基于熱力循環(huán)三維構(gòu)建方法的噴射式功冷并供系統(tǒng)優(yōu)化研究

涂岱昕， 張曉林， 張 強(qiáng)， 許偉聰， 夏宏偉

(1.天津大學(xué)建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院有限公司，天津 300073；2.天津大學(xué) 中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072；3.北京微焓科技有限公司,北京 100084)

符號(hào)說(shuō)明：

h——比焓，kJ/kg

Q——熱量，kW

u——速度，m/s

η——效率，%

qm——質(zhì)量流量，kg/s

s——熵，kJ/(kg·K)

W——功率，kW

ε——工質(zhì)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

x——干度

T——溫度，K

p——壓力，MPa

μ——引射率

下標(biāo)

C——臨界參數(shù)

m——混合室

p——工作流體

s——等熵點(diǎn)

d——擴(kuò)散室

mo——混合點(diǎn)

pu——泵

tur——汽輪機(jī)

h——熱源

n——噴嘴

se——引射流體

1～12、3a——狀態(tài)點(diǎn)

c——制冷蒸發(fā)器

化石能源的大量使用帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染和氣候變化等問(wèn)題。中低溫余熱的充分回收和利用不僅可以緩解我國(guó)正面臨的能源問(wèn)題，也能有效降低工業(yè)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境帶來(lái)的不利影響[1]。基于有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)和噴射式制冷循環(huán)的聯(lián)合循環(huán)不僅可以充分利用低溫?zé)嵩?，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自耗能少[2]。

工質(zhì)種類是影響ORC系統(tǒng)性能的最根本原因[3]。眾多學(xué)者研究了工質(zhì)熱物性參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，歸納總結(jié)出工質(zhì)篩選原則[4-5]，并對(duì)不同的ORC系統(tǒng)進(jìn)行了工質(zhì)篩選[6-7]。隨著純工質(zhì)研究工作的日益完善，越來(lái)越多的學(xué)者將研究方向轉(zhuǎn)向非共沸工質(zhì)[8]。利用非共沸工質(zhì)溫度滑移的特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)在換熱過(guò)程中換熱流體與工質(zhì)之間更精確的溫度匹配，從而使熱力循環(huán)逼近Lorenz循環(huán)，減少換熱過(guò)程中的不可逆損失, 提高能源利用效率[9-10]。

鑒于噴射式功冷并供系統(tǒng)和有機(jī)工質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，Dai等[11]采用工質(zhì)R123分析了以有機(jī)朗肯循環(huán)膨脹機(jī)排氣驅(qū)動(dòng)噴射制冷循環(huán)的冷電聯(lián)合系統(tǒng)；鄭彬[12]將理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，證明了噴射式發(fā)電制冷復(fù)合循環(huán)的可行性；Habibzadeh等[13]研究了在相同工況下采用不同有機(jī)工質(zhì)時(shí)功冷并供系統(tǒng)的性能，結(jié)果表明在最優(yōu)工況下R141b的最佳工作壓力和熱阻均最小。

眾多學(xué)者進(jìn)行了關(guān)于在熱力循環(huán)過(guò)程中使用非共沸工質(zhì)的研究。Modi等[14]針對(duì)非共沸工質(zhì)在發(fā)電循環(huán)中的利用進(jìn)行了綜述。與純工質(zhì)相比，采用非共沸工質(zhì)時(shí)ORC系統(tǒng)性能可提升10%以上[15]。非共沸工質(zhì)在使用中會(huì)出現(xiàn)組分遷移，其原因之一是非共沸工質(zhì)相變過(guò)程中氣相與液相中的組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷變化，兩相之間的速度產(chǎn)生差異[16]。研究發(fā)現(xiàn)，使用非共沸工質(zhì)可以在一定程度上提升ORC系統(tǒng)的性能[17]。劉秀龍等[18]研究確定了海水淡化不同能量回收系統(tǒng)R600a和R601a工質(zhì)的最佳混合比例。

目前，針對(duì)非共沸工質(zhì)的研究尚不完善?；诂F(xiàn)有的研究成果，Xu等[3]提出了一種熱力循環(huán)三維構(gòu)建方法，以研究基于非共沸工質(zhì)的ORC系統(tǒng)性能，證明了三維構(gòu)建方法的可行性。因此，筆者在將熱力循環(huán)三維構(gòu)建方法與噴射式功冷并供系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)合的基礎(chǔ)上，采用此方法對(duì)無(wú)組分分離系統(tǒng)進(jìn)行工質(zhì)篩選和性能對(duì)比，以此初步確定工質(zhì)組分；以系統(tǒng)效率最優(yōu)為目標(biāo)，采用篩選的工質(zhì)來(lái)研究分離器對(duì)工質(zhì)組分的調(diào)節(jié)以及對(duì)制冷和發(fā)電2個(gè)子系統(tǒng)的優(yōu)化情況。

1 熱力循環(huán)三維構(gòu)建方法

熱力循環(huán)三維構(gòu)建方法的目標(biāo)是通過(guò)同時(shí)提升各熱力過(guò)程的性能來(lái)提高整個(gè)系統(tǒng)的性能，其步驟如下：首先，基于熱源和負(fù)荷情況確定符合系統(tǒng)運(yùn)行要求的非共沸工質(zhì)；其次，通過(guò)增加工質(zhì)的分離和混合過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)組分的調(diào)節(jié)；最后，確定各設(shè)備熱力過(guò)程最優(yōu)的組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，實(shí)現(xiàn)熱力循環(huán)的性能提升。相比純工質(zhì)，非共沸工質(zhì)組分的調(diào)節(jié)更適合不同的熱力過(guò)程。如圖1(a)所示，噴射式功冷并供系統(tǒng)循環(huán)過(guò)程采用分離器進(jìn)行功和冷2個(gè)子系統(tǒng)中的組分調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)功和冷2個(gè)子系統(tǒng)的優(yōu)化。圖1(b)為簡(jiǎn)單的循環(huán)結(jié)構(gòu)。

2 噴射式功冷并供系統(tǒng)

2.1 熱力循環(huán)

2.1.1 噴射式功冷并供系統(tǒng)

如圖1所示，噴射式功冷并供系統(tǒng)由泵、蒸發(fā)器、汽輪機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥、分離器、噴射器和制冷蒸發(fā)器組成。功冷并供系統(tǒng)中工質(zhì)(狀態(tài)1)經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器被加熱至過(guò)熱氣體(狀態(tài)2)，過(guò)熱氣體進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹發(fā)電；汽輪機(jī)出口工質(zhì)(狀態(tài)3)作為噴射器主流體；當(dāng)主流體通過(guò)噴射器內(nèi)的收斂-發(fā)散噴嘴后，被加速至超音速條件(狀態(tài)3a)；將制冷蒸發(fā)器出口的低壓流體(狀態(tài)10)作為噴射器二次流體，在噴射器的混合室中兩股流體混合；在噴射器的擴(kuò)散室中流體經(jīng)歷激波，其壓力升高；對(duì)于無(wú)分離器系統(tǒng)，冷凝器將氣體冷卻至飽和液，部分工質(zhì)(狀態(tài)5)進(jìn)入泵(狀態(tài)6)，其余部分工質(zhì)(狀態(tài)7)進(jìn)入節(jié)流閥中膨脹；兩相工質(zhì)(狀態(tài)9)流過(guò)制冷蒸發(fā)器，在制冷蒸發(fā)器內(nèi)被加熱成飽和氣體(狀態(tài)10)。相對(duì)于無(wú)分離器系統(tǒng)，有分離器系統(tǒng)增加了分離器出口氣態(tài)工質(zhì)(狀態(tài)7)經(jīng)過(guò)冷凝器2冷凝后，變?yōu)轱柡鸵?狀態(tài)8)進(jìn)入節(jié)流閥中膨脹的過(guò)程。由此，工質(zhì)經(jīng)歷一個(gè)完整的循環(huán)。

(a) 系統(tǒng)圖

利用熱力循環(huán)三維構(gòu)建方法優(yōu)化噴射式功冷并供系統(tǒng)的性能，即采用分離器調(diào)節(jié)制冷側(cè)和發(fā)電側(cè)的工質(zhì)組分。

2.1.2 工質(zhì)選擇

表1 工質(zhì)熱物理性質(zhì)

2.2 熱力學(xué)模型

為了簡(jiǎn)化理論計(jì)算，對(duì)實(shí)際循環(huán)熱力過(guò)程進(jìn)行如下簡(jiǎn)化和假設(shè)：在噴射器內(nèi)流體流動(dòng)是一維的和穩(wěn)定的；節(jié)流過(guò)程是一個(gè)等熵過(guò)程；忽略噴射器進(jìn)口和出口速度。相關(guān)參數(shù)假設(shè)見(jiàn)表2。

表2 參數(shù)假設(shè)

蒸發(fā)器的煙氣輸入能量Qh為：

Qh=qm,h(h11-h12)

(1)

ORC子系統(tǒng)的質(zhì)量流量qm,p為：

qm,p=Qh/(h2-h1)

(2)

噴射制冷子系統(tǒng)的質(zhì)量流量qm,se為：

qm,se=μqm,p

(3)

汽輪機(jī)輸出功率Wtur為：

Wtur=qm,p(h2-h3)

(4)

制冷蒸發(fā)器的制冷量Qc為：

Qc=qm,se(h10-h9)

(5)

泵消耗的功率Wpu為：

Wpu=qm,p(h1-h6)

(6)

ORC子系統(tǒng)的凈輸出功率W為：

W=Wtur-Wpu

(7)

功冷并供系統(tǒng)的熱效率η為：

(8)

分離器入口工質(zhì)干度x為：

x=μ/(μ+1)

(9)

噴射器引射率μ為：

(10)

噴射器模型由噴嘴、混合室和擴(kuò)散室組成。噴嘴效率為：

(11)

根據(jù)噴嘴的能量方程，噴嘴出口工質(zhì)的速度up,3a可以表示為：

(12)

與主流體相比，噴嘴出口處的二次流體速度可以忽略不計(jì)。

噴嘴動(dòng)量守恒方程為：

qm,pup,3a=(qm,p+qm,se)umo

(13)

混合點(diǎn)效率為：

(14)

混合段的能量方程為：

(15)

擴(kuò)散室效率ηd為：

(16)

3 結(jié)果和討論

圖2給出了蒸發(fā)溫度對(duì)分離器入口工質(zhì)干度的影響規(guī)律。從圖2可以看出，工質(zhì)干度隨蒸發(fā)溫度的升高呈先增大后減小的趨勢(shì)，這是引起功和冷2個(gè)子系統(tǒng)工質(zhì)組分發(fā)生變化的原因。當(dāng)蒸發(fā)溫度為393.15 K時(shí)，干度最大值為0.299 9。根據(jù)分離器入口工質(zhì)的干度參數(shù)，確定了功和冷2個(gè)子系統(tǒng)中R152a和R245fa的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，見(jiàn)圖3。從圖3可以看出，工質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨蒸發(fā)溫度的升高變化較小。對(duì)于ORC子系統(tǒng)，R152a質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.75%。對(duì)于制冷子系統(tǒng)，R152a質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為19.93%，相應(yīng)地R245fa質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為80.07%。

圖2 蒸發(fā)溫度對(duì)分離器入口工質(zhì)干度的影響Fig.2 Effect of evaporation temperature on working fluid dryness at separator inlet

圖3 蒸發(fā)溫度對(duì)子系統(tǒng)工質(zhì)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Fig.3 Effect of evaporation temperature on working fluid components in the subsystem

圖4給出了有、無(wú)分離器時(shí)蒸發(fā)溫度對(duì)系統(tǒng)熱效率的影響。由圖4可以看出,隨著蒸發(fā)溫度的升高，有、無(wú)分離器時(shí)功冷并供系統(tǒng)的熱效率均呈升高趨勢(shì)。在相同條件下，通過(guò)組分調(diào)節(jié)，熱效率明顯提升。當(dāng)蒸發(fā)溫度為413.15 K時(shí)，有、無(wú)分離器時(shí)系統(tǒng)的熱效率分別為33.2%和35.25%。

圖4 有、無(wú)分離器時(shí)蒸發(fā)溫度對(duì)熱效率的影響Fig.4 Effect of evaporation temperature on thermal efficiency of the system with and without separator

圖5為蒸發(fā)溫度對(duì)凈功和制冷量的影響。從圖5可以看出，隨著蒸發(fā)溫度的升高，凈功增大，制冷量減小。這是因?yàn)楫?dāng)蒸發(fā)溫度升高時(shí)蒸發(fā)器出口壓力增大，使得汽輪機(jī)輸出功增大。同時(shí)，與無(wú)組分調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比，組分調(diào)節(jié)系統(tǒng)的制冷量更大，而凈功則相反。但是，由于制冷量的影響較凈功更大，使得組分調(diào)節(jié)系統(tǒng)熱效率得到提高。

圖5 有、無(wú)分離器時(shí)蒸發(fā)溫度對(duì)凈功和制冷量的影響Fig.5 Effect of evaporation temperature on net work and cooling capacity of the system with and without separator

圖6給出了不同干度下蒸發(fā)溫度對(duì)熱效率的影響。隨著干度的增大，熱效率提高。這是因?yàn)殡S著干度增大，制冷量的增幅遠(yuǎn)大于凈功的減幅。當(dāng)干度為0.4時(shí)，系統(tǒng)熱效率最高可達(dá)到53.33%。由圖6可知，隨著蒸發(fā)溫度的升高，熱效率提高幅度較小。

圖6 不同干度下蒸發(fā)溫度對(duì)熱效率的影響Fig.6 Effect of evaporation temperature on thermal efficiency at different dryness of working fluid

圖7給出了不同干度下蒸發(fā)溫度對(duì)凈功和制冷量的影響。通過(guò)改變干度來(lái)調(diào)節(jié)工質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，由于制冷量的增幅大于凈功的減幅，功冷并供系統(tǒng)的熱效率明顯提高。由圖7可知，蒸發(fā)溫度對(duì)凈功的影響較大，而干度對(duì)制冷量的影響較大。隨著干度的增大，凈功與制冷量的變化趨勢(shì)相反。

圖7 不同干度下蒸發(fā)溫度對(duì)凈功和制冷量的影響Fig.7 Effect of evaporation temperature on net work and cooling capacity at different dryness of working fluid

4 結(jié) 論

(1) 相比于傳統(tǒng)二維熱力循環(huán)，熱力循環(huán)三維構(gòu)建方法增加了工質(zhì)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)系統(tǒng)的影響。

(2) 通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)工質(zhì)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，系統(tǒng)熱效率明顯提高。當(dāng)蒸發(fā)溫度為413.15 K時(shí)，有、無(wú)分離器時(shí)系統(tǒng)的熱效率分別為33.2%和35.25%。

(3) 通過(guò)改變分離器出口工質(zhì)干度來(lái)進(jìn)行組分調(diào)節(jié)。當(dāng)干度為0.4時(shí)，系統(tǒng)熱效率最高可達(dá)53.33%。