第一章 緒論
1-1 前言
近年來地球氣候異常，許多國家積極投入預算發展綠能產業，以提高 再生能源的使用性；台灣工業發展蓬勃，許多工廠都設有煙囪，工廠產生 的廢熱都經由這些煙囪排放至大氣中，如能將這些廢熱回收轉換電能輸出，
將會是一個具有經濟性且環保的作法。有機朗肯循環(ORC)系統可將低階溫 差的熱能轉換成電能，不但可節能減碳，又能節省電力成本；系統主要由 泵、蒸發器、渦輪機(膨脹器)以及冷凝器等元件所組成，基本上有機朗肯循 環的原理及元件與一般朗肯循環系統相同，因工作流體性質的關係，有機 流體具有經濟優勢；其應用的領域有工業廢熱發電、地熱發電、太陽能發 電、生質能發電、海洋溫差發電及液化天然氣冷能回收等。
朗肯循環的過程如下:
工作流體藉由泵從狀態 1 升壓至狀態 2 後進入蒸發器，在蒸發器中被 高溫熱源汽化加熱至狀態 3，此時高溫高壓的飽和蒸汽有機流體推動渦輪機 (膨脹器)作功產生能量且膨脹至狀態 4，此時為低壓狀態的工作流體進入冷 凝器向低溫熱源凝結放熱成液態流體，再送回泵往復循環(如圖 1-1)。
有機朗肯循環系統熱效率取決的因素有很多，其中最重要的因素為工 作流體的篩選及系統操作點的設計；廢氣熱源溫度可分高溫廢熱(大於 650
℃)、中溫廢熱(約 230℃~650℃間)、低溫廢熱(小於 230℃)，本研究主要以 符合工研院需求分析一回收工業低溫廢熱的 50kW 有機朗肯循環系統為主。
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1-2 文獻回顧
有機朗肯循環與朗肯循環最大差別即在有機朗肯循環的工作流體為有 機流體且應用於低溫熱源，而朗肯循環的工作流體為水且工作溫度常處於 400℃以上；如果使用水當系統工作流體回收低溫熱源的話，將不符合經濟 利益，因在膨脹過程中水的焓差值比有機流體大，需使用多級蒸汽渦輪機，
而造成設備成本的增加[1]。有機流體可依照飽和蒸汽線斜率分為等熵流體、
乾流體及濕流體，如使用濕流體其渦輪機出口狀態會落在兩相區，其液滴 會腐蝕葉片造成設備壽命減損，所以濕流體並不適合當工作流體[2]，等熵 流體和乾流體可避免這些問題，較適合當有機朗肯循環的工作流體；而水、
氨等流體屬於濕流體，故不適合當有機朗肯循環的工作流體。Yamamoto et al.[3]指出在渦輪機入口與出口壓力比相同下，R123 的熱效率會比水高，且 熱效率會隨著壓力比增加而增加。
工作流體的特性與系統操作條件都會影響到整體系統效率，Hung et al.[4]指出在篩選工作流體時，比熱值、潛熱值及飽和蒸汽線的斜率是三個 較重要的參數；Maizza et al.[5]認為應該選擇潛熱值高且液態比熱值較小的 工作流體，避免增加預熱區的負擔。Saleh et al.[6]將操作溫度設在 100℃及 30℃之間且最大操作壓力設在 20 bar，將 31 種工作流體分為乾流體及濕流 體並分析其熱效率，乾流體的臨界溫度幾乎都比濕流體大，系統熱效率也 比較大。可從 T-S 圖得知當在冷凝溫度固定下，當系統蒸發溫度增加時，
循環路徑所包圍的面積會增加，所以系統熱效率也會跟著增加；相同的，
在固定蒸發溫度下，冷凝溫度下降也會使系統熱效率上升[7]。如果系統所 使用的冷凝器型式為氣冷式冷凝器的話，環境溫度就顯得相當重要，
Tchanche et al.[8]建議如使用氣冷式冷凝器，周圍溫度與冷凝溫度應相差在 5~15℃範圍內最佳；並且指出渦輪機出口體積流率會影響系統成本，當渦 輪機出口體積流率太大時，渦輪機尺寸也需增大。
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由於工作流體在蒸發器中由單相純液體轉為氣體，在這過程分為預熱 區(preheater)和蒸發區(evaporator)，所以在設計系統熱傳時需考慮 pinch point 對系統的影響，Hung[9]認為系統的最佳操作點應在效率曲線與可用率 (availability ratio)的交點所對應狀態點。Rayegan et al.[10]分析許多工作流體 並指出碳氫化合物(hydrocarbons)的系統熱效率通常會比冷媒類來的高，因 此所輸出的能量也較多，但其危險性也較高。如果渦輪機出口狀態落在過 熱區的話，則會增加冷凝器負擔，可設置一重熱器(regenerator)來改善此問 題(如圖 1-2)，但須另設置一熱交換器，將渦輪機出口部分熱量傳給預熱區 中的工作流體，此種方法可增加熱效率[6]。如果系統使用的工作流體為乾 流體，渦輪機入口的操作條件應設為飽和狀態下，當此點狀態升至過熱狀 態其系統熱效率不會提升反而會下降，但如果為濕流體則會因提升至過熱 狀態而使熱效率些微上升[6,11]。
近年來關於有機朗肯循環的文獻資料非常多，其探討內容大致為工作 流體的篩選、如何增加系統熱效率及降低不可逆性以及系統最佳化設計，
許多文獻作者分析各工作流體的質量流率、體積流率、輸出功、熱效率和 不可逆性等特性[12-20]；另一方面，雖然將有機流體操作在超臨界區可能 會 發 生 化 學 分 解 ， 但 仍 有 學 者 分 析 有 機 流 體 處 於 超 臨 界 區 時 的 特 性 [6,21,22]。
1-3 研究動機及目的
近年來各國天災不斷，讓我們見識到大自然反撲的力量，使得不得不 重視氣候變遷的嚴重性，如何降低對環境的破壞是大家共同的課題。1989 年「蒙特婁合約」生效，避免工業產品中的氟氯化合物繼續對地球臭氧層 造成破壞；2005 年「京都議定書」生效，限制全球二氧化碳排放以抑制全 球暖化；2011 年日本發生了規模 9.0 大地震，引發了巨大海嘯以及自車諾 比核電廠災變以來最嚴重的核災，此事件震驚全球；而在核災過後世界各
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地也紛紛出現反核運動，更凸顯了能源再利用的重要性，所以台灣更應積 極倡導節能減碳來降低對環境的破壞。本研究分析一 50kW 有機朗肯循環 系統回收工業排放的廢熱，如此一來可減少熱汙染，降低環境的破壞。
在環保意識的抬頭之下，綠能產業迅速竄起，儘管近幾年來關於有機 朗肯循環相關文獻比以往增加許多，但這些文獻大多在討論工作流體的篩 選及分析系統最佳化設計，鮮少探討熱交換器部分，對系統性能來說，熱 交換器扮演著很重要的角色，所以本研究將探討熱交換器的參數變化對該 系統影響，並且提出一無因次化參數來迅速判斷工作流體熱效率的大小，
以利初步篩選工作流體。本研究屬於低溫廢熱(溫度約為 160~180℃)，使用 EES(Engineering Equation Solver)分析工作流體的性質，計算在不同狀態下 的熱效率，並篩選出良好的工作流體。
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圖 1-1 朗肯循環系統示意圖
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圖 1-2 朗肯循環裝設重熱器示意圖
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