张任平，刘 江

(景德镇陶瓷大学 材料科学与工程学院，江西 景德镇 333403)

0 引 言

陶瓷窑炉排烟余热属于有压性余热的中低温热源，目前的利用率仍较低。很大一部分陶瓷企业没有良好的节能意识，导致烟气余热没有得到很好的利用。陶瓷烧成过程中所用的窑炉排烟热损失占窑炉总输入热量的百分之二十五到百分之三十五，而国际上顶尖水平最多也只能回收百分之十五。由于国人的节能环保意识和技术的原因，使得我国陶瓷窑炉烟气余热利用率与国际顶尖水平还有较大差距[1]。因此，合理利用陶瓷窑炉排烟余热对提高陶瓷窑炉热效率起着非常关键的作用。

当前对于陶瓷窑炉烟气余热的利用主要集中在预热空气和干燥坯体[2-4]。而从能量的综合梯级利用的角度考虑，高品位的能量直接利用其热量会带来较大的 火用 损失，有机朗肯循环可以直接利用烟气余热进行发电，实现了能量梯级高效利用。刘等[5]对400 ℃的烟气高温热源，比较R134a和R245fa两种工质，分析表明R134a在低温段优于R245fa，而R245fa在高温段更优。张等[6]分析了10种不同工质在亚临界状态下最大做功能力和㶲效率的大小，发现每种工质都存在着可以使得循环净输出功最大化的最佳蒸发温度。然而工质的临界温度越高，所对应的最佳蒸发温度也越高。王[7]以重型柴油机的余热利用为研究对象，分析得出R123用于内燃机的烟气余热回收具有最大的经济效益和最高的效率。张[8]依据试验总结得出影响有机朗肯循环中工质选择的决定性因素，对于100 ℃左右的热源，可以用R141和R245fa两种候选工质作为热力循环发电系统的工质。冯[9]研究提出了对于添加中间换热器回热循环，使用混合工质能够扩大工质的选择范围，减少蒸发器的不可逆损失，但是混合工质对于抽气系统不适合。Muhammad等[10]研究了低温地热热源的有机朗肯循环，认为采用R245fa工质具有最高的㶲效率。刘等[11]对于426．15 K的低温热源驱动的跨临界有机朗肯循环，选取R134a、R227ea、R1234ze、R3110、R318、R236fa 六种工质进行了计算，比较得出R134a性能最佳。石等[12]通过实验对有机朗肯循环进行参数敏感性研究，选用了R123，R113，异戊烷，R235fa，R141b五种工质，研究蒸发温度、冷凝温度、蒸发器夹点温差和过热度四项参数对系统性能的影响。Arash等[13]分析了分别使用有机朗肯循环和kalina循环的热电联产系统，认为有机朗肯循环对于此循环的优势更大。Sun等[14]研究了基于R113工质的有机朗肯循环能量综合利用系统，分析得出了适用于循环系统的温度范围。

综上所述，尽管对于有机朗肯循环的研究已有一定数量的报道，但针对陶瓷窑炉烟气余热驱动的有机朗肯循环仍然缺乏系统的认识。本文选用某陶瓷企业267米的釉面砖素烧辊道窑的烟气为热源，热源温度150 ℃左右，通过EES软件对其循环系统进行分析和计算，研究R113,R123,R11,R141b,R600,R245fa六种工质，并基于热力学第一定律分析各种有机工质循环净功量、热效率、耗气率和功比。

1 有机工质循环系统

有机工质朗肯循环系统工质一般为沸点相对较低的制冷剂，通过工质的状态变化实现热能与机械能的转换。有机朗肯循环的的驱动热源为低品味的余热或废热，温度较低，正好有机工质的沸点也较低，这样实现了热源和工质的匹配。有机工质热功转换循环与传统的水蒸汽为工质的朗肯循环原理基本相同，但由于驱动热源的温度较低，系统相对较为简单紧凑。有机朗肯循环可以高效利用低品位的能源，发电过程中不会产生温室气体、氮氧化物和硫化物，对环境基本没有污染。由于燃烧产物不参与循环，故而循环动力装置可利用各种燃料，如煤、柴油、甚至可燃垃圾。有机朗肯循环广泛应用于中低温太阳能热驱动发电、工业余热废热发电、海洋潮汐能发电、地下热能发电和农林废弃物发电。

简单有机朗肯循环系统如图1所示，系统由给水泵、蒸发器、膨胀机和冷凝器四个部分构成，从膨胀机膨胀做功后的乏气流入冷凝器冷凝变成液体，冷凝后的液态工质泵送到蒸发器，吸热气化为饱和蒸气或过热蒸气，该蒸气进入膨胀机膨胀带动发电机进行发电，随后进入冷凝器，在冷凝器中与冷却介质进行热量交换后变成液态工质，最后再由泵输送至蒸发器，如此循环，实现热能到机械能的转化。

图1 有机朗肯循环流程示意图Fig.1 The flow chart of organic rankine cycle

2 循环热力学分析

研究的有机朗肯循环驱动热源为某陶瓷企业一条267米长釉面砖素烧辊道窑排烟余热。通过分析整理测量数据，得到热力学分析所需参数如表1所示。

为了确定循环系统的最佳工质，需要分析不同有机工质循环系统的性能。一般来说循环的工作条件会影响系统的性能，所以需要在相同的工况下进行比较。有机朗肯循环工质进入膨胀机时处在饱和蒸气状态，不考虑过热对循环性能的影响。考虑到计算方便，计算过程基于以下假设：

(1)忽略有机朗肯循环系统各部分的散热损失；

表1 计算项目及条件Tab.1 The computational item and condition

(2)工质在循环系统的各设备中流动为稳态流动；

(3)膨胀机和泵的等熵效率均为定值；

(4)冷凝器的出口工质为饱和液体，蒸发器出口工质为饱和蒸气。

膨胀机膨胀功可以表示为：

乏汽向冷却水放出的热量：

水泵消耗功：

从热源吸收的热量：

循环净功：

循环热效率等于系统净输出功量与系统吸热量之间的比，它是基于热力学第一定律的一项重要的性能评价指标，其表达式为：

耗气率在蒸气动力装置中表示做功量与蒸气量的比值，其表达式为：

功比为膨胀机的膨胀功扣除水泵所耗功与膨胀机所做功的比值，可表示为：

图2 工质循环过程T-s图Fig.2 T-s diagram for the cycle of working medium

3 结果分析与讨论

评价一个热力系统的热力性能，一般以热力学的基本定律为分析基础。热力学第一定律是能量守恒和转换定律应用于热力学分析所依据的基本规律。能量在进行转换的过程中，总量保持不变。在有机朗肯循环的分析过程中，热量的传递和热量与功量的转换满足能量守恒。

图3给出了六种所选工质的蒸发压力随蒸发温度的变化情况，表2列出了六种工质在蒸发温度110 ℃和145 ℃时的蒸发压力。分析图3可以得到，蒸发压力随着蒸发温度的升高而增加。从表2可以看出，六种工质当蒸发温度保持相同时，工质的压力排序为R600 ＞ R245fa ＞ R11 ＞ R123 ＞ R141b ＞ R113。可以知道R113蒸发压力最小， R600蒸发压力最大，蒸发压力与设备所承受的机械压力相关联，压力越高设备所需承受的压力越大，无形中增加设备成本。因此从设备经济性和安全性进行考虑，相同蒸发温度下优选工质在该温度下饱和压力低的制冷循环工质。

有机朗肯循环在实现热能转换成机械能的过程中，泵要消耗一部分功量。计算工质的净功量需要扣除泵消耗的功。图4给出了不同蒸发温度下六种工质的单位工质净功量，随着温度的增加，循环功量呈现增加的趋势。表3给出了六种工质在温度110 ℃和145 ℃的循环净功量。膨胀机焓降随蒸发温度升高而增大，单位工质所获得净功量相应也得到增加。蒸发温度保持不变时，六种工质净功量的排序为：R600 ＞ R141b ＞ R245fa ＞ R11 ＞ R123 ＞ R113, 其中R600的净功量最高，而R113的净功量为最低。

图5给出了6种工质热效率随蒸发温度变化情况，循环系统热效率随蒸发温度的增大而增大。蒸发温度的升高使得焓降相应增加，膨胀功增大。而同时工质在整个过程中吸收的热量也在增加，但净功量增加的幅度更大，使得热效率得到提高。蒸发温度保持定值，热效率的排序为R11 ＞ R141b＞ R123 ＞ R113 ＞ R600 ＞ R245fa。R11的热效率最高，R245fa作为工质时热效率最低。表4给出了六种工质在蒸发温度分别为110 ℃和145 ℃的工况下热效率的值。相同蒸发温度工况下各种工质的热效率相差不大，例如蒸发温度110 ℃的工况下的热效率最大减去最小值为0．0172；在蒸发温度为145 ℃时，最大和最小的热效率仅相差0．0184。由此可知，蒸发温度增大，六种工质最大与最小热效率之差相应增加。

图3 不同工质蒸发压力随蒸发温度的变化Fig.3 The evaporating pressure of different evaporating temperature for different working medium

图4 六种工质的净功量随蒸发温度的变化Fig.4 The net work of six working mediums for different evaporating temperature

图5 六种工质的循环热效率随蒸发温度下的变化Fig.5 The cycle heat efficiency of six working medium fordifferent evaporating temperature

表2 六种工质在蒸发温度为110 ℃和145 ℃时的蒸发压力 (kPa)Tab.2 The evaporating pressure of six working mediums at the temperature of 110 ℃ and 145 ℃

表3 六种工质在蒸发温度为110 ℃和145 ℃时的净功量Tab.3 The net work of six working mediums at the temperature of 110 ℃ and 145 ℃

表4 六种工质在蒸发温度为110 ℃和145 ℃时的热效率(%)Tab.4 The cycle heat efficiency of six working mediums at the temperature of 110 ℃ and 145 ℃

耗气率在蒸气动力装置中表示做功量与蒸气量的比值，耗气率越小，表示相同的蒸气量所做的功越大。图6给出了六种工质的耗气率随蒸发温度的变化情况，随着蒸发温度的升高，蒸气膨胀功相应增加，同样的蒸气量可以获得更多的功量，表明耗气率减小。表5给出了六种工质在蒸发温度分别为110 ℃和145 ℃工况下耗气率值。从表中可以看出它们的大小分布为:R113 ＞ R123 ＞ R11 ＞ R245fa＞ R141b ＞ R600，其中R113具有最大的耗气率，与R123,R11,R245fa三种工质的耗气率较接近，而R600则明显低于其他几种工质。

不同蒸发温度工况下所选工质的循环功比变化趋势如图7所示，循环功比随蒸发温度升高而逐渐降低。蒸发温度升高带来了有机朗肯循环净功和膨胀功的同步增长，但是净功量增长的绝对值小于膨胀功增长的绝对值，得出的功比无量纲数降低。蒸发温度在110 ℃和145 ℃工况下六种工质的循环功比的值如表6所示。无论蒸发温度在110 ℃或145 ℃工况下，循环功比排序均为：R113 ＞ R141b ＞ R123 ＞R11 ＞ R245fa ＞ R600。

图6 不同温度下六种工质的耗气率Fig.6 The dissipative steam rate of six working medium for different evaporating temperature

图7 不同蒸发温度下六种工质的循环功比Fig.7 The cycle work ratio of six working medium for different evaporating temperature

表5 六种工质在蒸发温度为110 ℃和145 ℃时的耗气率Tab.5 The dissipative steam rate of six working mediums at the temperature of 110 ℃ and 145 ℃

表6 六种不同工质在蒸发温度为110℃和145℃时的循环功比Tab.6 The cycle work ratio of six working mediums at the temperature of 110 ℃ and 145 ℃

4 结 论

(1)陶瓷企业面对严峻的节能减排形势，采取的重要举措就是是进行烟气余热的深度高效利用，通过有机朗肯循环回收烟气余热进行发电，被有机工质吸收了部分热量的烟气同样可以用来干燥坯体。这样实现了烟气余热的梯级利用，减少了能量利用过程的 火用 损失。有机工质热功转换循环与传统的水蒸汽为工质的朗肯循环原理基本相同，但由于驱动热源的温度较低，系统相对较为简单紧凑。有机朗肯循环可以高效利用低品位的能源，发电过程中不会产生温室气体、氮氧化物和硫化物，对环境基本没有污染。

(2)陶瓷窑炉烟气余热作为有机朗肯循环的驱动热源，热源的温度有其自身的特点。工质选择时两个重要的评价指标是热效率及单位工质的净功量。R600具有最高的净功量，而其热效率却最低并且蒸发压力较高，蒸发压力较高对于系统会带来不利的影响。R141b具有较高的循环净功量和循环热效率，并且其蒸发压力也较低，R11具有最高的循环热效率，其蒸发压力也居中，但其循环净功量较低。R113具有最低的蒸发压力，对于保护设备安全方面很有优势，可是其循环净功量最低，热效率也较低，耗气率最大，循环功比最高。制冷剂R245fa和其它有机工质对比可以发现，各项指标差距较为明显，而且当蒸发温度在150℃附近时，不但净功量会下降，而且热效率表现也不佳，有下降趋势。

(3)有机朗肯循环的驱动热源在100 ℃-150 ℃工况时，在备选的有机工质中，R141b热效率最高，单位工质净功量表现也较为突出，ODP和GWP值较小，属于长期可使用制冷剂。综合考虑评价有机工质循环性能的各项指标， R141b是该有机朗肯循环的最优工质。