有机朗肯循环实验

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1、实验名称：有机朗肯循环：废热余热利用关于有机朗肯循环系统性能测 试实验动力工程学院本科生创新实验报告题目 有机朗肯循环：废热余热利用关于有机朗肯循环系统性能测试实验学号:2009XXXX班级：热能与动力工班姓名：XX教 师: XXX动力工程学院中心实验室2013年1月1. 实验成绩按照百分制给出。2. 教师评定成绩根据实际情况时要有区分度。3. 本页由指导教师填写。报告内容1. 实验背景能源是推动人类社会发展的动力，随着煤炭、石油、天然气等化石能源消耗量 的不断攀升，以及能源消耗带来的环境负担（如二氧化碳排放、酸雨等），能源和 环境问题已成为全世界共同关注的重大问题。能源利用形式不仅要讲究环境

2、友好 型，而且能源利用效率也要讲究高效型。经过人类的不断研究，高温热源利用技 术已经相对成熟，为了更好地缓解能源压力，人类开始对新能源进行探索，同时 也开始对低品位能源利用技术进行研究。因此，各种能源利用形式开始出现：太 阳能、风能、潮汐能、地热能、生物质能、工业废热等。因此，对低品位能源（如工业废热）形式的利用，人类开始有机朗肯循环技术 进行探索。本实验对于有机朗肯循环系统利用废热进行了简单介绍及其性能进行 实验研究。2. 研究进展有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle,ORC）是以有机物代替水作为工质，回收 低品位热能的朗肯动力循环。有机物朗肯循环的研究最早始于1924

3、年，有人以二 苯醚作为 ORC 工作介质进行了研究。1966 年有学者撰文指出可应用有机 朗肯循 环回收低品位的热能 ，一时之间以氟利昂为工质回收低品位热能的朗肯循环引起 了各国 学者的广泛关注。Curran H M J, Badr O J, Giampaolo G等人在有机朗肯 循环的设计、运行 及工质选择等方面开展了较深入的研究工作。我国自 20 世纪 80 年代开始对有机朗肯循环进行研究，分析了有机朗肯循环的热力系统及效率， 论证了有机朗肯循环中工质的选择与循环参数的确定及对八种常用的氟里昂的动 力粘度在100450K范围内求出拟合公式。1997-2001 年期间台湾义守大学 Hung

4、T C 等人进行了深入的研究，采用苯、 甲苯、对二甲苯、R113和R123等五种工质的有机朗肯循环分析表明：采用对二 甲苯工质的循环热效率最高，而以苯为工质的热效率最低。2001年意大利巴里理工大学Maizza等人报道了 11种常见的氟利昂类单质及9 种混合制冷剂的热物理性质，并在蒸发温度为80110C，冷凝温度为3560C 时，对它们在有机朗肯循环系统中的效率进行计算，计算结果显示单质中 R123、 R12g，混合物中R401C效率最优。2007年波兰学者BorsukiewiczGozdur等人对地热水温在35110C的地热有 机朗肯循环机组也进行了研究，得出以下结论：当工质的临界温度与最高

5、水温接 近时，使用该工质的系统效率较高；使用丙烯和R245fa作为工质时系统效率较高， 在水温为100C时分别为14. 6%和14. 1%。2003年，在一篇以HFC-245fa为工质的有机朗肯循环发电系统的优势中， 美国学者GARY J.Z.等人通过研究认为，当废热的温度在150200C时HFC-245fa 的性能要优于 R123。2004年台湾工业技术研究院Bo-Tau Liu等人发表了对于有机朗肯循环工质的 认识，认为在分子中存在氢键的流体都不适合作为有机朗肯循环的工质,如水、氨 和乙醇等湿流体。2007 年，意大利布雷西亚大学 Invernizz C 等人对回热式微型涡轮机采用有机 朗

6、肯循环进行了研究。利用质量流量为1 kg/s，温度为300C的废热，100 kW的 微型涡轮机中采用多甲基硅氧烷作为工质可以多产生 45 kW 的电能，将效率从 30增加至 40。3. 应用范围有机朗肯循环可用于回收各种类型的中低品位热能用于发电，从应用上看，有 机朗肯循环可应用于生物质能发电，地热发电，工业废热发电，LNG冷能发电。在生物质能利用中，生物质能驱动有机朗肯循环与一般低品位热源不同之 处在于，与有机工质换热的热油温度高达 600 K 以上。奥地利学者 Ingwald Obernberger在2002年报道了奥地利蒂罗尔州利用生物质能驱动有机朗肯循环产生 热电的机组系统。该机组电容

7、量为1 MW,热容量为4. 4 MW,循环最高温度为 300 C，有机朗肯循环工质米用硅油。在地热利用中，热源的温度范围一般从几十摄氏度到三百摄氏度，可分为高温 (220 C)、中温(100220 C)、低温(70100 C)三类。其中以中低温最为常见。 世界上很多国家都把地热发电投入了实际应用。日本北海道浊川地热田和九州大 岳地热田，在1978年即有1 MW发电容量，采用双工质有机朗肯循环发系统，前 者使用R114(c C1 F )为工质，而后者则使用异丁烷。德国、奥地利也分别在2000 年前后建成地热有机朗肯循环系统，装机容量分别为1 MW和0. 1 MW。它们使 用同一种工质全氟正戊烷

8、。在工业余热利用中，水泥工业的余热总量非常巨大，具有极佳的回收前景。Baatz 等和 Legmann 等介绍了位于 Lengfurt 的 Heidelberger Zement AG Plant 的 1500kW有机物朗肯循环电站，该电站回收水泥工业中排放的300C的余热，是最 早的用于水泥工业的有机物朗肯循环电站。该电站每年可减少二氧化碳排放7600t， 每年的减排量占到整个工厂因电力而产生的二氧化碳排放量的 29.1%，输出的电力 预计可以达到整个水泥厂 12%的电力消耗。有机朗肯循环另一个重要的应用领域是利用LNG冷能发电，它以LNG的冷能 作为冷源，以普遍存在的低品位能(地热能、太阳能

9、、工业余热)作为热源。这种在低温下运行的有机朗肯循环与直接膨胀法结合，可充分回收利用 LNG 的冷量 火用和压力火用，可以大大提高冷能回收率。目前，利用低温朗肯循环回收 LNG 冷能主要采用丙烷、乙烯或它们的混合物。4. 工作原理 有机朗肯循环原理类似于水蒸气朗肯循环，理想朗肯循环过程如图4-1和图4-2 所示的绝热膨胀（1-2）、定压冷却（2-3）、绝热加压（3-4）以及定压加热（4-1） 四个过程，对应的有机物朗肯循环的四个主要设备为如图 4-1所示的膨胀机、冷凝 器、工质泵和蒸发器。有机朗肯循环的具体过程如下：绝热膨胀（1-2）：来自蒸发器的高温高压的有机物蒸汽在膨胀机中绝热膨胀， 从而

10、实现对外做功的过程。理想的膨胀机过程为绝热等熵膨胀，此时，膨胀机的 绝热效率为 1；而实际的膨胀机，由于存在着摩擦、泄漏、漏热等不可逆损失，其 绝热膨胀过程通常是不可逆的熵增过程，其绝热效率小于 1。膨胀机的绝热效率可 以通过下式进行计算：h -h4.1)4.2)耳 =12Tur h -h12sh 为工质的焓值。而膨胀机对外做的功，则可以由下式进行计算：W 二 m (h 一 h )Tur W 12m 为工质质量流量。 W 工质泵蒸发器图4-1有机朗肯循环原理图定压冷却（2-3）：经过膨胀机膨胀之后的较低温度较低压力的有机物蒸汽，在 冷凝器中冷却成过冷液体，同时将热量排到冷却流体中。通常这个过程

11、包括预冷、冷凝和过冷三个阶段。冷凝器中的冷却过程，可以由下式进行计算：Q = m （h -h ） = m （h -h ）（43）con W 23L Lb La（4.3）m为冷却工质的质量流量，对应的h为其焓值。L绝热加压（3-4）：经过冷凝器冷却之后的过冷的有机工质液体，在工质泵中被绝热加压至高压液体，以进入蒸发器进行加热。在考虑泵的效率之后，泵的耗功可以由下式进行计算：WPump(P - P ) m43w耳 PPump4.4 )P 为压力，P为工质密度。泵出口的焓值可以由下式进行计算:4.5 )h = h + W/m43 P u mp W定压加热（4-1）：高压的有机物工质液体，在蒸发器中被

12、加热，经历了预热、 沸腾和过热三个过程后，产生的过热蒸汽进入膨胀机做功。这个过程通常被认为 是有机朗肯循环不可逆损失最大的过程，主要是由于工质在沸腾过程中通常是等 温的，从而导致换热温差较大，带来内部不可逆损失；同时由于换热不充分，热 源经过换热之后仍有一定量的可用能，直接排放到环境，导致外部不可逆损失。这个过程可以由以下的方程进行描述：Q 二 m (h h )二 m (h h )(4.6)eva W 14 H Ha Hb综合上述四个过程，根据式(4.1)-(4.6)有机朗肯循环的热效率为：h h W m12Pump W4.7)W WTurPump图4-2有机朗肯循环温熵图有机朗肯循环系统在于

13、对废热利用，故除了定义了有机朗肯循环的热效率外 还定义系统评价指标为热回收率H , e( 4.8 )Q 为热源排放到环境中的 H,e耳 = h Q + Q evpW 为系统的有用功，即膨胀功减去泵功 热量。5. 实验装置 有机朗肯循环系统的实验装置的主要装置包括：蒸发器、膨胀机、冷凝器、冷 却器、储液罐、泵、热水器、热水泵、发电机以及相关的阀门和测试装置。系统 工质为R600a,采用热水作为热源，温度为80C-100C，采用水冷方式，冷源则 来自城市生活用水。系统的管道连接如图5-1所示。该系统以15kW电热水器加热的热水模拟为低 品位热能热源，通过热水泵将热水通入蒸发器来加热有机物工质。被加

14、热后的 高温高压有机物蒸汽通入膨胀机进行做功。发电机输出电功率通过三角形连接方 式与负载相连，负载为 6 个白炽灯。在膨胀机侧设置旁通阀，以用于旁通进入膨 胀机的过多蒸汽。经膨胀机后的蒸汽进入冷凝器和冷却器进行冷凝，冷却的冷源 为自来水。经过冷凝之后的有机物工质液体回流至储液罐中进行收集，储液罐的 作用是储存液体并对系统起到缓冲稳定作用。储液罐上设置加液阀门，用于给整 个系统加注有机物工质。储液罐出口与工质泵相连接。系统的主要能量输入为工质泵、热水泵的电功率，以及电热水器消耗的电功率 工质泵需要将工质加压至较高压力，因而消耗的功率较大；而热水泵仅需克服管 道阻力，消耗功率较小。电热水器是为系统

15、提供热源。系统的测试装置主要包括图 5-1 实验装置6. 实验操作过程由于本实验中采用 R600a 作为工质，存在着易燃易爆的问题，因此，实验系统 所处环境需保证通风良好，并且严禁烟火。在完成上述的准备工作后，即可开始 对系统的开机运行，其基本过程如下：(a) 打开控制总电源，再打开仪表电源，记录各个测量点温度、压力的初始值;(b) 打开冷却水阀门，对系统进行冷却；(c) 确认电热水器水位，若水箱水量不足，则利用管道加水。然后对电热水器通 电，对热水进行加热，直至加热至需要的热源温度；(d) 打开ORC系统主管道阀门；(e) 开热水泵，观察热源在蒸发器入口的温度，直至其达到要求的热源温度；打开变频器电源，设定需要的工质泵频率，开工质泵电源，系统开始运行；(g) 系统运行稳定后，记录各个读数；(h) 调节系统设定值至另外一个参数，待系统稳定后再进行读数，直至达到测试 目标。完成实验测定之后，需要对系统进行关机，其过程与开机操作相反，具体如下：(i) 关闭工质泵，然后关闭变频器电源；(j) 切断热水泵电源；(k) 关闭电热水器电源，使其自然冷却；切断各仪表电源，然后关闭控制柜电源；(m)使用冷却