有机朗肯循环发电系统设备的选择案例
1.1引言
本次有机朗肯循环发电系统应用于北极海域的海洋观测浮标，因此各设备的
选型需要考虑到观测浮标的尺寸，不应超过浮标体积的二分之一，有机朗肯循环
系统的主要设备有膨胀机、蒸发器、冷凝器以及工质泵，考虑采用微型设备。根
据郭井学E等对7种常用到的极地浮标进行了讨论和总结，以POPS浮标为例，
该浮标系统可以采集记录空气温度、海表温度、气压等数据，浮标的外壳材料是
铝合金管，浮筒采用聚合泡沫制成，水下部分由一直径约为0.4cm的海洋电缆通
过应变器连接在平台上。其总体质量是34kg,外壳直径为22cm,浮筒直径是60cm,
厚18cm,总长度200cm,大致结构如图4-1所示，故浮标的体积约为37994cm3o
图4-1浮标
1.2膨胀机
1.2.1膨胀机的类型以及研究现状
有机朗肯循环系统的高性能组件是提供高能量回收效率的必要条件。有机朗
肯循环系统的规模的普及化是一个重要问题，这样的话，包括蒸发器、压缩机和
膨胀器在内的部件的缩小将加速实际应用。膨胀机的选择是影响有机朗肯循环发
电系统性能及可靠性的关键问题。
膨胀机，作为从高压和高温工质中产生动力的机器，将极大地影响能量转换
效率。据我所知，目前有机朗肯循环系统对膨胀机的研究主要集中在往复式膨胀
机、滚动活塞式膨胀机、斜盘活塞式膨胀机、涡旋膨胀机、齿根膨胀机、单螺杆
膨胀机、双螺杆膨胀机和涡轮膨胀机。
膨胀机有很多类型，按照工作原理以及构造的区别，可以分为速度型膨胀机、
容积型膨胀机两类。向心透平、燃气轮机、多级轴流蒸汽轮机等都是速度型膨胀
机。容积型膨胀机有旋叶膨胀机、活塞式膨胀机、螺杆膨胀机等类型。一般而言，
容积型膨胀机适用于小流量装置，其中，活塞式膨胀机主要适用于小流量、大膨
胀比的中小型装置，而速度型膨胀机主要适用于小流量、小膨胀比的大型装置。
为了提高有机朗肯循环系统的性能，Han问等研究了应用于有机朗肯循环系
统的自由活塞式膨胀机。结果表明，有机朗肯循环系统的性能主要取决于转速和
工质的质量流量。膨胀机的最大效率为41.3%,对应于11.5bar的工质压力和
383K的温度。这表明了有机朗肯循环系统组件之间进行匹配的重要性。泵的低
旋转频率(10H)适应了膨胀机转矩的整个范围，产生了稳定的流量，高频(
10H)适用于低转矩的膨胀机，但在大转矩的情况下会引起不稳定的流量和泵
的气穴现象。
有机朗肯循环和传统的蒸汽朗肯循环使用的工质和工作温度都不一样，因此
不能直接使用汽轮机作为系统的膨胀机。因为近年来才开始对有机朗肯循环低品
位热能发电研究重视起来，目前在国内外的研究中，专门研究有机朗肯循环系统
膨胀机的很少，一般而言都是选择去改造别的类型的旋转机械。例如将螺杆压缩
机和空调系统的涡旋压缩机改造成螺杆膨胀机和涡旋膨胀机，将涡轮增压器或者
其他系统设计或改造成纯向心透平、径流透平等。
QiuGuoquan闽等分别对轴流式透平膨胀机、螺旋膨胀机、涡旋膨胀机和叶
片膨胀机进行了比较，总结了膨胀机市场研究的成果，并对基于有机朗肯循环的
热电联产系统膨胀机的选择进行了研究。适用于基于有机朗肯循环的热电联产系
统的微型膨胀器(Wkw)尚未投放市场，许多研究人员在实验系统中使用了自
行设计和制造的膨胀器。通过对各种膨胀器的工作原理和特性的分析，发现涡旋
膨胀器无阀门、成本低、部件少，操作范围较广，膨胀比较高，性能也比较好,
并且在l-10kw的功率范围内也能适用。
双螺杆膨胀机在实验室有机朗肯循环系统中得到了广泛的应用，特别是在地
热和余热应用中，这在很大程度上取决于对实现低泄漏的精确控制。而单螺杆膨
胀机具有使用寿命长、主螺杆负载均衡、容积效率高、噪音低、泄漏少、振动小、
结构简单等优点，螺杆膨胀机主要用于输出功率高于涡旋或活塞式膨胀机的场合。
张业强间等探讨了单螺杆膨胀机在ORC系统中的性能，单螺杆膨胀机噪声低、
运行平稳，在其运行中功率输出特性比较好，且温降明显，最大输出功率是5.46
kw,温降最高可达63C,但是样机的效率不是特别理想，机械效率最高可达95%,
等K商效率最大是59%,总效率最高可达35%O
活塞式膨胀器适用于低排量和低功率的应用，可以在高温、高压和高压比的
条件下有效地工作，但是活塞式膨胀机的尺寸比其他类型的膨胀机大。涡旋膨胀
机运动部件少，但只能提供较低的压力比（通常低于1.2）,其功率输