重庆大学动力工程学院研究生专业实验报告
2 膨胀机 1 冷凝器 发电机 蒸发器 工质泵 3 4 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：
Qcon?mW(h2?h3)?mL(hLb?hLa) （4.3）
mL为冷却工质的质量流量，对应的h为其焓值。
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：
W ? ( P 4 ? P 3 ) ? m w （4.4）
? ? Pump
P为压力，ρ为工质密度。泵出口的焓值可以由下式进行计算：
Pumph4?h3?WPumpmW （4.5）
定压加热（4-1）：高压的有机物工质液体，在蒸发器中被加热，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。
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这个过程可以由以下的方程进行描述：
Qeva?mW(h1?h4)?mH(hHa?hHb) （4.6）
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：
图4-2有机朗肯循环温熵图 S T 1 ? ? （4.7） ?WTur?WPumpQevah1?h2?WPumpmWh1?h4
有机朗肯循环系统在于对废热利用，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：
Wh?,e （4.8） Q evp ? Q H
?W为系统的有用功，即膨胀功减去泵功，QH,e为热源排放到环境中的
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80℃-100℃，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
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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。电热水器是为系统提供热源。系统的测试装置主要包括温度传感器、压力传感器、流量传感器、电参数测量装置，以及相应的二次仪表。
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； (f)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；
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(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； (l)切断各仪表电源，然后关闭控制柜电源；
(m)使用冷却水对系统进行冷却，半小时后关闭冷却水，之后再关闭ORC系统主管道各阀门。
7.测试数据 参数 热源入口温度℃ 热源出口温度℃ 工质泵出口温度℃ 蒸发器工质入口温度℃ 蒸发器工质出口压力MPa 膨胀机出口温度℃ 膨胀机出口压力MPa 储液罐压力MPa 储液罐温度℃ 工质流量L/min 膨胀机转速rpm 发电机负载W 发电机输出功率W 发电机输出电压V 发电机输出电流A 大气压力bar 环境温度℃
测试值 蒸发器工质出口（膨胀机入口）温度℃ 表格7-1
整个实验系统的性能指标主要包括：膨胀机输出功率、第一定律效率以及 热回收效率。
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系统的输出功率通过连接发电机后，测量发电机的输出电功率得到，测量的设备是功率分析仪。在实验过程中可能存在着净输出功率较小的现象，甚至有可能出现净输出功率为负。
在考查系统的第一定律效率时，也需要考虑泵耗功的影响。因此，在研究第一定律效率时，同时分析了考虑泵耗功与不考虑泵耗功时第一定律效率的变化情况。考虑泵耗功时的第一定律效率定义式为：
?1?WTur?WpumpmH(hHa?hHb)
(7.1)
上式中膨胀机的输出功率为电功率分析仪测试得到的发电机输出功率，hHahHb分别为热水进口焓值和热水在环境温度下对应的焓值，而分母为热水向系统传递的热量。因此上式定义的系统效率，包括了蒸发器的换热效率、有机物朗肯循环系统的效率、发电机的发电效率等因素。泵的耗功在实验过程中没有专门的设备进行测量，实验中采用计算泵进出口参数的方法计算其耗功。根据泵的基本原理，其耗功为：
W ? （7.2） Pump(P4?P3)?mw?Pump?当不考虑泵的耗功时，整个系统的第一定律效率定义式即为式(7.1)的分子项为，而分母项不变。同样的，分析热回收效率时，也分别研究了考虑泵耗功与不考虑泵耗功两种情况时的效率。考虑泵耗功时的热回收效率的定义式为：
2 ? ? （7.3） ?WQevp?QH,eWTur?WpumpmH(hHa?hHb)泵耗功的计算式与第一定律效率相同。而不考虑泵耗功时的热回收效率的定义式的分子为膨胀机输出功。
参考文献
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[1]. 顾伟, 低品位热能有机物朗肯动力循环机理研究和实验验证, 2010, 上海交通大学.
[2]. 郑浩等, 有机朗肯循环工质研究进展. 能源工程, 2008(4): 第5-11页. [3]. 魏东红等, 废热源驱动的有机朗肯循环系统变工况性能分析. 上海交通大学学报, 2006. 40(8): 第1398-1402页.
[4]. 冯惠生等, 工业过程余热回收利用技术研究进展. 化学工业与工程, 2012(1): 第57-64页.
[5]. 李宁等, 有机朗肯循环与再热式循环低温热源发电系统热力性能研究. 工业加热, 2012(2): 第44-47页.
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