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利用工业余热的有机朗肯循环的设计与优化

0引言

有机朗肯循环（ORC）是采用低沸点的有机物代替水作为循环工质的闭式朗

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肯循环，能够有效利用低品位潜能、设备相对简单、适用性强，同时不产生有

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害气体，对环境不污染，因此越来越得到人们的关注和研究。而对于热力学循

环而言，循环工质的物性是影响系统循环性能的重要因素，因此，对于循环工质

的选择成为研究有机朗肯循环的重要工作之一。

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乔卫来等采用RSK状态方程，针对R11、R21和R113等19种工质在临界

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温度下的蒸发过程进行了探究；李艳等对可用于工业低温余热回收的有机朗肯

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循环热力系统进行探究，并对其透平设计进行讨论；高建强等对超临界循环工

质的性能开展了热力学分析，得出R123较适合于超临界有机朗肯循环的结论。

随着学者和专家对有机朗肯循环的研究不断推进，越来越多的工质进入人们考虑

的范围之内，对朗肯循环系统效率及工程经济性等方面的要求也不断提高，因此，

选择合适的工质是研究有机朗肯循环的首要工作。

本项目中，选取R21、R12、R134a、R22、R717、R142b、R152a和R290

八种工质作为研究对象，分别对其热力学性能进行探究，并通过相互比较，得出

较为适合有机朗肯循环的优良工质。

1工质的选择

随着社会的不断进步，环境问题越来越严峻，在进行工业生产中，需要对排

放物做严格的控制和限制。针对有机朗肯循环的工质，评价其环保性能的重要指

标为ODP（ozonedepletionpotential）和GWP（GlobalWarmingPotential），即臭

氧层衰减指数和温室效应指数。

ODP是用来考察气体对臭氧破坏的潜在影响，GWP是一种物质产生温室效

应的一个指数。针对一个有机朗肯循环系统，我们在选择工质时，需考虑其环保

性就必须保证该工质尽可能不破坏大气层，即ODP值尽可能小，同时，还需保

证该工质对于全球变暖的影响也要小，即GWP值较小。此外，除工质环保性之

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外，我们还需要考虑工质的安全性能，如毒性、易燃易爆性和对设备的腐蚀性

等。

按照NIST提供的PEFROP程序，综合各项性能指标，我们选取R21、R12、

R134a、R22、R717、R142b、R152a和R290八种工质作为研究对象，所选工质

的部分物性参数见表1.

表1所选工质性能参数

Tab.1Propertiesofthecandidateorganicworkingfluids

循环工质分子量Tc/KPc/MPa大气寿命ODPGWP

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利用工业余热的有机朗肯循环的设计与优化

R21102.92451.525.191.70.010.05

R12120.91285.104.131000.821.0

R134a102.03374.184.061400.14

R2286.47369.284.99120.0340.17

R71717.03405.5011.330.0101

R142b100.50409.604.15