４卷 第３期 第６０１３年３月 ２ 化 工 学 报
ＩＥＳＣ Ｊｏｕｒ
ｎａｌ Ｃ ｏｌ．６４ Ｎｏ．３ Ｖ
ａｒｃｈ０１３ Ｍ ２
檭檭殐
檭檭檭檭檭殐
：Ｓ，ｃＡｂｓｔｒａｃｔｉｎｃｅｅｎｅｒｉｓｓｕｅｓｂｅｃｏｍｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｌｕｒｅｎｔｉｎｔｈｅｗｏｒｌｄｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅｉｎｔｅｒｅｓｔｈａｓｆｏｃｕｓｅｄ ｇｙｇｙｇ
ｒａｄｅｏｎｔｈｅｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｌｏｗｗａｓｔｅｈｅａｔ．ＯｒａｎｉｃＲａｎｋｉｎｅｃｃｌｅ（ＯＲＣ）ｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｒｏｕｔｅｓｔｏ －ｇ ｇｙ，ｔｔｈｅｌｏｗｗａｓｔｅｈｅａｔｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔ．Ｉｎｔｈｉｓｓｔｕｄｈｅｍａｘｉｍｕｍｕｓｅｆｕｌｏｕｔｕｔｗｏｒｋａｎｄｒａｄｅｔｒａｎｓｆｏｒｍ －ｇ ｙｙｐｅｘｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｏｆｔｈｅＯＲＣａｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄａｓｔｈｅｏｂｅｃｔｉｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．１０ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗｏｒｋｉｎｆｌｕｉｄｓａｒｅｃｈｏｓｅｎ ｇｙｙｊｇ ｔｏｃｏｍｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｉｎｖｅｓｔｉａｔｅａｎｄａｎａｌｚｅｔｈｅｉｍｏｒｔａｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｔｗｏｏｂｅｃｔｉｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓｉｎ ｐｙｇｙｐｊ ｔｈｅｓｕｂｃｒｉｔｉｃａｌｓｔａｔｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔａｎｏｔｉｍａｌｅｖａｏｒａｔｉｎｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｅｘｉｓｔｓｆｏｒｅａｃｈｗｏｒｋｉｎ ｐｐｇｐｇ
，ａ，ｔ，ｔｆｌｕｉｄｔｗｈｉｃｈｔｈｅｕｓｅｆｕｌｗｏｒｋｉｓｔｈｅｍａｘｉｍｕｍ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒｈｅｈｉｈｅｒｔｈｅｃｒｉｔｉｃａｌｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｈｅ ｇｐ，ｈｉｈｅｒｔｈｅｏｔｉｍａｌｅｖａｏｒａｔｉｎｔｅｍｅｒａｔｕｒｅ．Ｉｔｉｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｆｏｒｔｈｅｓａｍｅｈｅａｔｓｏｕｒｃｅｔｈｅｅｘｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃ ｇｐｐｇｐｇｙｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｉｎｃｈｏｉｎｔｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ．Ｆｏｒｔｈｅｓａｍｅｉｎｃｈｏｉｎｔｔｅｍｅｒａｔｕｒｅ ｐｐｐｐｐｐ
，ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｔｈｅｅｘｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｈａｓａｍａｘｉｍｕｍｖａｌｕｅｗｈｅｎｔｈｅｈｅａｔｓｏｕｒｃｅｉｎｌｅｔｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｉｓｔｗｉｃｅｏｆ ｇｙｙｐ ，ｔｉｎｃｈｏｉｎｔｔｈｅｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｌｏｗｅｒｔｈａｎｔｈｅｃｒｉｔｉｃａｌｔｅｍｅｒａｔｕｒｅ．Ｏｔｈｅｒｗｉｓｅｈｅｅｘｅｒ ｐｐｐｐｇｙｋｅｅｓｉｎｃｒｅａｓｉｎｗｉｔｈｔｈｅｈｅａｔｓｏｕｒｃｅｔｅｍｅｒａｔｕｒｅ．Ｔｈｅｓｅｒｅｓｕｌｔｓｓｏｍｅｖａｌｕａｂｌｅｒｏｖｉｄｅｕｉｄａｎｃｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃ ｐｇｐｙｐｇ ｏｔｉｍｉｚｅｔｈｅＯＲＣｓｓｔｅｍａｎｄｓｃｒｅｅｎｗｏｒｋｉｎｆｌｕｉｄ．ｔｏ ｐｙｇ
：ｏ；ｏ；ｅ；ｍＫｅｗｏｒｄｓｒａｎｉｃＲａｎｋｉｎｅｃｃｌｅｔｉｍａｌｅｖａｏｒａｔｉｎｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｘｅｒａｎａｌｓｉｓａｘｉｍｕｍｕｓｅｆｕｌ ｇｙｐｐｇｐｇｙｙｙ ｗｏｒｋ
檭檭檭檭檭殐
究生。
研究论文
１２
（）重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室，重庆４重庆大学动力工程学院，重庆４０００４４；０００４４
摘要：随着能源问题日益突出，低温烟气余热深度利用成为了研究热点领域。其中，有
机朗肯循环是实现低品位余热转换为电能的一有效途径。基于热力学基本定律，以有机朗肯循环系统最大做功能力和
效率为目标函
数，计算分析了１０种不同工质在亚临界状态下以上两种目标函数的特性。结果表明，
每种工质均存在一最佳蒸发温度使循环净输出功最大，而且工质临界温度越高，对应的最佳蒸发温度也越高；热源温度
相同时，系统效率随窄点温差增大而减小；同一窄点温差时，当热源温度不超过临
界温度两倍的窄点温差时，关键词：有机朗肯循环；最佳蒸发温度；
分析；最大做功能力
）０文章编号：０４３８－１１５７（２０１３３－０８２０－０７
效率有一最
大值；反之，则随蒸发温度升高不断增大。这些将为有机朗肯循环工质选择和性能优化提供理论指导。：１／．ｉｓｓｎ．０４３８ＤＯＩ０．３９６９１１５７．２０１３．０３．００６－ｊ中图分类号：ＴＫ０９ 文献标志码：Ａ
ＯｔｉｍａｌｅｖａｏｒａｔｉｎｔｅｍｅｒａｔｕｒｅａｎｄｅｘｅｒａｎａｌｓｉｓｆｏｒｏｒａｎｉｃＲａｎｋｉｎｅｃｃｌｅ ｐｐｇｐｇｙｙｇｙ
１２１２１２
ＺＨＡＮＧＪｕｎｈｕｉＩＵＪｕａｎｆａｎＨＥＮＱｉｎｈｕａ ，Ｌ ｇ，Ｃｇ
１ （ＫｅＬａｂｏｒａｔｏｒｏＬｏｗ－ｒａｄｅＥｎｅｒＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｉｅｓａｎｄ Ｓｓｔｅｍｓ，ＣｈｏｎｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｈｏｎｉｎ ｙ ｙｆ ｇｇｙ ｇｙｇｑｇ ｙ，Ｃｇｑｇ
２
４０００４４，Ｃｈｉｎａ；ＣｏｌｌｅｅｏＰｏｗｅｒＥｎｉｎｅｅｒｉｎｈｏｎｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｈｏｎｉｎ０００４４，Ｃｈｉｎａ） ｇｆ ｇｇ，Ｃｇｑｇ ｙ，Ｃｇｑｇ４
０１２－０５－０８收到初稿，２０１２－０９－１９收到修改稿。 ２
，男，硕士研联系人：刘娟芳。第一作者：张军辉（１９８８—））。基金项目：国家重点基础研究发展计划项目（２０１１ＣＢ７１０７０１
檭檭殐
有机朗肯循环系统最佳蒸发温度和
２２２
，刘娟芳１，，陈清华１，张军辉１，
分析
，，，
：２ｅｃｅｉｖｅｄｄａｔｅ０１２－０５－０８． Ｒ
：Ｌ，ＣｏｒｒｅｓｏｎｄｉｎａｕｔｈｏｒＩＵＪｕａｎｆａｎｕａｎｆａｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ ＠ｃｇｊｇｑｐｇ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｉｔｅｍ：ｓｕｏｒｔｅｄｂｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＢａｓｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏ －ｐｐｙ ）ｒａｍｏｆＣｈｉｎａ（２０１１ＣＢ７１０７０１． ｇ
第３期 张军辉等：
有机朗肯循环系统最佳蒸发温度和分析
·８２１·
引 言
从能源消耗结构看，我国工业能耗约占总能耗的７０％，而工业能耗的６０％～６５％均转化为不同温度的余热，其中低于２３０℃的低品位余热数量极
１］
。这些余热若直接排放到环境，不仅会造其庞大［
到的极限最佳蒸发温度。窄点温差对ＯＲＣ的经
［］
济性能密切相关，Ｈｕｓｓａｍ等８首先从理论上提
［］出了双窄点的概念；Ｌｉ等９则分析了双窄点温
差和蒸发温度对换热器的影响。本文利用相关理论，分析了不同大小的窄点温差对循环系统最佳蒸发温度和系
统
效率的影响。
基于卡诺定理，本文选取了不同以上文献的以ＯＲＣ系统最大做功能力及其对应
的效率作为目标函数，分析亚临界ＯＲＣ系统的最佳蒸发温度以
及热源温度和窄点温差对系统
效率的影响。相比
较上述文献，采用以上两个目标函数计算分析时，只需工作流体在两器中饱和液的热力学参数，无须直接考虑其他状态点参数，整个分析计算过程较为简便。本文的研究可为ＯＲＣ循环最佳工质的选择和低温烟气余热的回收利用提供一定的理论分析依据。
成资源浪费，而且还将引起不同程度热污染。如何有效地回收利用这些余热，就成为目前亟待解决的能源问题之一。根据“温度对口，梯级利用”的能
２］
，有机朗肯循环（源利用原则［ＯＲＣ）以其设备
简单、维护方便等优点，成为当前低品位余热回收
利用的一种有效方法。
ＯＲＣ是利用有机工质替代水蒸气作为循环工质的动力循环。与传统朗肯循环相比，工作温度和工作压力较低，更适于回收利用低温余热。目前ＯＲＣ的研究主要集中于性能的改善和运行参数的优化，其中不少文献对最佳蒸发温
３７］８９］－－度［和窄点温差［两个重要参数进行了研究［］［］分析。如Ｈｅ等３和Ｌｉｕ等４分别计算分析了不
１ ＯＲＣ系统及热力学分析模型
１．１ ＯＲＣ系统模型
ＯＲＣ系统由４个主要部件组成，分别为蒸发
器、冷凝器、工质泵和透平，循环过程及相应温熵图如图１所示。循环工质在蒸发器中吸收余热，蒸）；蒸汽进入透平膨胀做功，压发为蒸汽态（２３４－－
）；做功后的乏汽进入冷凝力减小，焓值降低（４５－；饱和液被器对冷凝剂放热，冷凝为饱和液（５１）－
工质泵加压至蒸发压力后送往蒸发器，从而完成一次循环。考虑摩擦等不可逆因素影响时，泵和透平内工质实际压缩和膨胀过程如Ｔ－ｓ图中的虚线。另外，余热在蒸发器内的换热过程也示在图中，其中
同工质以循环输出净功
和效率为目标函数的
效率越大，
最佳蒸发温度，研究结果表明，在定热源温度下，并非温度越高，循环净功
和
［５］
而是存在一最佳值；Ｗａｎｇ等则以单位输出功
所需换热面积和余热回收率为目标函数进行工
６］７］质选择和参数优化；刘继芬等［和王辉涛等［
以循环净输出电功为目标函数对中低温地热ＯＲＣ系统的最佳蒸发温度进行了研究分析。由于地热热源温度较低，一般在８０～１２０℃，因此相关结论并不适用本文研究的温度在１５０～２２０℃低温烟气余热。另外，本文通过选择不同的目标函数，分析亚临界状态循环工质所能达
ＴＴｏｉｎ、ｕｔ和Ｔｍ分别为余热在蒸发器进口、出口和窄点温度
。
图１ ＯＲＣ系统简化模型及温熵图
）ａ）ｏＦｉ．１ ＳｋｅｔｃｈｏｆＯＲＣｓｓｔｅｍ（ａｎｄＴ－ｓｄｉａｒａｍ（ｂｆＯＲＣ ｇｙｇ
·８２２·
１．２ 热力学分析模型
化 工 学 报
表１ 工质性质参数
４卷 第６
１．２．１ 最大做功能力 由卡诺定理可知，单位质量工质经工作在温度Ｔ１０和Ｔ２０间可逆热机输出的最大净功为
Ｗ＝１－
Ｗｏｒｋｉｎｇｆｌｕｉｄ
Ｔａｂｌｅ１ Ｐｒｏｅｒｔｉｅｓｏｆｗｏｒｋｉｎｆｌｕｉｄｓ ｐｇ
Ｍｏｌｅｃｕｌａｒｗｅｉｈｔｇ
－１／·ｍｏｌｇ
Ｃｒｉｔｉｃａｌｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｐ
／Ｋ４６９．７５ ４６８．４５ ５０７．８５ ５０８．３５ ４０５．４５ ６４７．１５ ５１３．３５ ４７１．１５ ４５６．８５ ４８７．２５
Ｃｒｉｔｉｃａｌｒｅｓｓｕｒｅｐ
／ＭＰａ３．３７２．２３３．０６４．７６１１．３３２２．０６８．１０４．４１３．６７３．４４
Ｔｅｏｆ ｙｐｆｌｕｉｄｓｄｒｙｄｒｙｄｒｙｗｅｔｗｅｔｗｅｔｗｅｔｉｓｅｎｔｒｏｉｃｐｉｓｅｎｔｒｏｉｃｐｉｓｅｎｔｒｏｉｃｐ
（
１０
ＱＴ２０
）
（）１
ｅｎｔａｎｅｎ－ ｐＨＦＥ７１００
７２．１５ ２５０ ８６．１７ ６０．１ １７．０３ １８．０２ ３２．０４ １３７．４ １５２．９ １８７．４
式中 Ｔ１Ｑ为单位０和Ｔ２０分别为冷源和热源温度，
质量工质经可逆热机从热源所吸收的热量。其中，工质从热源的吸热过程和向冷源的放热过程均是无温差的可逆换热过程。
忽略泵功和假设透平效率为１时，经ＯＲＣ后单位质量工质的最大做功能力可表示为
２
）（／／（２Ｗ＝ｒ１－Ｔ１Ｔ３）Ｔ３－Ｔ１）Ｔ３＋Ｔ１）（＋ｃｌ（ｐ
ｎｈｅｘａｎｅ－
ｉｓｏｒｏａｎｏｌ ｐｐ
（Ｒ７１７ＮＨ３）（Ｒ７１８Ｈ２Ｏ）ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｒ１１ Ｒ１２３ Ｒ１１３
其中，ｒ是蒸发段工质的汽化潜热；ｃｌ为预热段工ｐ质的比定压热容，计算中作常数处理；Ｔ３为蒸发温度；Ｔ１为冷凝温度。
当考虑泵和透平的效率时，最大做功能力则为
２
（／／（］Ｗ＝［ｒ１－Ｔ１Ｔ３）Ｔ３－Ｔ１）Ｔ３＋Ｔ１）＋ｃｌ（ｔ－ｐη
象，其温度范围为４３３．１５～４９３．１５Ｋ。环境温度和冷凝温度分别设定为２９３．１５和３０３．１５Ｋ。分析计算中假设：①忽略管道内压降和其他不可逆因素；②整个循环处于稳态；③泵和透平的绝热效率分别为０．８０和０．８５。
２．１ 蒸发温度对最大输出有用功的影响
亚临界状态时，蒸发温度对所选工质最大做功能力的影响如图２所示。从图中可看出，最大做功能力并未随蒸发温度升高单调增加，而是先增大后减小，有一极大值，其所对应的蒸发温度为最佳值，由此而得到的工作最佳蒸发温度及其对应的最大做功能力列于表２。分析比较可得出，
冷凝温度一定时，湿工质做功能力高于干工质，等熵工质最弱。无机工质Ｒ７１７最佳蒸发温度最低，而Ｒ７１８最高且最佳蒸发温度对应的做功能力最大。但由于两种无机工质工作压力相对较高，Ｒ７１７还具有腐蚀性，因此，并不适于低品位余热的回收利用。另
／ｖ１（３－ｐ１）ｐｐη
（）３
式中 ｖｔ和η１为ｐ分别为透平和泵的绝热效率；η状态１点的比体积；ｐ１和ｐ３分别为冷凝压力和蒸发压力，即循环中冷凝温度和蒸发温度所对应的饱和压力。１．２．２
效率 ＯＲＣ
系统最大做功能力所对应的
ｅｘ＝ηＥ０
（）４
效率可表示为
式中 Ｗ为式（２）或式（３）中所表示的最大有用功，Ｅ０为余热烟气从进口温度Ｔｉｎ冷却到环境温度
Ｔ０
时所具有的值。
）进一步转化可得将式（４
ｅｘ＝η
ＴＴｉｎ（ｉｎＴ３Ｔｐ）２
（ｒＴｉｎ－Ｔ０）
（）５
（）中的Ｔｍ－Ｔ３。其中，Ｔｐ为窄点温差，即图１ｂ
２ 结果和讨论
根据温熵图中工质饱和汽化线的斜率，可将其
］１０１１－
。循环工分为干工质、湿工质和等熵工质３类［
质的选择对ＯＲＣ性能有着十分重要的影响，选择时应考虑工质热力学特性、可燃性、挥发性、腐蚀、全球变暖潜能值性、臭氧消耗潜值（ＯＤＰ）
［２］１５－
（。本文主要考虑热力学性质，ＧＷＰ）等因素１
选择的工质及相应参数列于表１。
本文以某工业装置排出的余热废气作为研究对
图２ 蒸发温度和最大输出有用功的关系Ｆｉ．２ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｂｅｔｗｅｅｎｅｖａｏｒａｔｉｏｎｔｅｍｅｒａｔｕｒｅ ｇｐｐｐ
ａｎｄｍａｘｉｍｕｍｕｓｅｆｕｌｏｕｔｕｔｗｏｒｋ ｐ
第３期 张军辉等：
有机朗肯循环系统最佳蒸发温度和分析
·８２３·
外，从表２可看出，等熵工质Ｒ１１、Ｒ１２３和Ｒ１１３的最佳蒸发温度和最大做功能力均较为接近，分别
－１
·ｋ在４４０～４８０Ｋ和４２～５０ｋＪｇ之间。结合表１
可知，朗肯循环中工质最大做功能力所对应的最佳
蒸发温度，不仅取决于工质本身的性质，还受其临界温度制约。
表２ 工质最佳蒸发温度及对应的最大输出功Ｔａｂｌｅ２ Ｏｔｉｍａｌｅｖａｏｒａｔｉｏｎｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｏｆｗｏｒｋｉｎｆｌｕｉｄｓ ｐｐｐｇ
ｃｏｒｒｅｓｏｎｄｉｎｍａｘｉｍｕｍｏｕｔｕｔｗｏｒｋａｎｄ ｐｇｐ
Ｗｏｒｋｉｎｆｌｕｉｄ ｇ
／ＯＥＴＫ ４５７．１ ４６３．０ ４９３．２ ４８９．８ ３８２．０ ５７８．５ ４８０．６ ４４９．９ ４４１．９ ４７４．６
－１／·ｋＭＵＷｋＪｇ
ｎｅｎｔａｎｅ－ ｐ
ＨＦＥ７１００
１０８．８２１４７．５６０１４４．９５７２２２．３２１３９．３４１８６９．２４９２９４．１５２４４．２９６４２．５０４４９．３７１
ｎｈｅｘａｎｅ－
ｉｓｏｒｏａｎｏｌ ｐｐ
Ｒ７１７ Ｒ７１８ ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｒ１１ Ｒ１２３ Ｒ１１３
２．２
热源温度对系统
在分析热源温度
对
效率的影响
效率的影响时，
据
效
率是否有极大值，将所选８种有机工质分为两、ｍ类：ｉｓｏｒｏａｎｏｌｅｔｈａｎｏｌ和ｎｈｅｘａｎｅ为一类，－ｐｐ
、其余为另一类。以下选取ｉ湿工质）ｓｏｒｏａｎｏｌ（ｐｐ等熵工质）和Ｈ干工质）进行Ｒ１２３（ＦＥ７１００（
分析。
图３分别示出窄点温差为５Ｋ、热源进口温度不同时，３
种工质所对应的系统工质临界温度时，
系统
效率随蒸发温度
的变化曲线。从图中可看出，当热源进口温度低于
效率均随蒸发温度的升高
先增大后减小，呈开口向下的“抛物线”形状，类似于工质最大做功能力随蒸发温度的变化曲线。最
大
效率对应的蒸发温度为其最佳值，
并且最高
图３
热源温度对
效率的影响
效率随热源温度升高而增大。通过图３及其他工质的计算发现，当热源温度低于临界温度时，
系统效率随蒸发温度升高，均呈类似开口向下的“抛物线”的形状；而高于临界温度约２倍的窄点温差时，且当蒸发温度临近临界温度时，
系统
效率曲
曲
线将随蒸发温度的升高而增大。最佳蒸发温度也变大。但当热源进口温度高于工质临界温度时
，线出现异常，特别是当蒸发温度接近临界温度时
，效率急剧增大。另外，从图３可看出，
当蒸发温
Ｆｉ．３ Ｃｈａｎｅｏｆｅｘｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｗｉｔｈ ｇｇｇｙｙ
ｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｏｆｈｅａｔｓｏｕｒｃｅ ｐ
度约低于３５０Ｋ时，
高温热源所对应的于低温热源所对应的
效率。
效率略低
２．３
窄点温差对系统效率的影响
本文选取３、５、８、１３和１５Ｋ５个不同窄点温差，经分析其对所选工质系
统现，窄点温差对系
统
效率的影响发
效率的影响大致一样。
以下以湿工质ｉｓｏｒｏａｎｏｌ和等熵工质Ｒ１２３进行ｐｐ
·８２４·
化 工 学 报 ４卷 第６
图４ ｉｓｏｒｏａｎｏｌ
窄点温差对ｐｐ
效率的影响
Ｆｉ．４ Ｅｆｆｅｃｔｏｆｉｎｃｈｏｉｎｔｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｎｅｘｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｆｏｒｉｓｏｒｏａｎｏｌ ｇｐｐｐｇｙｙｐｐ
分析。
图４和图５示出热源进口温度分别为４３３．１５、４５３．１５、４７３．１５和４９３．１５Ｋ时，窄点温差对工质ｉｓｏｒｏａｎｏｌ和Ｒ１２３
系统效率的影响。结合表１ｐｐ可看出，当热源进口温度不高于循环工质临界温度时，
系统小，
系统
效随蒸发温度的升高先增大后减小有一效率越高，能量有效利用率越大。这是
极大值；同一热源进口温度条件下，窄点温差越由于窄点温差越小，工质和余热间不可逆热交换温差越小，从而降低了过程中的不可逆损失。对于抛物Ｒ１２３，不同窄点温差下，系
统效率均呈“线”状；热源温度、蒸发温度和窄点温差分别为４７３．１５、４５０和３Ｋ时，系
统效率存在一极小值；当热源进口温度高于临界温度约为１０Ｋ以上时，
窄点温差对
效率的影响并不明显。随蒸发温
度升高
，效率不断增大，无极值点。
３ 结 论
本文基于热力学理论，计算比较分析了１０种
工质最大做功能力和系统结论。
）亚临界状态下，针对有机朗肯循环输出的（１
最大净输出功，每种工质均存在一个最佳蒸发温度，且工质临界温度越高，最佳蒸发温度越高。
（）
热源温度对系统２
效率影响显著。当热源
温度高于工质临界温度２倍的窄点温差时，
系统效率在接近工质临界温度时将随蒸发温度升高而增大；反之，则类似工质最大做功能力随蒸发温度的变化曲线一样，存在最佳蒸发温度，
使最大。
效率
效率的特性，得出以下
第３期 张军辉等：
有机朗肯循环系统最佳蒸发温度和分析
·８２５·
图５ Ｒ１２３
窄点温差对
效率的影响
Ｆｉ．５ ＥｆｆｅｃｔｏｆｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｎｅｘｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｆｏｒＲ１２３ｉｎｃｈｏｉｎｔ ｇｐｇｙｙｐｐ
（）
窄点温差对不同工质系统效率的影响基３
本相同。窄点温差较小时，
系统效率较大；随窄点温差增大，
系统Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ
［］ Ｌ，Ｌ，Ｓ１ｉａｎｏｎｋｕｉ（连红奎）ｉａｎ（李艳）ｈｕ Ｈ Ｙｇ
，Ｇ束光阳子）顾春伟）Ｇｕａｎａｎｚｉ（ｕＣｈｕｎｗｅｉ（．Ａｎ ｇｙｇｏｖｅｒｖｉｅｗｏｆｄｏｍｅｓｔｉｃｔｅｃｈｎｏｌｏｉｅｓｆｏｒｗａｓｔｅｈｅａｔｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｇ［］，２节能技术）Ｊ．ＥｎｅｒＣｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏ０１１，ｇｙ ｇｙ（）：１２９（２２３１３３－
［］ Ｃ崔俊奎）２ｕｉＪｕｎｋｕｉ（．Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃａｎａｌｓｉｓｏｆｂｉｎａｒｃｃｌｅ ｙｙｙｙ
ｏｗｅｒｅｏｔｈｅｒｍａｌｎｉｓｔｒｉｂｕｔｅｎｅｒｓｔｅｍｎｄ ｉ ｄ ｇ ｅ ａｐｇｙｙ ｓｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｌｉｎｖｅｓｔｉａｔｉｏｎｏｆｃａｓｃａｄｅｄｈｅａｔｉｎｓｓｔｅｍ［Ｄ］． ｇｇｙｐ ，２Ｔｉａｎｉｎ：ＴｉａｎｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔ００９ ｊｊｙ
［］ Ｈ，Ｌ，Ｇ，Ｘ，Ｘ３ｅＣｈａｏｉｕＣｈａｏａｏＨｏｎｉｅＨｕｉｕＪｉｎｌｉａｎ． ｇｇ
Ｔｈｅｏｔｉｍａｌｅｖａｏｒａｔｉｏｎｔｅｍｅｒａｔｕｒｅａｎｄｗｏｒｋｉｎｆｌｕｉｄｓｆｏｒ ｐｐｐｇ ］ｓｕｂｃｒｉｔｉｃａｌｏｒａｎｉｃＲａｎｋｉｎｅｃｃｌｅ［Ｊ．Ｅｎｅｒ０１２，３８ ｇｙｇｙ，２（）：１１３６１４３－
［］ Ｌ，Ｈ，Ｇ，Ｘ，Ｘ４ｉｕｈａｏｅｈａｏａｏｏｎｕｉａｏｘｉａｏｕ Ｃ Ｃ Ｈ Ｘｇ
ＪｉｎｌｉａｎＴｈｅｏｔｉｍａｌｅｖａｏｒａｔｉｏｎｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｏｆｓｕｂｃｒｉｔｉｃａｌ ｇ．ｐｐｐＯＲＣｂａｓｅｄｏｎｓｅｃｏｎｄｌａｗｅｆｆｉｃｉｅｎｃｆｏｒｗａｓｔｅｈｅａｔｒｅｃｏｖｅｒ ｙｙ ［］）：４Ｊ．Ｅｎｔｒｏ０１２，１４（３９１５０４－ｐｙ，２
［］ Ｗ，Ｇ，Ｗ５ａｎＺＱ，ＺｈｏｕＮＪｕｏＪａｎＸＹ．Ｆｌｕｉｄｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｇｇ
ａｎｄａｒａｍｅｔｒｉｃｏｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｏｒａｎｉｃＲａｎｋｉｎｅｃｃｌｅｕｓｉｎ ｐｐｇｙｇ］：ｌｏｗｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｗａｓｔｅｈｅａｔ［Ｊ．Ｅｎｅｒ０１２，４０（１） ｐｇｙ，２１０７１１５－
［］ Ｌ，Ｗ，Ｍ６ｉｕＪｉｆｅｎ（刘继芬）ａｎｉｎｆｕ（王景甫）ａ ｇｇ Ｊ
，Ｗ，Ｚ马重芳）王伟）ａｎＷｅｉ（ｈａｎＹｏｎＣｈｏｎｆａｎｇ ｇｇｇｇ（ （张勇）．Ｏｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｃｃｌｅｉｎｌｏｗ ｍｅｄｉｕｍａｒａｍｅｔｅｒｓ ｐｙｐｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｅｏｔｈｅｒｍａｌｏｗｅｒｅｎｅｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＣＩＥＳＣ ｐｇｐｇ，２）：１化工学报）Ｊｏｕｒｎａｌ（０１１，６２（Ｓ１９０１９５－
［］ Ｗ，Ｗ，Ｇ王辉涛）王华）７ａｎＨｕｉｔａｏ（ａｎＨｕａ（ｅＺｈｏｎ ｇｇｇ
（，Ｌ葛众）冷婷婷）ｅｎＴｉｎｔｉｎ．Ｏｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅ ｇｇｇ（ｐ ｌｏｗｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｈｅａｔｏｒａｎｉｃＲａｎｋｉｎｅｅｏｔｈｅｒｍａｌｏｗｅｒｅｄ－ ｐｇｐｇ，２工业加热）ｃｃｌｅ［Ｊ］．Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｈｅａｔｉｎ０１１，４０ｙｇ（（）：１３９２３－
［］ Ｈ，Ａ８ｕｓｓａｍｅｂｉａｎｌｅｘａｎｄｅｒｉｔｓｏｓ．Ａｏｕｂｌｅｉｎｃｈ Ｚ Ｍ ｄ－ｐ
ｃｒｉｔｅｒｉｏｎｆｏｒｒｅｅｎｅｒａｔｉｖｅＲａｎｋｉｎｅｃｃｌｅｓ［Ｊ］．Ｅｎｅｒ ｇｙｇｙ，）：２２０１２，４０（１５８２７０－
［］ Ｌ，Ｗ，Ｄ９ｉＹｏｕｒｏｎａｎｉａｎｎｉｎｕｅｉｔａｎ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆ Ｍ ｇｇｇｇ Ｊ
ｃｏｕｌｅｄｉｎｃｈｏｉｎｔｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅａｎｄｅｖａｏｒａｔｉｏｎ ｐｐｐｐｐ］ｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｏｎｏｆｏｒａｎｉｃＲａｎｋｉｎｅｃｃｌｅ［Ｊ．ｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｐｇｙｐ）：５Ｅｎｅｒ０１２，４２（１０３５０９－ｇｙ，２
［］ Ｌ，Ｃ，Ｗ１０ｉｕＢｏｔａｏｈｉｅｎＫｕｏｈｓｉａｎａｎＣｈｉｃｈｕａｎ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆ ｇｇ
ｗｏｒｋｉｎｆｌｕｉｄｓｏｎｏｒａｎｉｃＲａｎｋｉｎｅｃｃｌｅｆｏｒｗａｓｔｅｈｅａｔ ｇｇｙ
效率减小。
·８２６·
化 工 学 报
）：５Ｍａｎａｅｍｅｎｔ，２００１，４２（５３９５５３－ｇ
４卷 第６
］）：１ｒｅｃｏｖｅｒＪ．Ｅｎｅｒ００４，２９（８２０７１２１７－ｙ［ｇｙ，２
［］ Ｌ，Ｘ１１ｉＷ，ＦｅｎＸ，Ｙｕｕ．Ｅｆｆｅｃｔｓｆｖａｏｒａｔｉｎ Ｌ Ｊ ｏ ｅｇｊｐｇ
ａｎｄｉｎｔｅｒｎａｌｈｅａｔｅｘｃｈａｎｅｒｏｎｏｒａｎｉｃＲａｎｋｉｎｅｔｅｍｅｒａｔｕｒｅ ｐｇｇｃｃｌｅ［Ｊ］．Ａｌｉｅｄ ＴｈｅｒｍａｌＥｎｉｎｅｅｒｉｎ０１１，３１ ｙｐｐｇｇ，２
（／）：４１７１８０１４４０２３－
［］ Ｌ１２ａｋｅｗ Ａ Ａ，ＢｏｌｌａｎｄＯ．Ｗｏｒｋｉｎｆｌｕｉｄｓｆｏｒｌｏｗｔｅｍｅｒａｔｕｒｅ －ｇｐ
ｓｏｕｒｃｅ［Ｊ］．Ａｌｉｅｄ ＴｈｅｒｍａｌＥｎｉｎｅｅｒｉｎ０１０，ｈｅａｔ ｐｐｇｇ，２）：１３０（１０２６２１２６８－
［］ Ｈ１３ｕｎＴｚｕｈｅｎ．ＷａｓｔｅｈｅａｔｒｅｃｏｖｅｒｏｆｏｒａｎｉｃＲａｎｋｉｎｅ－Ｃ ｇｙｇ
［］ Ｔ１４ｃｈａｎｃｈｅＢＦ，ＰａａｄａｋｉｓＧ，ＬａｍｂｒｉｎｏｓＧ，Ｆｒａｎｏｕｄａｋｉｓ ｐｇ
ｅｌｅｃｔｉｏｎｏｒｏｗｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｏｌａｒｒａｎｉｃＡ．Ｆｌｕｉｄ ｓ ｆ ａ ｌ－ ｓ ｏｐｇ］Ｒａｎｋｉｎｅｃｃｌｅ［Ｊ．Ａｌｉｅｄ ＴｈｅｒｍａｌＥｎｉｎｅｅｒｉｎ００９， ｙｐｐｇｇ，２／）：２２９（１１１２４６８２４７６－
［］ Ｈ１５ｕｎＴＣ，ＷａｎＳＫ，ＫｕｏＣ Ｈ，ＰｅｉＢＳ，ＴｓａｉＫＦ．Ａ ｇｇ
ｏｆｏｒａｎｉｃｗｏｒｋｉｎｆｌｕｉｄｓｏｎｓｓｔｅｍｅｆｆｉｃｉｅｎｃｏｆａｎｓｔｕｄ ｙｇｇｙｙ ］ＯＲＣｕｓｉｎｌｏｗｒａｄｅｅｎｅｒｓｏｕｒｃｅｓ［Ｊ．Ｅｎｅｒ０１０， － ｇｇｇｙｇｙ，２ ）：１３５（３４０３１４１１－
ｃｙｃｌｅ ｕｓｉｎｇ ｄｒｙ ｆ
ｌｕｉｄｓ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ
４卷 第３期 第６０１３年３月 ２ 化 工 学 报
ＩＥＳＣ Ｊｏｕｒ
ｎａｌ Ｃ ｏｌ．６４ Ｎｏ．３ Ｖ
ａｒｃｈ０１３ Ｍ ２
檭檭殐
檭檭檭檭檭殐
：Ｓ，ｃＡｂｓｔｒａｃｔｉｎｃｅｅｎｅｒｉｓｓｕｅｓｂｅｃｏｍｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｌｕｒｅｎｔｉｎｔｈｅｗｏｒｌｄｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅｉｎｔｅｒｅｓｔｈａｓｆｏｃｕｓｅｄ ｇｙｇｙｇ
ｒａｄｅｏｎｔｈｅｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｌｏｗｗａｓｔｅｈｅａｔ．ＯｒａｎｉｃＲａｎｋｉｎｅｃｃｌｅ（ＯＲＣ）ｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｒｏｕｔｅｓｔｏ －ｇ ｇｙ，ｔｔｈｅｌｏｗｗａｓｔｅｈｅａｔｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔ．Ｉｎｔｈｉｓｓｔｕｄｈｅｍａｘｉｍｕｍｕｓｅｆｕｌｏｕｔｕｔｗｏｒｋａｎｄｒａｄｅｔｒａｎｓｆｏｒｍ －ｇ ｙｙｐｅｘｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｏｆｔｈｅＯＲＣａｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄａｓｔｈｅｏｂｅｃｔｉｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．１０ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗｏｒｋｉｎｆｌｕｉｄｓａｒｅｃｈｏｓｅｎ ｇｙｙｊｇ ｔｏｃｏｍｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｉｎｖｅｓｔｉａｔｅａｎｄａｎａｌｚｅｔｈｅｉｍｏｒｔａｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｔｗｏｏｂｅｃｔｉｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓｉｎ ｐｙｇｙｐｊ ｔｈｅｓｕｂｃｒｉｔｉｃａｌｓｔａｔｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔａｎｏｔｉｍａｌｅｖａｏｒａｔｉｎｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｅｘｉｓｔｓｆｏｒｅａｃｈｗｏｒｋｉｎ ｐｐｇｐｇ
，ａ，ｔ，ｔｆｌｕｉｄｔｗｈｉｃｈｔｈｅｕｓｅｆｕｌｗｏｒｋｉｓｔｈｅｍａｘｉｍｕｍ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒｈｅｈｉｈｅｒｔｈｅｃｒｉｔｉｃａｌｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｈｅ ｇｐ，ｈｉｈｅｒｔｈｅｏｔｉｍａｌｅｖａｏｒａｔｉｎｔｅｍｅｒａｔｕｒｅ．Ｉｔｉｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｆｏｒｔｈｅｓａｍｅｈｅａｔｓｏｕｒｃｅｔｈｅｅｘｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃ ｇｐｐｇｐｇｙｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｉｎｃｈｏｉｎｔｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ．Ｆｏｒｔｈｅｓａｍｅｉｎｃｈｏｉｎｔｔｅｍｅｒａｔｕｒｅ ｐｐｐｐｐｐ
，ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｔｈｅｅｘｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｈａｓａｍａｘｉｍｕｍｖａｌｕｅｗｈｅｎｔｈｅｈｅａｔｓｏｕｒｃｅｉｎｌｅｔｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｉｓｔｗｉｃｅｏｆ ｇｙｙｐ ，ｔｉｎｃｈｏｉｎｔｔｈｅｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｌｏｗｅｒｔｈａｎｔｈｅｃｒｉｔｉｃａｌｔｅｍｅｒａｔｕｒｅ．Ｏｔｈｅｒｗｉｓｅｈｅｅｘｅｒ ｐｐｐｐｇｙｋｅｅｓｉｎｃｒｅａｓｉｎｗｉｔｈｔｈｅｈｅａｔｓｏｕｒｃｅｔｅｍｅｒａｔｕｒｅ．Ｔｈｅｓｅｒｅｓｕｌｔｓｓｏｍｅｖａｌｕａｂｌｅｒｏｖｉｄｅｕｉｄａｎｃｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃ ｐｇｐｙｐｇ ｏｔｉｍｉｚｅｔｈｅＯＲＣｓｓｔｅｍａｎｄｓｃｒｅｅｎｗｏｒｋｉｎｆｌｕｉｄ．ｔｏ ｐｙｇ
：ｏ；ｏ；ｅ；ｍＫｅｗｏｒｄｓｒａｎｉｃＲａｎｋｉｎｅｃｃｌｅｔｉｍａｌｅｖａｏｒａｔｉｎｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｘｅｒａｎａｌｓｉｓａｘｉｍｕｍｕｓｅｆｕｌ ｇｙｐｐｇｐｇｙｙｙ ｗｏｒｋ
檭檭檭檭檭殐
究生。
研究论文
１２
（）重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室，重庆４重庆大学动力工程学院，重庆４０００４４；０００４４
摘要：随着能源问题日益突出，低温烟气余热深度利用成为了研究热点领域。其中，有
机朗肯循环是实现低品位余热转换为电能的一有效途径。基于热力学基本定律，以有机朗肯循环系统最大做功能力和
效率为目标函
数，计算分析了１０种不同工质在亚临界状态下以上两种目标函数的特性。结果表明，
每种工质均存在一最佳蒸发温度使循环净输出功最大，而且工质临界温度越高，对应的最佳蒸发温度也越高；热源温度
相同时，系统效率随窄点温差增大而减小；同一窄点温差时，当热源温度不超过临
界温度两倍的窄点温差时，关键词：有机朗肯循环；最佳蒸发温度；
分析；最大做功能力
）０文章编号：０４３８－１１５７（２０１３３－０８２０－０７
效率有一最
大值；反之，则随蒸发温度升高不断增大。这些将为有机朗肯循环工质选择和性能优化提供理论指导。：１／．ｉｓｓｎ．０４３８ＤＯＩ０．３９６９１１５７．２０１３．０３．００６－ｊ中图分类号：ＴＫ０９ 文献标志码：Ａ
ＯｔｉｍａｌｅｖａｏｒａｔｉｎｔｅｍｅｒａｔｕｒｅａｎｄｅｘｅｒａｎａｌｓｉｓｆｏｒｏｒａｎｉｃＲａｎｋｉｎｅｃｃｌｅ ｐｐｇｐｇｙｙｇｙ
１２１２１２
ＺＨＡＮＧＪｕｎｈｕｉＩＵＪｕａｎｆａｎＨＥＮＱｉｎｈｕａ ，Ｌ ｇ，Ｃｇ
１ （ＫｅＬａｂｏｒａｔｏｒｏＬｏｗ－ｒａｄｅＥｎｅｒＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｉｅｓａｎｄ Ｓｓｔｅｍｓ，ＣｈｏｎｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｈｏｎｉｎ ｙ ｙｆ ｇｇｙ ｇｙｇｑｇ ｙ，Ｃｇｑｇ
２
４０００４４，Ｃｈｉｎａ；ＣｏｌｌｅｅｏＰｏｗｅｒＥｎｉｎｅｅｒｉｎｈｏｎｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｈｏｎｉｎ０００４４，Ｃｈｉｎａ） ｇｆ ｇｇ，Ｃｇｑｇ ｙ，Ｃｇｑｇ４
０１２－０５－０８收到初稿，２０１２－０９－１９收到修改稿。 ２
，男，硕士研联系人：刘娟芳。第一作者：张军辉（１９８８—））。基金项目：国家重点基础研究发展计划项目（２０１１ＣＢ７１０７０１
檭檭殐
有机朗肯循环系统最佳蒸发温度和
２２２
，刘娟芳１，，陈清华１，张军辉１，
分析
，，，
：２ｅｃｅｉｖｅｄｄａｔｅ０１２－０５－０８． Ｒ
：Ｌ，ＣｏｒｒｅｓｏｎｄｉｎａｕｔｈｏｒＩＵＪｕａｎｆａｎｕａｎｆａｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ ＠ｃｇｊｇｑｐｇ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｉｔｅｍ：ｓｕｏｒｔｅｄｂｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＢａｓｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏ －ｐｐｙ ）ｒａｍｏｆＣｈｉｎａ（２０１１ＣＢ７１０７０１． ｇ
第３期 张军辉等：
有机朗肯循环系统最佳蒸发温度和分析
·８２１·
引 言
从能源消耗结构看，我国工业能耗约占总能耗的７０％，而工业能耗的６０％～６５％均转化为不同温度的余热，其中低于２３０℃的低品位余热数量极
１］
。这些余热若直接排放到环境，不仅会造其庞大［
到的极限最佳蒸发温度。窄点温差对ＯＲＣ的经
［］
济性能密切相关，Ｈｕｓｓａｍ等８首先从理论上提
［］出了双窄点的概念；Ｌｉ等９则分析了双窄点温
差和蒸发温度对换热器的影响。本文利用相关理论，分析了不同大小的窄点温差对循环系统最佳蒸发温度和系
统
效率的影响。
基于卡诺定理，本文选取了不同以上文献的以ＯＲＣ系统最大做功能力及其对应
的效率作为目标函数，分析亚临界ＯＲＣ系统的最佳蒸发温度以
及热源温度和窄点温差对系统
效率的影响。相比
较上述文献，采用以上两个目标函数计算分析时，只需工作流体在两器中饱和液的热力学参数，无须直接考虑其他状态点参数，整个分析计算过程较为简便。本文的研究可为ＯＲＣ循环最佳工质的选择和低温烟气余热的回收利用提供一定的理论分析依据。
成资源浪费，而且还将引起不同程度热污染。如何有效地回收利用这些余热，就成为目前亟待解决的能源问题之一。根据“温度对口，梯级利用”的能
２］
，有机朗肯循环（源利用原则［ＯＲＣ）以其设备
简单、维护方便等优点，成为当前低品位余热回收
利用的一种有效方法。
ＯＲＣ是利用有机工质替代水蒸气作为循环工质的动力循环。与传统朗肯循环相比，工作温度和工作压力较低，更适于回收利用低温余热。目前ＯＲＣ的研究主要集中于性能的改善和运行参数的优化，其中不少文献对最佳蒸发温
３７］８９］－－度［和窄点温差［两个重要参数进行了研究［］［］分析。如Ｈｅ等３和Ｌｉｕ等４分别计算分析了不
１ ＯＲＣ系统及热力学分析模型
１．１ ＯＲＣ系统模型
ＯＲＣ系统由４个主要部件组成，分别为蒸发
器、冷凝器、工质泵和透平，循环过程及相应温熵图如图１所示。循环工质在蒸发器中吸收余热，蒸）；蒸汽进入透平膨胀做功，压发为蒸汽态（２３４－－
）；做功后的乏汽进入冷凝力减小，焓值降低（４５－；饱和液被器对冷凝剂放热，冷凝为饱和液（５１）－
工质泵加压至蒸发压力后送往蒸发器，从而完成一次循环。考虑摩擦等不可逆因素影响时，泵和透平内工质实际压缩和膨胀过程如Ｔ－ｓ图中的虚线。另外，余热在蒸发器内的换热过程也示在图中，其中
同工质以循环输出净功
和效率为目标函数的
效率越大，
最佳蒸发温度，研究结果表明，在定热源温度下，并非温度越高，循环净功
和
［５］
而是存在一最佳值；Ｗａｎｇ等则以单位输出功
所需换热面积和余热回收率为目标函数进行工
６］７］质选择和参数优化；刘继芬等［和王辉涛等［
以循环净输出电功为目标函数对中低温地热ＯＲＣ系统的最佳蒸发温度进行了研究分析。由于地热热源温度较低，一般在８０～１２０℃，因此相关结论并不适用本文研究的温度在１５０～２２０℃低温烟气余热。另外，本文通过选择不同的目标函数，分析亚临界状态循环工质所能达
ＴＴｏｉｎ、ｕｔ和Ｔｍ分别为余热在蒸发器进口、出口和窄点温度
。
图１ ＯＲＣ系统简化模型及温熵图
）ａ）ｏＦｉ．１ ＳｋｅｔｃｈｏｆＯＲＣｓｓｔｅｍ（ａｎｄＴ－ｓｄｉａｒａｍ（ｂｆＯＲＣ ｇｙｇ
·８２２·
１．２ 热力学分析模型
化 工 学 报
表１ 工质性质参数
４卷 第６
１．２．１ 最大做功能力 由卡诺定理可知，单位质量工质经工作在温度Ｔ１０和Ｔ２０间可逆热机输出的最大净功为
Ｗ＝１－
Ｗｏｒｋｉｎｇｆｌｕｉｄ
Ｔａｂｌｅ１ Ｐｒｏｅｒｔｉｅｓｏｆｗｏｒｋｉｎｆｌｕｉｄｓ ｐｇ
Ｍｏｌｅｃｕｌａｒｗｅｉｈｔｇ
－１／·ｍｏｌｇ
Ｃｒｉｔｉｃａｌｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｐ
／Ｋ４６９．７５ ４６８．４５ ５０７．８５ ５０８．３５ ４０５．４５ ６４７．１５ ５１３．３５ ４７１．１５ ４５６．８５ ４８７．２５
Ｃｒｉｔｉｃａｌｒｅｓｓｕｒｅｐ
／ＭＰａ３．３７２．２３３．０６４．７６１１．３３２２．０６８．１０４．４１３．６７３．４４
Ｔｅｏｆ ｙｐｆｌｕｉｄｓｄｒｙｄｒｙｄｒｙｗｅｔｗｅｔｗｅｔｗｅｔｉｓｅｎｔｒｏｉｃｐｉｓｅｎｔｒｏｉｃｐｉｓｅｎｔｒｏｉｃｐ
（
１０
ＱＴ２０
）
（）１
ｅｎｔａｎｅｎ－ ｐＨＦＥ７１００
７２．１５ ２５０ ８６．１７ ６０．１ １７．０３ １８．０２ ３２．０４ １３７．４ １５２．９ １８７．４
式中 Ｔ１Ｑ为单位０和Ｔ２０分别为冷源和热源温度，
质量工质经可逆热机从热源所吸收的热量。其中，工质从热源的吸热过程和向冷源的放热过程均是无温差的可逆换热过程。
忽略泵功和假设透平效率为１时，经ＯＲＣ后单位质量工质的最大做功能力可表示为
２
）（／／（２Ｗ＝ｒ１－Ｔ１Ｔ３）Ｔ３－Ｔ１）Ｔ３＋Ｔ１）（＋ｃｌ（ｐ
ｎｈｅｘａｎｅ－
ｉｓｏｒｏａｎｏｌ ｐｐ
（Ｒ７１７ＮＨ３）（Ｒ７１８Ｈ２Ｏ）ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｒ１１ Ｒ１２３ Ｒ１１３
其中，ｒ是蒸发段工质的汽化潜热；ｃｌ为预热段工ｐ质的比定压热容，计算中作常数处理；Ｔ３为蒸发温度；Ｔ１为冷凝温度。
当考虑泵和透平的效率时，最大做功能力则为
２
（／／（］Ｗ＝［ｒ１－Ｔ１Ｔ３）Ｔ３－Ｔ１）Ｔ３＋Ｔ１）＋ｃｌ（ｔ－ｐη
象，其温度范围为４３３．１５～４９３．１５Ｋ。环境温度和冷凝温度分别设定为２９３．１５和３０３．１５Ｋ。分析计算中假设：①忽略管道内压降和其他不可逆因素；②整个循环处于稳态；③泵和透平的绝热效率分别为０．８０和０．８５。
２．１ 蒸发温度对最大输出有用功的影响
亚临界状态时，蒸发温度对所选工质最大做功能力的影响如图２所示。从图中可看出，最大做功能力并未随蒸发温度升高单调增加，而是先增大后减小，有一极大值，其所对应的蒸发温度为最佳值，由此而得到的工作最佳蒸发温度及其对应的最大做功能力列于表２。分析比较可得出，
冷凝温度一定时，湿工质做功能力高于干工质，等熵工质最弱。无机工质Ｒ７１７最佳蒸发温度最低，而Ｒ７１８最高且最佳蒸发温度对应的做功能力最大。但由于两种无机工质工作压力相对较高，Ｒ７１７还具有腐蚀性，因此，并不适于低品位余热的回收利用。另
／ｖ１（３－ｐ１）ｐｐη
（）３
式中 ｖｔ和η１为ｐ分别为透平和泵的绝热效率；η状态１点的比体积；ｐ１和ｐ３分别为冷凝压力和蒸发压力，即循环中冷凝温度和蒸发温度所对应的饱和压力。１．２．２
效率 ＯＲＣ
系统最大做功能力所对应的
ｅｘ＝ηＥ０
（）４
效率可表示为
式中 Ｗ为式（２）或式（３）中所表示的最大有用功，Ｅ０为余热烟气从进口温度Ｔｉｎ冷却到环境温度
Ｔ０
时所具有的值。
）进一步转化可得将式（４
ｅｘ＝η
ＴＴｉｎ（ｉｎＴ３Ｔｐ）２
（ｒＴｉｎ－Ｔ０）
（）５
（）中的Ｔｍ－Ｔ３。其中，Ｔｐ为窄点温差，即图１ｂ
２ 结果和讨论
根据温熵图中工质饱和汽化线的斜率，可将其
］１０１１－
。循环工分为干工质、湿工质和等熵工质３类［
质的选择对ＯＲＣ性能有着十分重要的影响，选择时应考虑工质热力学特性、可燃性、挥发性、腐蚀、全球变暖潜能值性、臭氧消耗潜值（ＯＤＰ）
［２］１５－
（。本文主要考虑热力学性质，ＧＷＰ）等因素１
选择的工质及相应参数列于表１。
本文以某工业装置排出的余热废气作为研究对
图２ 蒸发温度和最大输出有用功的关系Ｆｉ．２ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｂｅｔｗｅｅｎｅｖａｏｒａｔｉｏｎｔｅｍｅｒａｔｕｒｅ ｇｐｐｐ
ａｎｄｍａｘｉｍｕｍｕｓｅｆｕｌｏｕｔｕｔｗｏｒｋ ｐ
第３期 张军辉等：
有机朗肯循环系统最佳蒸发温度和分析
·８２３·
外，从表２可看出，等熵工质Ｒ１１、Ｒ１２３和Ｒ１１３的最佳蒸发温度和最大做功能力均较为接近，分别
－１
·ｋ在４４０～４８０Ｋ和４２～５０ｋＪｇ之间。结合表１
可知，朗肯循环中工质最大做功能力所对应的最佳
蒸发温度，不仅取决于工质本身的性质，还受其临界温度制约。
表２ 工质最佳蒸发温度及对应的最大输出功Ｔａｂｌｅ２ Ｏｔｉｍａｌｅｖａｏｒａｔｉｏｎｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｏｆｗｏｒｋｉｎｆｌｕｉｄｓ ｐｐｐｇ
ｃｏｒｒｅｓｏｎｄｉｎｍａｘｉｍｕｍｏｕｔｕｔｗｏｒｋａｎｄ ｐｇｐ
Ｗｏｒｋｉｎｆｌｕｉｄ ｇ
／ＯＥＴＫ ４５７．１ ４６３．０ ４９３．２ ４８９．８ ３８２．０ ５７８．５ ４８０．６ ４４９．９ ４４１．９ ４７４．６
－１／·ｋＭＵＷｋＪｇ
ｎｅｎｔａｎｅ－ ｐ
ＨＦＥ７１００
１０８．８２１４７．５６０１４４．９５７２２２．３２１３９．３４１８６９．２４９２９４．１５２４４．２９６４２．５０４４９．３７１
ｎｈｅｘａｎｅ－
ｉｓｏｒｏａｎｏｌ ｐｐ
Ｒ７１７ Ｒ７１８ ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｒ１１ Ｒ１２３ Ｒ１１３
２．２
热源温度对系统
在分析热源温度
对
效率的影响
效率的影响时，
据
效
率是否有极大值，将所选８种有机工质分为两、ｍ类：ｉｓｏｒｏａｎｏｌｅｔｈａｎｏｌ和ｎｈｅｘａｎｅ为一类，－ｐｐ
、其余为另一类。以下选取ｉ湿工质）ｓｏｒｏａｎｏｌ（ｐｐ等熵工质）和Ｈ干工质）进行Ｒ１２３（ＦＥ７１００（
分析。
图３分别示出窄点温差为５Ｋ、热源进口温度不同时，３
种工质所对应的系统工质临界温度时，
系统
效率随蒸发温度
的变化曲线。从图中可看出，当热源进口温度低于
效率均随蒸发温度的升高
先增大后减小，呈开口向下的“抛物线”形状，类似于工质最大做功能力随蒸发温度的变化曲线。最
大
效率对应的蒸发温度为其最佳值，
并且最高
图３
热源温度对
效率的影响
效率随热源温度升高而增大。通过图３及其他工质的计算发现，当热源温度低于临界温度时，
系统效率随蒸发温度升高，均呈类似开口向下的“抛物线”的形状；而高于临界温度约２倍的窄点温差时，且当蒸发温度临近临界温度时，
系统
效率曲
曲
线将随蒸发温度的升高而增大。最佳蒸发温度也变大。但当热源进口温度高于工质临界温度时
，线出现异常，特别是当蒸发温度接近临界温度时
，效率急剧增大。另外，从图３可看出，
当蒸发温
Ｆｉ．３ Ｃｈａｎｅｏｆｅｘｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｗｉｔｈ ｇｇｇｙｙ
ｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｏｆｈｅａｔｓｏｕｒｃｅ ｐ
度约低于３５０Ｋ时，
高温热源所对应的于低温热源所对应的
效率。
效率略低
２．３
窄点温差对系统效率的影响
本文选取３、５、８、１３和１５Ｋ５个不同窄点温差，经分析其对所选工质系
统现，窄点温差对系
统
效率的影响发
效率的影响大致一样。
以下以湿工质ｉｓｏｒｏａｎｏｌ和等熵工质Ｒ１２３进行ｐｐ
·８２４·
化 工 学 报 ４卷 第６
图４ ｉｓｏｒｏａｎｏｌ
窄点温差对ｐｐ
效率的影响
Ｆｉ．４ Ｅｆｆｅｃｔｏｆｉｎｃｈｏｉｎｔｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｎｅｘｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｆｏｒｉｓｏｒｏａｎｏｌ ｇｐｐｐｇｙｙｐｐ
分析。
图４和图５示出热源进口温度分别为４３３．１５、４５３．１５、４７３．１５和４９３．１５Ｋ时，窄点温差对工质ｉｓｏｒｏａｎｏｌ和Ｒ１２３
系统效率的影响。结合表１ｐｐ可看出，当热源进口温度不高于循环工质临界温度时，
系统小，
系统
效随蒸发温度的升高先增大后减小有一效率越高，能量有效利用率越大。这是
极大值；同一热源进口温度条件下，窄点温差越由于窄点温差越小，工质和余热间不可逆热交换温差越小，从而降低了过程中的不可逆损失。对于抛物Ｒ１２３，不同窄点温差下，系
统效率均呈“线”状；热源温度、蒸发温度和窄点温差分别为４７３．１５、４５０和３Ｋ时，系
统效率存在一极小值；当热源进口温度高于临界温度约为１０Ｋ以上时，
窄点温差对
效率的影响并不明显。随蒸发温
度升高
，效率不断增大，无极值点。
３ 结 论
本文基于热力学理论，计算比较分析了１０种
工质最大做功能力和系统结论。
）亚临界状态下，针对有机朗肯循环输出的（１
最大净输出功，每种工质均存在一个最佳蒸发温度，且工质临界温度越高，最佳蒸发温度越高。
（）
热源温度对系统２
效率影响显著。当热源
温度高于工质临界温度２倍的窄点温差时，
系统效率在接近工质临界温度时将随蒸发温度升高而增大；反之，则类似工质最大做功能力随蒸发温度的变化曲线一样，存在最佳蒸发温度，
使最大。
效率
效率的特性，得出以下
第３期 张军辉等：
有机朗肯循环系统最佳蒸发温度和分析
·８２５·
图５ Ｒ１２３
窄点温差对
效率的影响
Ｆｉ．５ ＥｆｆｅｃｔｏｆｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｎｅｘｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｆｏｒＲ１２３ｉｎｃｈｏｉｎｔ ｇｐｇｙｙｐｐ
（）
窄点温差对不同工质系统效率的影响基３
本相同。窄点温差较小时，
系统效率较大；随窄点温差增大，
系统Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ
［］ Ｌ，Ｌ，Ｓ１ｉａｎｏｎｋｕｉ（连红奎）ｉａｎ（李艳）ｈｕ Ｈ Ｙｇ
，Ｇ束光阳子）顾春伟）Ｇｕａｎａｎｚｉ（ｕＣｈｕｎｗｅｉ（．Ａｎ ｇｙｇｏｖｅｒｖｉｅｗｏｆｄｏｍｅｓｔｉｃｔｅｃｈｎｏｌｏｉｅｓｆｏｒｗａｓｔｅｈｅａｔｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｇ［］，２节能技术）Ｊ．ＥｎｅｒＣｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏ０１１，ｇｙ ｇｙ（）：１２９（２２３１３３－
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ｏｗｅｒｅｏｔｈｅｒｍａｌｎｉｓｔｒｉｂｕｔｅｎｅｒｓｔｅｍｎｄ ｉ ｄ ｇ ｅ ａｐｇｙｙ ｓｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｌｉｎｖｅｓｔｉａｔｉｏｎｏｆｃａｓｃａｄｅｄｈｅａｔｉｎｓｓｔｅｍ［Ｄ］． ｇｇｙｐ ，２Ｔｉａｎｉｎ：ＴｉａｎｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔ００９ ｊｊｙ
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效率减小。
·８２６·
化 工 学 报
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４卷 第６
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ｏｆｏｒａｎｉｃｗｏｒｋｉｎｆｌｕｉｄｓｏｎｓｓｔｅｍｅｆｆｉｃｉｅｎｃｏｆａｎｓｔｕｄ ｙｇｇｙｙ ］ＯＲＣｕｓｉｎｌｏｗｒａｄｅｅｎｅｒｓｏｕｒｃｅｓ［Ｊ．Ｅｎｅｒ０１０， － ｇｇｇｙｇｙ，２ ）：１３５（３４０３１４１１－
ｃｙｃｌｅ ｕｓｉｎｇ ｄｒｙ ｆ
ｌｕｉｄｓ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ