基于液体分离冷凝技术的ORC（有机 Rankine Cycle）的组成调整策略研究及实验验证

《Energy》：Composition adjustment strategy investigation and experimental validation for a liquid separation condensation-based ORC

本文通过实验与仿真研究，提出了一种基于液滴分离冷凝器（LSC）的组成可调有机朗肯循环（LORC）。通过优化热沉流道方向，构建了改进的LSCU（DLSCU），使组成调节范围扩大。实验表明，改进的DLORC相比常规BLORC净功率提升6.40%，热效率提高7.12%，且较固定组成LORC分别提升3.60%和4.17%，验证了LSC在提升ORC变工况性能中的有效性。

　　

裴璐|黄俊轩|林毅伟|罗向龙|吴荣军|梁英宗|陈建勇|杨志|陈颖

中国广东工业大学材料与能源学院，广州

摘要

有机朗肯循环（ORC）在非设计条件下的性能经常会出现下降。在共沸ORC运行过程中，通过液相分离冷凝（LSC）来调节工作流体的组成是一种提高其性能的有效方法。随着ORC的快速发展，更复杂的运行场景对ORC的灵活性和高效性提出了更高的要求，同时也对组成调节提出了更高的要求。研究LSC的运行特性以增强其组成调节能力对于提高ORC性能至关重要。本研究对一种带有LSC单元的可调节组成ORC（LORC）进行了实验研究。开发了一个仿真模型，以揭示影响组成分离的关键因素，为LSC单元和调节策略的改进提供指导。通过比较验证了改进后的可调节组成LORC（DLORC）相较于常规的可调节组成LORC（BLORC）和固定组成的LORC的性能优势。通过调整LSC单元中的散热器流动方向，实现了更宽的组成调节范围，从而提高了DLORC的性能。DLORC的净功率输出和热效率分别比LORC高出6.40%和7.12%，比BLORC高出3.60%和4.17%。

引言

全球能源系统的演变在塑造现代社会中发挥了关键作用，推动了社会经济发展，同时也引发了关于可持续性和环境影响的严重关切[1]。低品位能源，如工业废热、太阳能和地热能，仍然未得到充分利用，尽管全球都在寻求可持续能源解决方案，但它们的利用率仍低于30%[2]。因此，促进能源的有效回收以实现可持续发展目标已成为一个紧迫的挑战[3]。目前，各种能源回收技术，如有机朗肯循环（ORC）[4]、斯特林循环[5]、卡利纳循环[6]和布雷顿循环[7]，对于提高能源效率和减少环境影响至关重要。其中，ORC因其结构简单和维护要求低而成为回收低品位热源的主要解决方案[8]。

由于ORC的运行温度相对较低，其运行性能特别容易受到边界条件变化的影响[9]。提高ORC的运行性能一直是学术界和工业界的关注焦点[4]。建立非设计条件下的控制方法对于提升ORC性能至关重要[10]。Fabio等人[11]发现，通过调节工作流体的质量流量可以改善ORC的非设计性能。Li等人[12]开发了膨胀机转速与功率之间的关联关系，以提升ORC的非设计性能。文献中陆续提出了多种ORC的非设计条件调节策略[13]。这些策略包括调节膨胀机转速[14]、运行压力[15]以及散热器或工作流体的质量流量[16,17]。然而，这些控制策略经常受到设备尺寸和流体特性的限制[18]。因此，迫切需要开发新的、高效的运行策略来提高ORC的运行性能。

在工作流体与热源/热汇之间的热匹配在ORC中尤为重要，因为其相对较低的运行温度会显著影响整体性能[19,20]。在以往的研究中，具有温度滑移特性的共沸混合物被广泛认为可以显著改善ORC系统内的热匹配[21]。Wang等人[22]发现，使用共沸混合物（R245fa/R141b）可将ORC的效率提高23.2%。对于共沸ORC，由于混合物的性质随组成变化而变化，因此在不同条件下优化的运行组成也会有所不同[23]。因此，近年来，组成调节作为一种创新的ORC控制策略应运而生[24]。它因能够在ORC运行过程中调节工作流体性质从而提高系统性能而受到广泛关注[25]。Collings等人[26]在运行过程中使用蒸馏柱调节了ORC的运行组成。结果表明，与固定组成的ORC相比，可调节组成的ORC的非设计性能提高了23%。蒸馏柱是一种高效的组成分离设备[27]。然而，其蒸馏过程需要额外的能量消耗，这会降低ORC的净功率输出（NPO）。液相分离冷凝器（LSC）是一种创新的热传递增强技术，能够在冷凝过程中提高蒸汽质量[28]。对于共沸ORC，LSC不仅作为一种热传递增强装置，还作为一种组成分离手段[29]。LSC能够将共沸流体分离成不同组成的蒸汽和液体混合物，且不会产生额外的能量消耗[25]。Sun等人[30]对使用LSC的可调节组成联合冷却和动力循环进行了实验研究。他们发现，组成调节可以将系统性能提高13.72%。作者之前已经建立了一种可调节组成的ORC，并开发了一种基于LSC的组成调节策略[31]。先前的研究通过实验验证了所提出的组成调节策略的有效性和可行性。结果表明，基于LSC的组成调节所需时间明显短于基于蒸馏柱的调节。在非设计条件下，所开发的可调节组成ORC的NPO比固定组成的ORC高出4.79%–9.71%。总之，基于液相分离冷凝的组成调节是一种有效的策略，可用于提高热力系统的非设计性能。基于液相分离冷凝的可调节组成ORC系统是一种极具前景的废热回收技术，其特点是具有全面的能力和灵活性。

先前的研究[31]表明，基于LSC的组成调节策略的开发对于提高ORC的能量利用效率具有重要意义。由于ORC技术的发展迅速且在低品位热能利用方面表现优异，近年来它越来越多地被集成到多联产系统中，例如用于氢气生产[32,33]和太阳能热能回收[34,35]。这些系统中更复杂的运行参数变化对ORC的灵活性和高效性提出了更高的要求，同时也对组成调节提出了更高的要求。正如先前的研究[31]所指出的，通过LSC实现更宽的ORC组成调节范围需要灵活的质量控制或多个组成分离步骤。然而，在固定配置的LSC中，这一要求限制了其在复杂场景中的有效性[36]。因此，有必要开发简单且零能耗的方法来提高基于LSC的组成调节能力。在先前的研究[31]中，采用了液相分离冷凝单元（LSCU）进行ORC组成调节。ORC与LSCU（LORC）的集成运行是一种缓解调节过程中不稳定性的可行方法。然而，LORC的运行和组成分离特性仍不清楚[37]，这阻碍了对组成调节方法的针对性改进。为了进一步提高ORC的性能，需要进行实验和仿真研究，分析基于LSCU的影响组成分离性能的关键因素，并开发更高效的组成调节策略。

本研究对LORC进行了实验研究。开发了LSCU的仿真模型，以探索其热传递和组成分离特性。首先，通过与基本ORC（BORC）的比较分析了LORC的运行特性。然后，通过敏感性分析模拟探讨了影响LSCU中组成分离的关键因素。接着，基于仿真结果，通过改变散热器流动方向开发了一种改进的LSCU（DLSCU），以扩大组成分离范围。基于DLSCU开发了一种改进的组成调节策略。与使用基本LSCU（BLORC）的可调节组成ORC相比，使用DLSCU的DLORC在运行过程中引入了主动的组成调节，使得在非设计条件下能够动态优化流体性质。与使用基本LSCU的可调节组成ORC（BLORC）相比，DLORC可以实现更宽的组成调节范围，有望进一步提高组件和系统的非设计性能。最后，进行了对比实验，以验证所提出的DLORC在非设计条件下的优越性。以下是本研究的创新点和贡献。

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显著影响LSCU组成分离的因素被清晰揭示。

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改进了LSCU，以扩大组成调节范围。

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通过采用改进的组成调节方法，提高了DLORC的非设计性能。

在引言之后，本文的结构如下。第2节详细阐述了实验设置和组成调节方法。第3节概述了ORC性能指标。第4节分析和讨论了实验和仿真研究的结果，第5节总结了结论。

部分摘录

实验设施

本节详细描述了LORC的实验设施。图1显示了ORC系统的结构示意图。图2展示了该设施的照片，其中包括一个热源回路、一个散热器回路、一个ORC回路、一个组成调节系统（CAS）和多个测量仪器。如图1所示，ORC回路包括一个蒸发器、两个冷凝器、一个膨胀机、一个分离器和四个流体储罐。其中，储罐D用于

ORC系统的热力学分析

本节开发了LORC的热力学分析模型。使用方程（1）、（2）、（3）、（4）计算了换热器的热负荷（Q），其中m_f和h分别代表工作流体的质量流量和焓。对于膨胀机，其等熵效率（η_exp）和功率输出（W_exp）分别由方程（5）、（6）确定，其中M_exp和N_exp代表由测功机测量的转速和扭矩。ORC的NPO为

结果与讨论

本研究旨在通过开发基于LSCU的改进组成调节策略来提高LORC的性能。为此进行了一系列实验。首先，通过比较LORC和BORC的分析，分析了LSCU的运行特性，并通过敏感性分析确定了影响组成分离的关键参数。然后，基于这些关键因素，改进了LSCU的结构和调节方法

结论

为了进一步提高ORC的性能，本研究对配备了LSCU的可调节组成LORC进行了实验和仿真研究。通过比较LORC和BORC分析了LSCU的运行特性，确定了影响LSCU组成分离的关键因素，并提出了改进的DLSCU及其相应的调节策略。所提出的DLSCU实现了对这些关键因素的独立调节

CRediT作者贡献声明

裴璐：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，方法论，研究，正式分析。黄俊轩：验证，研究，正式分析。林毅伟：撰写 – 原稿，验证，研究。罗向龙：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，方法论，正式分析，概念化。吴荣军：方法论，研究。梁英宗：验证，方法论，研究。陈建勇：撰写 –

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（U24B20104）、国家自然科学基金（52376003）、中国博士后科学基金（2024M760584）和广东省自然科学基金（2024A1515011856）的财政支持。