太阳能余热驱动的混合工质ORC系统性能研究_张慧慧.pdf

以太阳能集热的导热油为有机朗肯循环系统热源，构建系统热力循环过程的理论计算模型，并选取 R245fa 和R601a 组成系统混合工质，研究不同混合工质组分质量分数条件下工质热力参数对系统循环性能指标的影响。结果表明，系统对外输出净功率随工质蒸发温度的增加先增加后减小，随工质冷凝温度的增加而减小，混合工质中 R245fa 质量分数为 0.8 对应的系统对外输出净功率最大。工质蒸发温度越高，冷凝温度越低，系统循环热效率和效率均越大。相比于混合工质，采用纯工质 R601a 可获得更大的系统循环热效率，而采用纯工质 R245fa 可获得更大的系统循环效率。关键词：太阳能；余热利用；有机朗肯循环；混合工质；热力性能中图分类号：TK519文献标志码：A文章编号：2096-9341（2023）02-0033-07DOI:10.14096/34-1069/n/2096-9341（2023）02-0033-07Performance study of ORC system with zeotropic mixture drivenby solar waste heatZHANG Huihui1,FENG Junsheng2*,WANG Haitao2(1.School of Engineering,Hefei University of Economics,Hefei Anhui 230031,China;2.School of Environment and EnergyEngineering,Anhui Jianzhu University,Hefei Anhui 230601,China)Abstract:With the conduction oil of solar heat collection as the heat source of organic Rankine cycle system,the theoreti-cal calculation model of system thermodynamic cycle process was established,and R245fa and R601a were selected as the sys-tem zeotropic mixture,the influences of thermal parameters of working medium on the system cycle performance index underdifferent mass fractions of zeotropic mixture were studied.The results show that the system net output power increases first andthen decreases with the increase of evaporation temperature,and decreases with the increase of condensation temperature.In themixed working medium,the system net output power reaches the maximum when the mass fraction of R245fa in zeotropic mix-ture is 0.8.The higher the evaporation temperature of the working medium and the lower the condensation temperature,the great-er the thermal and exothermic efficiency of the system.Compared with the zeotropic mixture,the pure working medium R601ahas a greater thermal efficiency,and the pure working medium R245fa has a greater exergic efficiency.Key words:solar energy;waste heat utilization;organic rankine cycle;zeotropic mixtures;thermodynamic performance收稿日期：2022-02-18基 金 项 目：安 徽 省 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目（1908085QE203）；安 徽 省 高 校 自 然 科 学 研 究 基 金 资 助 项 目（2022AH050262）；安徽建筑大学科研基金项目(2020QDZ02)。作者简介：张慧慧（1977），女，硕士，讲师，研究方向：应用物理技术。通信作者：冯军胜（1988），男，博士，副教授，研究方向：低温余热回收利用，新型热力循环。E-mail:。张慧慧，冯军胜，王海涛：太阳能余热驱动的混合工质 ORC 系统性能研究第40卷阜阳师范大学学报（自然科学版）34近年来，太阳能中低温热发电由于技术简单、管理成本低，具有广阔的发展前景，越来越受到重视。有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，ORC）是一种已经被证实的可将低品位热能高效转化为电能的动力循环1-5，ORC 系统能够利用的余热种类较多，加之在运行效率和流程精简程度等方面的优势，使其成为未来低品位热能回收利用的一个发展趋势。目前，国内外学者已从理论、实验和仿真等方面对 ORC 系统热力性能做了大量研究6-10。赵国昌等11建立了具有再热结构的太阳能ORC 热力循环过程的计算模型，并采用 R245fa 作为 ORC 工质，研究了系统循环热效率增加量与输出功率增加量随工质蒸发温度的变化规律。黄喜军等12以太阳能为热源，建立超临界 ORC 系统模型，并选取 7 种纯工质作为研究对象，研究了透平进气温度和压力对系统的单位对外输出净功率、不可逆损失和循环热效率等参数的影响。林达等13建立太阳能 ORC 发电系统热力学模型和经济学模型，并采用 R245fa 作为 ORC 工质，分析了热源进口温度和工质过热度等参数对系统循环性能的影响规律。综上，目前基于太阳能余热利用的 ORC 系统研究多数以纯工质为主，涉及混合工质的研究较少。基于此，本文以太阳能集热的导热油为 ORC系统热源，建立 ORC 系统热力循环过程的理论计算模型，并采用 R245fa 和 R601a 组成的混合工质为 ORC 工质，研究不同混合工质组分质量分数条件下工质热力参数对系统对外输出净功率、循环热效率和效率的影响，同时开展混合工质与纯工质系统热力性能的对比分析，为后续 ORC 系统运行性能的提升和参数优化奠定理论基础。1ORC 系统描述1.1系统循环示意图图 1(a)为太阳能余热驱动的混合工质 ORC系统循环示意图如所示。ORC 热源为导热油，其在太阳能集热器中被加热后送入蒸发器内，并在过程（1-3）中通过换热过程将导热油显热传递给混合工质，混合工质被加热成饱和蒸汽或过热蒸汽，然后进入透平内对外做功。系统冷源为冷却水，并在过程（10-12）中，冷却水通过换热过程将透平出口混合工质乏汽冷却为低温低压的饱和液体，最后在工质泵的作用下将混合工质重新送回到蒸发器内循环使用。图 1(b)为混合工质 ORC 系统的温熵（T-s）图。由图 1(b)可知，ORC 系统由 4 个热力过程组成：定压加热（5-7）、绝热膨胀（7-8）、定压冷却（8-4）和绝热压缩（4-5）。在定压加热过程（5-7）和定压冷却过程（8-4）中，考虑到混合工质在两相区换热时存在滑移温度的情况，采用混合工质在蒸发压力和冷凝压力下的饱和液体温度，即在状态点 6和状态点 4 处的温度作为混合工质的蒸发温度和冷凝温度。在绝热膨胀过程（7-8）中，8 点和 8 s 点分别是实际和等熵膨胀过程下透平出口工质状态，采用透平等熵效率计算实际过程中混合工质在 2 点处的状态参数；在绝热压缩过程（4-5）中，5点和 5 s 点分别是实际和等熵压缩过程下工质泵出口工质状态，采用工质泵等熵效率计算实际过程中混合工质在 5 点处的状态参数。考虑到工质过热度的增加会造成系统对外输出净功率的减小14，因此本系统中蒸发器出口工质状态设定为饱和蒸汽。蒸发器公质泵透平发电机冷凝器3157481012(a)系统循环示意图123678955s4111210Ts8s(b)温熵（T-s）图图 1ORC 系统原理图和温熵（T-s）图第2期张慧慧，冯军胜，王海涛：太阳能余热驱动的混合工质ORC系统性能研究351.2系统热力过程计算模型混合工质与导热油的热流率为Qe=mf(h7-h5)=m0(h1-h3)（1）式中，Qe为蒸发器内热流率，kW；mf为混合工质质量流率，kgs-1；m0为导热油质量流率，kgs-1；h为比焓，kJkg-1；下角标 i 为混合工质或导热油所在状态点。在过程（7-8）中，混合工质输出的膨胀功率为Wt=mf(h7-h8s)t（2）其中ex=h7-h8h7-h8s（3）式中，Wt为输出膨胀功率，kW；ex为透平效率。在过程（8-4）中，混合工质与冷源的热流率为Qc=mf(h8-h4)=mw(h12-h10)（4）式中，Qc为冷凝器内热流率，kW；mw为冷源质量流率，kgs-1。在过程（4-5）中，混合工质所需的压缩功率为Wp=mf(h5s-h4)/p（5）其中p=h5s-h4h5-h4（6）式中，Wp为所需压缩功率，kW；p为工质泵效率。根据能量守恒与转换定律，系统对外输出净功率、循环热效率、热源降和循环效率分别为Wnet=Wt-Wp（7）t=WnetQe100%=h7-h8+h4-h5h7-h5100%（8）Eg=mocp|T1-T3-T0lnT1T3（9）e=WnetEg100%（10）式中，Wnet为系统对外输出净功率，kW；t为循环热效率；Eg为蒸发器内热源降，kW；cp为热源比热容，kJ(kgK)-1；T0为大气温度，K；e为循环效率。1.3混合工质组成根据已有的研究结果15-18可知，有机工质的物性参数对 ORC 系统热力性能有重要影响。理想的 ORC 循环工质应具备如下特征19-21：（1）无毒或低毒、不易燃、不易爆炸等，化学稳定性和安全性较好；（2）良好的环保性，即消耗臭氧层潜值为零或近零，全球变暖潜值尽量低；（3）具有较小比热容，高气化潜热，热稳定性较好；（4）工质温熵图上饱和蒸汽线的斜率 dT/ds 应大于 0 或接近无穷大，即选择干工质或等熵工质为循环工质，防止工质在膨胀过程中进入湿蒸汽区，保证系统运行安全；（5）适宜的临界参数和标准沸点，保证透平出口工质乏汽可被冷源冷却；表 1工质的特征参数有机工质工质类型摩尔质量/(gmol-1)沸点/临界温度/临界压力/MPa消耗臭氧层潜值全球变暖潜值R245fa等熵134.0515.14154.053.6510950R601a干72.1527.83187.23.37807（6）价格低廉，易购买，经济性较好。由于工质 R245fa 和 R601a 具有良好的物性参数，同时符合以上理想工质的选择标准，并且已被广泛应用于不同形式的低温热源 ORC 系统中。因此，本文选取 R245fa 和 R601a 组成太阳能余热驱动的 ORC 系统混合工质，分析不同混合工质组分质量分数条件下 ORC 系统的热力性能。选取的纯工质及其物性参数17如表 1 所示。2结果与讨论本文以太阳能集热的导热油为热源，并采用物性查询软件 Refprop 9.0 和热力学计算软件和，对上述系统热力过程计算模型进行求解。另外，将混合工质中 R245fa 的质量分数（wR245fa）、工质蒸第40卷阜阳师范大学学报（自然科学版）36发温度和冷凝温度设定为系统热力性能的影响因素，研究系统对外输出净功率、循环热效率和效率的变化规律，同时与纯工质系统的热力性能进行对比分析。ORC 系统初始计算参数如表 2 所示。表 2初始计算参数设定值参数导热油质量流率/(kgs-1)导热油进口温度/工质泵等熵效率透平等熵效率蒸发器节点温差/冷凝器节点温差/环境温度/数值101600.80.85105202.1蒸发温度的影响在混合工质冷凝温度为 35 时，不同混合工质组分质量分数条件下工质蒸发温度对系统对外输出净功率、循环热效率和效率的影响如图 24所示。图 2 为系统对外输出净功率随工质蒸发温度的变化情况。由图 2 可知，当混合工质中 R245fa的质量分数一定时，随着工质蒸发温度增加，系统对外输出净功率先增加后减小。这是因为，工质蒸发温度的增加会造成工质质量流量的减小，但此时透平内单位工质流量的输出功率是增加的，这就使得系统单位流量对外输出净功率（h7-h8+h4-h5）也随之增加。由于工质流量和单位流量对外输出净功率（h7-h8+h4-h5）在工质蒸发温度增加过程中的变化幅度不一致，造成系统对外输出净功率呈现出先增加后减小的趋势。由图 2 还可得出，当工质蒸发温度一定时，混合工质中 R245fa 质量分数为 0.8 对应的系统对外输出净功率最大，其次是纯工质 R245fa，而混合工质中 R245fa 质量分数为 0.2 时，系统对外输出净功率最小。另外，不同混合工质组分质量分数的系统对外输出净功率最大值对应的工质蒸发温度也不一样，当混合工质中 R245fa 质量分数超过0.6（wR245fa 0.6）时，系统对外输出净功率最大值对应的工质蒸发温度为 100，而当混合工质中R245fa 质量分数小于 0.6（wR245fa 0.6）时，系统对外输出净功率最大值对应的工质蒸发温度为95。从以上结果可得出，相比于纯工质，采用混合工质可获得更大的系统对外输出净功率。230210190170150708090100110120130wR245fa=0.0wR245fa=0.2wR245fa=0.4wR245fa=0.6wR245fa=0.8wR245fa=1.0T6/CWnet/kw图 2蒸发温度对系统对外输出净功率的影响图 3 为系统循环热效率随工质蒸发温度的变化情况。由图 3 可知，当混合工质中 R245fa 的质量分数一定时，工质蒸发温度越高，系统循环热效率越大。这是因为，蒸发器出口工质比焓（h7）随工质蒸发温度增加而增大，导致透平内单位工质流量的输出功率（h7-h8）逐渐增加。由于透平内单位工质流量的输出功率（h7-h8）的增加幅度大于蒸发器内工质焓增（h7-h5）的增加幅度，根据式（8）可得出，系统循环热效率随着工质蒸发温度的增加出现逐渐增加的情况。由图 3 还可得出，当工质蒸发温度一定时，系统最大循环热效率对应的循环工质为纯工质R601a，其次是纯工质 R245fa，而混合工质中R245fa 质量分数为 0.4 时，系统循环热效率最小。工质蒸发温度每增加 5，纯工质 R601a 的系统循环热效率平均增加 0.6%，纯工质 R245fa的系统循环热效率平均增加 0.58%，而混合工质中 R245fa 质量分数为 0.4 对应的系统循环热效率平均增加 0.56%。从以上结果可得出，相比于混合工质，采用纯工质 R601a 可获得更大的系统循环热效率。161412108708090100110120130wR245fa=0.0wR245fa=0.2wR245fa=0.4wR245fa=0.6wR245fa=0.8wR245fa=1.0T6/Ct/%图 3蒸发温度对系统循环热效率的影响第2期张慧慧，冯军胜，王海涛：太阳能余热驱动的混合工质ORC系统性能研究37图 4 为系统循环效率随工质蒸发温度的变化情况。由图 4 可知，当混合工质中 R245fa 的质量分数一定时，系统循环效率随工质蒸发温度的增加而逐渐增加。这是由于工质蒸发温度的增加会造成热源出口温度的增加，导致热源流体进出口降 Eg逐渐减小。在工质蒸发温度较大时，由于系统对外输出净功率的减小幅度要小于热源流体进出口降 Eg的减小幅度，且二者变化幅度之间的差值越来越小，导致系统循环效率随着工质蒸发温度的增加出现增加幅度逐渐减小的情况。由图 4 还可得出，当工质蒸发温度一定时，纯工质 R245fa 的系统循环效率最大，其次是混合工质中 R245fa 质量分数为 0.8，而混合工质中R245fa 质量分数为 0.2 和 0.4 对应的系统循环效率相对较小。从以上结果可得出，相比于混合工质，采用纯工质 R245fa 可获得更大的系统循环效率。53474135708090100110120130wR245fa=0.0wR245fa=0.2wR245fa=0.4wR245fa=0.6wR245fa=0.8wR245fa=1.0T6/Ce/%图 4蒸发温度对系统循环效率的影响2.2冷凝温度的影响在混合工质蒸发温度为 100时，不同混合工质组分质量分数条件下工质冷凝温度对系统对外输出净功率、循环热效率和效率的影响如图 57 所示。图 5 为系统对外输出净功率随工质冷凝温度的变化情况。由图 5 可知，当混合工质中 R245fa的质量分数一定时，系统对外输出净功率随工质冷凝温度的增加逐渐减小。这是因为，当工质蒸发温度不变时，工质冷凝温度的增加对工质流量没有影响，但会造成透平出口工质比焓（h8）的增加，这会使得系统单位流量对外输出净功率（h7-h8+h4-h5）减小，进而导致系统对外输出净功率出现逐渐减小的情况。由图 5 还可得出，工质冷凝温度每增加 1，混合工质中 R245fa 质量分数为 0.8 对应的系统对外输出净功率平均减小 4.41 kW，纯工质 R245fa的系统对外输出净功率平均减小 4.37 kW，而混合工质中 R245fa 质量分数为 0.2 对应的系统对外输出净功率平均减小 3.97 kW。从以上结果可得出，在工质冷凝温度变化范围内，采用纯工质的系统对外输出净功率减小幅度相对较大。260240220200180303234363840wR245fa=0.0wR245fa=0.2wR245fa=0.4wR245fa=0.6wR245fa=0.8wR245fa=1.0T4/CWnet/kw图 5冷凝温度对系统对外输出净功率的影响图 6 为系统循环热效率随工质冷凝温度的变化情况。由图 6 可知，当混合工质中 R245fa 的质量分数一定时，系统循环热效率随工质冷凝温度的增加而减小。这是由于，工质冷凝温度越高，蒸发器进口工质比焓（h5）也越大，造成透平出口工质比焓（h8）会随之变大，导致蒸发器内工质焓增（h7-h5）和系统单位流量对外输出净功率（h7-h8+h4-h5）逐渐减小。由于系统单位流量对外输出净功率（h7-h8+h4-h5）的减小幅度大于蒸发器内工质焓增（h7-h5）的减小幅度，根据式（8）可得出，系统循环热效率随着工质冷凝温度的增加会出现逐渐减小的情况。13.012.512.010.5303234363840wR245fa=0.0wR245fa=0.2wR245fa=0.4wR245fa=0.6wR245fa=0.8wR245fa=1.0T4/Ct/%11.511.0图 6冷凝温度对系统循环热效率的影响第40卷阜阳师范大学学报（自然科学版）38由图 6 还可得出，工质冷凝温度每增加 1，纯 工 质 R601a 的 系 统 循 环 热 效 率 平 均 减 小0.166%，纯工质 R245fa 的系统循环热效率平均增加 0.165%，而混合工质中 R245fa 质量分数为 0.4对应的系统循环热效率平均增加 0.164%。从以上结果可得出，相比于混合工质，采用纯工质可获得较大的系统循环热效率，但随着工质冷凝温度的增加，采用纯工质的系统循环热效率的减小幅度也较大。图 7 为系统循环效率随工质冷凝温度的变化情况。由图 7 可知，当混合工质中 R245fa 的质量分数一定时，系统循环效率随工质冷凝温度的增加而逐渐减小。这是因为，工质冷凝温度的增加会造成系统对外输出净功率的减小，热源流体进出口降 Eg也随之减小。由于系统对外输出净功率的减小幅度要大于热源流体进出口降Eg的减小幅度，导致系统循环效率逐渐减小。53504741303234363840wR245fa=0.0wR245fa=0.2wR245fa=0.4wR245fa=0.6wR245fa=0.8wR245fa=1.0T4/Ce/%44图 7 冷凝温度对系统循环效率的影响由图 7 还可得出，工质冷凝温度每增加 1，纯工质 R245fa 的系统循环效率平均减小0.77%，混合工质中 R245fa 质量分数为 0.8 的系统循环效率平均减小 0.77%，而混合工质中R245fa 质量分数为 0.2 和 0.4 对应的系统循环效率平均分别减小 0.73%和 0.74%。3小结（1）当混合工质中 R245fa 的质量分数一定时，系统对外输出净功率随工质蒸发温度增加先增加后减小，而随工质冷凝温度增加逐渐减小。当工质蒸发温度和冷凝温度一定时，混合工质中R245fa 质量分数为 0.8 对应的系统对外输出净功率最大，而混合工质中 R245fa 质量分数为 0.2 时，系统对外输出净功率最小。混合工质中 R245fa的质量分数越大，系统对外输出净功率最大值对应的工质蒸发温度也越大。（2）系统循环热效率和效率随工质蒸发温度增加逐渐增加，而随工质冷凝温度增加逐渐减小。相比于混合工质，采用纯工质 R601a 可获得更大的系统循环热效率，而采用纯工质 R245fa 可获得更大的系统循环效率。（3）采用 ORC 能够有效回收太阳能余热，为中低温余热资源的高效回收利用指明了方向。此外，本研究成果可为太阳能余热 ORC 系统的参数优化和设计运行提供理论支持和数据参考。参考文献：1黄震，谢晓敏，张庭婷.“双碳”背景下我国中长期能源需求预测与转型路径研究J.中国工程科学，2022，24(6)：8-18.2黄惠兰，陈强，李刚.低品位能源发电系统研究进展J.热力发电，2015，44(8)：8-13.3GOMAA M R,MUSTAFA R J,AL-DHAIFALLAHM,et al.Alow-grade heat Organic Rankine Cycle driv-en by hybrid solar collectors and a waste heat recoverysystemJ.Energy Reports,2020,6(11):3425-3445.4朱杰人，曹先常，陈志良，等.低品位热能有机朗肯循环发电技术进展J.低温与超导，2021，49(1)：73-80.5王丽，张硕，范伟.中低温热源近共沸工质有机朗肯循环热力性能分析J.当代化工，2021，50(8)：1806-1809+1866.6朱轶林，李惟毅，孙冠中，等.船舶烟气余热驱动有机朗肯循环的系统性能分析J.化工进展，2016，35(12)：3858-3865.7王建永，王江峰，王红阳，等.有机朗肯循环地热发电系统工质选择J.工程热物理学报，2017，38(1)：13-19.8王瑞祥，沈阳，陈启超，等.不同太阳能利用区有机朗肯循环工质的选择J.热科学与技术，2018，17(3)：211-218.9ZINSALO J M,LAMARCHE L,RAYMOND J.Per-formance analysis and working fluid selection of an or-ganic Rankine cycle power plant coupled to an en-hanced geothermal systemJ.Energy,2022,245(4):123259.10LONI R,NAJAFI G,BELLOS E,et al.A review of in-dustrial waste heat recovery system for power genera-tion with organic Rankine Cycle:Recent challengesand future outlookJ.Journal of Cleaner Production,2021,287(3):125070.11赵国昌，王永，Scott Thompson，等.太阳能再热式有机朗肯循环发电系统性能研究J.农业机械学报，第2期张慧慧，冯军胜，王海涛：太阳能余热驱动的混合工质ORC系统性能研究392016，47(2)：215-221.12黄喜军，胥建群，张方，等.太阳能超临界有机朗肯循环系统的性能研究J.太阳能学报，2017，38(11)：3091-3098.13林达，顾丹青，周宇昊，等.太阳能有机朗肯循环系统技术经济性分析J.浙江电力，2022，41(4)：14-19.14FENG J S,GAO G T,DABWAN Y N,et al.Thermalperformance evaluation of subcritical organic Rankinecycle for waste heat recovery from sinter annular cool-er.Journal of Iron and Steel Research International,2020,27(1):248-258.15李惟毅，高静，李子申，等.基于经济性和循环效率的有机朗肯循环工质优选J.化工进展，2016，36(2)：369-375.16XU H,GAO N P,ZHU T.Investigation on the fluid se-lection and evaporation parametric optimization forsub-and supercritical organic Rankine cycleJ.Ener-gy,2016,96(2):59-68.17袁智威，杨中宇，史向彤.针对不同工业余热温度的有机朗肯循环工质优选J.热能动力工程，2019，34(1)：68-73.18WANG S K,LIU C,LI Q B,et al.Selection principleof working fluid for organic Rankine cycle based onenvironmental benefits and economic performanceJ.Applied Thermal Engineering,2020,178(9):115598.19BAO J J,ZHAO L.A review of working fluid and ex-pander selections for organic Rankine cycleJ.Renew-able and Sustainable Energy Reviews,2013,24(8):325-342.20YADAV K,SIRCAR A.Selection of working fluid forlow enthalpy heat source Organic Rankine Cycle inDholera,Gujarat,IndiaJ.Case Studies in ThermalEngineering,2019,16(12):100553.21WANG E H,ZHANG M R,MENG F X,et al.Zeo-tropic working fluid selection for an organic Rankinecycle bottoming with a marine engineJ.Energy,2022,243(3):123097.