不同有机朗肯循环架构的基准比较热力学研究：提升低品位能源转化效率的关键路径

为解决有机朗肯循环(ORC)热力学效率不足的问题，研究人员系统比较了8种ORC架构（包括基本型、回热型、再生型、再热型及其组合）在变工况下的性能。通过EES建模和R1233zd(E)工质分析，发现再生-回热-再热型ORC热效率提升达32%（Tsat =110°C时），再热-回热型ORC?效率提升17%。该研究为低品位能源高效转化提供了优化设计路径。

　　

在全球能源转型背景下，如何高效利用太阳能、地热能和工业废热等低品位能源成为关键挑战。有机朗肯循环(ORC)作为最具潜力的解决方案之一，却长期受限于其较低的热力学效率（通常不足25%）。更棘手的是，现有研究多聚焦单一改进技术，缺乏对复杂架构的系统性比较，这严重制约了ORC技术的工程应用和经济效益。

针对这一瓶颈，研究人员在《Next Energy》发表了开创性研究。通过建立8种ORC架构的热力学模型，包括基本型(Basic ORC)、再生型(Regenerative ORC)、回热型(Recuperative ORC)、再热型(Reheating ORC)及其组合方案，采用工程方程求解器(EES)进行数值模拟。研究选用环保工质R1233zd(E)，设定饱和温度(T_sat
)60-150°C和冷凝温度(T_cond
)30-45°C的工况范围，重点考察了螺杆膨胀机的变等熵效率特性。

关键技术方法包括：1）建立8种ORC架构的稳态热力学模型；2）采用变等熵效率算法（基于出口比容和容积比计算）；3）引入无量纲压力参数(a)优化中间压力；4）同步进行能量和?分析；5）设定10K最小换热温差等工程约束条件。

【ORC架构设计】通过温度-比熵(T-s)图展示了8种循环的拓扑结构。再生型采用开式混合换热器与双膨胀机配置，回热型采用闭式换热器回收余热，再热型则通过中间加热实现双级膨胀。组合架构如再生-回热型(Regenerative-Recuperative ORC)整合了抽汽预热和余热回收。

【热效率分析】在T_cond
=40°C时，基本型ORC效率峰值为9.55%（T_sat
=110°C），而再生型达12.92%。最具优势的再生-回热-再热型(Regenerative-Recuperative-Reheating ORC)在T_sat
=150°C时效率达16.01%，较基本型提升32%。

【?效率特性】基本型ORC?效率峰值51.76%（T_sat
=90°C），再热-回热型(Recuperative-Reheating ORC)则以58.90%创最高记录。值得注意的是，再生与再热的组合反而导致?效率降低6.39%，显示二者协同效应有限。

【压力参数优化】中间压力比(a)对性能影响显著。再生型ORC的a值在22%-45%间变化，再热型则达25%-80%。最优a值随T_sat
升高而降低，验证了压力分级优化的必要性。

【膨胀机性能】螺杆膨胀机等熵效率(η_is,exp
)在容积比(V_r
)>7时急剧下降。基本型ORC在高温差工况下η_is,exp
可低至40%，而双膨胀机架构能维持70%以上效率。

研究结论表明：1）多级膨胀架构显著提升性能，再生型ORC比回热型热效率高24.8%；2）再生-回热-再热型是热效率最优解（提升32%），而再热-回热型?效率最佳（提升17.32%）；3）压力参数优化可使复杂ORC效率再提升5-10%；4）再生与再热技术存在性能抵消效应，需谨慎组合。

该研究首次全面评估了包含三重增强技术的ORC架构，为不同品位热源的系统选型提供了理论依据。特别是提出的再生-回热-再热型ORC，为地热发电、工业余热利用等场景提供了效率突破方案。未来研究可结合经济性分析，进一步优化膨胀机配置和工质选择，推动ORC技术商业化应用。