有機朗肯循環系統中工質泵的運行性能

張紅光，楊宇鑫，孟凡驍，趙蕊，田亞明，劉毅

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有機朗肯循環系統中工質泵的運行性能

張紅光1,2，楊宇鑫1,2，孟凡驍1,2，趙蕊1,2，田亞明1,2，劉毅3

（1北京工業大學環境與能源工程學院，北京100124；2北京電動車輛協同創新中心，北京100124；3大同北方天力增壓技術有限公司，山西大同 037036）

為研究車用有機朗肯循環（organic Rankine cycle，ORC）余熱回收系統中工質泵的性能及選型，在模擬車用ORC余熱回收系統的工作環境下，設計并搭建了以R123作為工質的多級離心泵性能測試實驗系統。通過控制多級離心泵轉速（870～2900 r·min-1）、調節工質流量（0.20～5.00 m3·h-1），得到了多級離心泵特性曲線。通過分析變工況時多級離心泵關鍵參數間相互作用關系，及其對車用ORC余熱回收系統性能的影響情況，驗證了多級離心泵應用于車用ORC余熱回收系統的可行性，并確定了其最佳工況點參數。研究結果表明：變工況時，多級離心泵總效率為15.00%～65.70%。車用ORC余熱回收系統的蒸發壓力、熱效率均隨著多級離心泵轉速的增加而增加。在高轉速區，工質流量對系統蒸發壓力和多級離心泵輸入功率（多級離心泵消耗的電功率）的影響明顯增大。隨著系統蒸發溫度的升高，工質泵實際輸入功率占膨脹機輸出功率的比例（back work ratio，BWR）最高可達0.45。當多級離心泵轉速為2900 r·min-1時，車用ORC余熱回收系統熱效率最高可達10.50%。

有機朗肯循環；熱力學；泵；回收；變工況；運行性能

引 言

車用內燃機運行時，只有20%～30%（汽油機）或30%～45%（柴油機）的燃料燃燒總能量用于動力輸出，其余能量被排氣和冷卻介質帶走，造成能源浪費[1-3]。因此，將車用內燃機的余熱能高效轉化再利用，必然會提高車用內燃機的燃油經濟性，達到節能減排的目的[4-6]。有機朗肯循環被認為是實現低品位能量回收的有效途徑之一，并在眾多領域得到了研究與應用[7-13]。國內外學者針對ORC系統中的膨脹機和換熱器進行了大量的研究工作[14-19]，但目前針對工質泵的研究較少[20-21]。工質泵主要的作用是為ORC系統提供所需的工質流量和壓力，工質泵也是ORC系統中主要的耗能部件，其性能直接影響ORC系統的凈輸出功率和熱效率。

已有文獻中工質泵的效率多為經驗值，通常取為65.00%～85.00%[22-25]。往往忽略了工質泵的效率變化對車用ORC余熱回收系統性能的影響情況。Quoilin等[26]針對ORC系統性能進行了分析，認為在計算ORC系統的熱效率和凈輸出功率時應充分考慮工質泵輸入功率；當蒸發溫度接近工質的臨界溫度時，BWR會顯著增加。Borsukiewicz-Gozdur[27]針對ORC系統中18種不同工質的泵輸入功率進行了分析，認為低臨界溫度的工質具有較大的工質泵輸入功率；BWR在0.30%～14.00%的范圍內變化。楊緒飛等[28]針對ORC系統中三柱塞泵進行研究，發現三柱塞泵的總效率為22.00%～30.00%；其機械效率偏低的主要原因是實際運行工況偏離額定工況。葉佳琦等[29]針對小型ORC系統中工質泵的效率進行了研究，發現液壓隔膜泵的等熵效率為15.00%～47.00%；等熵效率隨工質流量的增大和泵進出口壓差的增加而升高，而且受工質流量的影響較大。Glover等[30]針對變工況有機朗肯循環系統性能進行了分析，并搭建了車用內燃機有機朗肯循環系統仿真模型。假設工質泵的等熵效率在任意熱源下均為75%。發現有機朗肯循環系統熱效率為5%～23%。

若只在車用ORC余熱回收系統的實驗裝置中進行相關實驗工作，對于工質泵的研究只能獲得部分工況點參數，無法系統且深入地研究變工況時工質泵關鍵參數的變化規律及相互作用關系。當前，工質泵在車用ORC余熱回收系統中的適用性及最佳控制策略也很少有相關研究成果發表。針對以上問題，以實驗為主要研究手段，搭建了以R123作為工質的多級離心泵性能測試實驗系統，探究了多級離心泵全工況范圍內關鍵參數變化規律及相互作用關系；分析了變工況時多級離心泵關鍵參數對車用ORC余熱回收系統性能的影響情況，為車用ORC余熱回收系統性能優化及工質泵選型提供可靠的理論依據。

1 實驗系統與方案

多級離心泵是一種典型的葉片式泵，密封性良好，調節方便，通過內部的多級葉輪使工質獲得高壓，其技術參數見表1。選用多級離心泵作為工質泵，并搭建了多級離心泵性能測試實驗系統，用于探究多級離心泵轉速、工質流量對出口壓力、總效率、輸入功率的影響規律。

表1 多級離心泵技術參數

1.1 實驗系統

圖1和圖2分別為多級離心泵性能測試實驗系統的原理和實物，該實驗系統主要由多級離心泵性能測試子系統和數據采集子系統組成。其中，多級離心泵性能測試子系統主要包括儲液罐、截止閥、多級離心泵和過濾器，各部件之間通過不銹鋼管路及法蘭連接；數據采集子系統主要包括功率表、溫度傳感器、壓力傳感器、質量流量計、數據采集儀等。其中，儲液罐為不銹鋼材料，體積為100 L，為了避免多級離心泵發生汽蝕現象，本實驗系統采取以下解決方式：①將儲液罐置于1 m×0.8 m×1.5 m的臺架上，與多級離心泵形成一定的高度差，避免多級離心泵內產生較高的汽化壓力；②在儲液罐上方與多級離心泵進口處連接平衡管，使多級離心泵進口處壓力與儲液罐內部壓力保持一致。

實驗前，保證管路和各部件之間密封連接，同時對系統進行抽真空處理，并向儲液罐內注入R123。實驗過程中，工質從儲液罐流出后進入多級離心泵被加壓，加壓后的工質經過濾器、質量流量計等部件，最后流回儲液罐，完成一次循環。實驗中，變頻器用于改變多級離心泵轉速；功率表用于測量多級離心泵輸入功率；多級離心泵進口和出口處設置的溫度和壓力傳感器用于測量工質的溫度和壓力；質量流量計用于測量工質的質量流量和密度。實驗系統穩定運行時，通過數據采集儀實時采集實驗數據。實驗系統中各傳感器量程及測量精度見表2。

表2 實驗系統中傳感器技術參數

1.2 實驗方案

實驗過程中，儲液罐內有機工質溫度維持在313.15 K，對應的絕對壓力維持在0.22 MPa。由于該實驗是在模擬車用ORC余熱回收系統工作環境下進行的，儲液罐內工質的溫度用于模擬車用ORC余熱回收系統中的冷凝溫度，多級離心泵出口壓力用于模擬車用ORC余熱回收系統中的蒸發壓力。通過控制多級離心泵轉速（870～2900 r·min?1）、調節工質流量（0.20～5.00 m3·h?1），進行多次實驗，從而得到多級離心泵特性曲線。

2 實驗結果與分析

2.1 出口壓力

圖3為不同轉速下多級離心泵出口壓力隨工質流量的變化情況。由圖可知，當工質流量一定時，多級離心泵出口壓力隨轉速的增加而升高；當多級離心泵轉速一定時，多級離心泵出口壓力隨工質流量的增加而降低。當多級離心泵轉速為2900 r·min?1時，出口壓力最高可達2.79MPa。從圖中還可看出，多級離心泵轉速越高，工質流量變化范圍越廣。當多級離心泵轉速從870 r·min?1提高到2900 r·min?1時，工質流量變化范圍擴大了約3.6倍。同時，多級離心泵在高轉速區運行時，工質流量對出口壓力的影響明顯增強。例如，當多級離心泵轉速為2610 r·min?1時，工質流量每增加0.28 m3·h?1，出口壓力平均降低0.11MPa；而當其轉速為1160 r·min?1時，工質流量每增加0.28 m3·h?1，出口壓力平均僅降低0.05 MPa。上述分析結果說明：在多級離心泵運行時，可通過協調控制工質流量和多級離心泵轉速，以滿足變工況時車用ORC余熱回收系統對小流量、高蒸發壓力的需求。

2.2 輸入功率

圖4為不同轉速下多級離心泵輸入功率隨工質流量的變化情況。由圖可知，當工質流量一定時，多級離心泵輸入功率隨轉速的增加而增加；當多級離心泵在低轉速區運行時，其輸入功率隨工質流量的變化不明顯，而在高轉速區運行時，其輸入功率隨工質流量的增加而呈現出先增加后減小的趨勢。多級離心泵轉速為2900r·min?1時的輸入功率大約是870r·min?1時的20倍。這說明了降低多級離心泵轉速能顯著降低其輸入功率。在大流量區運行時，多級離心泵轉速對輸入功率的影響較大。當工質流量為0.20 m3·h?1時，多級離心泵轉速從1740r·min?1增加到2030r·min?1時，其輸入功率增長了0.39 kW；而從2610r·min?1增加到2900r·min?1時，其輸入功率增長了0.82kW。這主要是因為多級離心泵進出口壓差和工質流量共同決定了其實際輸入功率的大小。上述分析結果說明：多級離心泵在高轉速區運行時，可通過協調控制轉速和工質流量的方式，達到降低多級離心泵輸入功率的目的。

2.3 總效率

多級離心泵總效率的計算公式如下

圖5為不同轉速下多級離心泵總效率隨工質流量的變化情況。由圖可知，在多級離心泵轉速一定時，多級離心泵總效率隨工質流量的增加而呈現出先增加后減小的趨勢，并在一定工質流量范圍內存在著穩定高效區；隨著多級離心泵轉速的增加，多級離心泵總效率的最大值和穩定高效區的范圍均逐漸增加。多級離心泵轉速為870 r·min?1時，總效率為15.80%～33.50%；而其轉速為2610 r·min?1時，總效率為15.90%～65.70%。由此可知，多級離心泵在接近額定工況點時效率較高，當多級離心泵在低轉速區運行時，其總效率明顯下降。這主要可能是因為以下兩點原因造成的：①多級離心泵實際運行工況嚴重偏離其額定工況；②當多級離心泵在低轉速區運行時，較高的進出口壓差和較低的流速使工質泵的內部泄漏問題更加突出。當多級離心泵在高轉速、大流量區運行時，其總效率也呈現出明顯的下降趨勢。這可能是因為較大的工質流量導致較多的有機工質繞過葉輪，而沒有獲得有效能量。上述分析結果說明：當多級離心泵在低轉速區運行時，可通過提高多級離心泵轉速和工質流量來提高其效率；在高轉速區運行時，可通過調節工質流量使其運行在穩定高效區。

圖5 多級離心泵總效率隨流量的變化情況

Fig.5 Overall efficiency of multistage centrifugal pump with flow rate

3 車用ORC余熱回收系統性能分析

3.1 BWR

BWR表示工質泵實際輸入功率占膨脹機輸出功率的比例；BWRth（理論BWR）表示工質泵理論輸入功率占膨脹機輸出功率的比例。圖6為不同轉速下BWR和BWRth隨蒸發溫度的變化情況。從圖中可以看出，BWRth隨著蒸發溫度的升高而呈現出緩慢增加的趨勢，最高為0.08。而隨著蒸發溫度的升高，實際BWR呈現出先緩慢減小后急劇增加的趨勢，最高可達0.45。主要是因為多級離心泵的效率隨工況變化而不斷變化，在低轉速、低蒸發溫度區運行時，多級離心泵的效率相對較高，導致BWR緩慢下降；而在高轉速、高蒸發溫度區運行時，多級離心泵的效率急劇下降，導致BWR迅速上升。在此情況下如果再考慮冷凝風扇，潤滑油泵等的輸入功率時，可能出現車用ORC余熱回收系統凈輸出功率為負值的情況。多級離心泵在高轉速、高蒸發溫度區運行時，可通過降低多級離心泵轉速和工質流量的方式來有效控制其輸入功率和效率。綜上分析：在車用ORC余熱回收系統中，可在不影響蒸發溫度持續升高的條件下，通過提高多級離心泵轉速來有效地降低BWR，從而使車用ORC余熱回收系統熱效率和凈輸出功率達到最佳值。

3.2 熱效率

車用ORC余熱回收系統熱效率的計算公式如下

圖7為不同轉速下車用ORC余熱回收系統熱效率隨蒸發溫度的變化情況。從圖中可看出，在多級離心泵轉速一定時，車用ORC余熱回收系統熱效率隨蒸發溫度的升高而呈現出先增加后減小的趨勢。在多級離心泵轉速為2900 r·min-1時，車用ORC余熱回收系統熱效率最高可達10.50%。還可以看出，通過提高多級離心泵轉速可使蒸發溫度升高，進而有利于提高車用ORC余熱回收系統熱效率。這是因為，根據有機朗肯循環系統熱力學模型[26]，多級離心泵轉速增加使多級離心泵出口壓力增大，進而使蒸發壓力增大，由于膨脹機出口假定為飽和蒸氣狀態，所以蒸發溫度會隨之升高。上述分析表明：在多級離心泵轉速一定時，通過調節工質流量，可使車用ORC余熱回收系統在最佳蒸發溫度條件下運行，并使車用ORC余熱回收系統的熱效率達到最佳值。

圖7 熱效率隨蒸發溫度的變化情況

Fig.7 Thermal efficiency with evaporating temperature

3.3 最佳工況點

表3為不同轉速下多級離心泵在車用ORC余熱回收系統中的最佳工況點參數。如表所示，隨著多級離心泵轉速的升高，系統最佳蒸發溫度對應的系統蒸發壓力、凈輸出功率、熱效率等也隨之升高。多級離心泵轉速從870 r·min?1提高到2900 r·min?1，系統最佳蒸發溫度從348.75 K提升到429.82 K，對應的蒸發壓力從0.44 MPa提高到2.35 MPa，系統熱效率從3.59%提高到10.50%。綜上所述，通過對多級離心泵轉速和工質流量的協調控制可使車用ORC余熱回收系統達到最佳性能，從而為車用ORC余熱回收系統工況調控提供理論依據。

表3 多級離心泵在車用ORC余熱回收系統中的最佳工況點參數

4 結 論

（1）多級離心泵的效率變化范圍較廣，約為15.00%～65.70%。因此，在對車用ORC余熱回收系統進行理論分析時，工質泵的效率取值應根據實驗結果來確定。

（2）實際BWR隨蒸發溫度的升高而呈現出先緩慢減小后急劇增加的趨勢，比理論值高出約5.30倍，此時對應的多級離心泵的效率為15.00%。低的工質泵效率直接影響了車用ORC余熱回收系統的凈輸出功率和熱效率的提高。

（3）通過調節多級離心泵轉速和工質流量，可使多級離心泵高效地應用于車用ORC余熱回收系統。在不同轉速下，存在使車用ORC余熱回收系統熱效率達到最佳值的工況點，對車用ORC余熱回收系統性能優化具有重要意義。

（4）隨著多級離心泵轉速的增加，多級離心泵效率、車用ORC余熱回收系統蒸發壓力、熱效率、凈輸出功率均呈現出增加的趨勢。當多級離心泵在高轉速區運行時，通過控制工質流量可使其運行在穩定高效區。

（5）多級離心泵輸入功率隨轉速的增加而增加，且增加的幅度逐漸增大。可通過協調控制轉速和工質流量的方式來降低其在高轉速區運行時的輸入功率，從而增加車用ORC余熱回收系統凈輸出功率。

符 號 說 明

P——功率，W p——壓力，MPa Q——吸熱量，J q——流量，m3·s-1 W——功，J η——熱效率，% η′——效率，% 下角標 e——膨脹機 ORC——車用ORC余熱回收系統 p——多級離心泵 th——理論 v——體積 1——進口 2——出口

References

[1] YANG F B, DONG X R, ZHANG H G,. Performance analysis of waste heat recovery with a dual loop organic Rankine cycle (ORC) system for diesel engine under various operating conditions[J]. Energy Conversion and Management, 2014, 80: 243-255.

[2] YU G P, SHU G Q, TIAN H,. Simulation and thermodynamic analysis of a bottoming organic Rankine cycle (ORC) of diesel engine (DE)[J]. Energy, 2013, 51: 281-290.

[3] 俞小莉, 李婷. 發動機熱平衡仿真研究現狀與發展趨勢[J]. 車用發動機, 2005, (5): 1-5. YU X L, LI T. Research and development in thermal balance simulation for the engine[J]. Vehicle Engine, 2005, (5): 1-5.

[4] 夏立軍, 裴剛, 李晶, 等. ORC系統小型渦輪不同轉速下的性能分析[J]. 化工學報, 2014, 65 (11): 4254-4261.XIA L J, PEI G, LI J,. Performance analysis on small-scale turbine used in ORC system at different rotational rates[J]. CIESC Journal, 2014, 65 (11): 4254-4261.

[5] 楊凱, 張紅光, 宋松松, 等. 變工況下車用柴油機排氣余熱有機朗肯循環回收系[J]. 化工學報, 2015, 66 (3): 1097-1103.YANG K, ZHANG H G, SONG S S,. Waste heat organic Rankine cycle of vehicle diesel engine under variable working conditions[J]. CIESC Journal, 2015, 66 (3): 1097-1103.

[6] 舒歌群, 霍永占, 田華, 等. 內燃機余熱回收ORC系統三層次評價方法[J]. 天津大學學報(自然科學與工程技術版), 2017, 50 (4):411-420.SHU G Q, HUO Y Z, TIAN H,. A three-level evaluation method for internal combustion engine waste heat ORC recovery systems[J]. Journal of Tianjin University (Science and Technology), 2017, 50 (4):411-420.

[7] WANG E H, ZHANG H G, ZHAO Y,. Performance analysis of a novel system combining a dual loop organic Rankine cycle (ORC) with a gasoline engine[J]. Energy, 2012, 43 (1): 385-395.

[8] HETTIARACHCHI H D M, GOLUBOVIC M, WOREK W M,. Optimum design criteria for an organic Rankine cycle using low-temperature geothermal heat sources[J]. Energy, 2007, 32 (9): 1698-1706.

[9] BANSAL P, MARSHALL N. Feasibility of hydraulic power recovery from waste energy in bio-gas scrubbing processes[J]. Applied Energy, 2010, 87 (3): 1048-1053.

[10] 方金莉, 魏名山, 王瑞君, 等. 采用中溫有機朗肯循環回收重型柴油機排氣余熱的模擬[J]. 內燃機學報, 2010, 28 (4): 362-367. FANG J L, WEI M S, WANG R J,. Simulation of waste heat recovery from a heavy-duty diesel engine with a medium temperature ORC system[J]. Transactions of CSICE, 2010, 28 (4): 362-367.

[11] SONG S S, ZHANG H G, LOU Z Y,. Performance analysis of exhaust waste heat recovery system for stationary CNG engine based on organic Rankine cycle[J]. Applied Thermal Engineering, 2015, 76: 301-309.

[12] QUOILIN S, AUMANN R, GRILL A,. Dynamic modeling and optimal control strategy of waste heat recovery organic Rankine cycles[J]. Applied Energy, 2011, 88 (6): 2183-2190.

[13] YARI M, MEHR A S, MAHMOUDI S M S. Thermodynamic analysis and optimization of a novel dual-evaporator system powered by electrical and solar energy sources[J]. Energy, 2013, 61: 646-656.

[14] WANG W, WU Y T, MA C F,. Preliminary experimental study of single screw expander prototype[J]. Applied Thermal Engineering, 2011, 31 (17/18): 3684-3688.

[15] SONG P P, WEI M S, LIU Z,. Effects of suction port arrangements on a scroll expander for a small scale ORC system based on CFD approach[J]. Applied Energy, 2015, 150: 274-285.

[16] 張紅光, 貝晨, 楊富斌, 等. ORC系統蒸發器性能分析及其對柴油機性能影響[J]. 太陽能學報, 2016, 37 (2): 462-468. ZHANG H G, BEI C, YANG F B,. Performance analysis and influence of evaporator on diesel engine characteristics used in organic Rankine cycle (ORC) system[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2016, 37 (2): 462-468.

[17] 王輝濤, 王華, 葛眾, 等. 變溫熱源驅動非共沸混合工質ORC換熱器溫度匹配性能評價方法[J]. 昆明理工大學學報(自然科學版), 2014, 39 (1): 58-62. WANG H T, WANG H, GE Z,. A method to evaluate temperature matching performance of heat exchanger in variable-temperature heat source driving ORC with zeotropic refrigerant mixtures[J]. Journal of Kunming University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2014, 39 (1): 58-62.

[18] MASTRULLO R, MAURO A W, REVELLIN R,. Modeling and optimization of a shell and louvered fin mini-tubes heat exchanger in an ORC powered by an internal combustion engine[J]. Energy Conversion and Management, 2015, 101: 697-712.

[19] WANG E H, ZHANG H G, FAN B Y,. Study of working fluid selection of organic Rankine cycle (ORC) for engine waste heat recovery[J]. Energy, 2011, 36(5): 3406-3418.

[20] LEI B, WU Y T, WANG W,. A study on lubricant oil supply for positive-displacement expanders in small-scale organic Rankine cycles[J]. Energy, 2014, 78: 846-853.

[21] MENG F X, ZHANG H G, YANG F B,. Study of efficiency of a multistage centrifugal pump used in engine waste heat recovery application[J]. Applied Thermal Engineering, 2017, 110: 779-786.

[22] LANDELLE A, TAUVERON N, REVELLIN R,. Performance investigation of reciprocating pump running with organic fluid for organic Rankine cycle[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 113: 962-969.

[23] QUOILIN S, OROSZ M, HEMOND H,. Performance and design optimization of a low-cost solar organic Rankine cycle for remote power generation[J]. Solar Energy, 2011, 85 (5): 955-966.

[24] DELGADO-TORRES A M, GARCíA-RODRíGUEZ L. Analysis and optimization of the low-temperature solar organic Rankine cycle (ORC)[J]. Energy Conversion and Management, 2010, 51 (12): 2846-2856.

[25] CHEN H, GOSWAMI D Y, RAHMAN M M,. A supercritical Rankine cycle using zeotropic mixture working fluids for the conversion of low-grade heat into power[J]. Energy, 2011, 36 (1): 549-555.

[26] QUOILIN S, VAN DEN BROEK M, DECLAYE S,. Techno-economic survey of organic Rankine cycle (ORC) systems[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013, 22: 168-186.

[27] BORSUKIEWICZ-GOZDUR A. Pumping work in the organic Rankine cycle[J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 51(1): 781-786.

[28] 楊緒飛, 鄒景煌, 戚風亮, 等. 用于有機朗肯循環的三柱塞泵運行性能實驗[J]. 農業機械學報, 2015, 46(8): 367-371.YANG X F, ZOU J H, QI F L,. Experiment on tri-plunger pump performance in organic Rankine cycle system[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(8): 367-371.

[29] 葉佳琦, 趙力, 鄧帥, 等. 小型有機朗肯循環系統中工質泵的效率[J]. 化工進展, 2016, 35(4): 1027-1032. YE J Q, ZHAO L, DENG S,. Efficiency of working fluid pump in a small-scale organic Rankine cycle system[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2016, 35 (4): 1027-1032.

[30] GLOVER S, DOUGLAS R, DE ROSA M,. Simulation of a multiple heat source supercritical ORC (organic Rankine cycle) for vehicle waste heat recovery[J]. Energy, 2015, 93: 1568-1580.

Running performance of working fluid pumpfor organic Rankine cycle system

ZHANG Hongguang1,2, YANG Yuxin1,2, MENG Fanxiao1,2, ZHAO Rui1,2, TIAN Yaming1,2, LIU Yi3

(1College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;2Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles in Beijing, Beijing 100124, China;3Datong North Tianli Turbocharging Technology Co. Ltd.,Datong037036, Shanxi, China)

To study the performance and selection of the working fluid pump in organic Rankine cycle (ORC) waste heat recovery system for vehicleengines, a test bench of a multistage centrifugal pump was constructed using R123 as working fluid in a condition of simulative ORC waste heat recovery system for vehicleengines. Experimental results of the multistage centrifugal pump under various operating conditions were obtained based on controlled working rotational speed (870—2900 r·min-1)and working fluid flow rate (0.20—5.00 m3·h-1). The interaction of the key pump parameters and their effect on the ORC performance were analyzed in this paper. In addition, the feasibility of the multistage centrifugal pump applied to the ORC waste heat recovery system for vehicleengineswas verified and the optimal working point parameters were also determined. Results showed that the overall pump efficiency of multistage centrifugal pump was between 15.00% and 65.70%. The outlet pressure, pump efficiency and ORC thermal efficiency increased with the increase of the rotating speed of the pump. The flow rate needed to be regulated as the frequency became increasingly high. The maximum thermal efficiencies of the ORC system corresponding to various working frequencies of the pump were observed. Furthermore, the practical back work ratio (BWR) can reach up to 0.45 with the increase of the evaporating temperature of the ORC system. And the thermal efficiency can reach up to 10.50% when the rotating speed of multistage centrifugal pump was 2900 r·min?1. Pumping power should not be neglected for small-scale ORC applications, and pump efficiency assumptions should be dependent on experiments. Low pump efficiency affected the increase of the thermal efficiency and net power of the ORC system.

organic Rankine cycle; thermodynamics; pump; recovery; various operating conditions; running performance

10.11949/j.issn.0438-1157.20170244

TK 11+5

A

0438—1157（2017）09—3573—07

2017-03-24收到初稿，2017-05-25收到修改稿。

張紅光（1970—），男，教授。

2016年度國家自然科學基金委員會與英國皇家學會合作交流項目（51611130193）；國家自然科學基金項目（51376011）；北京市自然科學基金面上項目（3152005）。

2017-03-24.

Prof. ZHANG Hongguang, zhanghongguang@ bjut.edu.cn

supported by the Projects of International Cooperation and Exchanges NSFC (51611130193), the National Natural Science Foundation of China (51376011) and the Natural Science Foundation of Beijing (3152005).