有机朗肯循环ORC实验台搭建（1）
有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle, ORC）是基于朗肯循环的一种热能转换为机械能的技术，其特点是使用有机工质而非水蒸气作为循环的工质。该技术主要用于低温热源的能量回收，如工业废热、太阳能和地热。有机朗肯循环的优点包括能够利用低品质热源和降低系统的初期投资。通过选择适当的有机工质，可以优化系统的热力学性能，从而提高整体效率。ORC技术在电力生产和废热回收方面具有广泛的应用前景。
现如今，环境问题成为了许多政策落地的首要考虑，那么对于我们做项目的科研狗，怎么拿到科研经费是我们的首要考虑。
搞科研不是兴趣！搞科研也要有经济基础！
虽说还有大量的煤电等化石能源在供电领域发光发热，但是新能源、清洁能源的春天已经来了。我们先看在我的所在地福建，我在过去几个月搭建实验台的过程中，很多厂对有机朗肯循环非常感兴趣，有一部分厂家是觉得节能减排，可以帮助他们在碳交易市场更好的表现。具体碳交易是什么我个人是不太清楚很细节的东西，大家自行Google，以下是我的Google：
碳交易是一个允许企业和政府购买和出售碳排放配额的机制，旨在减少全球温室气体排放。这种机制基于“污染者付费”原则，激励企业减少其碳足迹。
在一个典型的碳交易系统中，政府或相关机构会设定一个总的排放限额，并将这个限额分割为可以交易的单元，通常是每一单位表示一吨二氧化碳当量。企业可以通过减少自身的排放来节省他们的配额，或者从其他企业购买额外的配额来满足他们的需求。
碳交易可以通过几种形式进行，包括强制性的碳交易市场和自愿性的碳交易市场。强制性市场通常涉及大型排放源，而自愿市场则允许较小的排放源和个体参与。
该机制还促进了碳补偿项目的发展，这些项目可以通过种植树木或支持可再生能源项目来生成碳信用。
碳交易不仅有助于减少全球碳排放，还可以为企业创造新的收入流，同时鼓励技术创新和清洁能源解决方案的采纳。通过有效的碳交易系统，我们可以走向一个更可持续和环保的未来。
总而言之，不论是清洁能源还是节能减排在现在来看还是具有经济价值的。而有机朗肯循环就是节能减排上的一大好手，下面让我先简单的介绍一下有机朗肯循环。
我们都知道，任何的发电途径实际上都是通过烧开水来实现的。最早由苏格兰的科学家约翰朗肯（也有译作兰金）William John Macquorn Rankine提出的，故也被称作朗肯循环。我们首先看上面的图，用热源加热锅炉中的水，水会蒸发然后变成蒸汽，蒸汽进入上面的涡轮，推动叶片旋转。叶片旋转通过联轴器带动发电机的线圈一起旋转，就变成了我们熟知的机械能转化为电能的过程。其实到这里，发电部分就结束了，剩下的只是要控制发电机的转速来达到我们需要的频率以匹配电网上电要求。但是如果我们对推动叶片旋转的蒸汽不加以处理地排放，那么我们需要无限的水源来发电，这个时候显然就不那么合理了。所以我们为推动叶片之后的蒸汽（乏汽）添加一个冷凝器让其经过，在冷凝器中乏汽放热重新回到液态，这样在理论上我们只需要最原始的那些水就能一直发电。实际上人们也是这样做的，不同的只是加热方式，火电厂燃烧化石燃料来烧水，核电站通过核裂变烧水。
接下来我们引入一个“焓”的概念，这个概念对于我们计算理解朗肯循环的发电效率非常有用。
“焓(Enthalpy)”是一个热力学系统的能量参数，学术上把焓定义为内能和体积的勒让德变换，但是汉字的博大精深就在于“大道至简”！一个火代表它与热能有关，含代表它是物体所含有的某种量度，所以简单来说“焓”就是一个物体所含有的能量量度。它的单位是\(kJ/kg\)，也就是说，它是每千克物体所含有的能量量度。当1kg物体吸热得到能量的时候，它的焓会增加到\(h_1\)，当它对外做功释放能量的时候，它的焓会减少到\(h_2\)，那么它的焓变\(h_1-h_2\)就是它在做功过程中的能量损失。
既然焓很好理解了，那不妨我们再多理解一个概念哈哈哈哈，什么是“熵”？
我想绝大多数人肯定或多或少都听说过熵，至少也听说过熵增，而且我想大多数人还是通过宇宙来了解的熵。熵是一种态函数，它的统计学意义确实代表了无序性，所以我们总是会说不管是什么东西，什么系统，其熵都是在增加的，也就是无序性在增加。但是今天我们要讨论的是热力学中熵的意义。由于理解熵是一个比较复杂的过程，我想要先让大家记住一个事先定义：熵在热力学定义是一种做功能力的量度。也就是说，熵越高，其做功能力越强。这里我们还需要再知道一个熵增原理：
系统经绝热过程从一个状态到另一个状态，它的熵永不减少。如果过程是可逆的，其熵不变，如果过程不可逆，其熵增加。
绝热状态就是字面意思，就是不与外界做热量交换，那么熵增原理也就是说在一个封闭系统内，熵永远不可能减小，最理想的情况就是不变化。
我们现在回头看看上面朗肯循环的示意图，水从液态变为气态，其熵增加了，等到其做功结束后，我们要将其变到液态，那就是要让其熵减小吗？？？？这不是与熵增原理背道而驰吗？其实不然，我们说熵增原理其实是一个封闭系统内绝热过程的熵变化趋势，大自然中很多地方都不是封闭系统，总是存在换热过程，所以也是有熵减的，只是这个过程永远不可能自发完成，也永远是不可逆的过程。
终于！这俩概念说完了，我可以放图了..
这是一个朗肯循环的T-S图（温-熵图），现在我会详细解释这幅图，只要能掌握这幅图，所有的热力循环也就那么回事。
首先看坐标轴，y轴代表温度，单位K或者℃；x轴代表熵，单位kJ/K；然后看那条实曲线，它是水的饱和曲线，简单来说右侧曲线之上水为气态，左侧曲线之上都是液态，曲线之下为气液两相态。
然后我们按照数字序号来看。
1→2：\(W_{pump,in}\)这代表我们用泵对水加压，消耗了泵功。之所以要对其加压，是因为我们要把水从水箱打到锅炉里，总不能指望水自己乖乖流向高处（伏笔，想想伏笔是什么）。在这个过程中我们可以看到，水作为饱和液态进入泵，然后绝热压缩至状态2，其温度由\(T_1\)上升至\(T_2\)；熵不变，即\(S_1=S_2\)。
2→3：锅炉等压加热水，首先达到水的相变点，也就平行于x轴的直线的左交点，然后保持温度不变的持续吸热达到右交点，此时水已变成饱和蒸汽，继续吸热达到3点，这里的水蒸气已经是过热蒸汽，马上就要进行做功。这个过程中，温度从\(T_2\)升至\(T_3\)，熵\(S_2\)升至\(S_3\)，吸收热量\(Q_{in}\)。
3→4：饱和蒸汽进入透平涡轮做功，做功量为\(W_{turb,out}\)，这期间水发生了绝热膨胀，到达4点，此时依旧为饱和蒸汽，但是温度从\(T_3\)降至\(T_4\)，熵依旧不变为\(S_3\)。
4→1：乏汽在冷凝器中等压放热\(Q_{out}\)，水重新变回饱和水，完成一次循环。
所以我们总结一下：一次朗肯循环经历了2个绝热过程，2个等压过程，吸收热量\(Q{in}\)，放出热量\(Q{out}\)，外界消耗功量\(W_{pump,in}\)，工质产生功量\(W_{turb,out}\)。
