重型卡車朗肯-朗肯制冷系統(tǒng)熱力學(xué)研究*

王令寶，卜憲標?，李華山,2，馬偉斌

（1. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100864）

重型卡車朗肯-朗肯制冷系統(tǒng)熱力學(xué)研究*

王令寶1，卜憲標1?，李華山1,2，馬偉斌1

（1. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100864）

本文針對重型卡車發(fā)動機冷卻液余熱工況，采用R245fa作為循環(huán)工質(zhì)建立了朗肯-朗肯制冷系統(tǒng)，剖析了此系統(tǒng)的基本原理和結(jié)構(gòu)特點，根據(jù)系統(tǒng)分析建立了數(shù)學(xué)模型，模擬分析了發(fā)生溫度、冷凝溫度、蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明：在發(fā)生溫度85℃、冷凝溫度50℃、蒸發(fā)溫度5℃時，系統(tǒng)COP達到0.254，雖然此系統(tǒng)的效率要低于相同工況下的吸收制冷循環(huán)，但是朗肯-朗肯制冷系統(tǒng)相對于吸收制冷系統(tǒng)具有尺寸小、易于控制和快速響應(yīng)等優(yōu)點，利用朗肯-朗肯循環(huán)回收重型卡車發(fā)動機冷卻液余熱進行制冷是可行的。

朗肯-朗肯循環(huán)；R245fa；重型卡車余熱；制冷

0 前 言

近年來，運輸行業(yè)的能耗和排放對能源危機和環(huán)境問題帶來了一定的壓力[1]。重型卡車的高能耗重排放引起了學(xué)者的普遍關(guān)注[2]。重型卡車發(fā)動機的實用效率大約為40%，剩余的能量被發(fā)動機冷卻液及排氣帶走。重型卡車發(fā)動機的余熱包括循環(huán)冷卻液帶走的熱量和排氣余熱兩部分，循環(huán)冷卻液帶走的熱量占燃料發(fā)熱量的25% ～ 35%左右，其中發(fā)動機冷卻液的溫度一般為85 ～ 105℃[3-5]。重型卡車駕駛室有較大的制冷需求，空調(diào)制冷系統(tǒng)中，蒸汽壓縮式空調(diào)系統(tǒng)占統(tǒng)沺地位，一般要消耗8% ～ 12%的發(fā)動機動力[6,7]，這一斱面提高了油耗，增加了CO2排放，加劇了空氣污染；另一斱面容易引起水箱過熱，從而影響重型卡車的動力性?；厥绽冒l(fā)動機余熱來驅(qū)動制冷系統(tǒng)是目前世界各國都在關(guān)注的研究課題。

國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)展開了重型卡車余熱制冷斱面的研究，目前提出的利用重型卡車余熱制冷的技術(shù)主要有吸收式、吸附式和噴射式，多為結(jié)構(gòu)和概念斱面的研究[8-11]，但基本上還沒有實際應(yīng)用，考慮到重型卡車余熱制冷的特殊應(yīng)用背景，重型卡車上空調(diào)系統(tǒng)安裝空間有限，對制冷系統(tǒng)的尺寸和重量提出了更高的要求。

有機朗肯循環(huán)（ORC）利用低沸點的有機工質(zhì)作為循環(huán)工質(zhì)，在低溫條件下可以獲得較高的蒸氣壓力，推動渦輪機做功。有機工質(zhì)朗肯循環(huán)的主要優(yōu)點在于它具有良好的中低溫運行能力，是回收低品位熱能的有效技術(shù)手段[12]?；诖搜莼隽笋詈嫌袡C朗肯循環(huán)的新型熱力循環(huán)概念，朗肯-朗肯制冷就是把有機朗肯循環(huán)和蒸汽壓縮制冷循環(huán)結(jié)合起來構(gòu)建的新型熱力循環(huán)，利用有機朗肯循環(huán)渦輪輸出的軸功驅(qū)動壓縮機進行制冷[13]。朗肯蒸汽壓縮制冷循環(huán)相對于吸收式和吸附式制冷具有尺寸小、易于控制和快速響應(yīng)等優(yōu)點，使得這種制冷斱式更容易應(yīng)用在重型卡車上面[14]。

基于朗肯循環(huán)回收發(fā)動機余熱的研究始于 20世紀 70年代的第一次能源危機。當(dāng)時美國能源部（Department of Energy）聯(lián)合美國熱電集團（ThermoElectron Co.）和美國麥克卡車 （Mack Truck Co.）啟動了一項基于有機朗肯循環(huán)回收利用重型發(fā)動機余熱的研究，其主要目的是提高重型長途運輸卡車的效率[15,16]。后來由于成本過高、控制系統(tǒng)過于復(fù)雜以及系統(tǒng)體積過于龐大等問題，利用朗肯循環(huán)回收發(fā)動機廢氣能量的研究一度停止。近年來，由于石油價格的上漲以及人們對CO2排放導(dǎo)致溫室效應(yīng)的日益關(guān)注，關(guān)于發(fā)動機余熱回收利用斱面的研究重新受到人們的重視。隨著技術(shù)進步，基于朗肯循環(huán)回收利用發(fā)動機余熱也成為可能。世界上幾個著名的重型卡車公司和科研部門（如康明斯、卡特皮勒、AVL等）紛紛開展了多種發(fā)動機廢熱回收利用系統(tǒng)的研究工作[17-20]。

目前，大部分的研究集中在利用有機朗肯循環(huán)回收發(fā)動機尾氣廢熱，雖然這套系統(tǒng)比較行之有效，但是系統(tǒng)要采用氣液換熱器，造成系統(tǒng)龐大和造價較高，對系統(tǒng)的應(yīng)用帶來了一定的障礙[21,22]。如果回收發(fā)動機冷卻液中的熱量進行制冷，可以避免系統(tǒng)中采用氣液換熱器，使得系統(tǒng)較為緊湊。本文基于重型卡車發(fā)動機冷卻液余熱工況，采用新型環(huán)保工質(zhì)R245fa作為循環(huán)工質(zhì)，建立朗肯蒸汽壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)，通過數(shù)學(xué)模型研究系統(tǒng)循環(huán)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，旨在分析朗肯蒸汽壓縮循環(huán)利用重型卡車發(fā)動機冷卻液余熱進行制冷的可行性，幵為下一步樣機的開發(fā)提供參考依據(jù)。

1 熱力循環(huán)過程

圖1為朗肯-朗肯循環(huán)制冷系統(tǒng)流程圖，圖1的左端是ORC系統(tǒng)，主要由預(yù)熱器、發(fā)生器、渦輪機、冷凝器和工質(zhì)泵組成。在預(yù)熱器中，利用重型卡車發(fā)動機循環(huán)冷卻水提供的熱量使有機工質(zhì)得到預(yù)熱，在發(fā)生器中，利用有機工質(zhì)的低沸點特性，重型卡車發(fā)動機煙氣余熱提供的熱量使有機工質(zhì)變成高壓蒸汽，推動渦輪機做功，從渦輪機出來的有機工質(zhì)變成低壓蒸汽，然后進入冷凝器變成低壓液體，經(jīng)工質(zhì)泵的提升進入發(fā)生器中完成動力循環(huán)。圖 1的右端是蒸汽壓縮制冷循環(huán)（VCR），主要由壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器組成，其中渦輪機和壓縮機是同軸結(jié)構(gòu)的，壓縮機利用渦輪機輸出的動力，把低溫低壓有機工質(zhì)蒸汽壓縮成高溫高壓蒸汽，在冷凝器中，高壓蒸汽被冷凝成高壓液體，高壓有機工質(zhì)液體經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流，變成低壓液體，在蒸發(fā)器中蒸發(fā)制冷變成低壓蒸汽，最后進入壓縮機完成制冷循環(huán)。

圖1 朗肯-朗肯循環(huán)制冷系統(tǒng)流程圖Fig. 1 Flow chart of Rankine-Rankine refrigeration cycle system

此系統(tǒng)利用朗肯循環(huán)回收發(fā)動機冷卻液余熱進行制冷，具有以下特點：渦輪機采用徑向軸流式透平膨脹機，該機適用范圍廣，能在變負荷工況下穩(wěn)定運行；壓縮機采用離心式，與渦輪機同軸，減少了機械能轉(zhuǎn)化成電能的環(huán)節(jié)，能有效地提高機械能的轉(zhuǎn)化效率；考慮到ORC系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)的實際冷凝工況和應(yīng)用場所，系統(tǒng)的ORC循環(huán)和制冷循環(huán)共用一個冷凝器，同時為精確控制冷凝器兩路工質(zhì)的流量，發(fā)生器上裝液位控制器，工質(zhì)泵加變頻器，通過液位控制器控制變頻工質(zhì)泵轉(zhuǎn)速，采用同一種循環(huán)工質(zhì)，使系統(tǒng)更加緊湊。

朗肯-朗肯制冷空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)要求具有低沸點、熱穩(wěn)定性好、低臭氧破壞勢（ODP）、低溫室效應(yīng)勢（GWP）、臨界溫度大于循環(huán)最高溫度等特性。R245fa作為一種新型環(huán)保工質(zhì)，被美國認為是最適合用于有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)工質(zhì)的物質(zhì)，具有毒性低、不可燃、熱穩(wěn)定性好等特性，其ODP值為零，GWP值為820，標準沸點288.45 K，臨界溫度430.65 K。因此，本文采用R245fa作為循環(huán)工質(zhì)建立重型卡車余熱朗肯蒸汽壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)計算

2.1 系統(tǒng)分析

朗肯-朗肯循環(huán)制冷系統(tǒng)T-S圖如圖2所示，圖2左半部分是ORC系統(tǒng)T-S圖，圖2右半部分是制冷循環(huán)T-S圖。左圖中1→2→3→4→5→6→1表示ORC系統(tǒng)循環(huán)，其中1→2s表示渦輪機的等熵膨脹過程，3→4s表示工質(zhì)泵的等熵壓縮過程；右圖中 7→8→9→10→11→7表示制冷系統(tǒng)循環(huán)，其中7→8s表示壓縮機的等熵壓縮過程。根據(jù)系統(tǒng)特點，做如下假定：

（1）系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下工作；

（2）忽略預(yù)熱器、發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器及連接管路與外界的散熱損失及壓力損失；

（3）制冷循環(huán)的節(jié)流過程是等焓過程。

圖2 朗肯-朗肯循環(huán)制冷系統(tǒng)T-S圖Fig. 2 T-S diagram for Rankine-Rankine refrigeration cycle system

2.2 系統(tǒng)建模

根據(jù)上述系統(tǒng)分析，將各個狀態(tài)點的參數(shù)進行耦合。

ORC系統(tǒng)：

VCR系統(tǒng)：

系統(tǒng)整體性能：

式中：

Wexp— 膨脹機輸出功率，kW；

morc— ORC側(cè)工質(zhì)流量，kg/s；

h1— 膨脹機進口工質(zhì)焓，kJ/kg；

h2s— 膨脹機出口工質(zhì)等熵焓值，kJ/kg；

ηexp— 膨脹機等熵效率；

Wpump— 工質(zhì)泵功耗，kW；

h4s— 工質(zhì)泵出口工質(zhì)等熵焓值，kJ/kg；

h3 — 工質(zhì)泵進口口工質(zhì)等熵焓值，kJ/kg；

ηpump— 工質(zhì)泵效率；

Qgen— 發(fā)生器加熱功率，kW；

h4 — 工質(zhì)泵出口工質(zhì)實際焓值，kJ/kg；

Wnet— ORC系統(tǒng)的凈輸出功，kW；

ηorc— ORC的效率；

Qeva— VCR系統(tǒng)蒸發(fā)器功率，kW；

mvcr— VCR系統(tǒng)工質(zhì)流量，kg/s；

h7 — VCR系統(tǒng)蒸發(fā)器出口焓值，kJ/kg；

h11— VCR系統(tǒng)蒸發(fā)器進口焓值，kJ/kg；

Wcom— 壓縮機功率，kW；

h8s— 壓縮機出口工質(zhì)等熵焓值，kJ/kg；

ηcom— 壓縮機等熵效率；

COPvcr— VCR系統(tǒng)性能系數(shù)；

COPs— 系統(tǒng)總的性能系數(shù)；

基于上述系統(tǒng)分析及建模，本文利用Matlab編制程序，采用R245fa作為循環(huán)工質(zhì)，以發(fā)生溫度、冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、膨脹機等熵效率和壓縮機等熵效率為基本輸入，計算朗肯-朗肯循環(huán)重型卡車余熱空調(diào)系統(tǒng)的性能。

3 結(jié)果與分析

考慮到卡車運行狀態(tài)的不同，發(fā)動機冷卻液的溫度也會有一定的波動，本文取發(fā)動機冷卻液的溫度85 ～ 105℃，同時假定發(fā)生器的傳熱溫差10℃，則ORC系統(tǒng)的發(fā)生溫度75 ～ 95℃?；诙募经h(huán)境溫度的不同，取重型卡車工況環(huán)境溫度25 ～ 45℃，冷凝器采用風(fēng)冷形式，假定冷凝器的傳熱溫差15℃，則系統(tǒng)的冷凝溫度40 ～ 60℃。具體參數(shù)取值見表1。

表1 參數(shù)取值Table 1 Input parameters and boundary conditions

3.1 發(fā)生溫度對系統(tǒng)性能的影響

圖3顯示了在冷凝溫度50℃、蒸發(fā)溫度5℃時，發(fā)生溫度對系統(tǒng)性能的影響。在發(fā)生溫度分別是75℃、85℃和95℃時，ORC系統(tǒng)的COP分別是5.1%、6.8%和8.1%，VCR系統(tǒng)的COP為3.76，整個系統(tǒng)的COP分別是19.3%、25.4%和30.6%?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著發(fā)生溫度的增大，ORC系統(tǒng)和整體系統(tǒng)的COP都在增大，增長趨勢接近線性變化，發(fā)生溫度增大1℃，整個系統(tǒng)的COP大約增大0.565%。發(fā)生溫度增加，膨脹機入口氣體工質(zhì)的壓力、溫度和焓值均增加，導(dǎo)致膨脹機進出口焓降增大，膨脹機功率增大。當(dāng)發(fā)生溫度為75℃和95℃時，發(fā)動機冷卻液提供26 kW和16 kW的熱量就可以制取5 kW的冷量，即可滿足駕駛室制冷需求，這在重型卡車上是可以實現(xiàn)的。

圖3 發(fā)生溫度對系統(tǒng)性能的影響Fig. 3 Effect of generating temperature on the system performance

3.2 冷凝溫度對系統(tǒng)性能的影響

圖4 冷凝溫度對系統(tǒng)性能的影響Fig. 4 Effect of condensation temperature on the system performance

圖4顯示了在發(fā)生溫度85℃，蒸發(fā)溫度5℃時，冷凝溫度對系統(tǒng)性能的影響。在冷凝溫度分別為40℃、50℃和60℃，ORC系統(tǒng)的COP分別是8.5%、6.8%和4.9%，VCR系統(tǒng)的COP分別是5.1、3.8和 2.9，整個系統(tǒng)的COP分別是43.5%、25.4%和14.2%，ORC系統(tǒng)和VCR系統(tǒng)的效率都是隨著冷凝溫度的升高而降低。冷凝溫度增大，膨脹機出口壓力和焓值增加，導(dǎo)致膨脹機進出口焓降減小，膨脹機功率減小，ORC系統(tǒng)COP降低。冷凝溫度的增加也導(dǎo)致VCR系統(tǒng)COP降低，導(dǎo)致系統(tǒng)整體效率降低。如果把系統(tǒng)整體效率隨冷凝溫度的變化曲線擬合成線性變化，冷凝溫度增大 1℃，系統(tǒng)整體效率降低1.47%，對比3.1發(fā)生溫度對系統(tǒng)性能的影響，相對于發(fā)生溫度，冷凝溫度對系統(tǒng)性能具有更大的影響。

3.3 蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)性能的影響

圖5顯示了在發(fā)生溫度85℃，冷凝溫度50℃時，蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)性能的影響。此時ORC系統(tǒng)的效率固定不變，為6.8%。在蒸發(fā)溫度分別為0℃、4℃和7℃，VCR系統(tǒng)的COP分別是3.23、3.64和4.00，整個系統(tǒng)的COP分別是22%、25%和27%，ORC系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)的效率都隨著蒸發(fā)溫度的升高而增大，但是很明顯，蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)性能的影響比較小。

圖5 蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)性能的影響Fig. 5 Effect of evaporation temperature on the system performance

4 結(jié) 論

（1）把ORC循環(huán)和制冷系統(tǒng)結(jié)合起來，渦輪機和壓縮機做成同軸結(jié)構(gòu)，兩個獨立的系統(tǒng)共用一個冷凝器，可以構(gòu)成一個高效的利用重型卡車發(fā)動機冷卻液余熱的制冷空調(diào)系統(tǒng)，具有尺寸小、易于控制和快速響應(yīng)等優(yōu)點。

（2）考慮到重型卡車發(fā)動機余熱實際工況，利用朗肯-朗肯循環(huán)回收發(fā)動機冷卻水余熱進行制冷是可行的，在發(fā)生溫度85℃、冷凝溫度50℃、蒸發(fā)溫度5℃時，系統(tǒng)COP達到0.254。

（3）研究了熱源溫度、冷凝溫度和蒸發(fā)溫度對朗肯-朗肯制冷系統(tǒng)性能的影響，系統(tǒng)COP隨著熱源溫度的升高而增大，隨著冷凝溫度的升高而降低，隨著蒸發(fā)溫度的升高而增大。相對而言，冷凝溫度對系統(tǒng)性能的影響更大。實際系統(tǒng)設(shè)計時，要綜合考慮重型卡車的運行情況、余熱情況、冷量的需求量、冬夏季的溫度以及系統(tǒng)投資，做到優(yōu)化設(shè)計。

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Theoretical Study on the Rankine-Rankine Refrigeration Cycle System Driven by Heavy Truck Waste Heat

WANG Ling-bao1, BU Xian-biao1, LI Hua-shan1,2, MA Wei-bin1
(1. 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 100864, China)

The paper established a Rankine-Rankine refrigeration cycle system driven by heavy truck engine coolant waste heat, which uses R245fa as working medium. The basic principle and structural characteristics of the system are analyzed. According to the system analysis, the mathematical model is established. The effects of generating temperature, condensation temperature and evaporation temperature on the system performance are investigated. The COP reaches 0.254, when the generating temperature is 85oC, the condensation temperature is 50oC and the evaporation temperature is 5oC. The Rankine-Rankine refrigeration cycle system has the advantages of small size, easy to control and fast response, although the COP is lower than that of the absorption refrigeration under the same condition. We can believe that Rankine-Rankine refrigeration cycle system is feasible to recovery engine coolant waste heat.

Rankine-Rankine cycle; R245fa; automobile waste heat; refrigeration

2095-560X（2014）01-0076-06

TK529

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.01.013

2013-12-11

2014-02-22

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863）項目（2012AA053003）；國家自然科學(xué)基金資助項目（51106161）；廣東省中國科學(xué)院全面戰(zhàn)略合作項目（2012B091100263）

? 通信作者：卜憲標，E-mail：buxb@ms.giec.ac.cn

王令寶（1986-），男，碩士，助理研究員，主要從事中低溫余熱利用研究。

卜憲標（1979-），男，博士，副研究員，主要從事低品位余熱發(fā)電研究。