳能提供热源输入的情况下该系统的运作情况，若使用真实的太阳能采集器进行实验，会导致实验工况不够稳定，不利于定性分析实验结果。因此，本研究采用了附加的空气循环和热泵循环，以提供相对稳定的低温热源输入。空气循环提供了给膨胀机循环进行加热驱动的热源，将热泵循环产生的热量输送到膨胀机循环中，使二氧化碳工质被加热至超临界状态进行循环做功。该循环在图1中用虚线标注，在图中可以清楚看到膨胀机循环和空气循环的热交换是在换热器HX-2中实现的。空气循环利用了热泵循环中产生的热量来进行加热，而热泵循环的内容会在后面部分进行阐述。

1.3乙二醇循环

在膨胀机循环的低压侧，设置了一个乙二醇循环，在图1中以点线标示，其目的是为了将膨胀机出口的二氧化碳工质冷却到液态并且过冷后进入储液器，可以保护CO2泵不受任何潜在的气蚀现象的影响，使膨胀机循环得以持续地工作。在乙二醇循环中，换热器HX-3的冷却效果由控制乙二醇流体的流量来决定。因此，设置一个乙二醇泵来驱动和控制乙二醇液体的循环流动。

1.4热泵循环

为了提供系统运转所需的热源输入，以及从最大化回收热量和系统总效率的角度考虑，热泵循环被安置在空气循环和乙二醇循环之间，以完成整个系统的循环流程。该热泵循环在图1中以细灰色实线标识出来，其主要工作部件为压缩机、冷凝器、膨胀设备以及蒸发器。这些部件组成了一个完整的热泵循环，将热量由膨胀机循环的冷却冷凝端搬运到加热蒸发端并获得较高的效率。在热泵循环中，换热器HX-7被作为蒸发器使用，它将热量从乙二醇循环中的冷端提取出来，并通过换热器HX-4将这一部分热量运送到空气循环中以将膨胀机循环内的二氧化碳工质进行加热，蒸发后成为超临界二氧化碳。

热泵循环中使用的压缩机是活塞式压缩机，膨胀设备使用的是膨胀阀。内部回热所使用的热交换器为HX-6，用于加强这一热泵循环的工作效果和提高效率，并且对进入压缩机之前的气体进行除湿处理。若不经过除湿过程，含有水蒸气的气体进入压缩机后可能会造成损害。为了确保气体在进入换热器前为饱和状态，在HX-7和HX-6之间放置了一个储液器，因此循环系统能具备一定弹性以应对在低压端的工况变化。

1.5测量工具

1.5.1热电偶

本系统中安装的热电偶温度传感器其测试范围最高可达200 ℃，采用比较高的测试范围是因为加热器的出口设计工况原本就接近此温度。空气循环中的热电偶传感器安装位置为HX-2的进口处和出口处，如图1所示。为了将热电偶安放在管道中，需要将热电偶的小针插入承载工质流动的管内。这些热电偶传感器直接连接到数据采集仪上，用于测量各处工质的温度，包括膨胀机循环内二氧化碳工质的各处温度，以及乙二醇和空气的各处温度。数据采集仪的资料直接导入计算机中储存。

1.5.2质量流量计和压力传感器

除了热电偶传感器之外，质量流量计和压力传感器也同样接入了该系统以进行必要的质量流量测量和压力测量。质量流量计设置在膨胀机循环、乙二醇循环以及热泵循环中，以检测各处的质量流量，并将数据传输至计算机中。

图3　膨胀机循环中的热电偶传感器

2　实验结果分析

2.1二氧化碳质量流量的影响

为了测试该实验台的可操作性，对其进行了测试和数据采集。对膨胀机循环的加热温度设置为80 ℃，并由其测试结果来看，该实验台的设计目的已经达成。在加热温度为80 ℃的工况下，测得与膨胀机连接的电机产生了一定的输出功率，其数值可由测试系统读取。该系统的电能输出功率受一系列参数的影响，包括工质的质量流量、加热热源的温度、膨胀机转速等等。为了对其进行更加深入的分析，首先尝试通过不同组实验数据的对比来确认二氧化碳工质的质量流量对系统的输出功率的影响。

当热泵循环的加热温度设置为80 ℃，膨胀机转速设为2,500 r/min时，膨胀机循环中二氧化碳工质的质量流量分别定为1.8 kg/min、2.5 kg/min以及3.8 kg/min，进行实验测试。将其结果数据制成T-h图如图4。

图4　不同质量流量的工质循环图

当二氧化碳工质流量为1.8 kg/min时，测得的输出功率为109.25 W。尽管这个数值并不算可观，但其展示出了利用低温热源驱动二氧化碳工质的郎肯循环在电能输出方面的可行性和潜力。在这样的参数设置下，膨胀机进口处的二氧化碳工质温度为70.19 ℃，压强为7.534 MPa，而出口处的温度为53.35 ℃，压强为5.893 MPa，二氧化碳在膨胀机中处于超临界状态。容易看出膨胀机的效率和性能在该系统中并不理想，二氧化碳工质无法在进出口之间达到更大数值的焓差以增大输出功量。在膨胀机的出口处，二氧化碳依然处于超临界状态，具有较大的再利用价值，在本实验中这部分热量直接冷却排出。在2.5 kg/min的工质质量流量下，输出功率上升到197.57 W，随着工质流量的提高，输出功率有了显著的上升趋势。在3.8 kg/min的二氧化碳质量流量下，该组的输出功率提高到了300.30 W。

2.2输出功率与膨胀机转速之间的关系

为了确定膨胀机转速对系统的电能输出功率存在何种影响，采取了若干组实验数据进行横向对比的方法。从总体上看，输出功率会随着膨胀机转速的增加而上升，膨胀机功率也会随之提高。将输出功率与膨胀机转速的对应数值作图如图5。

图5　输出功率与膨胀机转速的对应关系图

在所采用的数据中，输出功率最高的一组是二氧化碳工质质量流量为3.0 kg/min，循环中其高压数值为9.137 MPa而低压数值为6.434 MPa，电能输出功率数值为271.54 W。从图中可以看出，相对应的每组设定工质质量流量下，输出功率的确是随着膨胀机转速增加而提升的，但提升幅度并非十分明显。由于该实验系统所采用的膨胀机内部具体参数无法获得，因此无法得到进一步的原因分析，但输出功率增加这一总体趋势是确实存在的。

总体而言，随着二氧化碳工质质量流量的提高或者膨胀机转速的增加，系统的输出功率都会有所上升，而在这两个变量中，二氧化碳工质的的质量流量对系统的性能又有着相对更加显著的影响作用，这可以解释为通过膨胀机和轮机的二氧化碳工质流量越高，就有越多的工质推动轮机做功使得系统自然而然输出更多电能和更高的功率。从效果的角度来说，这一系列的系统测试和实验为验证低温热源驱动的，尤其是太阳能集热器提供的热源驱动的二氧化碳工质郎肯循环其发电可行性，提供了较为充分的实验证据。为了系统的运行稳定和对相关部件的保护，该系统的模拟热源温度设置固定为80 ℃，便于给出适合分析的数据和结果。而且，在各组实验数据的横向比对和分析中，包括膨胀机旋转速度和二氧化碳工质质量流量等关键参数都得到定量的控制和有针对性的计算分析。该系统很好地验证了其发电的可行性，这一结论的论据是比较充分的。

2.3膨胀机的等熵效率

膨胀机的等熵效率由公式（2）计算。

式中：

ηisentropic——轮机的等熵效率，

h1——膨胀机进口处的工质焓值，kJ/kW；

h2——膨胀机出口处的工质焓值，kJ/kW；

hs——在等熵膨胀过程中膨胀机出口处的工质焓值，kJ/kW。

从图6中可以明确地看出，实际膨胀过程滑向了等熵膨胀过程的右侧，造成了膨胀后二氧化碳工质的熵增加以及输出功率的下降。由上面的公式和实验采集的数据可以计算出不同工况下膨胀机的等熵效率，作为判断其工作效率的一个重要指标。在计算结果中体现出的一个很明显的趋势就是，随着膨胀机转速的增加，其等熵效率是递增的。在膨胀机转速为4,500 r/min的时候，等熵效率在50%上下小范围摆动。经过相关计算，轮机的等熵效率在不同实验对比组中有较为显著的波动，这一现象可能是由于膨胀机和轮机并非针对超临界态二氧化碳工质，甚至并非针对二氧化碳而设计的，而该系统中通过膨胀机和轮机做功的基本上都是超临界二氧化碳工质，有一定的潜在不适用性。对于轮机的深入研究及其等熵效率的分析有待更进一步的开发。另一方面，通过数据计算可知系统的总效率基本上在0.06至0.13之间波动，但这一结果具有一定的乐观性。在系统总效率的计算中，忽略了在对二氧化碳工质进行高温加热的输入过程中其不可逆性以及耗散效应，而直接用工质在加热器进出口之间所获得的焓增加量作为吸热量来计算。因此，如果把这一部分的损耗考虑在内的话，系统总效率将会有一定的下降。不过，实验测试的数据结论还是展现出这一系统的良好应用前景以及进行较大规模应用的潜在可行性。

图6　实际膨胀过程和等熵膨胀过程的T-h图

3　实验结论

从效果的角度来说，这一系列的系统测试和实验为验证低品位热源驱动二氧化碳工质郎肯循环发电可行性，提供了较为充分的实验证据。该系统很好地验证了其发电的可行性。通过数据计算可知系统的总效率基本上在0.06至0.13之间波动，实验测试的数据结论还是展现出这一系统的良好应用前景以及进行较大规模应用的潜在可行性。

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Experimental Study of Rankine Cycle Power Generation Driven by Low-grade Heat Source Using CO2as Working Fluid

ZHAO Ge-ping1, LI Yong*1, EIKEVIK Trygve Magne2, CHEN Jun-chao1
（1-Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China；2-Norwegian University of Science and Technology, Trondheim 9473, Norway）

This research involves the study of Rankine cycle in power production and CO2characteristics in heat transfer, especially its features in super-critical phase. The conceptual heat source of this research could be any low-grade heat source. The proposed system under this concept was operated and the corresponding test results were collected and analyzed. According to the test results and the analysis, the feasibility of this system was abundantly confirmed. The system shows a great and promising potential in application.

Rankine cycle； Experimental analysis； Low-grade heat source

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.05.101

*李勇（1969-），男，副教授。研究方向：可持续能源。联系地址：上海市东川路 800号，邮编：200240。联系电话：021-34206056。E-mail：liyo@sjtu.edu.cn