微尺度部分蒸发有机朗肯循环（PE-ORC）中两相工况下涡旋膨胀机实验表征与入口蒸汽品质实时控制方法验证

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Experimental characterization of a scroll expander under two-phase conditions within a micro PE-ORC system

　　

首次在微尺度部分蒸发有机朗肯循环（PE-ORC，Partial Evaporation Organic Rankine Cycle）系统中对两相工况下涡旋膨胀机进行系统实验表征；两相科里奥利（Coriolis）测量替代间接热平衡估算；验证了一种用于PE-ORC蒸汽品质实时控制的方法；高品质两相运行提供最高净功率输出；PE-ORC在余热回收中接近饱和蒸汽条件时最具吸引力。

研究背景方面，全球减少温室气体排放和提升电气化水平，使低温热源（LTHS，Low-Temperature Heat Sources）发电受到科学界和能源行业关注。有机朗肯循环（ORC，Organic Rankine Cycle）是余热回收及太阳能、地热等可再生热源利用的重要技术。传统ORC膨胀过程通常位于工质单相区，并在膨胀机入口保持一定过热度，以避免液滴侵蚀。近年，小型容积膨胀机中的两相膨胀受到关注，包括部分蒸发有机朗肯循环（PE-ORC，Partial Evaporation Organic Rankine Cycle）和三角闪蒸循环（TFC，Trilateral Flash Cycle）。在PE-ORC中，工质以两相状态离开蒸发器并进入膨胀机；在TFC中，工质仅被热源预热，以饱和液体进入膨胀机后闪蒸。已有模拟研究表明，这类系统有望改善热源利用并提高?效率，但两相条件下容积膨胀机的实验数据仍有限，尤其涡旋膨胀机在PE-ORC或TFC中使用HFC或HFO制冷剂的实验表征尚未见报道。两相入口下准确确定膨胀机入口热力学状态十分困难，因此需要建立可靠实验方法。研究人员在R1233zd(E) ORC试验台上，以改造商用涡旋压缩机为膨胀机，系统研究入口蒸汽品质、转速和压比对膨胀机及系统性能的影响，并以传统过热运行为基准。该论文发表在《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》。其意义在于提供受控两相条件下涡旋膨胀机性能图，验证基于校准两相科里奥利流量计的入口蒸汽品质实时测定与控制方法，并为PE-ORC建模、控制和微型余热回收应用提供数据。

关键技术方法不超过250字：研究人员在可单相ORC和PE-ORC运行的ORC试验台上开展实验，工质为R1233zd(E)，标称热输入55 kW_th、电输出2.5 kW_el，采用两台并联开式涡旋膨胀机，由变频器（VFD，Variable Frequency Drive）控制转速。热源和冷源水侧温度、流量由比例-积分-微分（PID，Proportional-Integral-Derivative）控制和压力无关控制阀（PICV，Pressure Independent Control Valve）调节。核心方法是用两相额定科里奥利流量计直接测量膨胀机入口密度，并通过热平衡标定得到修正关系ρ_actual=ρ_Coriolis?20.798 kg/m³，结合饱和液、气密度计算入口蒸汽品质x，并用泵速实现实时控制；物性由CoolProp计算，误差用一阶泰勒展开传播。数据来源为实验测试台，无样本队列。

研究结果部分：
4.1 测试条件（Testing conditions）。研究人员共获得181个稳态实验点，覆盖四个实验系列，考察入口蒸汽品质、转速和压比的单独及联合影响。边界条件范围为：蒸发器换热器（HEX，Heat Exchanger）水入口温度79.0–88.6 °C，水流量1.34–1.38 L/s；冷凝器水入口温度21.4–43.7 °C，水流量0.28–2.21 L/s；泵速120–520 rpm；膨胀机转速1000–2500 rpm；膨胀机入口压力7.00–7.15 bar，出口压力1.55–3.67 bar，压比1.95–4.70；两相膨胀入口蒸汽品质0.45–0.98；单相膨胀入口过热度5.0 K。第一系列固定入口压力7.0 bar、出口压力1.59 bar和压比4.40，在1000、1750、2500 rpm下改变蒸汽品质。第二系列固定入口压力7.15 bar、出口压力1.63 bar和压比4.40，在蒸汽品质0.55、0.65、0.75及过热条件下改变转速。第三系列研究压比影响，一组在1750 rpm、蒸汽品质0.55、0.80、0.95下进行，另一组在蒸汽品质0.60、转速1000、1750、2500 rpm下进行。

4.2 膨胀机表征（Expander characterization）。研究人员通过多参数分析发现，入口蒸汽品质降低会恶化等熵效率（η_exp,is）。在最优转速1000 rpm下，入口接近单相x≈0.98时等熵效率约35%，x=0.45时约24%，降低31.4%，与径向活塞膨胀机两相范围0.26–0.42的报道一致。转速增加会降低等熵效率，表明机械摩擦损失增强；在x≈0.60时，1000、1750、2500 rpm下等熵效率约从29%降至24%和13%。过热运行时1000 rpm等熵效率43%，x=0.75时约33%，降低约23%。最优转速随蒸汽品质降低向低速移动，x=0.75时约1150 rpm达到33%，而过热时约1300 rpm达到47%。压比影响方面，最大等熵效率出现在接近机器内置体积比r_v,b=2.25处，此时欠膨胀和过膨胀损失最小，且过膨胀对性能更不利。最优压比随蒸汽品质降低和转速增加向高压比移动：1750 rpm下，x=0.95、0.80、0.55时最优压比分别约2.5、2.8、3.0；x=0.60时，1000、1750、2500 rpm下最优压比分别约2.1、2.8、3.0。填充因子（FF_exp，filling factor）方面，蒸汽品质和压比影响较小，但两相条件较过热条件恶化，填充因子增大；1600 rpm、x=0.75时，填充因子从过热1.44增至1.62，增加12.5%。转速增加改善容积效率，x=0.65时，转速从1000增至1750和2500 rpm，填充因子从1.85降至1.54和1.30。功率输出随压比增加而增加；x=0.80时，压比约2.0时功率约250 W，压比约4.3时约680 W。低蒸汽品质降低功率；过热功率低于高品质两相x=0.95，因两相下质量流量更高，尽管等熵效率较低。速度对功率影响存在最大值：过热曲线最大约在2200–2350 rpm，x=0.75、0.65、0.55时最大功率分别在2050、1750、1600 rpm。

4.3 两相ORC系统性能（Two-phase ORC system performance）。研究人员发现，系统净功率输出、净热效率和泵回功比（BWR，Back-Work Ratio）均随入口蒸汽品质降低而恶化。过热净功率低于高品质两相x=0.95；低品质时净功率急剧下降，甚至因BWR超过100%出现负值。两相下质量流量高，可在一定程度上提高净功率，但等熵效率降低和BWR恶化会抵消优势。膨胀机在两相宽工况下可靠运行超过100 h。净功率随压比增加：x=0.80时，压比约2.0时约80 W，压比约4.3时约480 W；低圧比下泵功耗占主导，BWR从约29%增至约70%，净热效率从约0.34%增至约2.1%。速度影响方面，最大净功率对应转速随蒸汽品质降低向低速移动，x=0.75、0.65、0.55时分别约1750、1600、1150 rpm；这些最大值略低于膨胀机功率最大值对应转速，因BWR随速度增加。x=0.65时，BWR从1000 rpm约46%增至2500 rpm约60%。两相ORC净热效率低于过热运行，过热约3.5%，x=0.80约2.0%。因此，在净热效率优先的低容量应用中，PE-ORC不如传统单相ORC合适。

讨论与结论部分，论文结论指出，本研究首次对受控两相条件下涡旋膨胀机进行系统实验表征，并提出在微型PE-ORC中使用R1233zd(E)实时测定和控制入口蒸汽品质的验证方法。两项主要贡献为：提供宽入口蒸汽品质、转速和压比范围的膨胀机性能图，并以常规过热运行为基准；开发并验证基于校准两相额定科里奥利流量计的实时入口蒸汽品质测定与控制方法。关键挑战是两相条件下蒸汽品质不能由常规压力和温度直接确定，常用间接热平衡需要高度稳定工况。直接测量密度可连续实时确定入口蒸汽品质，从而克服该限制。与热平衡计算比较证明方法适用性，同时发现科里奥利密度存在系统偏差，需校准；该校准为特定条件经验结果，不应假设通用。通过泵速控制测得入口密度，成功控制蒸汽品质，推进PE-ORC自动化。181个稳态点表明，入口蒸汽品质主导膨胀机热力学性能；等熵效率随液率增加而下降，最优转速向低值移动。填充因子弱受蒸汽品质和压比影响，主要取决于转速和内部泄漏。最大等熵效率在压比接近内置体积比时获得，最优压比随转速增加和蒸汽品质降低向高压比移动。蒸汽品质主要支配热力学损失，转速主要控制泄漏相关容积行为与机械摩擦损失间的平衡。两相运行降低膨胀机等熵和容积效率，但提高制冷剂质量流量；高品质约0.95时电功率高于常规过热运行，尽管等熵效率较低。品质进一步降低时，热力学效率下降超过质量流量优势。系统层面，等熵效率降低和泵BWR增加导致净热效率显著低于常规ORC；接近饱和蒸汽边界运行可获得最高净功率输出，因为制冷剂质量流量增加补偿了适度效率损失。对微型余热回收，若优先发电而非最大热效率，零过热度及轻微部分蒸发可能有利，更深两相会迅速侵蚀优势。最佳PE-ORC运行需同时选择蒸汽品质、转速和压比。数据可用于两相涡旋膨胀机半经验或物理模型验证。结论限于所研究的微型系统、测试涡旋机和R1233zd(E)。未来工作应扩展科里奥利蒸汽品质测定方法至更宽范围和替代工质，研究两相下密度偏移机制，支持预测模型和控制策略，并研究专门设计的两相涡旋膨胀机。作者为Antonios Charalampidis、Aris D. Leontaritis、Efstratios Varvagiannis、Konstantinos Braimakis、Tryfon C. Roumpedakis、Sotirios Karellas。