582 工程科学学报，第43卷，第4期 率变化如图7所示.由图可知，在不同蒸发压力 1100 下，ORC底循环的输出功率和热效率均高于TEG 1000 50 900 底循环.图中ORC底循环的热效率只选取了大于 800 45 0.7MPa的工况，这是因为蒸发压力在0.60.7MPa 700 的区间下，工质R22在TEG底循环中已汽化为饱 600 40 500 TEG waste heat utilization 和蒸气，与联合循环设计初衷不符，故不予考虑 -ORC waste heat utilization 35 400 4-TEG temperature drop 150 12 ORC temp erature drop 30 -0-TEG power output 300 △-ORC power output System power output 11 200 25 120 -pTEG thermal efficiency 0.550.600.650.700.750.800.850.900.9 ORC ther 10 Working medium evaporation pressures/MPa System 9 90 图8不同工质蒸发压力下主机烟气余热利用量和烟气温降 8 Fig.8 Waste heat recovery quantity and temperature drop of the gas 7 under different working fluid evaporation pressures 6 图9为不同工质蒸发压力下主机烟气余热利 用率和输出功率的变化曲线.由图可知，当蒸发压 力为0.6、0.63和0.66MPa时，有机工质在TEG换 0.550.600.650.700.750.800.850.900.95 热单元内部可实现汽化，利用主机烟气余热较多， Working medium evaporation pressures/MPa 所以主机烟气余热利用率较大；当蒸发压力为 图7不同工质蒸发压力下系统的输出功率和热效率 0.7~0.9MPa时，有机工质均在蒸发器中汽化为饱 Fig.7 Power output and thermal efficiency under different working fluid evaporation pressures 和蒸气，与联合循环设计理念相符 实验中，随着工质蒸发压力的增大，TEG底循 150 0 环的输出功率和热效率变化不明显，ORC底循环 6 6 0 120 的输出功率和热效率均随之变大，系统的总输出 Waste heat utilization rate 55 -A-TEG power output 功率和热效率也随之增加，且系统的热效率大于 ORC power output -o-System power output 90 各底循环的热效率，这是因为，由联合循环理论模 型可知，TEG-ORC联合循环将TEG单元冷端热量 35 60 用作ORC工质一级预热，减少余热浪费的同时， 25 30 也提升了整体的热效率.当工质蒸发压力为0.9MPa 20 15 时，TEG底循环、ORC底循环和联合循环系统输 0.550.600.650.700.750.800.850.900.95 出功率分别为23.48、115.74和139.22W,其热效 Working medium evaporation pressures/MPa 率分别为4.19%、6.84%和7.25% 图9不同工质蒸发压力下主机烟气余热利用率和输出功率 图8为不同工质蒸发压力工况下主机烟气余 Fig.9 Waste heat recovery rate and power output under different 热利用量和烟气温降的变化趋势.由图可知，在不 working fluid evaporation pressures 同蒸发压力下，主机烟气经过ORC底循环后的温 实验中，随着蒸发压力的逐渐增大，TEG-ORC 降远高于TEG底循环，可见，ORC底循环对主机 联合循环实验系统的主机烟气余热利用率保持小 烟气余热利用能力远高于TEG底循环 幅波动，与之相对应TEG底循环输出功率几乎保 实验中，在0.7~0.9MPa工况下，随着工质蒸 持恒定，ORC底循环、TEG-ORC联合循环的输出 发压力逐渐增大，TEG底循环余热利用量存在小 功率均同步增大.当蒸发压力为0.9MPa时，主机 幅度波动，这与图4中TEG底循环的余热利用功 烟气余热利用率达62.15%.限于实验条件，工质蒸 率变化相符，所以主机烟气温降波动较小：ORC底 发压力的变化范围有限，但结合仿真及模拟研究 循环利用主机烟气余热的能力随着工质蒸发压力 可知，主机烟气余热利用率和输出功率均随工 的增加而增强，因此经过ORC单元后的烟气温降 质蒸发压力的变化小幅度波动 也逐渐增大.在蒸发压力为0.9MPa时，TEG和 4结论 ORC底循环余热利用量分别为579.04和941.53kJ, 主机烟气温降△T,和△T2分别为28.40和46.18K 本文设计了一种TEG-ORC联合循环系统.用率变化如图 7 所示. 由图可知，在不同蒸发压力 下，ORC 底循环的输出功率和热效率均高于 TEG 底循环. 图中 ORC 底循环的热效率只选取了大于 0.7 MPa 的工况，这是因为蒸发压力在 0.6～0.7 MPa 的区间下，工质 R22 在 TEG 底循环中已汽化为饱 和蒸气，与联合循环设计初衷不符，故不予考虑. 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 0 30 60 90 120 150 TEG power output ORC power output System power output TEG thermal efficiency ORC thermal efficiency System thermal efficiency 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Power output/W Working medium evaporation pressures/MPa Thermal efficiency/ % 图 7 不同工质蒸发压力下系统的输出功率和热效率 Fig.7 Power output and thermal efficiency under different working fluid evaporation pressures 实验中，随着工质蒸发压力的增大，TEG 底循 环的输出功率和热效率变化不明显，ORC 底循环 的输出功率和热效率均随之变大，系统的总输出 功率和热效率也随之增加，且系统的热效率大于 各底循环的热效率，这是因为，由联合循环理论模 型可知，TEG-ORC 联合循环将 TEG 单元冷端热量 用作 ORC 工质一级预热，减少余热浪费的同时， 也提升了整体的热效率. 当工质蒸发压力为 0.9 MPa 时 ，TEG 底循环、ORC 底循环和联合循环系统输 出功率分别为 23.48、115.74 和 139.22 W，其热效 率分别为 4.19%、6.84% 和 7.25%. 图 8 为不同工质蒸发压力工况下主机烟气余 热利用量和烟气温降的变化趋势. 由图可知，在不 同蒸发压力下，主机烟气经过 ORC 底循环后的温 降远高于 TEG 底循环，可见，ORC 底循环对主机 烟气余热利用能力远高于 TEG 底循环. 实验中，在 0.7～0.9 MPa 工况下，随着工质蒸 发压力逐渐增大，TEG 底循环余热利用量存在小 幅度波动，这与图 4 中 TEG 底循环的余热利用功 率变化相符，所以主机烟气温降波动较小；ORC 底 循环利用主机烟气余热的能力随着工质蒸发压力 的增加而增强，因此经过 ORC 单元后的烟气温降 也逐渐增大. 在蒸发压力为 0.9 MPa 时 ，TEG 和 ORC 底循环余热利用量分别为 579.04 和 941.53 kJ， 主机烟气温降 ΔT1 和 ΔT2 分别为 28.40 和 46.18 K. 图 9 为不同工质蒸发压力下主机烟气余热利 用率和输出功率的变化曲线. 由图可知，当蒸发压 力为 0.6、0.63 和 0.66 MPa 时，有机工质在 TEG 换 热单元内部可实现汽化，利用主机烟气余热较多， 所以主机烟气余热利用率较大 ；当蒸发压力为 0.7～0.9 MPa 时，有机工质均在蒸发器中汽化为饱 和蒸气，与联合循环设计理念相符. 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 Waste heat utilization rate TEG power output ORC power output System power output 0 30 60 90 120 150 Waste heat utilization rate/ % Working medium evaporation pressures/MPa Power output/W 图 9 不同工质蒸发压力下主机烟气余热利用率和输出功率 Fig.9 Waste heat recovery rate and power output under different working fluid evaporation pressures 实验中，随着蒸发压力的逐渐增大，TEG-ORC 联合循环实验系统的主机烟气余热利用率保持小 幅波动，与之相对应 TEG 底循环输出功率几乎保 持恒定，ORC 底循环、TEG-ORC 联合循环的输出 功率均同步增大. 当蒸发压力为 0.9 MPa 时，主机 烟气余热利用率达 62.15%. 限于实验条件，工质蒸 发压力的变化范围有限，但结合仿真及模拟研究 可知[18] ，主机烟气余热利用率和输出功率均随工 质蒸发压力的变化小幅度波动. 4    结论 本文设计了一种 TEG-ORC 联合循环系统，用 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Temperature drop of the flue gas/K TEG waste heat utilization ORC waste heat utilization TEG temperature drop ORC temperature drop 30 35 40 45 50 55 25 Working medium evaporation pressures/MPa Waste heat utilization/kJ 图 8 不同工质蒸发压力下主机烟气余热利用量和烟气温降 Fig.8 Waste heat recovery quantity and temperature drop of the gas under different working fluid evaporation pressures · 582 · 工程科学学报，第 43 卷，第 4 期