有機(jī)朗肯循環(huán)熱源溫度與冷凝溫度的影響分析

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1、第33卷第10期可再生能源Vol.33No.102015年10月RenewableEnergyResourcesOct.2015有機(jī)朗肯循環(huán)熱源溫度與冷凝溫度的影響分析劉炳成，梁寶華，苑善通（青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266061）摘要：分析了蒸發(fā)器換熱過程中熱源溫度對窄點(diǎn)溫差位置的影響，討論了冷凝溫度和熱源溫度對有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）系統(tǒng)的影響。隨著熱源溫度的升高，蒸發(fā)器窄點(diǎn)溫差位置由有機(jī)工質(zhì)蒸發(fā)溫度處轉(zhuǎn)移到蒸發(fā)器有機(jī)工質(zhì)入口溫度處?？紤]冷卻水循環(huán)，系統(tǒng)存在最佳冷凝溫度，當(dāng)冷凝溫度低于最佳冷凝溫度時(shí)，凈功輸出隨冷凝溫度的降低而急劇下降。

2、給定工況下，最佳冷凝溫度隨熱源溫度的增長近似線性升高，熱源溫度每升高1℃，最佳冷凝溫度增長0.035~0.045℃；凈功輸出隨熱源溫度的升高而增加，上升速度存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)，轉(zhuǎn)折發(fā)生在熱源溫度為160~270℃時(shí)。關(guān)鍵詞：有機(jī)朗肯循環(huán)；窄點(diǎn)溫差；熱源溫度；優(yōu)化；回收；可持續(xù)性中圖分類號(hào)：TK1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1671-5292（2015）10-1529-06DOI:10.13941/j.cnki.21-1469/tk.2015.10.0160前言中，冷卻水（狀態(tài)點(diǎn)10）經(jīng)過冷凝器換熱后溫度升隨著化石燃料儲(chǔ)量的減少和隨之而來的環(huán)境高（狀態(tài)點(diǎn)11）

3、，高溫冷卻水通過循環(huán)泵加壓后（狀問題，低溫余熱的回收利用引起人們越來越多的態(tài)點(diǎn)12）進(jìn)入冷卻塔，冷卻后循環(huán)使用。關(guān)注。有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）是一種回收低溫余熱1[1]～[4]的有效方式。關(guān)于ORC的熱力學(xué)分析和熱源9蒸發(fā)器溫度降的計(jì)算，國內(nèi)外研究者做了大量的工作，但透平G[5]～[17]仍然存在一些不足。例如，當(dāng)熱源溫度很高4852時(shí)，窄點(diǎn)溫差有可能位于蒸發(fā)器有機(jī)工質(zhì)入口溫冷凝器度處，這將影響系統(tǒng)的凈功輸出。此外，關(guān)于系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的研究中大部分沒有考慮冷卻水循環(huán)，工質(zhì)泵11而有機(jī)工質(zhì)的冷凝溫度是影響冷卻水循環(huán)泵功消冷耗的關(guān)鍵因素。本文針對窄點(diǎn)溫差

4、位置和冷卻水卻10冷水循環(huán)泵功消耗問題，分析了熱源溫度對窄點(diǎn)溫差卻泵12塔位置的影響；考慮冷卻水循環(huán)，分析了冷凝溫度和熱源溫度對ORC系統(tǒng)的影響。圖1ORC系統(tǒng)原理圖Fig.1SchematicofORC1ORC熱力學(xué)分析1.1ORC系統(tǒng)描述T8ORC系統(tǒng)由蒸發(fā)器、透平、工質(zhì)泵、冷凝器、冷1319卻水泵和冷卻塔組成（圖1），與其相對應(yīng)的系統(tǒng)溫67熵圖如圖2所示。在蒸發(fā)器內(nèi)，有機(jī)工質(zhì)與熱源換55s232s熱產(chǎn)生有機(jī)工質(zhì)蒸氣（狀態(tài)點(diǎn)1），有機(jī)工質(zhì)蒸氣經(jīng)412s12過透平膨脹做功后變?yōu)榉猓顟B(tài)點(diǎn)2）。透平出口1110乏氣經(jīng)過冷凝器冷凝變成有機(jī)工質(zhì)液體

5、（狀態(tài)點(diǎn)1514S4），然后經(jīng)過工質(zhì)泵加壓變成高壓有機(jī)工質(zhì)液體圖2ORC系統(tǒng)T-S圖（狀態(tài)點(diǎn)5）進(jìn)入蒸發(fā)器與熱源換熱。在冷卻水循環(huán)Fig.2T-SdiagramofORC收稿日期：2015-01-06。作者簡介：劉炳成（1975-），男，山東高密人，副教授，博士，研究方向?yàn)楣?jié)能減排技術(shù)及其應(yīng)用。E-mail：jidianqust@163.com·1529·可再生能源2015，33（10）蒸發(fā)器內(nèi)熱源與有機(jī)工質(zhì)換熱，熱源溫度降蒸發(fā)溫度處時(shí)：低（由狀態(tài)點(diǎn)8到狀態(tài)點(diǎn)9）。換熱過程中窄點(diǎn)溫h8－h(huán)13mw=mh（2）差的位置對熱源出口溫度（狀態(tài)點(diǎn)9）有重

6、要影h1－h(huán)6響。熱源的出口溫度直接決定了熱源與有機(jī)工質(zhì)式中：mh為熱源質(zhì)量流量，kg/s；h8為蒸發(fā)器熱源的換熱量，從而影響到發(fā)電功率的大小。入口（狀態(tài)點(diǎn)8）焓值，kJ/kg；h6為有機(jī)工質(zhì)飽和液1.2ORC熱力學(xué)模型態(tài)（狀態(tài)點(diǎn)8）焓值，kJ/kg；h13為換熱過程中對應(yīng)狀態(tài)點(diǎn)6的熱源溫度（狀態(tài)點(diǎn)13）的焓值，kJ/kg。蒸發(fā)器換熱方程：Qeva=mw（h1－h(huán)5）（1）t13=t6+DtP（3）式中：Qeva為蒸發(fā)器換熱量，kJ；mw為有機(jī)工質(zhì)質(zhì)式中：DtP為窄點(diǎn)溫差，。如圖3（b）所示，當(dāng)窄點(diǎn)溫差位于蒸發(fā)器工質(zhì)量流量，kg/s；h1為蒸發(fā)器

7、出口有機(jī)工質(zhì)蒸氣（狀入口溫度處時(shí)：態(tài)點(diǎn)1）的焓值，kJ/kg；h5為蒸發(fā)器入口有機(jī)工質(zhì)（狀態(tài)點(diǎn)5）的焓值，kJ/kg。m=mh8－h(huán)9（4）whh1－h(huán)5蒸發(fā)器中熱源與有機(jī)工質(zhì)換熱，換熱過程計(jì)式中：h9為蒸發(fā)器出口熱源（狀態(tài)點(diǎn)9）的焓值，算須要確定窄點(diǎn)溫差的位置。如圖3所示，隨熱源kJ/kg。溫度的變化，蒸發(fā)器中窄點(diǎn)溫差的位置分別在有h9=t5+DtP（5）機(jī)工質(zhì)蒸發(fā)溫度處和蒸發(fā)器工質(zhì)入口溫度處。透平等熵效率：T8h=mh1－h(huán)2（6）th13h1－h(huán)2s19Δtp67式中：ht為透平等熵效率；h2為透平實(shí)際出口焓，kJ/kg；h2s為透平等熵膨

8、脹出口焓，kJ/kg。52透平輸出功：43Wt=mw（h1－h(huán)2）（7）式中：Wt為透平輸出功，kW。S工質(zhì)泵等熵效率：（a）窄點(diǎn)溫差位