非氨水混合工质在Kalina循环中的应用和效率

Kalina循环通常采用氨水混合物为工质，实际上也可以采用其他非共沸混合工质。有些学者研究了采用不同非共沸混合工质的Kalina循环系统的性能。针对热源温度在200℃～400℃范围，Eller等研究了非共沸醇类混合物的KCS34循环的热力学性能，并与采用非共沸混合工质的亚临界和超临界ORC系统进行了对比［82］。考虑的醇类工质包括从甲醇到庚醇的7种工质，见表6-8。随着醇类工质的碳原子数的增加，其在水中的溶解度逐渐降低。在1 bar压力下，醇类工质与水的混合物的温度滑移如图6-60（a）所示，氨水的最大温度滑移可达94.3 K，醇类中甲醇/水混合物的最大温度滑移仅为13.5 K，醇水混合物的温度滑移明显小于氨水。不同醇类非共沸混合物的温度滑移如图6-60（b）所示，醇类混合物的最大温度滑移可达71.6 K，其中甲醇/庚醇、乙醇/庚醇、甲醇/己醇3种混合物的温度滑移接近氨水。

表6-8　用于Kalina循环的醇类工质［82］

图6-60　1 bar压力下醇类工质与水的温度滑移和醇类工质混合物的温度滑移［82］

在不同热源温度下，采用甲醇/己醇混合工质的系统效率随低沸点组分质量分数的变化趋势如图6-61（a）所示。在热源温度一定时，随着低沸点组分质量分数的增加，效率先增大后减小，存在一个最优的组分比使效率达到最大值，且该最优组分比会随着热源温度在一定范围内变化。甲醇/庚醇混合工质的结果如图6-61（b）所示，其变化趋势与图6-61（a）接近，但最大效率稍高于甲醇/己醇混合工质。

图6-61　低沸点组分质量分数对系统效率的影响［82］

（a）甲醇/己醇；（b）甲醇/庚醇

采用醇类混合工质与采用氨水工质的Kalina循环系统对比如图6-62（a）所示，在大部分温度范围内，醇类混合工质的性能明显优于氨水工质。当热源温度高于250℃时，采用醇类混合工质的效率比采用氨水工质高16%～75%。在不同的热源温度下，KCS34系统效率与ORC系统效率的对比如图6-62（b）所示，采用醇类混合工质的Kalina循环系统的效率可接近亚临界或超临界ORC系统效率的最大值。

当热源温度在60℃～160℃范围内时，通过研究采用LiBr、LiCl和CaCl2等3种卤盐的水溶液的吸附式动力循环性能，可与蒸汽朗肯循环、Kalina循环和有机朗肯循环进行对比［83］。在考虑了冷却塔或空冷器功耗的条件下，当热源温度低于120℃时，3种卤盐溶液的吸附式动力循环性能均优于朗肯循环。热效率和效率的对比如图6-63所示，在热源温度为110℃～120℃时，采用卤盐溶液的动力循环性能明显优于其他系统，当采用风冷式冷凝器时，其效率的提高程度比采用冷却塔的系统更加明显。相较于有机朗肯循环，小功率的吸附式动力循环的膨胀机机械设计难度较小，且卤盐溶液无毒，环保特性好。

图6-62　系统效率随热源温度变化曲线［82］

（a）醇类混合工质与氨水工质对比；（b）KCS34系统与ORC系统对比(www.xing528.com)

图6-63　采用不同工质的Kalina循环系统性能随热源温度的变化曲线［83］

（a）采用冷却塔的系统热效率；（b）采用空冷式冷凝器的系统热效率

图6-63　采用不同工质的Kalina循环系统性能随热源温度的变化曲线［83］（续）

（c）采用冷却塔的系统效率；（d）采用空冷式冷凝器的系统效率［85］

在热动力循环中，工质在蒸发器内的吸热和在冷凝器内的放热过程中，存在很大的损，利用非共沸混合工质的温度滑移特性，可实现换热器内工质与热源或冷源之间更好的温度匹配，降低系统的损。对采用氨水工质的Kalina循环，还可利用吸附式动力循环原理，通过分离系统改变冷凝器内的氨浓度，降低氨水的挥发度，有利于工质的冷凝。然而，由于氨水混合物的换热系数较低，而换热器内的平均温差更小，导致Kalina循环的换热器面积较大。针对180℃的地热水，Bliem等研究了采用氨水、异丁烷/正庚烷和R22/R114等不同非共沸混合工质的Kalina循环性能［84］。考虑的Kalina循环包括图6-64所示的基本Kalina循环和改进的带三级膨胀的复杂Kalina循环。采用一路并行的热源加热部分膨胀后工质，对二级涡轮出口的工质利用部分工质泵出口工质进行回热，之后利用三级涡轮进一步输出功率。通过如此复杂的换热器布置和采用多级涡轮膨胀，借鉴多级沸腾动力循环原理，降低了工质在吸热过程中的损。设定地热水温度为182℃，异丁烷/正庚烷的初始质量比为94/6，R22/R114的初始质量比为50/50，氨/水的初始质量比为70/30，通过与传统朗肯循环的对比，采用异丁烷/正庚烷或R22/R114为工质的Kalina循环，效率仅有小幅提升，而采用氨水工质后，Kalina循环的性能明显比传统的朗肯循环高，采用氨水工质的三级膨胀Kalina循环的效率比采用异丁烷/正庚烷或R22/R114的系统还要高。

图6-64　基本Kalina循环和改进的带三级膨胀的复杂Kalina循环［84］

（a）基本Kalina循环

图6-64　基本Kalina循环和改进的带三级膨胀的复杂Kalina循环（续）［84］

（b）改进的带三级膨胀的复杂Kalina循环