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1、第32卷第5期太阳能学报Vol132,No152011年5月ACTAENERGIAESOLARISSINICAMay,2011文章编号:0254-0096(2011)05-0662-07余热利用有机物朗肯循环最佳热回收效率分析顾伟,翁一武,王玉璋,孙绍芹(上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240)摘要:首先通过分析余热回收动力循环的不可逆损失,得到循环的理想效率。其次,通过分析发现热回收效率随蒸发压力变化存在最佳值,并且最佳热回收效率与最小熵增率是等价的。然后,通过研究两种简化的余热利用动力模型,应用有限时间热力学的相关
2、方法,指出最大热回收效率产生的原因。再次,研究了余热变化时系统最佳工况的变化。结果发现最佳蒸发压力随余热流量、入口温度增加而显著增加,而与余热组分关系不大。最后,研究了工质对系统最佳工况的影响,发现较高临界温度的工质,最佳蒸发压力较低。关键词:余热利用;有机物朗肯循环;热回收效率;最佳中图分类号:TK212文献标识码:A[6][8]究主要是针对有机物朗肯循环蒸发器和膨胀机0引言的研究。对有机物朗肯循环应用的研究主要是将工业生产和自然界中存在大量中低品位热能,[9]ORC应用于太阳能热电,地热发电及工业废热发如水泥厂、造纸厂工艺过
3、程中的废热,内燃机、小型电[10]等。燃气轮机或燃料电池排气废热以及太阳能热,地热不同于大型电站发电系统,本文研究的热回收等。这些中低品位热能,温度一般在80~230e之发电系统,其余热介质进入系统的高温换热器之后,间,如果不加以利用,则会造成较大浪费。采用有机由于热传递,温度沿着余热介质流动方向逐渐降低。物朗肯循环(OrganicRankineCycle,ORC)回收上述热而大型电站发电系统,在整个锅炉换热过程中,热源能进行发电,是一个有效且环保的方法。有机物朗可认为是定温的。由于高温换热器排热直接排放到肯循环是以有机物作为工
4、作介质的朗肯循环系统。环境中不被利用,热回收效率能更准确地描述该系之所以不采用水作为工质,是由于水在回收上述中统的性能。对这样的模型已有一些基础的研究,低品位废热时存在局限性(主要是蒸发压力低、过热[11]Bejan研究了一个简化的余热利用模型,并指出对度小、冷凝压力低),从而整体效率不高。而有机物于这样的模型熵增最小与输出功率最大是等价的。朗肯循环不存在上述局限,并且具有系统简单、效率[12]Vargas等研究了余热利用蒸汽朗肯循环,并指出高等优点。余热流量与工质流量比存在一个最佳值,在此最佳国内外对有机物朗肯循环的研究主要从
5、循环本值下循环火用效率最大。身热力性能的分析、部件对系统性能的影响以及本文研究的有机物朗肯循环模型,其热源温度ORC应用等方面展开。在ORC循环热力性能方面,随热交换逐渐降低。由于热回收效率比循环效率更[1]Hung等系统地研究了工作参数、工质等对循环效准确地反应了系统从废热中得到了多少有用功,因率的影响。并比较了不同干工质下有机物朗肯循环此本文的分析都是基于热回收效率而非循环效率。的效率和不可逆损失,指出余热锅炉(或本文所指蒸首先,本文对余热利用动力循环的理想效率进行了[2]发器)是系统不可逆损失的主要来源。国内也对分析,并分
6、析了最理想情况下的热回收效率。其次,[3][4]有机物朗肯循环的整体性能、不可逆损失以及通过对有机物朗肯循环模型的分析,发现当蒸发压[5]工质的选择等方面进行了研究。对系统部件的研力为某个最佳值时,系统热回收效率达到最大值。收稿日期:2009-05-20基金项目:国家自然科学基金(90610019);上海市国际合作基金(06DZ07006)通讯作者:顾伟(1981)),男,博士研究生,主要从事新型动力循环方面的研究。medivh.gu@gmail.com5期顾伟等:余热利用有机物朗肯循环最佳热回收效率分析663再次,通过对两种简
7、化的动力循环模型的分析,从数其中,WÛI)))理想循环输出功;TH,a)))余热入口温学推导的角度分析了此最佳蒸发压力形成的原因。度;T0)))环境温度;mÛH)))余热流体流量;cH)))最后,通过对有机物朗肯循环最佳蒸发压力的分析,余热流体定压比热容。根据公式(1),可得到理想情得到废热(包括废热组分、温度和流量)和有机物朗况下的余热回收效率:肯循环工作介质对最佳蒸发压力的影响。#WT0ln(TH,a/T0)1模型分析GI=c#=1-TH,a-T0(3)HmH(TH,a-T0)111热回收效率及余热利用动力循环理想效率热力系
8、统的效率定义为得到的收益除以付出的代价。对于本文研究的余热回收有机物朗肯循环,得到的收益为动力循环输出的机械功,具体为膨胀机所做机械功减去工质泵所消耗的机械功。系统所付出的代价,应是蒸发器所吸收的热量加上热源从蒸发器出口排放到环境中的热量,而不是单纯的动力循环所
