低温余热驱动的无泵有机朗肯循环瞬时稳态发电性能

低温余热驱动的无泵有机朗肯循环瞬时稳态发电性能
路会同，江龙，王丽伟，王如竹
（上海交通大学制冷与低温工程研究所，动力机械与工程教育部重点实验室，
上海 200240）
摘要
建立了一套低温热源驱动的小型无泵有机朗肯循环系统，研究无泵有机朗肯循环回收利用余热发电的性能。该系统中热水温度为75～95，冷却水温度为25，选择制冷剂R245fa作为系统工质，选择涡旋膨胀机将热能转换为机械能，并通过发电机进行发电。实验结果表明当热水进口温度为95时，最大瞬时发电功率为232 W，并可以在250 s的时间内保持稳定在230 W左右，总的发电持续时间为380 s。随着热源水温度下降，功率输出减小，但发电持续时间增加。系统稳定发电平均效率最大为3.92%，此时热源水温度为95，最低为3.02%，此时热源水温度为85。
引 言
世界能源急剧消耗，使得低品位热源的回收利用受到越来越多的重视。由于结构简单，可靠性高，维护成本低等优点，有机朗肯循环为低品位余热利用提供了一种可行的方法。有机朗肯循环实质为克劳修斯循环，系统采用有机工质，所需热源温度也相对较低，因此可以利用各种形式的低温余热资源来发电，包括生物质热能、发动机余热、太阳能、工业余热和地热能等。
传统有机朗肯循环主要由蒸发器、冷凝器、膨胀机及工质泵组成。目前，研究提高有机朗肯循环效率的两个主要方向是工质的选择以及系统部件的优化。在工质选择上，除考虑工质具有良好循环性能和环保性能外，其稳定性、腐蚀性、泄漏性、毒性及可燃性都是工质选择需要考虑的内容。刘杰等的研究表明，在低温热源情况下，考虑制冷剂性质以及环保等因素情况下，R245fa和R123具有较好的热力学性能。对于部件优化，除对于换热的设计研究之外，作为ORC系统中的功转换部件，膨胀机的选择与优化对系统效率影响很大。在有机朗肯循环中，膨胀机类型有涡旋膨胀机、径向涡轮膨胀机以及单螺杆膨胀机等。其中涡旋膨胀机运转平稳，动力性能优良，并且在气体膨胀比相同的情况下比活塞式膨胀机所需尺寸更小，因此广泛应用于ORC系统中。
传统有机朗肯循环中主要的耗能部件为工质泵，在计算系统效率时，工质泵耗能影响很大，因此对于工质泵的优化与改进主要集中在工质泵效率的提升上。但是对于小型有机朗肯循环系统，系统发电功率较小，系统效