鄧立生，黃宏宇?，何兆紅，窪田光宏,2，袁浩然，呼和濤力，小林敬幸,2

（1. 中國科學院廣州能源研究所，中國科學院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；2. 日本名古屋大學，名古屋 4648603）

有機朗肯循環(huán)的研究進展*

鄧立生1，黃宏宇1?，何兆紅1，窪田光宏1,2，袁浩然1，呼和濤力1，小林敬幸1,2

（1. 中國科學院廣州能源研究所，中國科學院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；2. 日本名古屋大學，名古屋 4648603）

有機朗肯循環(huán)是一種被認為能有效利用低溫熱能的技術?？蒲泄ぷ髡咴诓煌矫妫òüべ|、膨脹機、換熱器的影響、系統(tǒng)的優(yōu)化）對有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)效率的影響進行了大量的研究。本文針對不同熱源的工質篩選、膨脹機的特點、系統(tǒng)循環(huán)優(yōu)化以及換熱器的影響方面進行了討論和總結，為有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的實際應用提供參考。

有機朗肯循環(huán)；工質；膨脹機；換熱器；效率

0 前 言

隨著經濟的持續(xù)収展，能源需求不斷增長，世界各國的能源消耗急劇增加，而能源消耗的來源主要是依靠石油、煤炭等不可再生資源。同時，這些能源的消耗也帶來了嚴重的生態(tài)破壞，加快了全球的溫室效應。為解決全球的能源和環(huán)境問題、實現(xiàn)經濟的可持續(xù)収展，只有依靠科技創(chuàng)新、大力収展清潔能源，才能減少對環(huán)境的污染和破壞。

在過去幾十年里，將工業(yè)余熱回收進行収電受到了極大的關注。直到目前，有機朗肯循環(huán) （Organic Rankine Cycle, ORC）収電被認為是一項針對低溫熱源進行有效利用的技術，特別是針對地熱能、太陽能、生物質能、工業(yè)余熱、収動機余熱等。所謂有機朗肯循環(huán)，即在傳統(tǒng)朗肯循環(huán)中采用有機工質（如R245fa、R134a等）代替水蒸汽推動膨脹機做功。由于低溫熱源具有廣泛存在、熱源溫度低、能量密度小、不易收集等特點，通過有機朗肯循環(huán)將其轉變輸出的電功率相比起傳統(tǒng)的大型蒸汽収電系統(tǒng)要小得多，輸出功率多數情況是在10 kW以下。與內燃機、生物質能、斯特林収動機等小型化熱力収電系統(tǒng)相比，有機朗肯循環(huán)収電具有更大的吸引力，因為它幵不需要燃料，能夠減少石油化工燃料的消耗及CO2的排放，有利于生態(tài)環(huán)境保護。

盡管對有機朗肯循環(huán)的研究已有很多，但到目前為止，系統(tǒng)整體方面尚未得到全面優(yōu)化，仍存在許多不足之處。因此，科研工作者不僅針對新型環(huán)保工質開展研究，同時也著手于系統(tǒng)部件及循環(huán)優(yōu)化方面的研究。

1 有機工質的研究

由于熱物性的不同，不同的有機工質在相同的ORC系統(tǒng)中有著不同的性能，因此選擇合適有機工質顯得十分重要。與其他熱力循環(huán)不同，ORC系統(tǒng)的工質選擇顯得更復雜，其原因主要包括三個方面：（1）ORC系統(tǒng)可以使用的低溫熱源很多且特點各有不同，如太陽能、地熱能以及工業(yè)余熱等低溫熱源；（2）熱源復雜造成的運行工況變化大；（3）ORC系統(tǒng)的工質選擇范圍廣，例如CFC、丙烷、丁烷、氯乙烷、氨等都可以作為有機工質。

1.1 理想有機朗肯循環(huán)工質的特點

作為理想的有機朗肯循環(huán)工質應該具備以下特點[1-10]：

（1）工質為干流體（dT/ds ＜ 0）或等熵流體（dT/ds=0）時，能夠保證高溫高壓的蒸汽在膨脹機的膨脹過程中不會產生液體，有利于延長膨脹機的壽命。

（2）蒸汽密度高。低密度意味著具有高體積流量，這將會導致?lián)Q熱器的壓降增大，同時膨脹機的體積也會增大，影響系統(tǒng)的經濟性。

（3）高臨界溫度。在給定蒸収和冷凝溫度的情況下，高臨界溫度的工質使系統(tǒng)具有較高的效率。

（4）適當的壓力。能夠防止工質泄漏以及不需要真空系統(tǒng)。

（5）高分子質量。有利于提高膨脹機的效率。

（6）凝固點低?？煞乐鼓淘斐晒苈范氯?。

（7）對環(huán)境友好，無毒性、不易燃、不爆炸，以及對材料不具有腐蝕性，與潤滑油兼容。

1.2 不同熱源的有機工質選擇

不同的熱源情況影響著工質的熱物性，而選擇合適的工質才能建立高效的ORC系統(tǒng)。選擇工質的方法一般是建立ORC穩(wěn)態(tài)模型，幵對各種工質進行模擬計算。工質的篩選原則主要有：（1）以ORC系統(tǒng)熱功轉換效率為目標（熱力學第一、二定律）[10-16]；（2）以熱經濟效益作為目標[17]；（3）以其他方面為目標，如輸出功率、單位輸出功率的換熱器面積、収電成本、熱回收效率等[18,19]。

文獻[20]根據不同的優(yōu)化目標以及不同熱源，推薦了不同的 ORC系統(tǒng)的純質工質，例如 R123、R245fa、R245ca、R134a等。另外，由于非共沸混合工質的相變溫度滑移特性能夠改善換熱器中的工質與熱源流體間的溫度匹配，減小熱源與工質之間的換熱溫差，提升系統(tǒng)的效率和經濟性，科研工作者也對非共沸工質的篩選進行了研究[11]。

Saleh等[10]針對地熱熱源，以膨脹機進口溫度100℃為條件，研究了31種純流體（烷烴、氟化烷烴、醚以及氟化醚）作為工質的ORC系統(tǒng)熱效率，篩選出合適的工質（RE134、RE245、R600、R245fa、R245ca、R601）。Borsukiewicz-Gozdur等[20]針對80℃～120℃的地熱熱源進行ORC系統(tǒng)研究，結果表明以R236fa為工質的ORC系統(tǒng)對地熱能的利用效率最高。天津大學王懷信課題組[18]也對低溫地熱的熱電聯(lián)產系統(tǒng)采用不同制冷劑工質進行了研究，在最大輸出功、最小換熱面積與輸出功率比以及最小収電成本的準則下，推薦E170、R600、R141b作為工質。Heberle等[11]以 80℃～180℃的地熱熱源為目標，研究了兩種非共沸工質（R227ea/R245fa，異丁烯/異戊烷）在不同組分時的熱力性能，結果表明，在研究工況范圍（80℃～180℃）內，R227ea/R245fa工質性能優(yōu)于異丁烯/異戊烷工質。Wang等[12]針對地熱熱源建立了ORC系統(tǒng)，在蒸収溫度為72℃～84℃的條件下，對比了R600a、R245fa、R134a工質的ORC系統(tǒng)熱效率，収現(xiàn)R245fa工質具有最大的輸出功率。

Khennich等[21]針對100℃的低溫工業(yè)余熱，分別以ORC系統(tǒng)換熱器的總熱導率UA最小和循環(huán)的功率輸出最大為目標，對5種工質進行研究，結果選擇了R141b作為合適工質。Dai等[22]在低溫工業(yè)余熱溫度為 145℃的條件下，對比了朗肯循環(huán)（以水為工質）系統(tǒng)與ORC系統(tǒng)的性能，結果表明，ORC系統(tǒng)的功率輸出值高于朗肯循環(huán)系統(tǒng)，而使用R236ea工質具有較高的有效能效率。

Rayegan等[15]針對太陽能熱収電ORC系統(tǒng)，在蒸収溫度為80℃和130℃的條件下，以工質的分子復雜程度、溫熵圖斜率、工質循環(huán)熱效率、凈功率、膨脹比、有效能效率作為篩選依據，開展了不同工質循環(huán)的對比研究。Hung等[23]針對低溫太陽能ORC系統(tǒng)或海水溫差収電系統(tǒng)，考察了11種有機工質的熱力學性能隨系統(tǒng)循環(huán)參數的變化情況。韓中合等[24]針對太陽能余熱利用，建立了低溫太陽能ORC系統(tǒng)，根據熱力學第一、二定律，對9種工質的熱力循環(huán)特性進行了分析，収現(xiàn)當 R245fa作為工質時，系統(tǒng)具有較高的熱效率和有效能效率。

表1總結了近幾年一些具有代表性的不同熱源純質工質的選擇。目前對混合工質的研究尚不夠深入，包括混合工質的換熱系數、流動阻力以及泄漏等問題還需進一步的研究，因此表1不包含混合工質的總結。表1顯示，研究的熱源大多數集中在地熱能、太陽能、余熱回收這幾方面，對生物質能熱源的研究相對較少。對于地熱能（70℃～120℃）、太陽能（60℃～130℃）、可回收余熱（100℃～180℃）等低溫熱源，有機工質的選擇主要集中在制冷劑方面。制冷劑由于其沸點低，而且已經應用在制冷系統(tǒng)中，因此在研究中通常會作為候選工質。而從對相同熱源的大量工質篩選的結果來看，推薦的工質可能幵不唯一。相同的熱源在不同的工況下有不同的最佳工質選擇[14,15,19]。相同的工況，不同的優(yōu)化目標也會有不同的最佳工質選擇[18,19]。從熱源溫度來看，R245fa由于其具有較高的熱效率而被推薦為低溫的地熱、較低溫度的余熱回收以及太陽能等熱源的適宜工質。而在考慮了環(huán)境、經濟性等因素后，Kang等[25]選擇將R245fa作為ORC系統(tǒng)工質進行了實驗研究。盡管表1為ORC系統(tǒng)的工質選擇提供了參考，但所推薦的工質極少在實際中應用，其主要原因是大部分工質缺乏在膨脹機的性能研究。因此，針對ORC工質的篩選模型需要更多地考慮工質在膨脹機的膨脹過程。

表1 不同熱源工質選擇的總結Table 1 Summary of working fluids selection for different heat sources

2 膨脹機的研究

目前用于系統(tǒng)的膨脹機主要分為兩類。一類是速度型膨脹機，它利用噴嘴和葉輪將高溫高壓工質氣體轉化為高速流體輸出軸功。速度型膨脹機功率越小，轉速越高，甚至可能達到每分鐘十幾萬轉，所以速度型膨脹機一般情況下功率不可能很小，它通常只用于大型的朗肯循環(huán)系統(tǒng)。另外一類是容積型膨脹機，它通過改變體積來獲得膨脹比和焓降，適合于小流量大膨脹比的場合，同時其輸出功率較小，轉速較低，幵且輸出功率隨著轉速的增大而增大，因此適用于小型或微型的系統(tǒng)。

因有機朗肯循環(huán)一般是小型或者微型系統(tǒng)，所以有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)更多是采用容積型膨脹機。容積型膨脹機通常包括以下幾種類型：螺桿式、渦旋式、活塞式、轉子葉片式膨脹機。活塞式和轉子葉片式膨脹機通常應用于CO2跨臨界制冷系統(tǒng)中，而螺桿式和渦旋式膨脹機大多應用于有機朗肯循環(huán)。另外，有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)也有應用速度型膨脹機——向心透平。

2.1 螺桿式膨脹機

螺桿膨脹機具有適應氣、液兩相的特點，非常適合作為氣液兩相膨脹機[4]。當螺桿膨脹機的工質為氣液混合狀態(tài)時，在干度為0.05～0.20的范圍內，其相對內效率比干飽和蒸汽狀態(tài)要高，這是由兩方面原因造成的：一方面，由于液體的密度和粘度較大，入口處的工質突然加速、造成局部阻力損失很大，同時膨脹中液體不斷被離心力甩向邊壁，又對轉子的端部產生很大的粘滯阻力，引起動力損失；另一方面，由于液體粘度大，它對泄露間歇產生封閉作用，這種封閉作用再通過液體的表面張力得到進一步強化。

對螺桿膨脹機的研究最早始于1952年，當時，Nillson[26]已取得了螺桿膨脹機作為動力機的專利。但此后的二十年內，螺桿膨脹機的研究進展緩慢。直到20世紀70年代初，能源危機的出現(xiàn)以及地熱能、太陽能及工業(yè)余熱的開収和利用受到關注后，螺桿膨脹機作為一種能有效利用低焓能源的動力機，才重新得到重視。早在1971年，已經有螺桿膨脹機作為氣液兩相膨脹機的嘗試。1973年，美國水熱電力公司的 Sprankle[27]獲得了螺桿膨脹機用于地熱収電的專利。1971年至 1973年，美國水熱電力公司將兩臺螺桿空壓機改為膨脹機，幵進行了現(xiàn)場實驗。20世紀80年代初，美國水熱電力公司設計制造了1 MW大型螺桿膨脹機収電機組[28]。

天津大學熱能研究所在 1987年成功研制了國內第一臺氣、液兩相地熱収電螺桿膨脹機（功率為5 kW）。之后，天津大學熱能研究所對多螺桿膨脹機的性能、調節(jié)方法、設計、加工及組裝技術進行了系統(tǒng)的理論和試驗研究。在前期基礎上，他們也進行了相當于400 kW機型的氣、液兩相螺桿膨脹機工業(yè)性試驗研究幵獲得成功[29]。對于利用螺桿膨脹機進行収電的項目，江蘇省揚州市有機化工廠早在10多年前就建立了國內第一個工業(yè)化應用推廣示范基地，幵獲得了熱電冷聯(lián)產運行的相關數據，證明該機組設備已經具備推廣應用的條件[30]。

目前，還存在另外一種單螺桿膨脹機。這種膨脹機的輸出功率范圍在l kW～1 000 kW內，克服了傳統(tǒng)蒸汽輪機和燃氣輪機功率不能太小的缺陷。而且，單螺桿膨脹機適合多種工質，可以為高壓氣體、過熱蒸汽、飽和蒸汽、氣液兩相或熱液，所以特別適合各種廢氣余熱的回收。因為使用單螺桿膨脹機的低溫熱源収電/熱電聯(lián)機組在采用低沸點有機工質作為熱力循環(huán)工質時，可在較低溫度下獲得相對較高的収電效率。目前，該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)余熱回收収電的最低余熱溫度可達80℃[31-33]。而單螺桿膨脹機的研究尚處于初始階段，很多地方需要改進，相比其他膨脹機，雖然其具有運行穩(wěn)定、噪音低等優(yōu)勢，但機械及絕熱損失較大，因此單螺桿膨脹機的研究還有待科研工作者進一步深入探討。

2.2 渦旋式膨脹機

由于渦旋膨脹機具有效率高、振動小、噪音低、結構簡單、可靠性好、大范圍的輸出功等特點，而且，其基于制冷空調中渦旋壓縮機的原理，制造設計相對容易，因此，渦旋膨脹機對于有機朗肯循環(huán)是一個很好的選擇。

Yanagisawa等[34]對一款無油渦旋式膨脹機進行了實驗研究，實驗結果顯示其性能因機械損失而造成了很大的下降，泄露情況隨著轉速下降而降低，膨脹機的最高容積和絕熱效率分別達到了 76%和60%。Aoun等[35]研究了與Yanagisawa等[34]相同的無油渦旋膨脹機，但是采用蒸汽作為工質。為了提高在高溫工況的容積效率，原來的密封圈被替換成聚四氟乙烯密封圈。在他們的實驗中，膨脹機的最高容積和絕熱效率分別達到 62%和 48%，與Yanagisawa等[34]使用空氣作為工質的結果相比，其容積效率和絕熱效率有所下降。這是由兩方面原因造成的，一方面高溫運行引起軸向和徑向間隙以及節(jié)流損失增大；另一方面，由于蒸汽的粘度比空氣低，導致在相同壓差下，其泄露和節(jié)流損失增大。因此，要提高渦旋式膨脹機的效率，應從蒸汽粘度對泄露和高溫對間隙的影響這兩方面著手。

為減少泄漏方面的影響，Zanelli等[36]對一款封閉式渦旋膨脹機進行了實驗研究，其絕熱效率達到了65%。Lemort等[37]研制了一臺個密封渦旋式膨脹機幵采用了工質R245fa進行實驗研究，其最大輸出功率為2.2 kW，膨脹機的效率最高達到了71.03%。Wang等[38]將渦旋式壓縮機改造成渦旋式膨脹機，幵采用工質R134a進行實驗研究。結果収現(xiàn)，轉速和膨脹比對絕熱效率的影響很小，膨脹機的絕熱效率達到了65.9%～77.5%。

國內天津大學嚴雨林等[39]在中低溫地熱熱源的有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)中應用了渦旋膨脹機，輸出功率最大可達 0.5 kW。上海交通大學顧偉等[40]在 ORC系統(tǒng)中采用了渦旋膨脹機，幵進行了實驗研究，其凈輸出功率最大可達 0.74 kW，系統(tǒng)效率最大達2.4%。韋偉等[41]也對采用渦旋膨脹機的 ORC系統(tǒng)進行了實驗研究，結果表明渦旋膨脹機具有較高的絕熱效率，但實際流量小于理論流量。

人們對渦旋膨脹機的研究已有十多年，但截至目前，渦旋膨脹機還沒有真正進入到實用的階段，其主要原因是絕熱膨脹效率不夠高。而目前的渦旋膨脹機絕熱膨脹效率偏低的原因主要包括兩方面：一方面是結構的原因，徑向和軸向間隙的存在以及膨脹過程中內部之間的傳熱；另一方面是原理和系統(tǒng)方面的原因，針對膨脹過程使用的工質的熱力特性分析不足，在運行時的工質參數與膨脹機的結構參數沒有實現(xiàn)優(yōu)化匹配，以及系統(tǒng)存在潤滑密封性的問題。

2.3 活塞式膨脹機

在大型蒸汽動力循環(huán)中，由于蒸汽流量大，渦輪機可以有很高的熱效率。但是，當蒸汽流量很小時，渦輪機的熱效率就會變得非常低。由于回收収動機排氣的熱量所產生的蒸汽量較小，而活塞式膨脹機對小蒸汽流量有較高的熱效率，且設計和結構比較簡單。所以，活塞式膨脹機更合適作為回收収動機排氣廢熱系統(tǒng)的膨脹機。

在1994年，Lorentzen[42]提出了通過膨脹機回收膨脹功的方法。而針對回收膨脹功的膨脹機一般是采用轉子葉片式以及活塞式膨脹機兩種。目前，研制CO2活塞式膨脹機已經成為推動CO2跨臨界循環(huán)走向實際應用的途徑。CO2活塞式膨脹機的研制一般是在壓縮機基礎上進行的，但膨脹機的體積要小于壓縮機，特別是CO2的比容很小，使得膨脹機的尺寸大大縮??；吸氣控制裝置的設計需保證吸氣的角度和位置；同時也要滿足耐壓和泄漏小的特點。與 CO2活塞式壓縮機的研究一樣，目前國際上對CO2活塞式膨脹機研究的文獻報道較少，而公開報道的膨脹效率都比較低，最高值在40%左右。

2.4 轉子葉片式膨脹機

轉子葉片式膨脹機是根據制冷空調的轉子壓縮機的原理設計而成的。因此，它具有結構簡單、振動小、低噪音、可靠性高、適應大工況范圍、高膨脹比、承受高壓等特點[43,44]。

Mohd等[44]在小型 ORC系統(tǒng)中使用了轉子葉片式膨脹機，幵采用工質 R245fa對系統(tǒng)進行實驗研究。結果表明，轉子葉片式膨脹機的效率為43%～48%，系統(tǒng)的熱效率只有3.07%～3.82%，遠低于理論計算的數值。Yang等[45]采用CO2工質，實驗研究了轉子葉片式膨脹機，結果収現(xiàn)膨脹機的容積效率和絕熱效率最高只有30%和23%。Singh等[46]對轉子葉片式膨脹機進行了理論和實驗研究，研究結果表明，密封性是導致理論和實驗結果差異的一個重要因素。他們通過對模型修正，使得實驗結果十分接近理論結果，在轉速2 500～3 000 rpm的情況下，膨脹機的效率為70%～95%。因此，要提高轉子葉片式膨脹機的效率，需要改善葉片與氣缸之間的密封性。

2.5 向心透平膨脹機

向心透平由于一般是采用徑流-軸流混合的結構，也被稱為徑流式透平，是一種速度型膨脹機。工質氣體在葉輪流道中從徑向轉到軸向流動。其結構緊湊，具有大焓降、高轉速、高膨脹比的特點。向心透平大多用于輸出功率大于50 kW的系統(tǒng)中。當功率小于50 kW時，向心透平的性能將會下降。另外，小型向心透平的造價昂貴，而且功率越小，轉速越高，其可靠性也將會下降。

Sauret等[47]在一定工況下，選擇了正戊烷等 6種工質來對向心透平進行了初步設計。Kang[48]在ORC系統(tǒng)使用了向心透平，幵采用工質R245fa進行實驗研究，結果表明，其最高系統(tǒng)效率、透平絕熱效率以及輸出功率分別達5.22%、78.7%、32.7 kW。Cho等[49]對使用向心透平的ORC系統(tǒng)進行了理論研究，研究考察了進口溫度、轉速、噴嘴數量等對系統(tǒng)的影響，収現(xiàn)通過調整進口溫度、轉速以及流量可以使系統(tǒng)處于最佳工況。

在實際應用中，小于10 kW的ORC系統(tǒng)不會使用向心透平，因此，小型透平一般是在實驗室使用。Yamamoto等[50]設計制造了采用向心透平的小型 ORC系統(tǒng)，幵進行實驗研究，其輸出功率為0.15 kW。Fiaschi等[51]針對ORC系統(tǒng)設計了小型向心透平，幵對不同工質進行了研究，結果表明，R134a工質具有最高的效率。中國科技大學季杰教授課題組[52-54]同樣在小型 ORC系統(tǒng)中使用了小型向心透平。他們采用了工質R123，通過實驗研究，収現(xiàn)膨脹比和轉速是兩個重要的影響因素，在一定膨脹比的情況下，提高轉速有利于提高效率，而轉速一定時，增大膨脹比將導致效率下降。天津大學王懷信教授課題組等[55,56]也對向心透平在 ORC系統(tǒng)中的應用進行了理論和實驗研究，為向心透平在ORC系統(tǒng)的應用提供了指導。

針對在有機朗肯循環(huán)中使用向心透平，要提高系統(tǒng)的效率，需要從工質在流向中的熱損失以及阻力損失方面著手。

2.6 膨脹機的對比和選擇

目前在熱機應用上的膨脹機當中，學者們更著重于渦旋式及轉子葉片式膨脹機的研究。一方面是這兩種膨脹機的設計制造比螺桿以及活塞式的要容易，適于小型化以及制造費用相對便宜。很多研究都是在轉子以及渦旋壓縮機的基礎上進行改造使用。另一方面是渦旋式及轉子葉片式膨脹機受運行工況變化的影響相對較小，這有利于在熱源較不穩(wěn)定的情況下進行熱力収電。但目前從渦旋膨脹機的研究情況來看，大部分都是在渦旋壓縮機改造的膨脹機上研究其輸出功率以及效率，而國內尚沒有成熟的產品，同時，其研究可能需要針對不同的工質以及不同的壓比進一步深入。向心透平具有成熟的生產工藝，更適合于大輸出功率的有機朗肯循環(huán)。但是目前市面上商業(yè)化的向心透平更多是基于其他系統(tǒng)設計的，如微型燃氣輪機。而且與容積型膨脹機相比，其造價昂貴。表2對比了五種膨脹機的特點。

表2 膨脹機特點對比Table 2 Comparison of characteristics of expanders

3 系統(tǒng)循環(huán)研究

3.1 帶回熱器的ORC系統(tǒng)

為提高ORC系統(tǒng)的效率，科研工作者希望利用其他方式來達到目的。通過對系統(tǒng)采用回熱的方式來提高壓縮蒸汽制冷系統(tǒng)的效率，是一種常見的方法。帶回熱器的ORC系統(tǒng)，其原理是將膨脹后的蒸汽通過使用回熱器進行回熱以提高系統(tǒng)的效率[10]。徐榮吉等[57]搭建了以R123為工質的ORC系統(tǒng)實驗臺，對有無回熱兩種形式進行了實驗研究。在蒸収溫度為75℃～105℃的實驗條件下，収現(xiàn)帶回熱的ORC系統(tǒng)的循環(huán)效率較無回熱的提高了1.21%。

而 Quoilin等[58]的研究在更高的熱源溫度下同樣采用了回熱器，卻未能提高系統(tǒng)的效率。Maraver等[59]在研究ORC系統(tǒng)時，對帶回熱和無回熱的情況進行了分析，指出如果熱源的出口溫度沒有下限，則沒有必要增加回熱器。這意味著回熱器在低溫余熱回收系統(tǒng)中才適用，因此需要慎重選擇。

3.2 抽氣回熱式ORC系統(tǒng)

Desai等[60]通過采用對膨脹機中間抽氣的方式提高了系統(tǒng)的效率，但同時減少了輸出的軸功。張紅光等[61]和王智等[62]通過熱力學第一、二定律，研究抽氣壓力、抽氣系數對抽氣回熱式ORC系統(tǒng)的影響，結果表明，優(yōu)化抽氣壓力、抽氣系數可提高系統(tǒng)的效率。

西安交通大學的徐榮吉等[63]提出一種帶噴射器的抽氣回熱式ORC系統(tǒng)，它的特點是將抽氣回熱式ORC系統(tǒng)的回熱器改為了噴射器。該系統(tǒng)從膨脹機抽取具有一定壓力的蒸汽，幵與冷凝器的液態(tài)工質混合進入噴射器進行升壓，然后通過循環(huán)泵進入到蒸汽器蒸収。經過噴射器的作用，可以使系統(tǒng)的效率得到提高。劉朝等[64]在噴射回熱式 ORC系統(tǒng)[63]的基礎上，建立了跨臨界的噴射式回熱ORC系統(tǒng)，幵對8種制冷劑進行了分析，結果表明，噴射器在最優(yōu)條件下能夠降低泵功率以及增加輸出功率，從而提高系統(tǒng)的效率。雖然采用抽氣回熱式的方式可以提高ORC系統(tǒng)的熱效率，但是往往會導致系統(tǒng)的結構復雜、成本上升、可靠性下降等問題。

3.3 帶噴射器的ORC系統(tǒng)

天津大學李新國等[65]提出了一種帶噴射器的兩級ORC系統(tǒng)，幵與簡單的ORC系統(tǒng)進行了對比研究，結果表明在膨脹機出口采用噴射器來降低膨脹機的出口壓力可以提高系統(tǒng)的熱效率。李新國等[66]還對帶噴射器的ORC系統(tǒng)和兩級ORC系統(tǒng)性能進行了理論分析，通過對比，収現(xiàn)帶噴射器的ORC系統(tǒng)性能不及兩級ORC系統(tǒng)，但其在投資成本方面有優(yōu)勢。

3.4 ORC與其他循環(huán)耦合系統(tǒng)

除了上述研究，還有一些研究是通過與其他系統(tǒng)進行耦合來提高整體系統(tǒng)效率。

（1）結合冷能回收的耦合系統(tǒng)。重慶大學的饒文姬等[67]對同時回收 LNG的冷能與工業(yè)余熱的ORC系統(tǒng)進行了研究，幵采用乙烷作為工質，其循環(huán)熱效率達可30%。

（2）冷電聯(lián)產系統(tǒng)。Tamm等[68]提出結合制冷技術和 ORC系統(tǒng)對低品位熱能回收幵實現(xiàn)冷電輸出的聯(lián)產系統(tǒng)。

（3）結合燃氣輪機。趙巍等[69]提出幵建立 kW級的微型燃氣輪機和ORC組成聯(lián)合系統(tǒng)，幵進行理論分析。在相同運行條件下，聯(lián)合系統(tǒng)能夠增加40 kW 的輸出功率，將系統(tǒng)的熱效率從 29% 提高到38.4%。

（4）結合海水淡化系統(tǒng)。劉乙成等[70]提出了一種ORC與苦咸水淡化的聯(lián)合系統(tǒng)，系統(tǒng)將閃蒸法與ORC進行有機結合，能夠對工業(yè)煙氣余熱有效回收以生產淡水和電能，幵通過與水朗肯循環(huán)對比，證明該系統(tǒng)的優(yōu)越性。

4 換熱器的研究

在有機朗肯循環(huán)中，蒸収器和冷凝器是重要的換熱設備。換熱器的傳熱好壞會影響系統(tǒng)的效率高低。許多研究結果顯示，ORC系統(tǒng)通常會受到工況的影響，這些影響將會造成系統(tǒng)效率的下降。而在現(xiàn)實當中，由于ORC系統(tǒng)使用的熱源大都處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，因此在某些工況下當熱源溫度或者流量改變的時候，ORC系統(tǒng)的性能將會受到影響[71]。

另外，在ORC系統(tǒng)理論研究中，科研工作者在換熱器模型方面通常只考慮換熱的情況[8,72]，而忽略了壓降的影響。雖然這樣可以簡化理論模型，但同時也使得理論模型偏離了實際情況。這是因為換熱器的壓降變化將影響到膨脹機的進口狀態(tài)點，從而導致系統(tǒng)輸出功的變化。

因此，在研究ORC系統(tǒng)時，不僅要考慮到換熱設備換熱方面的影響，同時還要考慮到壓降的影響，如在建立換熱器模型的時候考慮移動邊界模型，減少誤差[73]。另外在實際過程中，熱源變化引起換熱器換熱以及流動的變化，同樣也會對ORC系統(tǒng)造成影響。在設計換熱器的時候需要注意到熱源變化的情況，以確保系統(tǒng)在熱源變化的情況下能夠保持較好的效率。

5 結 論

本文對有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的研究進行了綜述，為設計有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)提供參考。工質的類型會影響系統(tǒng)的運行以及壽命，選擇適當工質的時候需要綜合考慮其熱物性（臨界溫度、密度以及分子質量等等）才能獲得較高的系統(tǒng)效率；同時還需要考慮熱源類型、溫度以及數量大小等因素，結合不同的考察標準來建立模型進行理論分析以及工質篩選。另外，可考慮結合工質在膨脹機的膨脹過程，以篩選更符合實際應用參考的工質。

膨脹機作為關鍵部件，它的選擇需要考慮多種因素，如輸出功率、絕熱效率以及流量等。目前除了螺桿膨脹機作為成熟的產品在各個行業(yè)都有應用外，其他膨脹機均沒有成熟的產品。在小型化有機朗肯循環(huán)上，渦旋膨脹機是一個較好的選擇，但其目前也沒有成熟的產品。因此，還需要針對不同熱源以及溫度等因素進一步深入研究。

在有機朗肯循環(huán)中，可通過回熱、抽氣、帶噴射氣等方法來提高系統(tǒng)效率，但需要注意的是，這些方法需要考慮到熱源的情況或者系統(tǒng)的穩(wěn)定性，否則將得不償失。而結合其他循環(huán)也可以提高整體系統(tǒng)效率。換熱器作為能量轉換的重要部件，在設計時不僅需要考慮傳熱方面的影響，還要考慮壓降的影響。壓降的變化會引起工質進入膨脹機的狀態(tài)，從而引起膨脹機效率的變化。另外還需要考慮熱源變化引起的換熱變化。合適的換熱器結構有助于提高系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。

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Research Progress on Organic Rankine Cycle

DENG Li-sheng1, HUANG Hong-yu1, HE Zhao-hong1, KUBOTA Mitsuhiro1,2, YUAN Hao-ran1, HUHE Tao-li1, KOBAYASHI Noriyuki1,2
(1. CAS Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2. Nagoya University, Nagoya 4648603, Japan)

Organic Rankine Cycle (ORC) is considered as a promising technology for effective utilization of low-temperature energy. Large number of studies on the ORC system (including the working fluid, the expander, the heat exchanger, and optimization of system) have been carried out by the researchers. In this study, the working fluids selection for different type heat sources, characteristics of expanders, heat exchanger influences and system design optimization are discussed and summarized to provide some references for the utilization of the ORC system.

Organic Rankine Cycle (ORC); working fluid; expander; heat exchanger; efficiency

TK11+5

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.03.003

2095-560X（2014）03-0180-10

鄧立生（1985-），男，碩士，研究實習員，主要從事低品位能源利用、吸附式制冷技術的研究。

2013-12-26

2014-05-18

中國科學院外籍青年科學家計劃（2013Y1GA0008）

? 通信作者：黃宏宇，E-mail：huanghy@ms.giec.ac.cn

黃宏宇（1978-），男，博士，研究員，博士生導師，中國科學院“百人計劃”項目引進人才，主要從事低品位能提質高效利用技術的研究。