中溫地?zé)崮茯?qū)動(dòng)的跨臨界有機(jī)朗肯-蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)的?分析*

曹園樹，孫雪萌，馬志同,?，馬偉斌

（1. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院，廣東 深圳 518055）

中溫地?zé)崮茯?qū)動(dòng)的跨臨界有機(jī)朗肯-蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)的?分析*

曹園樹1,2，孫雪萌3，馬志同1,2,3?，馬偉斌1

（1. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院，廣東 深圳 518055）

建立中溫地?zé)崮茯?qū)動(dòng)跨臨界有機(jī)朗肯-蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)的?分析熱力學(xué)模型，采用R143a作為系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)，探討膨脹機(jī)入口壓力、地?zé)崃黧w進(jìn)口溫度、冷凝溫度、蒸發(fā)溫度對(duì)?效率的影響規(guī)律，分析系統(tǒng)各個(gè)部件的?損失。計(jì)算結(jié)果表明：合理的膨脹機(jī)入口壓力應(yīng)該小于1.8倍臨界壓力；存在最佳的地?zé)崃黧w進(jìn)口溫度使得系統(tǒng)的?效率最大；降低冷凝溫度和提高蒸發(fā)溫度都可以提高?效率，但需要增加換熱器等效換熱面積作為代價(jià)；冷凝器、發(fā)生器、膨脹機(jī)、節(jié)流閥、壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、工質(zhì)泵的?損失依次降低；隨著地?zé)崃黧w進(jìn)口溫度升高，冷凝器及發(fā)生器的?損失所占的比例增大，其它部件的?損失對(duì)應(yīng)的比例則降低。本文可以為跨臨界有機(jī)朗肯-蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

中溫地?zé)崮埽豢缗R界；有機(jī)朗肯-蒸氣壓縮；?分析

0 引 言

地?zé)崮苁且环N蘊(yùn)含在地下的可再生資源，按照溫度范圍劃分，可以分為高溫地?zé)幔囟?≥ 150℃）、中溫地?zé)幔?50℃ ＞ 溫度 ≥ 90℃）、低溫地?zé)幔囟?＜ 90℃）[1]。地?zé)豳Y源可以用來發(fā)電、供熱制冷、療養(yǎng)、洗浴等，有很大的利用潛力。其中，地?zé)嶂评涫且环N重要的利用方式[2,3]。隨著能源危機(jī)加劇，節(jié)能環(huán)保技術(shù)成為了研究熱點(diǎn)[4]，余熱及可再生能源作為驅(qū)動(dòng)熱源的有機(jī)朗肯循環(huán)-蒸氣壓縮制冷（ORC-VCR）也受到越來越多的關(guān)注。我國(guó)地?zé)豳Y源豐富，地?zé)崮茯?qū)動(dòng)的ORC-VCR系統(tǒng)能夠有效地利用我國(guó)的地?zé)豳Y源，具有較廣闊的應(yīng)用前景。Aphornratana等[5]理論分析了低品位熱能驅(qū)動(dòng)的ORC-VCR系統(tǒng)。Wang等[6,7]研究熱驅(qū)動(dòng)的ORC-VCR，并研制出一臺(tái)制冷量為5 kW的樣機(jī)。Demierre等[8]以R134a為工質(zhì)研制出了一臺(tái)冷凝功率為20 kW的ORC-VCR原型機(jī)。Aneke等[9]闡述了 ORC-VCR系統(tǒng)在食品工業(yè)中的應(yīng)用。Bu等[10]分析了太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的ORC-VCR制冰器的性能。Li等[11]分析了以碳?xì)浠衔餅楣べ|(zhì)的 ORC-VCR的性能。胡冰[12]等研究了低溫?zé)崮芟碌?ORC-VCR的性能。Mupparapu[13]通過模擬的方法研究了太陽(yáng)能及生物能聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的ORC-VCR系統(tǒng)的性能。

以上關(guān)于 ORC-VCR的研究都是將亞臨界有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）與蒸氣壓縮制冷（VCR）聯(lián)合，目前關(guān)于跨臨界ORC-VCR的文獻(xiàn)報(bào)道較少?？缗R界ORC-VCR使工質(zhì)與熱源更好地匹配，可降低系統(tǒng)的不可逆性，減小系統(tǒng)的整體體積[14]。曹園樹等[15]研究了中溫地?zé)崮茯?qū)動(dòng)的跨臨界ORC-VCR，分析了其熱力學(xué)性能的影響因素，并與亞臨界ORC-VCR的性能進(jìn)了比較，然而并沒有開展系統(tǒng)的?分析。?分析從質(zhì)的角度對(duì)熱力系統(tǒng)進(jìn)行分析，可以補(bǔ)充從量的角度進(jìn)行分析的不足，有益于熱力系統(tǒng)的全面研究[16]。因此，本文從熱力學(xué)第二定律出發(fā)，開展對(duì)中溫地?zé)崮茯?qū)動(dòng)的跨臨界ORC-VCR系統(tǒng)的?分析，研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）中溫地?zé)崃黧w進(jìn)口溫度及膨脹機(jī)入口壓力對(duì)?效率的影響規(guī)律；

（2）冷凝溫度及蒸發(fā)溫度對(duì)?效率的影響規(guī)律；

（3）ORC-VCR系統(tǒng)各個(gè)部件的?損失及其分布規(guī)律。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工質(zhì)選擇

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[15]，對(duì)于中溫地?zé)崮茯?qū)動(dòng)的跨臨界ORC-VCR系統(tǒng)，為防止工質(zhì)泄漏所導(dǎo)致的摻混，動(dòng)力側(cè)和制冷側(cè)采用同種工質(zhì)。工質(zhì)R143a具有較佳的性能，因此，本文研究的跨臨界ORC-VCR系統(tǒng)采用R143a作為工質(zhì)，其物性參數(shù)如表1所示。

表1 工質(zhì)物性Table 1 Properties of R143a

跨臨界ORC-VCR系統(tǒng)的流程如圖1所示。首先，中溫地?zé)崃黧w定壓加熱發(fā)生器內(nèi)的R143a使其汽化到跨臨界狀態(tài)，汽化后的R143a推動(dòng)膨脹機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)外輸出功。從膨脹機(jī)出來的R143a進(jìn)入冷凝器被冷卻至液態(tài)，通過工質(zhì)泵加壓后，液態(tài)R143a回到發(fā)生器，完成動(dòng)力循環(huán)。壓縮機(jī)與膨脹機(jī)同軸，膨脹機(jī)直接帶動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，將低壓氣體壓縮到高壓進(jìn)入冷凝器，在冷凝器內(nèi)冷卻為液體，液體經(jīng)過節(jié)流閥后進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱進(jìn)行制冷，蒸發(fā)后的氣體被壓縮機(jī)吸入，完成制冷循環(huán)。膨脹機(jī)采用能在變負(fù)荷工況下穩(wěn)定運(yùn)行的徑向軸流式的透平膨脹機(jī)，采用離心式壓縮機(jī)，與膨脹機(jī)同軸。為了加強(qiáng)換熱，所有的換熱器采用逆流式換熱器。圖2為跨臨界ORC-VCR系統(tǒng)的T-s圖，其中所標(biāo)的狀態(tài)點(diǎn)與圖1對(duì)應(yīng)。

圖1 地?zé)崮茯?qū)動(dòng)的ORC-VCR系統(tǒng)流程圖Fig. 1 Flow chart of Organic Rankine-Vapor Compression refrigeration system powered by geothermal energy

圖2 ORC-VCR系統(tǒng)T-s圖Fig. 2 Temperature-Entropy diagram for Organic Rankine-Vapor Compression refrigeration system

2 熱力學(xué)模型

基于如下假設(shè)建立系統(tǒng)的熱力學(xué)模型：

（1）忽略系統(tǒng)與環(huán)境之間的散熱損失；

（2）忽略系統(tǒng)管路的壓力損失；

（3）忽略冷卻水的動(dòng)力消耗；

（4）忽略地?zé)崃黧w的動(dòng)力消耗；

（5）膨脹機(jī)入口為超臨界狀態(tài)；

（6）ORC循環(huán)的凈輸出功轉(zhuǎn)化為壓縮機(jī)輸入功。地?zé)崃黧w：

跨臨界ORC系統(tǒng)：

VCR系統(tǒng)：

發(fā)生器?損失：

膨脹機(jī)?損失：

工質(zhì)泵?損失：

冷凝器總?損失：

冷凝器動(dòng)力循環(huán)部分?損失：

冷凝器制冷循環(huán)部分?損失：

壓縮機(jī)?損失：

蒸發(fā)器?損失：

節(jié)流閥?損失：

ORC循環(huán)總?損失：

VCR循環(huán)總?損失：

ORC-VCR循環(huán)總?損失：

ORC循環(huán)輸入?：

ORC循環(huán)輸出?：

VCR循環(huán)輸入?：

VCR循環(huán)輸出?：

ORC循環(huán)?效率：

VCR循環(huán)?效率：

ORC-VCR系統(tǒng)?效率：

以上符號(hào)的物理意義詳見符號(hào)表，正文中未說明的符號(hào)均在該符號(hào)表中進(jìn)行了說明。由于本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是動(dòng)力側(cè)與制冷側(cè)共用一個(gè)冷凝器，為了便于分析，將冷凝水質(zhì)量抽象地認(rèn)為分為兩部分質(zhì)量：一部分用于動(dòng)力側(cè)，用mcw1表示；另一部分于制冷側(cè)，用mcw2表示，它們的具體計(jì)算詳見以上公式。對(duì)于?的計(jì)算，本文采用基于焓?的計(jì)算方法。本文采用EES軟件編程計(jì)算。

3 結(jié)果討論

根據(jù)文獻(xiàn)[15]，超臨界ORC循環(huán)中，在一定的膨脹機(jī)入口溫度T1下，存在一個(gè)極限膨脹機(jī)入口壓力Plim。當(dāng)膨脹機(jī)入口壓力超過Plim時(shí)，膨脹機(jī)中會(huì)產(chǎn)生濕蒸氣，對(duì)葉片造成很大損傷，這種工況需要避免。本文針對(duì)中溫地?zé)崮茯?qū)動(dòng)的跨臨界 ORC-VCR系統(tǒng)進(jìn)行?分析，系統(tǒng)參數(shù)的典型取值及變化范圍如表2所示。所謂的典型參數(shù)取值為研究其它參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響時(shí)，該參數(shù)的常數(shù)取值；變化范圍為研究該參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響的取值范圍，以上取值均根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)得到[17,18]。系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要使用以下三個(gè)：?效率，等效換熱面積，各個(gè)部件的?損失及其所占比例。

表2 循環(huán)參數(shù)的輸入值Table 2 Input values of cycle parameters

3.1 膨脹機(jī)入口壓力對(duì)系統(tǒng)?效率的影響

本文引入m值表示膨脹機(jī)入口壓力與臨界壓力的相對(duì)值，定義膨脹機(jī)入口壓力P1=(1 +m)Pcrit。編制程序計(jì)算出膨脹機(jī)出口干度即將小于1時(shí)的壓力值，該值即為膨脹機(jī)入口極限壓力Plim，各個(gè)溫度下的極限壓力對(duì)應(yīng)的m值見表3。

表3 不同溫度下R143a的工作極限壓力對(duì)應(yīng)的m值Table 3 Valuemresponding to limited pressure of R143a in different temperatures

由于換熱器內(nèi)部具體的流動(dòng)情況比較復(fù)雜，其換熱系數(shù)難以確定。因此，引入等效換熱面積UA表征換熱器規(guī)格，其值為換熱系數(shù)與換熱面積的乘積。根據(jù)圖2，隨著m值增大，其膨脹機(jī)入口壓力增大，即T-s圖中的等壓線1-3s向上偏移，在相同的出口端部溫差條件下，地?zé)崃黧w與工質(zhì)之間的溫差減小，其不可逆損失降低，進(jìn)而提高了ORC循環(huán)的?效率。根據(jù)圖3，在典型溫度下，當(dāng)m值增加到0.8后，ORC循環(huán)的?效率增加程度很小，幾乎保持不變。然而，地?zé)崃黧w與工質(zhì)之間的溫差減小，發(fā)生器所需要的等效換熱面積卻呈線性增加。因此，從熱力學(xué)第二定律角度分析，基于經(jīng)濟(jì)性原則，合理的m值應(yīng)該小于0.8。在此范圍內(nèi)，隨著m值的增大，?效率提高的同時(shí)也需要更大的發(fā)生器等效換熱面積，在具體的設(shè)計(jì)中應(yīng)該綜合權(quán)衡。

圖3 m值對(duì)?效率U及等效換熱器面積UA的影響Fig. 3 Effects of valuemon exergy efficiency and equivalent heat exchanger area

3.2 地?zé)崃黧w進(jìn)口溫度對(duì)系統(tǒng)?效率的影響

本文研究90℃～150℃的中溫地?zé)崃黧w對(duì)系統(tǒng)性能的影響，在該溫度范圍內(nèi)，以5℃為間隔共取13個(gè)熱源溫度，?效率隨熱源溫度的變化規(guī)律如圖4所示。從圖 4中可以看出，隨著熱源溫度升高，ORC循環(huán)的?效率先升高再降低，最佳的地?zé)崃黧w進(jìn)口溫度為 100℃，對(duì)應(yīng)的?效率為 0.481；ORC-VCR系統(tǒng)的?效率隨著熱源溫度的變化規(guī)律與 ORC循環(huán)類似，它的最佳地?zé)崃黧w進(jìn)口溫度為 105℃，與ORC循環(huán)的最佳地?zé)崃黧w進(jìn)口溫度相差5℃，對(duì)應(yīng)的?效率為 0.127。隨著熱源溫度的升高，ORC循環(huán)的最大?效率與最大膨脹機(jī)輸出功并不是同步的；由于熱源溫度并不會(huì)改變VCR循環(huán)的?效率，故 VCR循環(huán)的最大?輸出即為膨脹機(jī)輸出功最大時(shí)；這也正是ORC-VCR系統(tǒng)的?效率與ORC循環(huán)的?效率對(duì)應(yīng)的最佳熱源溫度不同的原因。因此，在ORC-VCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到ORC-VCR系統(tǒng)的?效率與ORC循環(huán)的?效率的區(qū)別，以便更好地指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

圖4 地?zé)崃黧w進(jìn)口溫度對(duì)?效率U的影響Fig. 4 Effects of geothermal fluid inlet temperature on exergy efficiency

圖5是在膨脹機(jī)進(jìn)口壓力保持在典型壓力值不變的工況下所得的地?zé)崃黧w進(jìn)口溫度對(duì)系統(tǒng)?效率的影響。對(duì)于不同的m值，最佳地?zé)崃黧w進(jìn)口溫度及其對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)?效率是不同的。通過最優(yōu)化算法計(jì)算得到不同m值對(duì)應(yīng)的最佳地?zé)崃黧w進(jìn)口溫度及系統(tǒng)?效率，如圖5所示。隨著m值的增加，最佳地?zé)崃黧w進(jìn)口溫度及其對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)?效率均相應(yīng)地升高，曲線呈開口向下的拋物線，可見隨著最佳地?zé)崃黧w進(jìn)口溫度的升高，其升高速率曲線變得平緩。當(dāng)m值達(dá)到1.1時(shí)，其對(duì)應(yīng)的最佳地?zé)崃黧w進(jìn)口溫度及系統(tǒng)?效率可達(dá)到127℃和0.142，與典型壓力值工況相比，分別提高了21%和12%。

圖5 m值對(duì)應(yīng)的最佳地?zé)崃黧w進(jìn)口溫度及系統(tǒng)?效率Fig. 5 Valuemvesus the optimal geothermal fluid inlet temperature and system exergy efficiency

3.3 冷凝溫度對(duì)系統(tǒng)?效率的影響

冷凝溫度對(duì)系統(tǒng)的性能有著非常重要的影響。圖6為冷凝溫度從38℃變化到46℃時(shí)，?效率及冷凝器等效換熱面積的變化規(guī)律。?效率隨著冷凝溫度的升高呈線性下降的趨勢(shì)。從圖6可知，冷凝溫度從 38℃升高到 46℃，Uorc、Uvcr、Us的絕對(duì)值分別下降 0.015、0.021、0.015，相對(duì)下降比例分別為3.2%、7.5%、11.3%。根據(jù)系統(tǒng)?效率變化的相對(duì)比例判斷，冷凝溫度對(duì)ORC-VCR系統(tǒng)的?效率影響最大，其次為VCR系統(tǒng)，最后為ORC系統(tǒng)。冷凝溫度對(duì)?效率的影響非常大，應(yīng)該盡量提高冷凝器的性能。同時(shí)，冷凝溫度的降低伴隨著冷凝器等效換熱器面積的增大，這也是提高系統(tǒng)?效率需要付出的代價(jià)。因此，從熱力學(xué)第二定律出發(fā)，冷凝溫度的確定需要充分考慮?效率及冷凝器等效換熱器面積，使系統(tǒng)的綜合性能最佳。

圖6 冷凝溫度對(duì)?效率U及等效換熱器面積UA的影響Fig. 6 Effects of condensing temperature on exergy efficiency and equivalent heat exchanger area

3.4 蒸發(fā)溫度對(duì)系統(tǒng)?效率的影響

蒸發(fā)溫度對(duì)系統(tǒng)?效率的影響主要體現(xiàn)在制冷循環(huán)上。對(duì)于ORC-VCR系統(tǒng)，系統(tǒng)的?輸出是通過冷凍水在蒸發(fā)器中完成。隨著蒸發(fā)溫度的降低，蒸發(fā)器中的工質(zhì)與冷凍水的換熱溫差增大，系統(tǒng)的不可逆損失增大，進(jìn)而?效率呈線性下降的趨勢(shì)。然而，蒸發(fā)溫度對(duì)系統(tǒng)的影響僅僅作用在制冷循環(huán)部分，對(duì)于動(dòng)力循環(huán)部分沒有影響。如圖7所示，當(dāng)蒸發(fā)溫度從5℃降低到3℃，Uvcr、Us的絕對(duì)值分別下降0.018、0.008，相對(duì)下降比例分別為7%、6%。與冷凝溫度對(duì)系統(tǒng)?效率的影響相比，?效率受蒸發(fā)溫度影響的變化幅度稍小，但其系統(tǒng)的影響也不可忽視，應(yīng)該根據(jù)具體的設(shè)計(jì)工況確定合理的蒸發(fā)溫度。

圖7 蒸發(fā)溫度對(duì)?效率U及等效換熱器面積UA的影響Fig. 7 Effects of evaporating temperature on exergy efficiency and equivalent heat exchanger area

3.5 系統(tǒng)部件的?損失分布規(guī)律

在典型壓力下，各個(gè)部件的?損失隨著地?zé)崃黧w進(jìn)口溫度的變化規(guī)律如圖8所示。Icond、Iboil、Itr、Ival、Icom、Ievap、Ifd依次降低，其中冷凝器的?損失是最大的，這也從一個(gè)方面反映了3.3節(jié)描述的冷凝器對(duì)于?效率的影響規(guī)律。因此，在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)冷凝器的設(shè)計(jì)進(jìn)行重點(diǎn)考慮。同時(shí)，隨著地?zé)崃黧w進(jìn)口溫度的升高，各個(gè)部件的?損失全部增大，各個(gè)部件?損失所占比例的變化規(guī)律如圖9所示。隨著地?zé)崃黧w進(jìn)口溫度升高，Icond及Iboil所占的比例隨著地?zé)崃黧w進(jìn)口溫度升高而增大，其它部件的?損失對(duì)應(yīng)的比例則降低。當(dāng)?shù)責(zé)崃黧w進(jìn)口溫度從 90℃升高到 150℃，Icond及Iboil所占的比例分別從21%和32%升高到26%和40%，而Itr、Ival、Icom、Ievap、Ifd所占的比例則分別從15%、11%、11%、5%、5%降低至10%、9%、9%、4%、3%。因此，可以推斷存在一個(gè)最佳地?zé)崃黧w進(jìn)口溫度使得系統(tǒng)的總?損失最小，這與3.2節(jié)得到存在一個(gè)地?zé)崃黧w進(jìn)口溫度使得系統(tǒng)?效率最大的結(jié)論相符。

圖8 地?zé)崃黧w進(jìn)口溫度對(duì)各部件?損失的影響Fig. 8 Effects of geothermal fluid inlet temperature on component exergy destruction

圖9 地?zé)崃黧w進(jìn)口溫度對(duì)各部件?損失比例R的影響Fig. 9 Effects of geothermal fluid inlet temperature on component exergy destruction ratioR

ORC-VCR系統(tǒng)的?通過地?zé)崃黧w輸入，然后ORC循環(huán)中的膨脹機(jī)把該循環(huán)中所得的?通過軸功輸入到VCR循環(huán)中，VCR循環(huán)中通過蒸發(fā)器將其輸入的?輸出至冷凍水中，以上即為大致的?傳遞過程。在整個(gè)?傳遞的過程中，由于溫差等不可逆因素的存在，導(dǎo)致系統(tǒng)各個(gè)部件產(chǎn)生?損失，包括發(fā)生器?損失（Iboil）、工質(zhì)泵?損失（Ifd）、膨脹機(jī)?損失（Itr）、壓縮機(jī)?損失（Icom）、節(jié)流閥?損失（Ival）、蒸發(fā)器?損失（Ievap）、冷凝器?損失（Icond）等。

4 結(jié) 論

中溫地?zé)崮茯?qū)動(dòng)的跨臨界 ORC-VCR系統(tǒng)可以有效利用我國(guó)地?zé)豳Y源。本文建立該系統(tǒng)的熱力學(xué)模型，采用R143a作為系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)，通過EES軟件編制計(jì)算程序，探討膨脹機(jī)入口壓力、地?zé)崃黧w進(jìn)口溫度、冷凝溫度及蒸發(fā)溫度對(duì)?效率的影響規(guī)律，分析系統(tǒng)各個(gè)部件的?損失及其分布規(guī)律，為跨臨界ORC-VCR的設(shè)計(jì)提供參考，結(jié)論如下：

（1）從熱力學(xué)第二定律角度來看，基于經(jīng)濟(jì)性原則，合理的膨脹機(jī)入口壓力應(yīng)該小于 1.8倍臨界壓力；在m值小于0.8的范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)應(yīng)該綜合考慮?效率及發(fā)生器等效換熱面積來確定m值。

（2）典型膨脹機(jī)入口壓力工況下，ORC循環(huán)及ORC-VCR系統(tǒng)的?效率隨著熱源溫度的升高先升高再降低，最佳的地?zé)崃黧w進(jìn)口溫度分別為 100℃及105℃。隨著m值的增加，最佳地?zé)崃黧w進(jìn)口溫度及其對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)?效率均相應(yīng)地升高，升高曲線為開口向下的拋物線。

（3）冷凝溫度及其蒸發(fā)溫度對(duì)系統(tǒng)性能有著重要影響，其中冷凝溫度的影響更明顯。降低冷凝溫度和提高蒸發(fā)溫度都可以提高系統(tǒng)的?效率，但都需要以增加換熱器等效換熱面積為代價(jià)。

（4）各個(gè)部件的?損失的絕對(duì)值從大到小依次為Icond、Iboil、Itr、Ival、Icom、Ievap、Ifd。隨著地?zé)崃黧w進(jìn)口溫度升高，Icond及Iboil所占的比例增大，其它部件的?損失對(duì)應(yīng)的比例則降低。存在一個(gè)最佳地?zé)崃黧w進(jìn)口溫度使系統(tǒng)的總?損失最小。

符號(hào)表

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Exergy Analysis of Transcritical Organic Rankine-Vapor Compression Refrigiration System Powered by Medium-grade Geothermal Energy

CAO Yuan-shu1,2, SUN Xue-meng2, MA Zhi-tong1,2,3, MA Wei-bin1,2
(1. CAS Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Shenzhen Academy of Metering & Quality Inspection, Guangdong Shenzhen 518055, China)

A thermodynamic exergy analysis model of the transcritical Organic Rankine-Vapor Compression refrigeration system powered by medium-grade geothermal energy is set up. R143a is selected as working fluid. The influence rules of expander inlet pressure, geothermal fluid inlet temperature, condensing temperature and evaporating temperature on the exergy efficiency are studied. What's more, each component exergy loss of the system is analyzed. The calculation results showed that reasonable expander inlet pressure should be less than 1.8 times the critical pressure. There exists an optimal geothermal fluid inlet temperature for exergy efficiency. A lower condensing temperature and higher evaporating temperature could improve exergy efficiency, which need more equivalent heat transfer area. The absolute exergy loss of condenser, generator, expander and throttle valve, compressor, evaporator decrease in turn. As the geothermal fluid inlet temperature increases, exergy loss ratio of condenser and generator increases, while that of the other parts decrease. This work could provide references for the design of transcritical Organic Rankine-Vapor Compression refrigeration system.

medium-grade geothermal energy; transcritical; Organic Rankine-Vapor Compression; exergy analysis

TK529；TB66

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.06.006

2095-560X（2014）06-0441-08

曹園樹（1989-），男，碩士研究生，主要從事中低溫?zé)崮芾眉夹g(shù)研究。

孫雪萌（1964-），女，學(xué)士，高級(jí)工程師，主要從事節(jié)能技術(shù)、能源計(jì)量等方面的研究。

馬志同（1977-），男，博士研究生，高級(jí)工程師，主要從事節(jié)能技術(shù)、能源計(jì)量等方面的研究。

馬偉斌（1959-），男，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事地?zé)崂?、太?yáng)能熱利用等方面的研究。

2014-09-22

2014-10-19

國(guó)家高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863）項(xiàng)目（2012AA053003）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51106161）；廣東省中國(guó)科學(xué)院全面戰(zhàn)略合作項(xiàng)目（2012B091100263）

? 通信作者：馬志同，E-mail：mazt@smq.com.cn