空冷式ORC系统的优化设计

在内陆地区，大量冷却水源很难找到，此时可采用带空冷式冷凝器的ORC系统。由于此时需要的换热器面积明显增大，冷凝器成为影响ORC系统热力学和经济性的关键部件。图4-56（a）所示为一种空冷式冷凝器的结构，其采用A形框架，可有效降低冷凝器的压降，换热管束的具体结构如图4-56（b）所示，需要冷凝的有机工质蒸气在流经扁管内部的过程中，与翅片周围流过的空气换热冷凝。膨胀机出口的蒸气进入冷凝器上端的蒸气管，冷凝后的液态工质被下部收集槽收集，正下方的冷却风扇对空气进行强制通风。对该冷凝器进行数学建模时，可采用文献［45］中的冷凝器数学模型计算空气侧的对流换热系数和功耗，对管内单相流体，采用Petukhov-Popov［46］和Gnielinski［47］关联式计算压降和对流换热系数，对于两相流体，采用CISE［48］、Chisholm［49］、Shah［50］关联式分别计算含气率、压降和对流换热系数。基于比利时某地热能项目，Walraven等分析了采用空冷式冷凝器的ORC系统的经济性［51］，结果表明设备折旧率、电价、地热水温度对ORC系统构型选择和经济性有重要影响。

图4-56　A形空冷式冷凝器和换热管束的结构［45］

（a）A形空冷式冷凝器；（b）换热管束

对前述双压蒸发ORC系统而言，当蒸发器和空冷式冷凝器的结构尺寸确定以后，低压涡轮和高压涡轮入口的工质温度及压力、有机工质流量、冷凝压力等参数是影响ORC系统性能的关键参数。如果采用回热式ORC系统，回热器有效度也会影响ORC系统性能。在不同的地热水温度下，以净现值为优化目标，得到简单ORC系统和双压蒸发ORC系统的优化结果如图4-57所示。随着地热水温度从100℃升高到150℃，采用不同工质的两种ORC系统的净现值均逐渐升高。采用干工质时，回热式ORC系统的性能比简单ORC系统稍有提高。对于单压ORC系统，采用丙烷、R134a、R1234yf为工质时的净现值高于采用其他工质的结果时。当工质的蒸发温度明显低于临界温度时，采用双压ORC系统可有效提高净现值，如异丁烷和R245fa工质，对其他工质，采用双压ORC系统的性能改善不明显。

图4-57　地热水温度对净现值的影响［45］

（a）简单ORC系统；（b）回热式ORC系统

空冷式冷凝器与空气之间的换热效果较差，需要很大的换热面积，增加了系统的体积和成本。意大利LU-VE公司生产了一种采用喷水和绝热板的空冷式冷凝器，可显著改善冷凝器的换热效果，提高系统的工作性能［52］。EMERITUS空冷式冷凝器的结构如图4-58所示。其提升换热效果的机理主要有：（1）绝热板采用不同折叠角度的纤维素板，通过对冷却回路侧面的绝热板进行加湿，增加空气湿度，降低空气温度，增大工质与空气之间的换热温差；（2）通过对换热器表面直接喷射液态水，防止海边盐分沉积腐蚀，水在换热器表面蒸发可吸收大量的热。其采用控制系统来实现喷水控制。在高环境温度下，控制系统将去离子水首先喷射到散热器表面，将没有蒸发的水搜集在散热器下面的槽内，随后送往绝热板。当环境温度处于中间水平，如15℃～37℃时，冷却水仅被送往绝热板，当环境温度较低时，停止喷水。表4-11所示为EMERITUS空冷式冷凝器与普通干式冷凝器的参数对比。

(www.xing528.com)

图4-58　EMERITUS空冷式冷凝器的结构［52］

表4-11　EMERITUS空冷式冷凝器与普通干式冷凝器的参数对比［52］

续表

采用表4-11所示的两种不同冷凝器，可对不同的环境温度下的系统工作性能进行对比。考虑到ORC系统的发电量和冷却风扇的功耗以及喷水装置的功耗，如果以每小时的现金流为优化目标，对冷却风扇转速和冷却水流量进行优化，得到不同冷凝器的工作性能，如图4-59所示。与普通干式冷凝器相比，带喷水的EMERITUS空冷式冷凝器具有明显的优势。当环境温度在15℃～37℃范围时，采用绝热板喷水可以明显降低散热器入口的空气温度，降低冷凝温度，提高ORC系统的净输出功率，同时还可减小冷却风扇转速，降低其功耗，提高现金流。在35℃环境温度下，采用EMERITUS空冷式冷凝器的净输出功率与普通干式冷凝器相比可提高85%。当环境温度高于37℃时，通过对换热器表面喷水，可进一步提高效益，例如在40℃环境温度下，EMERITUS空冷式冷凝器的有机朗肯循环输出功率比普通干式冷凝器提高了212%。即使在不喷水的条件下，由于采用了波浪形翅片，比普通干式冷凝器的百叶窗形翅片的空气阻力小，EMERITUS空冷式冷凝器的散热器的性能也稍有提高。如果某些内陆地区存在一定的冷却水水源，可采用带喷水的EMERITUS空冷式冷凝器，在使用少量冷却水的条件下提高整个系统的工作性能。

图4-59　环境温度变化时不同冷凝器的系统工作特性［52］

（a）冷凝温度；（b）ORC系统的净输出功率；（c）冷却风扇功耗；（d）现金流