耦合蒸汽壓縮制冷循環(huán)和有機朗肯循環(huán)的冷電聯(lián)供系統(tǒng)參數(shù)分析

馮永強，王 玉，吳秀芝，史睿菁，黃香玲，鄧雨恒，儲晨陽，孫天瑜

(江蘇大學 能源與動力工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

空調(diào)因具有調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的作用而廣泛應用于社會生產(chǎn)、生活中，但其排出的冷凝余熱若處理不當將產(chǎn)生一定的危害[1].一方面，就空調(diào)內(nèi)部而言，冷凝熱會導致內(nèi)機工作效率降低、制冷效果變差、耗電量增加，并且外機的循環(huán)開停會導致空調(diào)壓縮機的損壞；另一方面，若冷凝熱直排至空氣中，會導致環(huán)境溫度升高，加劇溫室效應.此外，作為余熱資源，冷凝熱的散失是一種資源浪費，不利于節(jié)能減排事業(yè)的發(fā)展[2-3].

有機朗肯循環(huán)(organic Rankine cycle, ORC)是目前能夠有效回收利用中低溫余熱的技術之一，因其結(jié)構簡單、適用性強、不受工藝裝置規(guī)模和地理因素等限制的特點，被廣泛應用于各個領域[4-5].有機朗肯循環(huán)耦合蒸汽壓縮制冷循環(huán)(organic Rankine cycle-Vapor compression refrigeration cycle, ORC-VCC)系統(tǒng)越來越成熟，但在其性能優(yōu)化方面仍具有較大的發(fā)展空間，目前的優(yōu)化研究主要包括工質(zhì)的優(yōu)選和系統(tǒng)配置的優(yōu)化[6].

在工質(zhì)的選擇和優(yōu)化方面，BAO J.J.等[7]將單流體和雙流體應用于ORC-VCC系統(tǒng)，結(jié)果表明，在熱源選用140 ℃的熱水時，雙流體系統(tǒng)的整體制冷量大于單流體系統(tǒng).M.T.NASIR等[8]開展了ORC-VCC系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化研究，結(jié)果表明，選取R134a為ORC工質(zhì)、異丁烷為VCC工質(zhì)時，系統(tǒng)性能最佳.O.BOUNEFOUR等[9]利用有機朗肯循環(huán)回收船用柴油發(fā)動機的余熱來驅(qū)動蒸汽壓縮制冷循環(huán)，并對比采用R134a、R600和R600a這3種不同工質(zhì)的循環(huán)性能，結(jié)果表明，使用R600時系統(tǒng)性能最佳.ZHENG N.等[10]對8種純工質(zhì)和5種混合工質(zhì)在ORC-VCC系統(tǒng)中的使用進行比較評估，分析了ORC的蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、過熱度和內(nèi)部換熱器對循環(huán)性能的影響，結(jié)果表明，在-5 ℃至80 ℃時，使用R161/R600a的混合工質(zhì)時系統(tǒng)效率最高.

在系統(tǒng)配置的優(yōu)化方面，王英潔[6]在ORC-VCC基礎上增設回熱器，發(fā)現(xiàn)回熱器的添加使得系統(tǒng)的性能明顯提高.K.BRAIMAKIS等[11]提出ORC-VCC與生物質(zhì)鍋爐以及拋物線槽收集器相結(jié)合，結(jié)果表明，ORC的效率為3.70%～10.05%.C.KUTLU等[12]將ORC-VCC與太陽能集熱器進行耦合，結(jié)果表明，七月份平均每天制冷量和發(fā)電量分別為25.6、18.76 kW·h.

然而，在ORC-VCC系統(tǒng)的研究中，VCC和ORC蒸發(fā)溫度以及冷凝溫度對系統(tǒng)性能影響方面的研究較少.文中擬以回收商用或家用大型中央空調(diào)冷凝熱為目標，冷凝劑采用純工質(zhì)R134a，有機工質(zhì)采用混合工質(zhì)R245fa/R123(0.5/0.5)，進行ORC-VCC系統(tǒng)的熱力學建模，比較吸收全冷凝熱和吸收過熱部分的冷凝熱的工況下，不同VCC和ORC蒸發(fā)溫度、冷凝溫度的系統(tǒng)性能和熱電轉(zhuǎn)換情況.

1 系統(tǒng)介紹

耦合蒸汽壓縮制冷循環(huán)和有機朗肯循環(huán)的冷電聯(lián)供系統(tǒng)見圖1.該系統(tǒng)包括2個子系統(tǒng)：蒸汽壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)和有機朗肯循環(huán)系統(tǒng).制冷循環(huán)系統(tǒng)通過空調(diào)冷卻器將制冷工質(zhì)所釋放的冷凝熱傳遞給有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)中的有機工質(zhì).工質(zhì)由工質(zhì)泵增壓后輸送至換熱器中預熱，得到的高溫高壓蒸汽進入膨脹機做功帶動發(fā)電機發(fā)電，從而完成并網(wǎng)、供電.最后，做完功的工質(zhì)經(jīng)冷凝器冷凝再次回到工質(zhì)泵中進入下一次循環(huán).

圖1 ORC-VCC系統(tǒng)原理圖

2 熱力學模型

2.1 蒸汽壓縮制冷循環(huán)的數(shù)學模型

蒸汽壓縮制冷循環(huán)的溫熵圖和壓焓圖[7-8]見圖2.其中，1-2為壓縮機中的等熵壓縮過程；2-3為冷凝器內(nèi)的等壓冷卻和冷凝過程；3-4為節(jié)流閥內(nèi)的絕熱節(jié)流過程；4-1為蒸發(fā)器內(nèi)的吸熱等壓氣化過程；2-5過程為過熱部分;5-3過程為相變部分.

圖2 蒸汽壓縮制冷循環(huán)模型

由圖2可以得出：VCC全冷凝放熱量(kW)為

Qcond=mr(h2-h3)；

(1)

VCC過熱部分放熱量(kW)為

Qsuperheat=mr(h2-h5)；

(2)

VCC蒸發(fā)吸熱量(kW)為

Qevap1=mr(h1-h4)；

(3)

VCC壓氣機所耗壓縮功(kW)為

Wc=mr(h1-h2)；

(4)

理論制冷系數(shù)為

(5)

2.2 有機朗肯循環(huán)數(shù)學模型

有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的溫熵圖見圖3.其中，6-7為有機工質(zhì)在膨脹機中實際膨脹做功過程;6-7s為理想膨脹做功過程；7-8為有機工質(zhì)在冷凝器中的等壓放熱過程；8-5為工質(zhì)在工質(zhì)泵中的實際壓縮過程;8-5s為理想壓縮過程；5-6為工質(zhì)在蒸發(fā)器中等壓吸熱的過程.

圖3 有機朗肯循環(huán)溫熵圖

由圖3可以得出：ORC系統(tǒng)蒸發(fā)器中工質(zhì)吸熱量為

Qevap=mwf(h6-h5)=mr(h2-h3)；

(6)

ORC系統(tǒng)膨脹機做功為

Wexp=mwf(h6-h7)=mwf(h6-h7s)ηexp；

(7)

ORC系統(tǒng)冷凝器中工質(zhì)放熱為

Qcond=mwf(h7-h8)=mc(h9-h10)；

(8)

ORC系統(tǒng)質(zhì)泵循環(huán)耗功為

Wpump=mwf(h5-h8)=mwf(h5s-h8)ηpump；

(9)

ORC系統(tǒng)凈輸出功為

Wnet=Wexp-Wpump；

(10)

ORC系統(tǒng)凈發(fā)電量[7-8]為

Wele=0.85Wnet；

(11)

VCC耦合ORC后COP為

(12)

COP增量為

COPratio=(COPnew-COP)/COP,

(13)

式中：mr、mwf和mc分別為VCC工質(zhì)、ORC工質(zhì)和冷源的質(zhì)量流量；h1-h8分別為圖中的狀態(tài)點對應流體的比焓值；h5s和h7s分為工質(zhì)泵等熵壓縮和膨脹機等熵膨脹后的理想焓值；ηexp和ηpump分別為膨脹機和工質(zhì)泵的等熵效率；EVAP為蒸汽壓縮制冷循環(huán)制冷量，取值為100 kW.

3 參數(shù)分析

蒸汽壓縮制冷循環(huán)冷凝過程的冷凝熱一般經(jīng)由環(huán)境冷卻散熱，即圖2中的2-3過程釋放熱量到環(huán)境中.為了提升制冷循環(huán)的性能，本節(jié)對比空調(diào)冷凝熱的2種熱量回收方式：吸收全冷凝熱和吸收過熱部分冷凝熱，分別對應圖2中2-3和2-5過程釋放的熱量.蒸汽壓縮制冷循環(huán)采用純工質(zhì)R134a，有機朗肯循環(huán)采用混合工質(zhì)R245fa/R123(0.5/0.5).

3.1 系統(tǒng)性能參數(shù)隨蒸汽壓縮制冷循環(huán)蒸發(fā)溫度變化情況

不同VCC蒸發(fā)溫度下2種運行工況的性能對比見圖4.其中ORC的蒸發(fā)溫度為50 ℃，冷凝溫度為30 ℃，熱效率為4.59%；VCC的冷凝溫度為55 ℃.

圖4 不同VCC蒸發(fā)溫度下2種運行工況的性能對比

由圖4可見，不管采用何種冷凝熱回收方式，隨著VCC蒸發(fā)溫度的升高，VCC-ORC系統(tǒng)和VCC系統(tǒng)的COP皆呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，該趨勢符合傳熱規(guī)律.在傳熱過程中，制冷量與蒸發(fā)溫度是成正比的，因此COP隨蒸發(fā)溫度的升高而增大.VCC的COP為2.89～4.43，吸收全冷凝熱量的VCC-ORC的COP為3.41～5.62.二者比較而言，吸收全冷凝熱量方式的VCC-ORC的COP增加了17.9%～26.9%，由此可見，采用ORC回收VCC全冷凝熱可以顯著提升VCC的COP.對于回收VCC過熱部分冷凝熱的工況來說，VCC-ORC的COP為2.93～4.50，與VCC相比，其COP略有增加，且增量呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢.結(jié)果表明，利用ORC回收VCC冷凝熱時，在其他條件相同的情況下，吸收全冷凝熱的回收方式更有助于提高VCC的COP，且蒸發(fā)溫度的升高有利于系統(tǒng)性能的提升.

圖5反映了2種冷凝熱回收方式下的膨脹機輸出功、凈輸出功以及凈發(fā)電量隨VCC蒸發(fā)溫度的變化情況.由圖5可見，隨著VCC蒸發(fā)溫度的升高，2種運行工況下的功率皆呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢.對比來看，回收VCC全冷凝熱的功率明顯大于回收過熱部分冷凝熱的功率.且ORC膨脹機輸出功與ORC凈輸出功較為接近，說明泵耗功較小，有時甚至可忽略不計.結(jié)果表明，利用ORC回收VCC冷凝熱時，在其他條件相同的情況下，吸收全冷凝熱的回收方式更有助于提高VCC的熱電轉(zhuǎn)換效率，且較低的蒸發(fā)溫度對于功率的增加更為有利.

圖5 不同VCC蒸發(fā)溫度下2種運行工況的熱電轉(zhuǎn)換情況對比

3.2 系統(tǒng)性能參數(shù)隨蒸汽壓縮制冷循環(huán)冷凝溫度變化情況

不同VCC冷凝溫度下2種運行工況的性能對比見圖6.其中ORC的蒸發(fā)溫度為50 ℃，冷凝溫度為30 ℃，熱效率為4.59%；VCC的蒸發(fā)溫度選取為6 ℃.

圖6 不同VCC冷凝溫度下2種運行工況的性能對比

由圖6可見，不管采用何種冷凝熱回收方式，隨著VCC冷凝溫度的升高，VCC-ORC系統(tǒng)和單純VCC系統(tǒng)的COP皆呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢.這是因為在保證相同功耗的情況下增加制冷量就是提高制冷系數(shù)，而降低冷凝溫度就是為了得到溫度相對較低的制冷劑液體，即提高制冷量，所以隨著VCC冷凝溫度的升高，制冷系數(shù)呈現(xiàn)下降的趨勢.由數(shù)據(jù)可知，VCC的COP為4.15～2.49.在吸收全冷凝熱量的的工況下，VCC-ORC的COP為5.19～2.89，且其增量隨著冷凝溫度的升高而逐漸減小.在回收VCC過熱部分冷凝熱的工況下，VCC-ORC的COP為4.20～2.53，與VCC相比，其COP增加了約1.57%，且其增量隨著冷凝溫度的升高而增大.結(jié)果表明，相較于回收VCC過熱部分冷凝熱，采用ORC回收VCC全冷凝熱可以顯著提高VCC的COP.

不同VCC冷凝溫度下2種運行工況的熱電轉(zhuǎn)換情況對比見圖7.

圖7 不同VCC冷凝溫度下2種運行工況的熱電轉(zhuǎn)換情況對比

由圖7可見，隨著VCC冷凝溫度的升高，2種冷凝熱回收方式VCC-ORC系統(tǒng)的膨脹機輸出功、凈輸出功以及凈發(fā)電量皆呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢.吸收全冷凝熱量方式的VCC-ORC的系統(tǒng)膨脹機輸出功為5.79～6.53 kW，凈輸出功為5.70～6.44 kW，凈發(fā)電量為4.85～5.47 kW.膨脹機輸出功和凈輸出功的數(shù)值幾乎接近.然而，對于回收VCC-ORC過熱部分冷凝熱的工況來說，VCC-ORC的系統(tǒng)膨脹機輸出功為0.40～0.74 kW，凈輸出功為0.39～0.73 kW，凈發(fā)電量為0.34～0.62 kW，顯著都比前者低.結(jié)果表明，采用ORC回收VCC全冷凝熱的方式可以顯著提升ORC的膨脹機輸出功、凈輸出功以及凈發(fā)電量.

3.3 系統(tǒng)性能參數(shù)隨有機朗肯循環(huán)蒸發(fā)溫度變化情況

不同ORC蒸發(fā)溫度下2種運行工況的性能對比見圖8.其中VCC的冷凝溫度為55 ℃，蒸發(fā)溫度為6 ℃；ORC的冷凝溫度選取為30 ℃.

圖8 不同ORC蒸發(fā)溫度下2種運行工況的性能對比

由圖8可見，隨著ORC蒸發(fā)溫度的升高，VCC-ORC系統(tǒng)的COP皆呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，但VCC系統(tǒng)的COP曲線較為平緩，說明ORC蒸發(fā)溫度的變化對VCC的COP影響較小.吸收全冷凝熱量方式的VCC的COP為3.34，VCC-ORC的COP為3.67～4.39，增量為9.9%～31.4%.采用ORC回收VCC全冷凝熱的方式可以顯著提升VCC的COP.然而，對于回收VCC過熱部分冷凝熱的工況來說，VCC-ORC的COP為3.37～3.41，增量較小，最大增量為2.09%.

不同ORC蒸發(fā)溫度下2種運行工況的熱電轉(zhuǎn)換情況對比見圖9.由圖9可見，不管采用何種冷凝熱回收方式，隨著ORC蒸發(fā)溫度的升高，VCC-ORC系統(tǒng)的膨脹機輸出功、凈輸出功以及凈發(fā)電量皆呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢.同時，VCC的COP為3.34，ORC系統(tǒng)熱效率為2.45%～6.49%.吸收全冷凝熱量方式的VCC-ORC的系統(tǒng)膨脹機輸出功為3.22～8.57 kW，凈輸出功為3.18～8.43 kW，凈發(fā)電量為2.70～7.16 kW.采用ORC回收VCC全冷凝熱可以顯著提升ORC的膨脹機輸出功、凈輸出功以及凈發(fā)電量.然而，對于回收VCC-ORC過熱部分冷凝熱的工況來說，VCC-ORC的系統(tǒng)膨脹機輸出功為0.275～0.732 kW，凈輸出功為0.271～0.720 kW，凈發(fā)電量為0.231～0.612 kW，明顯低于前者.

圖9 不同ORC蒸發(fā)溫度下2種運行工況的熱電轉(zhuǎn)換情況對比

3.4 系統(tǒng)性能參數(shù)隨有機朗肯循環(huán)冷凝溫度變化情況

不同ORC冷凝溫度下2種運行工況的性能對比見圖10.其中VCC的冷凝溫度為55 ℃，蒸發(fā)溫度為6 ℃；ORC的蒸發(fā)溫度選取為50 ℃.

圖10 不同ORC冷凝溫度下2種運行工況的性能對比

由圖10可見，不管采用何種冷凝熱回收方式，隨著ORC冷凝溫度的升高，VCC-ORC系統(tǒng)的COP皆呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，VCC的COP曲線平緩，幾乎沒有變化.同時，VCC的COP為3.34，吸收全冷凝熱量方式的VCC-ORC的COP為4.44～3.66，增量為33.0%～9.5%.采用ORC回收VCC全冷凝熱可以顯著提升VCC的COP.然而，對于回收VCC過熱部分冷凝熱的工況來說，VCC-ORC的COP為3.41～3.37，增量較小，最大增量為2.17%.

不同ORC冷凝溫度下2種運行工況的熱電轉(zhuǎn)換情況對比見圖11.

圖11 不同ORC冷凝溫度下2種運行工況的熱電轉(zhuǎn)換情況對比

由圖11可見，不管采用何種冷凝熱回收方式，隨著ORC冷凝溫度的升高，VCC-ORC系統(tǒng)的膨脹機輸出功、凈輸出功以及凈發(fā)電量皆呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢.同時，VCC的COP為3.34，ORC系統(tǒng)熱效率為6.73%～2.36%.吸收全冷凝熱量方式的VCC-ORC的系統(tǒng)膨脹機輸出功為8.85～3.12 kW，凈輸出功為8.74～3.07 kW，凈發(fā)電量為7.43～2.61 kW.采用ORC回收VCC全冷凝熱可以顯著提升ORC的膨脹機輸出功、凈輸出功以及凈發(fā)電量.然而，對于回收VCC-ORC過熱部分冷凝熱的工況來說，VCC-ORC的系統(tǒng)膨脹機輸出功為0.756～0.267 kW，凈輸出功為0.747～0.262 kW，凈發(fā)電量為0.635～0.223 kW，顯著都比前者低.

4 結(jié) 論

1)吸收全冷凝熱量的VCC-ORC系統(tǒng)隨著VCC蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的升高，其COP分別從3.41增加到5.62，從5.19減小到2.89.因此，VCC溫度的變化對于系統(tǒng)各參數(shù)的變化更有參考意義.

2)以COP為目標參數(shù)進行分析,單獨的VCC系統(tǒng)和ORC-VCC復合系統(tǒng)與VCC和ORC的冷凝溫度均呈負相關.而2個子系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度增大時，COP均增大.此外，采用回收全冷凝熱量方式的系統(tǒng)COP增加較大.因此，單以COP為優(yōu)化目標時，適當范圍內(nèi)降低冷凝溫度，增加蒸發(fā)溫度，采用回收全冷凝熱量的方式是可行的.

3)對于ORC子系統(tǒng)的做功情況和發(fā)電量，其數(shù)值隨著VCC冷凝溫度的增加而增大，隨著VCC蒸發(fā)溫度的增加而減小，隨著ORC冷凝溫度的增加而減小，隨著ORC蒸發(fā)溫度的增加而增加，多數(shù)呈線性關系.

4)以2種熱量回收方式為研究對象，當ORC子系統(tǒng)工質(zhì)吸收VCC系統(tǒng)釋放的全冷凝熱量時，做功情況和產(chǎn)電情況明顯優(yōu)于只吸收過熱部分熱量的回收方式.當VCC蒸發(fā)溫度變化時，吸收全冷凝熱量的COP增量可達26.9%，甚至更多.然而，吸收過熱熱量時COP增量只有1.47%左右.與此同時，吸收全冷凝熱量的ORC子系統(tǒng)的凈發(fā)電量是吸收過熱部分熱量的10倍左右.綜上所述，吸收全冷凝熱量比吸收過熱熱量更有價值.同時，為了提高系統(tǒng)的基礎參數(shù)，可以在系統(tǒng)和工質(zhì)均正常工作的允許范圍內(nèi)，適當增加蒸發(fā)溫度，降低冷凝溫度.