第４７卷第３期 ２０１４年３月 天津大学学报（自然科学与工程技术版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ） Ｖ＿０１．４７ ＮＯ．３ Ｍａｒ．２０１４
基于炯分析的内燃机排气余热ＯＲＣ混合工质性能分析
舒歌群，高媛媛，田 华
（天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津３０００７２）
摘要：使用非共沸混合工质可以降低ＯＲＣ系统的不可逆损失．为此，建立了内燃机排气余热ＯＲＣ模型，分析了
不同组分非共沸混合工质ｔｏｌｕｅｎｅ／Ｒ１４１ｂ在不同蒸发温度和冷凝温度下的热效率、炯效率和炯损失．分析结果表
明：混合＿Ｙ－质的效率均低于纯工质；纯ｔｏｌｕｅｎｅ的热效率和炯效率最高．使用混合工质，一方面可以拓宽工质选择
范围；另一方面，由于温度滑移，混合工质可以更好地与热源匹配，减小不可逆损失．
关键词：有机朗肯循环；混合Ｔ质；炯分析
中图分类号：ＴＫ４２１ 文献标志码：Ａ 文章编号：０４９３—２１３７（２０１４）０３．０２１８－０６
Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｍｉｘｔｕｒｅｓ Ｕｓｅｄ ｉｎ ＯＲＣ ｆｏｒ Ｅｎｇｉｎｅ Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ
Ｗａｓｔｅ Ｈｅａｔ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｅｘｅｒｇｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ
Ｓｈｕ Ｇｅｑｕｎ，Ｇａｏ Ｙｕａｎｙｕａｎ，Ｔｉａｎ Ｈｕａ （Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆＥｎｇｉｎｅｓ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３０００７２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｚｅｏｔｒｏｐｉｃ ｍｉｘｔｕｒｅｓ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｅｘｅｒｇｙ ｌｏｓｓ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍ—
ｂｉｎｅｄ ＩＣＥ・ＯＲＣ ｗａｓｔｅ ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｉｎｇ ｚｅｏｔｒｏｐｉｃ ｍｉｘｔｕｒｅｓ．Ｔｏｌｕｅｎｅ，Ｒ１４１ｂ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍａｓｓ ｆｒａｃ－ ｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｃｈｏｓｅｎ．Ｔｈｅｒｍａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｅｘｅｒｇｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｅｘｅｒｇｙ ｌｏｓｓ ｏｆ ｍｉｘｔｕｒｅｓ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
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有机朗肯循环余热发电系统性能研究及优化
作者：杨阳
来源：《科学导报·科学工程与电力》2019年第26期
【摘 要】有机朗肯循环（ORC）是目前比较公认的一项能高效回收中低温余热的重要技术，国内外学者对此进行了大量的研究。本文笔者结合前人的研究成果及自身经验分析有机朗肯循环余热发电系统性能及优化参考的内容，仅供参考。
【关键词】有机朗肯循环；余热发电系统；性能；优化
1有机朗肯循环余热发电系统
有机朗肯循环发电系统正常工作时，余热介质首先通过蒸发器将有机工质加热成高温高压的饱和蒸汽或过热蒸汽，然后高压的蒸汽进入膨胀机膨胀并且驱动膨胀机做功带动发电机发电，膨胀后的蒸汽进入冷凝器冷却降温至液态，最后工质泵将液态有机工质送回蒸发器进行再次加热。ORC系统组成：（1）蒸发器。蒸发器在循环系统中的作用是能量传递，是整个有机朗肯循环系统热量传递的最关键设备，它的传热效率直接影响到整个系统的发电效率。因此在有机朗肯循环运行过程中，蒸发器造成的不可逆性损失是所有部件中占比最大的部件。（2）膨胀机。膨胀机的作用是压缩经过蒸发器蒸发的高温高压气体，使热能转变为机械能从而膨胀带动发电机做功。因此，膨胀机同样是ORC系统中关键部件之一，最为直接的影响着整个系统的效率。膨胀机分为速度型和容积型两种。（3）冷凝器。与蒸发器的工作原理刚好相反，主要是將从膨胀机排出的气体冷凝为过冷液体，内部结构包括过热区、两相区和过冷区。冷凝器和蒸发器同样是有机朗肯循环系统中的关键换热部件。（4）工质泵。工质泵的作用是使有机工质在细长的管道内流动的同时达到一个设置的流速从而来提高自身的压力。工质泵很容易被气体或是液体腐蚀从而导致了系统效率降低。
2ORC系统性能分析及参数优化
2.1热力性能分析
由于受到蒸发器窄点温差的约束，各工质对应系统的蒸发温度随着排烟温度的升高而增大。在相同排烟温度条件下，采用R600a、R236ea的系统蒸发温度高于其他工质，R245fa、R600对应系统的蒸发温度相对较高，R123与湿工质R161、R152a对应系统的蒸发温度相对较低且较为接近。图1反映了采用各工质系统的工质流量随排烟温度的变化情况，由图可知，工质流量随排烟温度的升高而减小，这是因为当蒸发器入口热源温度不变时，根据热平衡方程，系统总吸热量随着排烟温度的升高而减小，满足此时热负荷所需的工质流量下降。在相同排烟温度下，工质间的物性差异导致各工质对应系统的工质流量存在差异，所有系统中烷烃类干工质R600a、R600与湿工质的流量明显小于其他干工质，变化幅度也相对较小，R236ea对应系统的流量较大且随排烟温度的变化幅度较大。图2反映了各工质对应系统膨胀机比焓降随排烟龙源期刊网
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2016年第35卷第12期 ·3858· 化 工 进 展
船舶烟气余热驱动有机朗肯循环的系统性能分析 朱轶林1，李惟毅1，孙冠中2，唐强3，高静1，曹春辉1
（1中低温热能高效利用教育部重点实验室（天津大学），天津 300350；2区域能源系统优化教育部重点实验室
（华北电力大学），北京 102206；3低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室（重庆大学），重庆 400030）
摘要：利用设计的有机朗肯循环系统回收船舶柴油机的排气能量，考虑冷却水循环，分析了蒸发温度、膨胀比
对系统性能的影响。定义经济性函数为系统所需总换热面积和净输出功的比值，而综合评价函数为经济性目标
函数和㶲效率的加权和，以不同的优化目标函数，确定了适用于有机朗肯循环系统的最佳冷凝温度。研究结果表明，在一定膨胀比下，热效率随着蒸发温度的升高先增大再减小，存在最佳蒸发温度；优化目标函数不同，
系统存在不同的最佳冷凝温度，以综合评价函数为优化目标，可确定较优的最佳冷凝温度；以R245fa为工质时，
最佳蒸发温度为390K，最佳冷凝温度为316K，膨胀比为6.6，热效率可以达到12%；工质的选择对系统性能有
很大影响，不同评价指标下系统的性能分析也不同。
关键词：有机朗肯循环；余热回收；经济性能；效率；参数优化
中图分类号：TK 12 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2016）12–3858–08
DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.12.018 Performance analysis for waste heat recovery system of ship diesel engine
based on organic Rankine cycle
ZHU Yilin1，LI Weiyi1，SUN Guanzhong2，TANG Qiang3，GAO Jing1，CAO Chunhui1
Ｔｈｅｓｉｓ ｗｏｒｌｄ Ｉ论文天地
・获奖论文选登・
图２ ＯＲＣ系统热力过程温熵图
如图２所示，ＯＲＣ系统的热力循环由４个热力过
程组成。
（１）蒸发过程４—１。
有机工质在蒸发器中吸热后发生相变变成气态，
吸收的热量： ｑ４１： ｉ－ｈ （１）
（２）膨帐过程１—２。
有机工质在膨胀机中从高压膨胀到低压，实际输
出的膨胀功： ｗ ＝ｈ 一＾。 （２）
若膨胀过程为等熵膨胀，则膨胀过程为虚线，等
熵膨胀功： ｗ ＝ 广ｈ： （３）
（３）冷凝过程２－３。
有机工质在冷凝器中与冷却水（或其他冷却介质）
换热，被冷凝成液态，对外释放的热量：
ｑ２３＝ｈ２－／－／３ （４ｊ
（４）增压过程３—４。
通过工质泵对液态有机工质进行增压，工质泵的
功耗： ｗ３４：血４－ｈ ３ （５）
系统实际热效率的定义为输出的有用功与总投入
热量的比值，其表达式：
： 二 ：！垒二 ２二ｆ 二 ２ （６） ～ ｑ４ｌ 一ｈ４
由于实际的膨胀过程存在能量损失，输出功会比
理论过程的输出功少，因此，对于膨帐机存在一个等
熵效率，其表达式为： ｗ 一 （７）１２ ｈ ｒＬａ
二、ＯＲＣ系统用于船用柴油机烟气余热回收
目前利用Ｏｔ＜Ｃ原理回收烟气余热的系统形式分
为３种：以水为工质的ＯＲＣ循环系统、ＯＲＣ（以有
机物如Ｒ１３４ａ、Ｒ２４５ｆａ、丁烷等为工质）单循环系统
和ＯＲＣ双循环系统。
传统上，对于烟气余热回收都是以水为工质，利
用烟气加热水得到水蒸汽，然后利用水蒸汽驱动汽轮
机发电或做功。这种形式要求烟气量大，水的气化通
过烟气余热锅炉来实现。但是烟气余热锅炉换热效率
５４ 中国设备工程２０１５．０．５ 比较低，结构复杂，且膨胀后的水蒸汽处于负压状态，
需使用抽负压的凝气系统来冷凝水蒸汽，整个系统体
积非常大，在船舶上使用受到很大限制。为了解决这
些难题，有机工质ＯＲＣ循环逐渐受到重视。
若选用有机工质，直接利用烟气加热有机工质，
