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收稿日期:2025-09-08
修回日期:2025-11-29
出版日期:2025-12-01
通讯作者:
明勇
作者简介:明勇(1984-),男,博士,讲师,280248885@qq.com
基金资助:
Yong MING1(
), Wen SU2, Yaxiong YU2, Zhen XIAO1
Received:2025-09-08
Revised:2025-11-29
Online:2025-12-01
Contact:
Yong MING
摘要:
为评估ORC技术回收铝电解槽侧壁余热的可行性,本文设计并搭建了一套中温余热 ORC 现场实验系统,选用工质 RC318,在完全密封与可回收条件下开展实验研究。通过调控蒸发温度、冷凝温度及工质与冷却水流量,系统研究了关键运行参数对循环性能的影响规律。实验结果表明:系统性能主要由蒸发端与冷凝端的热力匹配决定,随着蒸发温度的升高净输出功和热效率增大,而冷凝温度升高则会显著降低系统性能。当蒸发温度接近工质的临界区时,性能提升呈现明显的边际递减特征。蒸发器是系统中不可逆损失最集中的部分,其㶲损随蒸发温度变化呈先下降、后趋于平缓的规律性趋势。过热度对整体性能的贡献有限,其影响主要体现在低蒸发温度区。在本实验条件下,膨胀机的最大输出功率为 9.5kW,循环热效率和㶲效率分别为 8.8% 和 33.96%。
中图分类号:
明勇, 苏文, 余亚雄, 肖珍. 基于RC318的铝电解槽侧壁余热发电系统的设计与实验分析[J]. 化工学报, DOI: 10.11949/0438-1157.20251012.
Yong MING, Wen SU, Yaxiong YU, Zhen XIAO. Design and experimental analysis for waste heat power generation system from aluminum reduction cell's sidewalls based on RC318 working fluid[J]. CIESC Journal, DOI: 10.11949/0438-1157.20251012.
| 组件 | 不可逆损失 |
|---|---|
| 蒸发器 | |
| 工质泵 | |
| 冷凝器 | |
| 膨胀机 |
表1 系统组件的不可逆损失
Table 1 Irreversible losses of system components
| 组件 | 不可逆损失 |
|---|---|
| 蒸发器 | |
| 工质泵 | |
| 冷凝器 | |
| 膨胀机 |
| 测点编号 | 工况 | 平均温度 / ℃ | 最大 / 最小 / ℃ | 波动幅度 / ℃ | 标准差 / ℃ |
|---|---|---|---|---|---|
| #3 | 加装前 | 250 | 254 / 246 | ± 4 | 1.4 |
| #8 | 加装前 | 259 | 264 / 255 | ± 4 | 1.3 |
| #12 | 加装前 | 268 | 272 / 265 | ± 3 | 1.0 |
| #3 | 加装后 | 161 | 163 / 159 | ± 2 | 0.8 |
| #8 | 加装后 | 158 | 160 / 156 | ± 2 | 0.7 |
| #12 | 加装后 | 155 | 157 / 153 | ± 2 | 0.7 |
表 2 典型测点温度波动统计结果
Table 2 Statistical results of temperature fluctuation at typical measuring points
| 测点编号 | 工况 | 平均温度 / ℃ | 最大 / 最小 / ℃ | 波动幅度 / ℃ | 标准差 / ℃ |
|---|---|---|---|---|---|
| #3 | 加装前 | 250 | 254 / 246 | ± 4 | 1.4 |
| #8 | 加装前 | 259 | 264 / 255 | ± 4 | 1.3 |
| #12 | 加装前 | 268 | 272 / 265 | ± 3 | 1.0 |
| #3 | 加装后 | 161 | 163 / 159 | ± 2 | 0.8 |
| #8 | 加装后 | 158 | 160 / 156 | ± 2 | 0.7 |
| #12 | 加装后 | 155 | 157 / 153 | ± 2 | 0.7 |
| 参数 | 数值 | 说明 |
|---|---|---|
| 蒸发压力/MPa | 小于3 | 保证现场实验安全 |
| 冷凝压力/MPa | 大于0.1 | 防止系统在负压下运行 |
| 冷却水温度/℃ | 20-30 | 板式冷凝器入口 |
| 热源入口温度/℃ | 120 (典型) | 侧壁导热油出口 |
| 膨胀机等熵效率 | 0.75 | 实测经验值 |
| 泵等熵效率 | 0.6 | 常规小型泵性能 |
| 环境温度/K | 293 | 基准温度 |
| 供热量/kW | 112 | 热源额定输入 |
表3 系统设计计算的基准参数
Table 3 Basic design parameters used for system calculation
| 参数 | 数值 | 说明 |
|---|---|---|
| 蒸发压力/MPa | 小于3 | 保证现场实验安全 |
| 冷凝压力/MPa | 大于0.1 | 防止系统在负压下运行 |
| 冷却水温度/℃ | 20-30 | 板式冷凝器入口 |
| 热源入口温度/℃ | 120 (典型) | 侧壁导热油出口 |
| 膨胀机等熵效率 | 0.75 | 实测经验值 |
| 泵等熵效率 | 0.6 | 常规小型泵性能 |
| 环境温度/K | 293 | 基准温度 |
| 供热量/kW | 112 | 热源额定输入 |
| 工质 | 临界温度(°C) | 临界压力(MPa) | 循环热效率(%) | 净输出功(kW) | 压比 |
|---|---|---|---|---|---|
| R123 | 183.7 | 3.67 | 8.92 | 9.99 | 4.1 |
| R141b | 204.3 | 4.25 | 8.71 | 9.75 | 3.8 |
| R245fa | 154.0 | 3.65 | 9.16 | 10.26 | 4.5 |
| R236fa | 124.9 | 3.19 | 9.44 | 10.58 | 4.6 |
| R1233zd-E | 165.6 | 3.57 | 9.01 | 10.09 | 4 |
| RC318 | 115.2 | 2.78 | 9.81 | 10.99 | 5.3 |
表4 各工质在相同工况下的循环性能比较
Table 4 Comparison of cycle performance of different working fluids under the same operating conditions
| 工质 | 临界温度(°C) | 临界压力(MPa) | 循环热效率(%) | 净输出功(kW) | 压比 |
|---|---|---|---|---|---|
| R123 | 183.7 | 3.67 | 8.92 | 9.99 | 4.1 |
| R141b | 204.3 | 4.25 | 8.71 | 9.75 | 3.8 |
| R245fa | 154.0 | 3.65 | 9.16 | 10.26 | 4.5 |
| R236fa | 124.9 | 3.19 | 9.44 | 10.58 | 4.6 |
| R1233zd-E | 165.6 | 3.57 | 9.01 | 10.09 | 4 |
| RC318 | 115.2 | 2.78 | 9.81 | 10.99 | 5.3 |
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 外壳尺寸/mm | 660×340×8(高×宽×厚) |
| 翅片类型 | 错齿形 |
| 翅片尺寸/mm | 610×(155×2片)×7 |
| 当量直径/mm | 2.6 |
| 内板壁尺寸/mm | 660×340×0.5 |
| 外板壁尺寸/mm | 666×(163×2片)×0.5 |
| 接管尺寸/mm | DN10 |
| 翅间流速/m·s-1 | 0.26 |
表5 板翅式换热单元设计结果
Table 5 Design results of the plate-fin heat-exchange unit
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 外壳尺寸/mm | 660×340×8(高×宽×厚) |
| 翅片类型 | 错齿形 |
| 翅片尺寸/mm | 610×(155×2片)×7 |
| 当量直径/mm | 2.6 |
| 内板壁尺寸/mm | 660×340×0.5 |
| 外板壁尺寸/mm | 666×(163×2片)×0.5 |
| 接管尺寸/mm | DN10 |
| 翅间流速/m·s-1 | 0.26 |
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 管外径/mm | 16 |
| 管壁厚度/mm | 2 |
| 中心距/mm | 20 |
| 单管长度/mm | 3000 |
| 壳体直径/mm | 273 |
| 管程数 | 1 |
| 管数 | 122 |
| 管束布置 | 正三角形 |
表6 蒸发器的主要结构参数
Table 6 Main structural parameters of the evaporator
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 管外径/mm | 16 |
| 管壁厚度/mm | 2 |
| 中心距/mm | 20 |
| 单管长度/mm | 3000 |
| 壳体直径/mm | 273 |
| 管程数 | 1 |
| 管数 | 122 |
| 管束布置 | 正三角形 |
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 板片厚度/mm | 0.5 |
| 板片数目/片 | 53 |
| 板片宽度/mm | 250 |
| 板片高度/mm | 610 |
| 单板片面积/m2 | 0.129 |
| 板片间距/mm | 3.6 |
| 水平孔间距/mm | 162 |
| 垂直孔间距/mm | 516 |
表7 冷凝器1的主要结构参数
Table 7 Main structural parameters of Condenser 1
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 板片厚度/mm | 0.5 |
| 板片数目/片 | 53 |
| 板片宽度/mm | 250 |
| 板片高度/mm | 610 |
| 单板片面积/m2 | 0.129 |
| 板片间距/mm | 3.6 |
| 水平孔间距/mm | 162 |
| 垂直孔间距/mm | 516 |
| 参数 (单位) | 数值 |
|---|---|
| 板片厚度/mm | 0.5 |
| 板片数目/片 | 9 |
| 板片宽度/mm | 250 |
| 板片高度/mm | 610 |
| 单板片面积/m2 | 0.129 |
| 板片间距/mm | 5.4 |
| 水平孔间距/mm | 162 |
| 垂直孔间距/mm | 516 |
表8 冷却器2的主要结构参数
Table 8 Main structural parameters of Condenser 2
| 参数 (单位) | 数值 |
|---|---|
| 板片厚度/mm | 0.5 |
| 板片数目/片 | 9 |
| 板片宽度/mm | 250 |
| 板片高度/mm | 610 |
| 单板片面积/m2 | 0.129 |
| 板片间距/mm | 5.4 |
| 水平孔间距/mm | 162 |
| 垂直孔间距/mm | 516 |
| 测量参数 | 仪表 | 型号 | 测量范围 | 误差 |
|---|---|---|---|---|
| 温度 | 热电阻 | WSP | 0~300 ℃ | ±0.1% 量程 |
| 压力 | 扩散硅压力变送器 | SD2088 | 0~2 MPa | ±0.5% 量程 |
| 管道压力 | 压力表 | Y-100 | 0~2 MPa | ±1.6% 量程 |
| 工质流量 | 涡轮流量计 | LWGY-C | 0.1~1.5 m³·h⁻¹ | ±0.5% 量程 |
| 冷却水流量 | 法兰式水表 | LX-15 | 0~5 m³·h⁻¹ | ±2% 量程 |
| 转速 | 转速传感器 | DK510 | 0~99999 rpm | ±1 rpm |
| 电流 | 电流传感器 | SIN-DJI-A | 0~20 A | ±0.1% 量程 |
| 电压 | 电压传感器 | MIK-DJU-500 | 0~500 V | ±0.1% 量程 |
表 9 现场实验主要测量仪表及精度
Table 9 Main on-site test instruments and their accuracies
| 测量参数 | 仪表 | 型号 | 测量范围 | 误差 |
|---|---|---|---|---|
| 温度 | 热电阻 | WSP | 0~300 ℃ | ±0.1% 量程 |
| 压力 | 扩散硅压力变送器 | SD2088 | 0~2 MPa | ±0.5% 量程 |
| 管道压力 | 压力表 | Y-100 | 0~2 MPa | ±1.6% 量程 |
| 工质流量 | 涡轮流量计 | LWGY-C | 0.1~1.5 m³·h⁻¹ | ±0.5% 量程 |
| 冷却水流量 | 法兰式水表 | LX-15 | 0~5 m³·h⁻¹ | ±2% 量程 |
| 转速 | 转速传感器 | DK510 | 0~99999 rpm | ±1 rpm |
| 电流 | 电流传感器 | SIN-DJI-A | 0~20 A | ±0.1% 量程 |
| 电压 | 电压传感器 | MIK-DJU-500 | 0~500 V | ±0.1% 量程 |
| 性能指标 | 主要影响因子 | 相对不确定度 / % |
|---|---|---|
| 净输出功率 (Wnet) | 电压、电流 | ±0.14 |
| 热输入功率 (Qe) | 温差、流量 | ±2.2 |
| 热效率 (ηth) | Wnet, Qe | ±3.0 |
| 㶲效率 (ηex) | 多温度参数 | ±3.5 |
表10 系统主要性能参数不确定性分析结果
Table 10 Uncertainty analysis results of the main system performance parameters
| 性能指标 | 主要影响因子 | 相对不确定度 / % |
|---|---|---|
| 净输出功率 (Wnet) | 电压、电流 | ±0.14 |
| 热输入功率 (Qe) | 温差、流量 | ±2.2 |
| 热效率 (ηth) | Wnet, Qe | ±3.0 |
| 㶲效率 (ηex) | 多温度参数 | ±3.5 |
| 项目 | 平均值 | 相对不确定度 | 绝对不确定度 | 单位 |
|---|---|---|---|---|
| 净输出功率 | 9.50 | ±0.14% | ±0.013 | kW |
| 热输入功率 | 110.59 | ±3.5% | ±3.9 | kW |
| 热效率 | 8.59 | ±3.0% | ±0.26 | % |
表11 实验性能参数的不确定度计算结果
Table 11 Summary of main performance parameters and their uncertainties
| 项目 | 平均值 | 相对不确定度 | 绝对不确定度 | 单位 |
|---|---|---|---|---|
| 净输出功率 | 9.50 | ±0.14% | ±0.013 | kW |
| 热输入功率 | 110.59 | ±3.5% | ±3.9 | kW |
| 热效率 | 8.59 | ±3.0% | ±0.26 | % |
| 状态点 | 温度/℃ | 压力/MPa | 焓值/kJ·kg-1 | 状态说明 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 32.4 | 2.08 | 235.6 | 泵出口,过冷液态 |
| 2 | 102.1 | 2.03 | 376.45 | 蒸发器出口 / 膨胀机入口,轻微过热气态 |
| 3 | 62.55 | 0.38 | 360.49 | 膨胀机出口 / 冷凝器入口,湿蒸汽 |
| 4 | 31.6 | 0.35 | 263.08 | 冷凝器出口 / 泵入口,饱和液态 |
表 12 系统各状态点的实验测量参数(稳态平均值)
Table 12 Experimental parameters of state points under steady-state operation
| 状态点 | 温度/℃ | 压力/MPa | 焓值/kJ·kg-1 | 状态说明 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 32.4 | 2.08 | 235.6 | 泵出口,过冷液态 |
| 2 | 102.1 | 2.03 | 376.45 | 蒸发器出口 / 膨胀机入口,轻微过热气态 |
| 3 | 62.55 | 0.38 | 360.49 | 膨胀机出口 / 冷凝器入口,湿蒸汽 |
| 4 | 31.6 | 0.35 | 263.08 | 冷凝器出口 / 泵入口,饱和液态 |
| 工况编号 | 蒸发温度 / ℃ | 冷凝温度 / ℃ | 理论净输出功 / kW | 实验净输出功 (kW) | 相对误差 (%) | 理论热效率 /% | 实验热效率 (%) | 相对误差 (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 70 | 30 | 7.18 | 6.83 | –4.9 | 6.41 | 6.10 | –4.8 |
| 2 | 70 | 35 | 6.51 | 6.00 | –7.8 | 5.81 | 5.40 | –7.1 |
| 3 | 70 | 40 | 5.65 | 5.20 | –8.0 | 5.04 | 4.65 | –7.7 |
| 4 | 70 | 45 | 4.77 | 4.40 | –7.8 | 4.26 | 3.95 | –7.3 |
| 5 | 75 | 30 | 7.79 | 7.36 | –5.5 | 6.96 | 6.60 | –5.2 |
| 6 | 75 | 35 | 7.14 | 6.50 | –7.7 | 6.38 | 5.73 | –7.3 |
| 7 | 75 | 40 | 6.32 | 5.85 | –7.4 | 5.64 | 5.23 | –7.3 |
| 8 | 75 | 45 | 5.48 | 5.05 | –7.8 | 4.89 | 4.50 | –8.0 |
| 9 | 80 | 30 | 8.35 | 7.80 | –6.6 | 7.45 | 6.97 | –6.4 |
| 10 | 80 | 35 | 7.72 | 7.15 | –7.4 | 6.89 | 6.37 | –7.6 |
| 11 | 80 | 40 | 6.93 | 6.40 | –7.7 | 6.18 | 5.70 | –7.8 |
| 12 | 80 | 45 | 6.13 | 5.65 | –7.8 | 5.47 | 5.00 | –8.6 |
| 13 | 85 | 30 | 8.86 | 8.25 | –6.9 | 7.91 | 7.36 | –7.0 |
| 14 | 85 | 35 | 8.25 | 7.63 | –7.5 | 7.36 | 6.82 | –7.3 |
| 15 | 85 | 40 | 7.48 | 6.95 | –7.1 | 6.68 | 6.22 | –6.9 |
| 16 | 85 | 45 | 6.71 | 6.20 | –7.6 | 5.99 | 5.52 | –7.8 |
| 17 | 90 | 30 | 9.32 | 8.64 | –7.3 | 8.32 | 7.71 | –7.3 |
| 18 | 90 | 35 | 8.73 | 8.05 | –7.8 | 7.79 | 7.20 | –7.6 |
| 19 | 90 | 40 | 7.99 | 7.35 | –8.0 | 7.13 | 6.55 | –8.1 |
| 20 | 90 | 45 | 7.24 | 6.65 | –8.2 | 6.46 | 5.95 | –7.9 |
| 21 | 95 | 30 | 9.74 | 8.99 | –7.7 | 8.69 | 8.02 | –7.7 |
| 22 | 95 | 35 | 9.16 | 8.46 | –7.6 | 8.18 | 7.57 | –7.4 |
| 23 | 95 | 40 | 8.44 | 7.78 | –7.8 | 7.54 | 6.96 | –7.7 |
| 24 | 95 | 45 | 7.72 | 7.10 | –8.0 | 6.89 | 6.35 | –7.8 |
| 25 | 100 | 30 | 10.13 | 9.29 | –8.3 | 9.05 | 8.31 | –8.2 |
| 26 | 100 | 35 | 9.57 | 8.76 | –8.5 | 8.54 | 7.82 | –8.4 |
| 27 | 100 | 40 | 8.87 | 8.15 | –8.1 | 7.91 | 7.25 | –8.3 |
| 28 | 100 | 45 | 8.16 | 7.47 | –8.5 | 7.28 | 6.65 | –8.6 |
| 29 | 105 | 30 | 10.48 | 9.50 | –8.9 | 9.36 | 8.53 | –8.9 |
| 30 | 105 | 35 | 9.93 | 9.05 | –8.9 | 8.86 | 8.07 | –8.9 |
| 31 | 105 | 40 | 9.24 | 8.40 | –9.1 | 8.25 | 7.49 | –9.2 |
| 32 | 105 | 45 | 8.55 | 7.77 | –9.1 | 7.63 | 6.93 | –9.2 |
表13 理论计算与实验结果对比
Table 13 Comparison between theoretical calculations and experimental results
| 工况编号 | 蒸发温度 / ℃ | 冷凝温度 / ℃ | 理论净输出功 / kW | 实验净输出功 (kW) | 相对误差 (%) | 理论热效率 /% | 实验热效率 (%) | 相对误差 (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 70 | 30 | 7.18 | 6.83 | –4.9 | 6.41 | 6.10 | –4.8 |
| 2 | 70 | 35 | 6.51 | 6.00 | –7.8 | 5.81 | 5.40 | –7.1 |
| 3 | 70 | 40 | 5.65 | 5.20 | –8.0 | 5.04 | 4.65 | –7.7 |
| 4 | 70 | 45 | 4.77 | 4.40 | –7.8 | 4.26 | 3.95 | –7.3 |
| 5 | 75 | 30 | 7.79 | 7.36 | –5.5 | 6.96 | 6.60 | –5.2 |
| 6 | 75 | 35 | 7.14 | 6.50 | –7.7 | 6.38 | 5.73 | –7.3 |
| 7 | 75 | 40 | 6.32 | 5.85 | –7.4 | 5.64 | 5.23 | –7.3 |
| 8 | 75 | 45 | 5.48 | 5.05 | –7.8 | 4.89 | 4.50 | –8.0 |
| 9 | 80 | 30 | 8.35 | 7.80 | –6.6 | 7.45 | 6.97 | –6.4 |
| 10 | 80 | 35 | 7.72 | 7.15 | –7.4 | 6.89 | 6.37 | –7.6 |
| 11 | 80 | 40 | 6.93 | 6.40 | –7.7 | 6.18 | 5.70 | –7.8 |
| 12 | 80 | 45 | 6.13 | 5.65 | –7.8 | 5.47 | 5.00 | –8.6 |
| 13 | 85 | 30 | 8.86 | 8.25 | –6.9 | 7.91 | 7.36 | –7.0 |
| 14 | 85 | 35 | 8.25 | 7.63 | –7.5 | 7.36 | 6.82 | –7.3 |
| 15 | 85 | 40 | 7.48 | 6.95 | –7.1 | 6.68 | 6.22 | –6.9 |
| 16 | 85 | 45 | 6.71 | 6.20 | –7.6 | 5.99 | 5.52 | –7.8 |
| 17 | 90 | 30 | 9.32 | 8.64 | –7.3 | 8.32 | 7.71 | –7.3 |
| 18 | 90 | 35 | 8.73 | 8.05 | –7.8 | 7.79 | 7.20 | –7.6 |
| 19 | 90 | 40 | 7.99 | 7.35 | –8.0 | 7.13 | 6.55 | –8.1 |
| 20 | 90 | 45 | 7.24 | 6.65 | –8.2 | 6.46 | 5.95 | –7.9 |
| 21 | 95 | 30 | 9.74 | 8.99 | –7.7 | 8.69 | 8.02 | –7.7 |
| 22 | 95 | 35 | 9.16 | 8.46 | –7.6 | 8.18 | 7.57 | –7.4 |
| 23 | 95 | 40 | 8.44 | 7.78 | –7.8 | 7.54 | 6.96 | –7.7 |
| 24 | 95 | 45 | 7.72 | 7.10 | –8.0 | 6.89 | 6.35 | –7.8 |
| 25 | 100 | 30 | 10.13 | 9.29 | –8.3 | 9.05 | 8.31 | –8.2 |
| 26 | 100 | 35 | 9.57 | 8.76 | –8.5 | 8.54 | 7.82 | –8.4 |
| 27 | 100 | 40 | 8.87 | 8.15 | –8.1 | 7.91 | 7.25 | –8.3 |
| 28 | 100 | 45 | 8.16 | 7.47 | –8.5 | 7.28 | 6.65 | –8.6 |
| 29 | 105 | 30 | 10.48 | 9.50 | –8.9 | 9.36 | 8.53 | –8.9 |
| 30 | 105 | 35 | 9.93 | 9.05 | –8.9 | 8.86 | 8.07 | –8.9 |
| 31 | 105 | 40 | 9.24 | 8.40 | –9.1 | 8.25 | 7.49 | –9.2 |
| 32 | 105 | 45 | 8.55 | 7.77 | –9.1 | 7.63 | 6.93 | –9.2 |
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