有机朗肯循环系统中工质泵的运行性能

张红光，杨宇鑫，孟凡骁，赵蕊，田亚明，刘毅



有机朗肯循环系统中工质泵的运行性能

张红光1,2，杨宇鑫1,2，孟凡骁1,2，赵蕊1,2，田亚明1,2，刘毅3

（1北京工业大学环境与能源工程学院，北京100124；2北京电动车辆协同创新中心，北京100124；3大同北方天力增压技术有限公司，山西大同 037036）

为研究车用有机朗肯循环（organic Rankine cycle，ORC）余热回收系统中工质泵的性能及选型，在模拟车用ORC余热回收系统的工作环境下，设计并搭建了以R123作为工质的多级离心泵性能测试实验系统。通过控制多级离心泵转速（870～2900 r·min-1）、调节工质流量（0.20～5.00 m3·h-1），得到了多级离心泵特性曲线。通过分析变工况时多级离心泵关键参数间相互作用关系，及其对车用ORC余热回收系统性能的影响情况，验证了多级离心泵应用于车用ORC余热回收系统的可行性，并确定了其最佳工况点参数。研究结果表明：变工况时，多级离心泵总效率为15.00%～65.70%。车用ORC余热回收系统的蒸发压力、热效率均随着多级离心泵转速的增加而增加。在高转速区，工质流量对系统蒸发压力和多级离心泵输入功率（多级离心泵消耗的电功率）的影响明显增大。随着系统蒸发温度的升高，工质泵实际输入功率占膨胀机输出功率的比例（back work ratio，BWR）最高可达0.45。当多级离心泵转速为2900 r·min-1时，车用ORC余热回收系统热效率最高可达10.50%。

有机朗肯循环；热力学；泵；回收；变工况；运行性能

引 言

车用内燃机运行时，只有20%～30%（汽油机）或30%～45%（柴油机）的燃料燃烧总能量用于动力输出，其余能量被排气和冷却介质带走，造成能源浪费[1-3]。因此，将车用内燃机的余热能高效转化再利用，必然会提高车用内燃机的燃油经济性，达到节能减排的目的[4-6]。有机朗肯循环被认为是实现低品位能量回收的有效途径之一，并在众多领域得到了研究与应用[7-13]。国内外学者针对ORC系统中的膨胀机和换热器进行了大量的研究工作[14-19]，但目前针对工质泵的研究较少[20-21]。工质泵主要的作用是为ORC系统提供所需的工质流量和压力，工质泵也是ORC系统中主要的耗能部件，其性能直接影响ORC系统的净输出功率和热效率。

已有文献中工质泵的效率多为经验值，通常取为65.00%～85.00%[22-25]。往往忽略了工质泵的效率变化对车用ORC余热回收系统性能的影响情况。Quoilin等[26]针对ORC系统性能进行了分析，认为在计算ORC系统的热效率和净输出功率时应充分考虑工质泵输入功率；当蒸发温度接近工质的临界温度时，BWR会显著增加。Borsukiewicz-Gozdur[27]针对ORC系统中18种不同工质的泵输入功率进行了分析，认为低临界温度的工质具有较大的工质泵输入功率；BWR在0.30%～14.00%的范围内变化。杨绪飞等[28]针对ORC系统中三柱塞泵进行研究，发现三柱塞泵的总效率为22.00%～30.00%；其机械效率偏低的主要原因是实际运行工况偏离额定工况。叶佳琦等[29]针对小型ORC系统中工质泵的效率进行了研究，发现液压隔膜泵的等熵效率为15.00%～47.00%；等熵效率随工质流量的增大和泵进出口压差的增加而升高，而且受工质流量的影响较大。Glover等[30]针对变工况有机朗肯循环系统性能进行了分析，并搭建了车用内燃机有机朗肯循环系统仿真模型。假设工质泵的等熵效率在任意热源下均为75%。发现有机朗肯循环系统热效率为5%～23%。

若只在车用ORC余热回收系统的实验装置中进行相关实验工作，对于工质泵的研究只能获得部分工况点参数，无法系统且深入地研究变工况时工质泵关键参数的变化规律及相互作用关系。当前，工质泵在车用ORC余热回收系统中的适用性及最佳控制策略也很少有相关研究成果发表。针对以上问题，以实验为主要研究手段，搭建了以R123作为工质的多级离心泵性能测试实验系统，探究了多级离心泵全工况范围内关键参数变化规律及相互作用关系；分析了变工况时多级离心泵关键参数对车用ORC余热回收系统性能的影响情况，为车用ORC余热回收系统性能优化及工质泵选型提供可靠的理论依据。

1 实验系统与方案

多级离心泵是一种典型的叶片式泵，密封性良好，调节方便，通过内部的多级叶轮使工质获得高压，其技术参数见表1。选用多级离心泵作为工质泵，并搭建了多级离心泵性能测试实验系统，用于探究多级离心泵转速、工质流量对出口压力、总效率、输入功率的影响规律。

表1 多级离心泵技术参数

1.1 实验系统

图1和图2分别为多级离心泵性能测试实验系统的原理和实物，该实验系统主要由多级离心泵性能测试子系统和数据采集子系统组成。其中，多级离心泵性能测试子系统主要包括储液罐、截止阀、多级离心泵和过滤器，各部件之间通过不锈钢管路及法兰连接；数据采集子系统主要包括功率表、温度传感器、压力传感器、质量流量计、数据采集仪等。其中，储液罐为不锈钢材料，体积为100 L，为了避免多级离心泵发生汽蚀现象，本实验系统采取以下解决方式：①将储液罐置于1 m×0.8 m×1.5 m的台架上，与多级离心泵形成一定的高度差，避免多级离心泵内产生较高的汽化压力；②在储液罐上方与多级离心泵进口处连接平衡管，使多级离心泵进口处压力与储液罐内部压力保持一致。

实验前，保证管路和各部件之间密封连接，同时对系统进行抽真空处理，并向储液罐内注入R123。实验过程中，工质从储液罐流出后进入多级离心泵被加压，加压后的工质经过滤器、质量流量计等部件，最后流回储液罐，完成一次循环。实验中，变频器用于改变多级离心泵转速；功率表用于测量多级离心泵输入功率；多级离心泵进口和出口处设置的温度和压力传感器用于测量工质的温度和压力；质量流量计用于测量工质的质量流量和密度。实验系统稳定运行时，通过数据采集仪实时采集实验数据。实验系统中各传感器量程及测量精度见表2。

表2 实验系统中传感器技术参数

1.2 实验方案

实验过程中，储液罐内有机工质温度维持在313.15 K，对应的绝对压力维持在0.22 MPa。由于该实验是在模拟车用ORC余热回收系统工作环境下进行的，储液罐内工质的温度用于模拟车用ORC余热回收系统中的冷凝温度，多级离心泵出口压力用于模拟车用ORC余热回收系统中的蒸发压力。通过控制多级离心泵转速（870～2900 r·min−1）、调节工质流量（0.20～5.00 m3·h−1），进行多次实验，从而得到多级离心泵特性曲线。

2 实验结果与分析

2.1 出口压力

图3为不同转速下多级离心泵出口压力随工质流量的变化情况。由图可知，当工质流量一定时，多级离心泵出口压力随转速的增加而升高；当多级离心泵转速一定时，多级离心泵出口压力随工质流量的增加而降低。当多级离心泵转速为2900 r·min−1时，出口压力最高可达2.79MPa。从图中还可看出，多级离心泵转速越高，工质流量变化范围越广。当多级离心泵转速从870 r·min−1提高到2900 r·min−1时，工质流量变化范围扩大了约3.6倍。同时，多级离心泵在高转速区运行时，工质流量对出口压力的影响明显增强。例如，当多级离心泵转速为2610 r·min−1时，工质流量每增加0.28 m3·h−1，出口压力平均降低0.11MPa；而当其转速为1160 r·min−1时，工质流量每增加0.28 m3·h−1，出口压力平均仅降低0.05 MPa。上述分析结果说明：在多级离心泵运行时，可通过协调控制工质流量和多级离心泵转速，以满足变工况时车用ORC余热回收系统对小流量、高蒸发压力的需求。

2.2 输入功率

图4为不同转速下多级离心泵输入功率随工质流量的变化情况。由图可知，当工质流量一定时，多级离心泵输入功率随转速的增加而增加；当多级离心泵在低转速区运行时，其输入功率随工质流量的变化不明显，而在高转速区运行时，其输入功率随工质流量的增加而呈现出先增加后减小的趋势。多级离心泵转速为2900r·min−1时的输入功率大约是870r·min−1时的20倍。这说明了降低多级离心泵转速能显著降低其输入功率。在大流量区运行时，多级离心泵转速对输入功率的影响较大。当工质流量为0.20 m3·h−1时，多级离心泵转速从1740r·min−1增加到2030r·min−1时，其输入功率增长了0.39 kW；而从2610r·min−1增加到2900r·min−1时，其输入功率增长了0.82kW。这主要是因为多级离心泵进出口压差和工质流量共同决定了其实际输入功率的大小。上述分析结果说明：多级离心泵在高转速区运行时，可通过协调控制转速和工质流量的方式，达到降低多级离心泵输入功率的目的。

2.3 总效率

多级离心泵总效率的计算公式如下

图5为不同转速下多级离心泵总效率随工质流量的变化情况。由图可知，在多级离心泵转速一定时，多级离心泵总效率随工质流量的增加而呈现出先增加后减小的趋势，并在一定工质流量范围内存在着稳定高效区；随着多级离心泵转速的增加，多级离心泵总效率的最大值和稳定高效区的范围均逐渐增加。多级离心泵转速为870 r·min−1时，总效率为15.80%～33.50%；而其转速为2610 r·min−1时，总效率为15.90%～65.70%。由此可知，多级离心泵在接近额定工况点时效率较高，当多级离心泵在低转速区运行时，其总效率明显下降。这主要可能是因为以下两点原因造成的：①多级离心泵实际运行工况严重偏离其额定工况；②当多级离心泵在低转速区运行时，较高的进出口压差和较低的流速使工质泵的内部泄漏问题更加突出。当多级离心泵在高转速、大流量区运行时，其总效率也呈现出明显的下降趋势。这可能是因为较大的工质流量导致较多的有机工质绕过叶轮，而没有获得有效能量。上述分析结果说明：当多级离心泵在低转速区运行时，可通过提高多级离心泵转速和工质流量来提高其效率；在高转速区运行时，可通过调节工质流量使其运行在稳定高效区。

图5 多级离心泵总效率随流量的变化情况

Fig.5 Overall efficiency of multistage centrifugal pump with flow rate

3 车用ORC余热回收系统性能分析

3.1 BWR

BWR表示工质泵实际输入功率占膨胀机输出功率的比例；BWRth（理论BWR）表示工质泵理论输入功率占膨胀机输出功率的比例。图6为不同转速下BWR和BWRth随蒸发温度的变化情况。从图中可以看出，BWRth随着蒸发温度的升高而呈现出缓慢增加的趋势，最高为0.08。而随着蒸发温度的升高，实际BWR呈现出先缓慢减小后急剧增加的趋势，最高可达0.45。主要是因为多级离心泵的效率随工况变化而不断变化，在低转速、低蒸发温度区运行时，多级离心泵的效率相对较高，导致BWR缓慢下降；而在高转速、高蒸发温度区运行时，多级离心泵的效率急剧下降，导致BWR迅速上升。在此情况下如果再考虑冷凝风扇，润滑油泵等的输入功率时，可能出现车用ORC余热回收系统净输出功率为负值的情况。多级离心泵在高转速、高蒸发温度区运行时，可通过降低多级离心泵转速和工质流量的方式来有效控制其输入功率和效率。综上分析：在车用ORC余热回收系统中，可在不影响蒸发温度持续升高的条件下，通过提高多级离心泵转速来有效地降低BWR，从而使车用ORC余热回收系统热效率和净输出功率达到最佳值。

3.2 热效率

车用ORC余热回收系统热效率的计算公式如下

图7为不同转速下车用ORC余热回收系统热效率随蒸发温度的变化情况。从图中可看出，在多级离心泵转速一定时，车用ORC余热回收系统热效率随蒸发温度的升高而呈现出先增加后减小的趋势。在多级离心泵转速为2900 r·min-1时，车用ORC余热回收系统热效率最高可达10.50%。还可以看出，通过提高多级离心泵转速可使蒸发温度升高，进而有利于提高车用ORC余热回收系统热效率。这是因为，根据有机朗肯循环系统热力学模型[26]，多级离心泵转速增加使多级离心泵出口压力增大，进而使蒸发压力增大，由于膨胀机出口假定为饱和蒸气状态，所以蒸发温度会随之升高。上述分析表明：在多级离心泵转速一定时，通过调节工质流量，可使车用ORC余热回收系统在最佳蒸发温度条件下运行，并使车用ORC余热回收系统的热效率达到最佳值。

图7 热效率随蒸发温度的变化情况

Fig.7 Thermal efficiency with evaporating temperature

3.3 最佳工况点

表3为不同转速下多级离心泵在车用ORC余热回收系统中的最佳工况点参数。如表所示，随着多级离心泵转速的升高，系统最佳蒸发温度对应的系统蒸发压力、净输出功率、热效率等也随之升高。多级离心泵转速从870 r·min−1提高到2900 r·min−1，系统最佳蒸发温度从348.75 K提升到429.82 K，对应的蒸发压力从0.44 MPa提高到2.35 MPa，系统热效率从3.59%提高到10.50%。综上所述，通过对多级离心泵转速和工质流量的协调控制可使车用ORC余热回收系统达到最佳性能，从而为车用ORC余热回收系统工况调控提供理论依据。

表3 多级离心泵在车用ORC余热回收系统中的最佳工况点参数

4 结 论

（1）多级离心泵的效率变化范围较广，约为15.00%～65.70%。因此，在对车用ORC余热回收系统进行理论分析时，工质泵的效率取值应根据实验结果来确定。

（2）实际BWR随蒸发温度的升高而呈现出先缓慢减小后急剧增加的趋势，比理论值高出约5.30倍，此时对应的多级离心泵的效率为15.00%。低的工质泵效率直接影响了车用ORC余热回收系统的净输出功率和热效率的提高。

（3）通过调节多级离心泵转速和工质流量，可使多级离心泵高效地应用于车用ORC余热回收系统。在不同转速下，存在使车用ORC余热回收系统热效率达到最佳值的工况点，对车用ORC余热回收系统性能优化具有重要意义。

（4）随着多级离心泵转速的增加，多级离心泵效率、车用ORC余热回收系统蒸发压力、热效率、净输出功率均呈现出增加的趋势。当多级离心泵在高转速区运行时，通过控制工质流量可使其运行在稳定高效区。

（5）多级离心泵输入功率随转速的增加而增加，且增加的幅度逐渐增大。可通过协调控制转速和工质流量的方式来降低其在高转速区运行时的输入功率，从而增加车用ORC余热回收系统净输出功率。

符 号 说 明

P——功率，W p——压力，MPa Q——吸热量，J q——流量，m3·s-1 W——功，J η——热效率，% η′——效率，% 下角标 e——膨胀机 ORC——车用ORC余热回收系统 p——多级离心泵 th——理论 v——体积 1——进口 2——出口

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Running performance of working fluid pumpfor organic Rankine cycle system

ZHANG Hongguang1,2, YANG Yuxin1,2, MENG Fanxiao1,2, ZHAO Rui1,2, TIAN Yaming1,2, LIU Yi3

(1College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;2Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles in Beijing, Beijing 100124, China;3Datong North Tianli Turbocharging Technology Co. Ltd.,Datong037036, Shanxi, China)

To study the performance and selection of the working fluid pump in organic Rankine cycle (ORC) waste heat recovery system for vehicleengines, a test bench of a multistage centrifugal pump was constructed using R123 as working fluid in a condition of simulative ORC waste heat recovery system for vehicleengines. Experimental results of the multistage centrifugal pump under various operating conditions were obtained based on controlled working rotational speed (870—2900 r·min-1)and working fluid flow rate (0.20—5.00 m3·h-1). The interaction of the key pump parameters and their effect on the ORC performance were analyzed in this paper. In addition, the feasibility of the multistage centrifugal pump applied to the ORC waste heat recovery system for vehicleengineswas verified and the optimal working point parameters were also determined. Results showed that the overall pump efficiency of multistage centrifugal pump was between 15.00% and 65.70%. The outlet pressure, pump efficiency and ORC thermal efficiency increased with the increase of the rotating speed of the pump. The flow rate needed to be regulated as the frequency became increasingly high. The maximum thermal efficiencies of the ORC system corresponding to various working frequencies of the pump were observed. Furthermore, the practical back work ratio (BWR) can reach up to 0.45 with the increase of the evaporating temperature of the ORC system. And the thermal efficiency can reach up to 10.50% when the rotating speed of multistage centrifugal pump was 2900 r·min−1. Pumping power should not be neglected for small-scale ORC applications, and pump efficiency assumptions should be dependent on experiments. Low pump efficiency affected the increase of the thermal efficiency and net power of the ORC system.

organic Rankine cycle; thermodynamics; pump; recovery; various operating conditions; running performance

10.11949/j.issn.0438-1157.20170244

TK 11+5

A

0438—1157（2017）09—3573—07

2017-03-24收到初稿，2017-05-25收到修改稿。

张红光（1970—），男，教授。

2016年度国家自然科学基金委员会与英国皇家学会合作交流项目（51611130193）；国家自然科学基金项目（51376011）；北京市自然科学基金面上项目（3152005）。

2017-03-24.

Prof. ZHANG Hongguang, zhanghongguang@ bjut.edu.cn

supported by the Projects of International Cooperation and Exchanges NSFC (51611130193), the National Natural Science Foundation of China (51376011) and the Natural Science Foundation of Beijing (3152005).