有机朗肯循环专利技术综述

彭小熙

摘 要： 为了提高中低温余热的利用效率，世界各国科学家付出了巨大的努力，而使用有机朗肯循环来回收该部分热量进行利用便是其中典型代表。本文首先简要介绍了有机朗肯循环技术及相关特点，在此基础上分析了有机朗肯循环的全球与中国的专利情况，最后对该领域进行展望。

关键词： 朗肯循环；有机；中低温余热

一、前言

随着我国经济技术的飞速发展和人口数量的不断增长，所消耗的化石能源数量也在不断攀升，同时在工业生产中，大量余热被直接排放到大气中，这样不仅仅造成了环境的污染，更是白白损耗了一大部分可用能源。因此，对中低温余热的回收和利用便具有重要的现实意义。若以水作为朗肯循环的工质，来回收这部分低温余热，则由于水的沸点较高，将会导致系统的效率低下。如若选用有机朗肯循环（ORC）来回收余热，则既能实现能源的回收利用，又能在同等的输出条件下，减少二氧化碳等污染物的排放，有利于环境保护。同时，有机朗肯循环（ORC）也可以用于自然界中的其他低品位能量，实现能源利用的多样性，从而弥补了能源不足的现状。

二、有机朗肯循环基本技术原理浅析

（一）、性能简介及优势分析

有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle）是以低沸点有机物为工质的朗肯循环[1]。整个系统由换热器、透平机、冷凝器和工质泵四大部件组成，有机工质首先在换热器中从废气等需要余热回收的流体中吸收热量，从而形成蒸汽，进而，蒸汽进入透平机中膨胀对外输出功，从透平机排出的蒸汽在凝汽器中放热，凝结成液态，再通过工质泵重新回到换热器中，从而形成一个完整的循环。

ORC循環与传统的水蒸气朗肯循环的根本区别在于采用有机工质，所以整个工质的特性将主导整个发电系统的结构及效率。在中低温（低于650℃）情况下，由于ORC在显热回收方面有较高效率，因此ORC循环的效率明显比水作为工质的朗肯循环效率高得多。

（二）、关键技术

ORC循环是通过透平机来实现能源转换的，因此，透平机的设计是系统效率的一个保证，其要求在相同热量的条件下使得发电功率最大化。此外，换热器的构造以及工质的选取也将直接影响能源回收的效率，而由此选用混合工质也是拓宽ORC循环工质选择范围的另一种方法。通过余热源的温度范围，工质与管道的兼容性，混合工质的特性，换热效率，安全性，经济性等方面进行考量，配比出最合适的换热工质和换热器。进而，在优化系统性能发面，还需要系统能够运行平稳，噪声低，结构简单以及使用范围广。

三、有机朗肯循环专利情况分析

（一）、申请量分析

表2为不同时间段有机朗肯循环的国内专利申请量与全球专利申请量的对比。截止2018年3月8日，有机朗肯循环领域的相关专利申请总量达到了2110篇，而国内关于该领域的申请总量达到了1065件，在全球申请中占据了重要的地位。然而，在这之前的很长一段时间，国内每年有机朗肯循环领域的专利申请量不足5篇，直至2009年以后申请量才逐渐呈现上升趋势。在我国，该项技术起步较晚，中国第一篇国内申请人的关于有机朗肯循环装置的专利申请的公开日为2006年。并且，在早期，国内对有机朗肯循环装置的研究主要是从理论上对该循环系统进行研究，直至近几年，随着我国在各式能源大规模利用方面出现了大量的需求，这也促使国内对该项技术的研究无论是从理论上或者是实际改造上均更加深入。专利申请量的增加，不仅仅体现了我国对该项技术的研究发展，同时也反映出近几年国人逐渐形成了专利保护意识。

（二）、申请人分析

根据申请量分析，并结合前期的统计结果所抽取的样本中所得到有机朗肯循环领域申请量较大的申请人，以及行业中较为知名的申请人，如下表所示：

可以看出，目前，在国外ORC技术已经商业化，并且在统计中得知外国已将该项技术从余热的回收方面扩大到地热、太阳能、生物能等新能源的利用上来。而我国对于ORC的研究起步较晚，故而该领域的大多数申请人为科研单位：天津大学的主要研究方向是双螺杆有机朗肯循环系统，北京工业大学主要研究单螺杆有机朗肯循环系统，而中国科技大学研究的是太阳能有机朗肯循环利用等。同时，自2008年以来，清华大学和杭州中能汽轮动力有限公司联合开展对ORC工业余热发电系统的工程应用研究和关键技术的研发，将ORC工业低温余热技术积极推向工业应用领域。此外，在有机朗肯循环领域中并没有出现明显的技术垄断，而是一种百花齐放的发展趋势，这有利于不同创新技术之间的交流与学习，更有利于该项技术的发展。

（三）、有效性分析

截至至2018年，有机朗肯循环领域中，国内申请的公开量为1065篇，而公告量仅为289，专利授权率为27.36%。这说明虽然各个研究院或者企业在有机朗肯循环技术方面进行着不断的研究和探索，但是由于我国现在仍处于理论研究阶段，技术尚未成熟，由于理论重复性较高，因此造成了该领域专利授权率的低下。

四、有机朗肯循环领域展望

有机朗肯循环是回收低品位余热的有效途径之一，在国外，该项技术已经有非常成熟及广泛地应用，同时，该项技术也成功应用到新能源领域中去；然而在我国，该项技术尚有不足，仍有很大的发展空间。

随着科技的发展，有机朗肯循环技术将愈加成熟，当前该技术主要发展方向为：提升有机朗肯循环系统理论的完备性和复杂性，或者系统整合满足空间集成化需求，以使得系统效率更优。

参考文献

[1] 李艳，连红奎，顾春伟. 有机朗肯循环在工业余热回收中的应用[J]. 2009年中国动力工程学会透平专业委员会2009年学术研讨会论文集，123-127页，2009.