余能利用中的通用技术主要有热泵技术、热管技术、有机朗肯循环技术、机械蒸汽再压缩技术、引射器技术等。其中热泵技术、热管技术将在第5章、第6章中加以介绍。这里只涉及有机朗肯循环技术、机械蒸汽再压缩技术、引射技术等。

朗肯循环需要在高参数条件下才能有较高的效率。文献［8］的研究表明，当热源温度低于370℃时，采用水蒸气朗肯循环是不经济的。因此在太阳能这种低能流密度热源应用方面，采用低沸点有机工质的有机朗肯循环（organic Rankine cycle，ORC）在很多方面更具优势。

图3-4　有机朗肯循环系统示意图

太阳能有机朗肯循环系统图及其p-h图分别如图3-4和图3-5所示。可以看出，在装置和循环的构成方面，有机朗肯循环与水蒸气朗肯循环并没有本质的区别，只是用低沸点有机物代替了水作为循环工质。类似于水蒸气朗肯循环，理想的有机朗肯循环过程包括以下四个过程。

图3-5　有机朗肯循环的p-h

绝热压缩（1—2）：经过冷凝器冷却之后的过冷的有机物工质液体，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。

定压加热（2—3）：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，产生的过热蒸气进入膨胀机做功。

绝热膨胀（3—4）：来自蒸发器的高温高压的有机物蒸气在膨胀机中绝热膨胀；

定压冷却（4—1）：经过膨胀机膨胀之后的较低温度较低压力的有机物蒸气，在冷凝器中冷却成过冷液体，同时将热量排到冷却流体中。

基本有机朗肯循环的p-h图如图3-6所示。

1.有机朗肯循环与水蒸气朗肯循环的比较

在相同的工作条件下（蒸发温度120℃，冷凝温度50℃，过热度20 K，过冷度5 K，膨胀机绝热效率0.9），对以R245fa为工质的有机朗肯循环和以水为工质的朗肯循环的p-h图进行了比较，如图3-6所示。由图可以看出，有机物工质在低品位热能方面与水蒸气朗肯循环的区别。

（1）工作压力的区别。水蒸气朗肯循环在该蒸发温度下的压力为1.9867×105 Pa，而冷凝压力为1.2352×104 Pa，其冷凝压力远低于大气压力，将使得系统低压侧的密封要求极高，需要专门的设备（如真空泵）来保证冷凝压力，这带来了额外的成本和维护，不适合于中小型系统。而R245fa的有机朗肯循环，其工作压力在前述给定的工作参数下，为0.345 MPa和1.92 MPa之间，这样的压力对系统设备的要求不高，是非常适宜的。

（2）工质干湿性的区别。R245fa为干工质，而水为湿工质。因此，从图3-6可以看到，采用R245fa 工质的膨胀过程（1—2）都处于饱和蒸汽线的右侧，即都是气态工作的；而水蒸气朗肯循环，尽管在循环中过热都有20 K，大部分的膨胀过程都处在两相区内，这对膨胀机的安全是不利的。

图3-6　有机工质与水蒸气朗肯循环比较

（3）焓降的区别。可以发现，水蒸气朗肯循环的焓降比有机朗肯循环大很多，这就使得水蒸气朗肯循环的膨胀机（主要是透平）的设计较为复杂；而有机朗肯循环由于焓降较低，其膨胀机设计相对较为简单。当然，这也导致输出同样的功率，有机朗肯循环需要的工质的流量更大，带来了较大的流动损失和泵功率消耗。但是，综合考虑上述优点，有机朗肯循环比水蒸气朗肯循环在利用低品位热能方面具有更大的优势。

由于有机朗肯循环（ORC）在回收中低品位热能方面的优势，国内外对ORC进行了大量的研究，早期研究主要集中在ORC技术在发动机余热及太阳能热电技术上的应用。从20世纪90年代后期至今，考虑到《蒙特利尔协议》的限制，需要有机朗肯循环采用对臭氧层无损害且大气温室效应低的工质，因此现阶段对有机朗肯循环的研究，不仅仅是对整个系统以及不同工况下的特性研究，还有针对各种工质在ORC技术的应用以及不同工质的比较。此外，ORC技术中各种新型膨胀机的开发、各种类型热源的利用，以及一些基于朗肯循环的新型循环，如Kalina循环等也是该项技术的研究热点。

2.有机朗肯循环工质的选择

工质的选择对有机朗肯循环的性能影响非常大。有机朗肯循环工质的选择应尽量满足以下要求：

（1）工质的安全性（包括毒性、易燃易爆性及对设备管道的腐蚀性等）。为了防止操作不当等原因导致工质泄漏，致使工作人员中毒，应尽量选择毒性低的流体。

（2）环保性能。很多有机工质都具有不同程度的大气臭氧破坏能力和温室效应，要尽量选用没有破坏臭氧能力和温室效应低的工质，如HFC类、HC类、FC类碳氢化合物或其卤代烃。

（3）化学稳定性。有机流体在高温高压下会发生分解，对设备材料产生腐蚀，甚至容易爆炸和燃烧，所以要根据热源温度等条件来选择合适的工质。

（4）工质的临界参数及正常沸点。因为冷凝温度受环境温度的限制，可调节范围有限，工质的临界温度不能太低，要选择具有合适临界参数的工质。

（5）工质廉价、易购买。

图3-7给出了三种工质的典型朗肯循环。根据工质在T-s图中饱和蒸气线的斜率dT/ds不同，工质可以分为干性工质（图3-7（a））、湿性工质（图3-7（b））和绝热工质（图3-7（c））三种。干性工质斜率dT/ds为正，湿性工质斜率dT/ds为负，而绝热工质斜率dT/ds为无穷大。若工质是干性工质或绝热工质，由于理想膨胀机膨胀过程是等熵的，则其膨胀过程不容易进入两相区，如图3-7（a）和（c）所示；若工质是湿性工质，则膨胀机末端容易进入两相区，如图3-7（b）所示。两相膨胀对速度型膨胀机有较大的危害，因为工质液滴会带来液击，在高速情况下严重损坏叶片。在低温朗肯循环的温度范围内（环境温度到100℃），几乎没有绝热工质，绝大多数纯工质为干性工质或湿性工质。表3-7给出了一些工质在饱和温度20℃、70℃和120℃时的dT/ds。从表中可以得到，R245fa、R123、R113、R114、R600a这几种较适合用于有机朗肯循环的工质都是干性的工质，而水、氨等工质则是湿性工质，因此，水、氨等工质需要在膨胀机入口有较大的过热度，以确保其不进入两相区。对于中低温发电系统，由于热源温度不高，不可能采用很高的过热度，因此采用有机朗肯循环最有利。

图3-7　工质的干湿性与朗肯循环

表3-7　一些典型工质的干湿性数据

续表

选择工质时除了需要考虑上述介绍的特性之外，还需要特别考虑工质的环保特性。工质的环保特性，主要是工质对臭氧层破坏程度和工质进入大气之后的温室效应。描述工质对臭氧层的破坏程度用ODP（ozone depletion potential）表示，以R11的ODP值为1，其他工质与R11的比值为ODP。工质的温室效应指数，用GWP（global warming potential）来表示，以二氧化碳的GWP值为1，其他工质与二氧化碳的比值为该工质的GWP值。表3-8给出了一些工质的ODP和GWP值，从中可以看到，属于HFC类工质的R245fa和R134a的ODP值为0，即对臭氧层没有任何破坏；另外，自然工质（水、二氧化碳）和HC类工质（R600a）的ODP值也为0；而HFC类和HCFC类工质的ODP都大于0，都属于对臭氧层有破坏的工质，应该根据蒙特利尔协议逐步被取代。

表3-8　一些典型工质的ODP、GWP、大气寿命以及安全分区

续表

工质在大气中的寿命也是需要考虑的因素，因为工质在大气中存在时间越长，对环境的影响持续时间也越长。从表3-8可以发现，CFC类（完全卤代烃）工质一般大气寿命比较长，如R114大气寿命为300年，而R12大气寿命为102年。可见这类工质对大气环境的破坏力强，而且持续时间长。而HFC和HCFC类工质大气寿命则短很多。(www.daowen.com)

工质的安全分区，是根据美国ASHRAE对工质安全性的分类表，将工质分为6种，主要考虑的是工质的毒性和可燃性。A代表工质是低毒的，而B代表工质有高毒性；而工质的可燃性则分为不可燃、可燃性、爆炸性三种，分别用1、2、3表示。表3-8中给出了工质的安全分区，其基本规律是HFC和HCFC类工质通常是可燃的。

工质的毒性、可燃性以及毒性具有一定的规律性：一般情况下，含氢原子多的氟利昂工质的可燃性较强；含氯原子多的工质，其毒性较强；含F原子多的工质，其稳定性较高，即大气寿命较长。McLinden等最先提出，采用三角形图形描述工质的这三种性质，三角形的三个顶点分别表示工质的H、F、Cl三种原子，则氟利昂工质的性质规律可以被形象地描述出来。

用于余热利用的常规水蒸气朗肯循环发电系统如图3-8所示。其技术有如下缺点：

图3-8　用于余热利用的常规水蒸气朗肯循环发电系统

（1）系统构成复杂，锅炉给水需要除氧、除盐，在锅炉部件及管路上需要设置排污及疏放水管路；凝结器里需保持较高的真空度，要设置真空维持系统。

（2）透平进排气压力低，蒸汽比体积较大，导致透平通流面积较大。

（3）通常透平进口蒸汽需具有一定的过热度，在余热锅炉中必然要设置过热蒸汽加热段，导致余热锅炉的结构比较复杂。

（4）管道内容易结垢及生锈，维修成本较高，寿命较短。

（5）需要较多的运行、维修人员，运行成本较高。

（6）单机容量不能太小，系统满负荷运行率不高。

（7）一般只适用于烟气温度高于350℃的余热。

用于余热利用的有机朗肯循环发电系统如图3-9所示。其技术有如下优点：

（1）效率高，系统构成简单，不需要设置除氧、除盐、排污及疏放水设施；凝结器里一般处于略高于环境大气压力的正压，不需设置真空维持系统。

（2）透平进排气压力高，所需通流面积较小，透平尺寸小。

（3）使用干流体时，余热锅炉中不必设置过热段，工质蒸气直接以饱和气体进透平膨胀做功。

（4）可实现远程控制，无人值守，只需极少的运行、维修人员，运行成本很低。

（5）单机容量可从几千瓦到数千千瓦。

（6）系统部件、设备可实现标准模块化生产，能缩短安装周期，降低制造成本。

（7）适用于温度高于70℃的低温余热源。

图3-9　用于余热利用的有机朗肯循环发电系统

图3-10为水蒸气朗肯循环和有机朗肯循环组成的复合循环。其特点是上级水蒸气朗肯循环汽轮机的排气的热量不直接用冷却水排除，而是加热下级有机朗肯底循环的液态低沸点工质，产生压力较高的低沸点工质蒸气，进入有机透平（膨胀机）膨胀做功发电。

图3-10　水蒸气朗肯循环和有机朗肯循环组成的复合循环

朗肯循环的效率与冷凝温度的关系见图3-11。

图3-11　朗肯循环的效率与冷凝温度的关系

ORC发电技术的应用领域如下：①350℃以下的低温余热；②地热利用；③太阳能利用；④船舰动力系统。对船舰动力系统，采用有机朗肯循环的好处如下：

（1）可以更好地匹配蒸汽发生器中热传输过程，具有较好的热经济性能，能够明显改善燃料经济性，提高装置热效率，同时有利于减小装置尺寸及质量，对空间有限的舰船动力系统有重要意义。

（2）有机工质多为绝热工质或干性流体，不需过热处理，即可很好地保证膨胀机出口干度，不会有水滴在高速情况下对透平机械的叶片造成冲击损害，也不会腐蚀透平机械，对不能提供较大过热度的舰船反应堆来说，这一特性具有重要安全意义。

（3）有机工质蒸气比容小，在汽轮机膨胀过程中焓降也小，故所需汽轮机的尺寸（特别是汽轮机末级叶片的高度）、排气管道尺寸及空气冷凝器中的管道直径均较小。有机工质的冷凝压力接近或稍大于大气压，工质泄露可能性小，不需复杂的真空系统。因此有机朗肯循环对系统设备要求较低，系统更加简单可靠。

（4）与水蒸气发电系统相比，由于ORC发电系统的有机工质的声速低，在低叶片速度时，能获得有利的空气动力配合，在较低频率下（50 Hz）即能产生较高的汽轮机效率，不需配备齿轮箱。由于转速低，因此噪声也小。

目前主要针对250℃的低温烟气，开发基于有机介质的建材炉窑低温余热发电系统，以替代常规的蒸汽动力郎肯循环发电技术，充分回收建材炉窑中排放的低品位废气余热，提高发电功率，实现最低的综合能耗和最佳的经济效益。