不同工質(zhì)有機(jī)朗肯-蒸汽壓縮復(fù)合式熱泵系統(tǒng)的能效特性比較

馬國(guó)遠(yuǎn) 房 磊 許樹(shù)學(xué) 黃成達(dá)

（北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100124）

不同工質(zhì)有機(jī)朗肯-蒸汽壓縮復(fù)合式熱泵系統(tǒng)的能效特性比較

馬國(guó)遠(yuǎn) 房 磊 許樹(shù)學(xué) 黃成達(dá)

（北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100124）

對(duì)有機(jī)朗肯-蒸汽壓縮復(fù)合式熱泵系統(tǒng)的循環(huán)原理進(jìn)行了描述，建立了系統(tǒng)性能的計(jì)算模型.其系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)緊湊，能小型化，這使得采用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的家用小型空調(diào)成為可能；且性能系數(shù)相對(duì)較高，吸收式的制冷系數(shù)（coefficient of performance，COP）小于0.7，而有機(jī)朗肯-蒸汽壓縮復(fù)合式熱泵系統(tǒng)的制冷COP理論上高于1.4，且在室外溫度越高時(shí)系數(shù)越高；能實(shí)現(xiàn)機(jī)械能、冷量的切換輸出.在制冷工況和制熱工況下，對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)和熱泵循環(huán)采用相同工質(zhì)和不同工質(zhì)的循環(huán)性能進(jìn)行了比較計(jì)算，篩選出了復(fù)合系統(tǒng)最適宜的工質(zhì)，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)有機(jī)朗肯-蒸汽壓縮式熱泵系統(tǒng)提供理論指導(dǎo)，使此復(fù)合式熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用成為可能.

有機(jī)朗肯循環(huán)；熱泵；工質(zhì)；制冷系數(shù)（COP）

（COP）

當(dāng)今能源形勢(shì)越來(lái)越緊張，能源消耗逐年上升，節(jié)能問(wèn)題成為一個(gè)十分重要的議題，也使得余熱的利用成為當(dāng)前節(jié)能工作的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題.我國(guó)對(duì)于高溫?zé)嵩吹挠酂峄厥赵诎l(fā)電領(lǐng)域的技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，而中低溫余熱的回收利用由于其溫位較低，回收具有一定的難度，但由于數(shù)量眾多，熱能綜合利用潛力巨大，即使技術(shù)并不成熟，卻擁有著非常好的研究前景.目前已經(jīng)出現(xiàn)的余熱回收包括有機(jī)朗肯循環(huán)余熱回收、太陽(yáng)能的利用、運(yùn)輸工具如汽車(chē)和輪船發(fā)動(dòng)機(jī)余熱的回收、熱管技術(shù)的應(yīng)用、利用余熱發(fā)電技術(shù)、變熱器技術(shù)以及一些應(yīng)用于熱泵和制冷系統(tǒng)中的余熱回收技術(shù).

有機(jī)朗肯循環(huán)是一種以有機(jī)物作為工質(zhì)的朗肯循環(huán)，適用于回收低品位熱源，如太陽(yáng)能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等等.理想有機(jī)朗肯循環(huán)包括等熵壓縮、等壓加熱、等熵膨脹和等壓放熱4個(gè)過(guò)程.自20世紀(jì)60年代，以低沸點(diǎn)物質(zhì)為工質(zhì)的有機(jī)朗肯循環(huán)引起各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注，我國(guó)開(kāi)始對(duì)其研究始于20世紀(jì)80年代.文獻(xiàn)［1-2］對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)的熱力系統(tǒng)和效率進(jìn)行了分析，討論了有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)的選取和循環(huán)過(guò)程參數(shù)的確定方法.臺(tái)灣義守大學(xué)Hung等［3-4］對(duì)采用苯、甲苯、對(duì)二甲苯、R123和R113等5種工質(zhì)的有機(jī)朗肯循環(huán)進(jìn)行了分析.在北美R245fa作為有機(jī)朗肯循環(huán)的工質(zhì)已經(jīng)獲得了廣泛認(rèn)可.美國(guó)學(xué)者GARY等人通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)生溫度在150～200℃時(shí) R245fa的性能要優(yōu)于R123［5］.

與有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)展的原因相似，熱泵技術(shù)也越來(lái)越引起人們的關(guān)注.研究工作集中在低溫制熱［6-8］和除霜［9-10］，而如何提高其效率，或探索利用廢熱、太陽(yáng)能等廉價(jià)的能源，成為熱泵技術(shù)研究的另一熱點(diǎn)，比如汽車(chē)尾氣余熱作為動(dòng)力的有機(jī)朗肯循環(huán)［11-12］.本文提出了有機(jī)朗肯循環(huán)-蒸汽壓縮復(fù)合式熱泵系統(tǒng)，建立其性能計(jì)算模型，針對(duì)不同的工質(zhì)、不同的循環(huán)方式進(jìn)行系統(tǒng)性能比較研究，以期為系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)提供參考.

1　系統(tǒng)的工作原理

圖1所示為有機(jī)朗肯-蒸汽壓縮復(fù)合式熱泵系統(tǒng)的原理.由圖可知，系統(tǒng)由2部分組成——有機(jī)朗肯循環(huán)部分和熱泵部分，2個(gè)系統(tǒng)通過(guò)壓縮膨脹一體機(jī)連接.有機(jī)朗肯循環(huán)部分由汽化器、膨脹機(jī)、冷凝器和泵組成；熱泵系統(tǒng)包括壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹閥.其工作過(guò)程如下:工質(zhì)首先在汽化器中吸收熱量，形成高溫高壓的過(guò)熱蒸汽.過(guò)熱蒸汽被送至膨脹機(jī)中，在膨脹機(jī)中膨脹做功.出膨脹機(jī)后的工質(zhì)降為低壓，進(jìn)入冷凝器內(nèi)定壓冷卻，凝結(jié)成液態(tài)，液態(tài)工質(zhì)再由泵加壓后送回汽化器.另一方面，膨脹機(jī)的輸出功傳遞給熱泵系統(tǒng)的壓縮機(jī)，壓縮機(jī)帶動(dòng)熱泵工質(zhì)形成完整的熱泵循環(huán)，其原理與普通的蒸汽壓縮式熱泵循環(huán)完全相同，這里不再重復(fù)論述.

當(dāng)朗肯循環(huán)與熱泵循環(huán)采用的工質(zhì)相同時(shí)，朗肯循環(huán)的冷凝器和熱泵循環(huán)的冷凝器合為一個(gè)，系統(tǒng)將更加簡(jiǎn)化，表現(xiàn)在p-h圖上為:3點(diǎn)和6點(diǎn)的壓力相同、溫度不同，2束流體匯成1束后進(jìn)入到冷凝器內(nèi)，冷凝后為狀態(tài)點(diǎn)4.另外，采用同種工質(zhì)最大的優(yōu)勢(shì)是，能有效避免2部分系統(tǒng)因工質(zhì)交叉泄漏而產(chǎn)生的效率降低和運(yùn)行安全問(wèn)題.其循環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖和壓焓圖如圖2所示.

與采用水蒸汽的蒸汽輪機(jī)動(dòng)力循環(huán)相比，有機(jī)朗肯循環(huán)的汽化器內(nèi)不需要很高的發(fā)生溫度，使得利用地?zé)崮芑蛱?yáng)能等低品位能源成為可能.此外，有機(jī)物作為朗肯循環(huán)的工質(zhì)優(yōu)勢(shì)還包括:沸點(diǎn)低，更容易產(chǎn)生高壓蒸汽；有機(jī)工質(zhì)的冷凝壓力接近或稍大于大氣壓，工質(zhì)泄漏的可能性大大減??；有機(jī)工質(zhì)凝固點(diǎn)很低，允許它在較低的溫度下釋放出能量；最后，有機(jī)工質(zhì)系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)普通的制冷循環(huán).文獻(xiàn)［13］對(duì)有機(jī)朗肯-蒸汽壓縮復(fù)合式熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法做了較詳細(xì)的總結(jié)，認(rèn)為其優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用前景主要在于:1）結(jié)構(gòu)緊湊，能小型化.使得采用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的家用小型空調(diào)成為可能.2）性能系數(shù)相對(duì)較高.這主要是與同樣采用熱源驅(qū)動(dòng)的吸收式制冷、蒸汽噴射式制冷等相比.吸收式的制冷COP＜0.7，而有機(jī)朗肯-蒸汽壓縮復(fù)合式熱泵系統(tǒng)的制冷COP理論上高于1.4，且在室外溫度越高時(shí)系數(shù)越高.3）能實(shí)現(xiàn)機(jī)械能、冷量的切換輸出.當(dāng)輸出冷量充裕的情況下，朗肯動(dòng)力循環(huán)還可以將高品質(zhì)的機(jī)械能輸出給其他設(shè)備.

2　工質(zhì)的選取

理想的有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)應(yīng)該具有如下特征:臨界溫度應(yīng)該高于循環(huán)中的最高溫度，這樣可以避免可能出現(xiàn)的跨臨界問(wèn)題；工質(zhì)的三相點(diǎn)應(yīng)該低于運(yùn)行環(huán)境的最低溫度，保證在循環(huán)中的任意部分都不會(huì)發(fā)生因工質(zhì)固化而造成管路堵塞甚至破壞；所選取的工質(zhì)應(yīng)該具有較小的比熱容、高的汽化潛熱和良好的熱穩(wěn)定性；此外還必須無(wú)毒，不易燃，不易爆炸，且與設(shè)備材料和潤(rùn)滑油等都具有良好的兼容性.表1列出了幾種常用有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)的基本物性參數(shù).熱泵循環(huán)工質(zhì)的選取原則大體上與制冷循環(huán)相似，只是在能效和環(huán)保指標(biāo)上要求更高.表1中的R22、R134a、R227ea、R245fa和R1234ze也是熱泵通常采用的工質(zhì).

表1　常用有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)的基本物性參數(shù)Table 1 Basic properties for different pure refrigerants

3　計(jì)算模型的建立

忽略膨脹壓縮機(jī)軸上的功量損失，即軸的傳輸效率是100%，則有

制冷、制熱系統(tǒng)的性能系數(shù):

制冷

制熱

當(dāng)有機(jī)朗肯循環(huán)與熱泵循環(huán)選取同種工質(zhì)時(shí)，

制冷

制熱

4　計(jì)算結(jié)果與分析

4.1不同的工質(zhì)

依據(jù)上述計(jì)算模型編制了計(jì)算軟件，對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)和熱泵循環(huán)的復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行性能模擬，重點(diǎn)計(jì)算性能系數(shù)COP.計(jì)算時(shí)將2個(gè)系統(tǒng)采用相同工質(zhì)和不同工質(zhì)分開(kāi)，分別考察制冷和制熱的性能系數(shù).所采用的工況如表2所示.汽化器內(nèi)溫度tb的選取方法如下:制冷時(shí)取90℃，制熱時(shí)取60℃.

圖2和圖3所示為當(dāng)熱泵工質(zhì)為R22時(shí)，朗肯循環(huán)采用不同的工質(zhì)時(shí)制冷COP和制熱COP的比較結(jié)果.由圖可知，不同工質(zhì)所達(dá)到的制冷COP相差不多，最大不超過(guò)0.1%.比如，以水為工質(zhì)僅比最低的R227ea高出0.47%.在制熱工況下，不同工質(zhì)的差別較大，其中具有明顯優(yōu)勢(shì)的是:戊烷、R1234ze和水.戊烷具有最高的制熱COP，是最低工質(zhì)氨的 2倍多.丁烷、R123、R134a、R152a、R227ea和R2554fa具有基本相同的性能系數(shù)，比R1234ze低近30.6%，綜合考慮，除了水以外，再排除具有可燃性的戊烷，R1234ze將是最合適的工質(zhì).

表2　計(jì)算工況Table 2 Calculation working condition　℃

圖4和圖5所示為熱泵工質(zhì)為R32時(shí)，朗肯循環(huán)采用不同工質(zhì)時(shí)的制冷COP和制熱COP的比較結(jié)果.由圖可知，R22系統(tǒng)具有最高的制冷COP值，其次是水和氨.丁烷、戊烷、R123、R1234ze、R134a 和R152a的COP值相差不大.在制熱工況下，戊烷、R1234ze和水獲得了最高的制熱性能，比其他類工質(zhì)高出近25.4%.

圖6和圖7所示為當(dāng)熱泵工質(zhì)為R134a時(shí)，朗肯循環(huán)采用不同工質(zhì)時(shí)的制冷COP和制熱COP的比較結(jié)果.由圖可知，與R22和R32具有基本相同的規(guī)律，所以從圖2～圖5中可以發(fā)現(xiàn)，不論熱泵工質(zhì)采用何種工質(zhì)，當(dāng)朗肯循環(huán)選取水、戊烷或R1234ze時(shí)，系統(tǒng)的性能系數(shù)都要比其他工質(zhì)高一些，但是戊烷相比另2種工質(zhì)，在可燃性上存在缺陷，有機(jī)工質(zhì)中R1234ze將是最好的選擇.

另一方面，當(dāng)采用R134a為熱泵工質(zhì)時(shí)，具體的性能系數(shù)要高于R22和R32兩種工質(zhì).比如，當(dāng)采用R134a為熱泵工質(zhì)時(shí)，系統(tǒng)的制熱 COP為1.5，高于R32的1.4，與R22相比也具有微弱優(yōu)勢(shì).因此選取R1234ze作為朗肯循環(huán)的工質(zhì)，同時(shí)選取R134a作為熱泵循環(huán)的工質(zhì)，系統(tǒng)會(huì)取得最高的效率.

4.2相同的工質(zhì)

圖8和圖9所示為朗肯循環(huán)與熱泵循環(huán)采用相同工質(zhì)時(shí)，制冷COP和制熱COP的比較結(jié)果.由圖所知，不同工質(zhì)的制冷COP均隨汽化器溫度的升高而升高，乙醇和氨具有最高的制冷COP.其次是R123、R152a、R22三種工質(zhì).R22的COP比R227ea要高出近37%.綜合安全、環(huán)保因素，選取R123、R152a和R22最合適.不同工質(zhì)的制熱性能系數(shù)變化不明顯，除了易燃、不穩(wěn)定以及對(duì)環(huán)境有危害的工質(zhì)，R22、R1234ze和R152a比其他種類的工質(zhì)具有更高的COP.綜合考慮制冷和制熱工況，選取R22 和R152a.

5　結(jié)論

1）戊烷和R1234ze作為有機(jī)朗肯循環(huán)的工質(zhì)，系統(tǒng)可獲得較高的制冷和制熱性能.

2）R134a作為熱泵系統(tǒng)的工質(zhì)，同時(shí)選取R1234ze作為朗肯循環(huán)的工質(zhì)，有機(jī)朗肯-蒸汽壓縮復(fù)合式熱泵系統(tǒng)會(huì)獲得較高的性能.

3）除去可燃性、毒性的工質(zhì)外，若采用同一種工質(zhì)，R22或R152a，則有機(jī)朗肯-蒸汽壓縮復(fù)合式熱泵系統(tǒng)會(huì)獲得較高的性能.

［1］柯玄齡.有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)在中低溫余熱能量回收中的應(yīng)用［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，1985（5）:58-69.

［2］萬(wàn)俊華.有機(jī)朗肯循環(huán)常用工質(zhì)的動(dòng)力粘度計(jì)算［J］.應(yīng)用科技，1987（2）:1-9.

［3］HUNG T C.Waste heat recovery of organic Rankine cycle usingdryfluids［J］.EnergyConversationand Management，2001，42:539-553.

［4］HUNG T C，SHAIT Y，WANG S K.A review of organic Rankine cycles（ORC）for the recovery of low-grade waste heat［J］.Energy，1997，22（7）:661-667.

［5］GARY J Z.Opportunities for HFC-245fa organic Rankine cycle appended to distributed power generation systems ［M］.Washington:Island Press，2003:23-27.

［6］NAVARRO E，REDO'N A，GONZA'LVEZ-MACIA J，et al.Characterization of a vapor injection scroll compressor as a function of low，intermediate and high pressures and temperature conditions［J］.InternationalJournalof Refrigeration，2013，36:1821-1829.

［7］WANG B L，LI X T，SHI W X，et al.Design of experiment bench and internal pressure measurement of scrollcompressorwithrefrigerantinjection［J］. International Journal of Refrigeration，2007，30:179-186.

［8］龐衛(wèi)科，馬國(guó)遠(yuǎn)，李準(zhǔn)，等.寒冷地區(qū)用空氣源熱泵的運(yùn)行特性研究［J］.暖通空調(diào)，2008，38（10）:82-85. PANG W K，MA G Y，LI Z，et al.Study of operation characteristics of air-source heat pump for cold regions ［J］.HVAC Magazine，2008，38（10）:82-85.（in Chinese）

［9］劉志強(qiáng)，湯廣發(fā)，趙福云，等.風(fēng)冷熱泵除霜過(guò)程動(dòng)態(tài)特性模擬和實(shí)驗(yàn)研究［J］.制冷學(xué)報(bào)，2003，25（3）:1-5. LIU Z Q，TANG G F，ZHAO F Y，et al.Investigation and simulation of air-source heat pump during reverse cycle defrost［J］.Journal of Refrigeration，2003，25（3）:1-5. （in Chinese）

［10］姜益強(qiáng)，姚楊，馬最良，等.空氣源熱泵結(jié)霜除霜損失系數(shù)的計(jì)算［J］.暖通空調(diào)，2000，30（5）:24-26. JIANG Y Q，YAO Y，MA Z L.Calculation of the loss coefficient for frosting-defrosting of air source heat pumps ［J］.HVAC Magazine，2000，30（5）:24-26.（in Chinese）

［11］梁紅.有機(jī)朗肯循環(huán)在柴油機(jī)尾氣余熱利用方面的應(yīng)用研究［D］.北京:北京工業(yè)大學(xué)，2011. LIANG H.The research of application for organic rankine cycle being used in the recovery of diesel engine’s exhaust heat［D］.Beijing:BeijingUniversityof Technology，2011.（in Chinese）

［12］劉彬.基于有機(jī)朗肯循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱回收總體方案研究［D］.北京:北京工業(yè)大學(xué)，2012. LIU B.The research of overall scheme for engine exhaust waste heat recovery based on organic rankine cycle［D］. Beijing:Beijing University of Technology，2012.（in Chinese）

［13］WANG H L，PETERSON R，HERRON T.Design study of configurations on system COP for a combined ORC （organic Rankine cycle）and VCC（vapor compression cycle）［J］.Energy，2011，36:4809-4820.

（責(zé)任編輯 張 蕾）

Comparison Study of Energy Ratio of ORC Compound With Vapor Compression Heat Pump System Using Different Working Fluid

MA Guoyuan，F(xiàn)ANG Lei，XU Shuxue，HUANG Chengda
（College of Environmental and Energy Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

The working characteristic of organic Rankin cycle（ORC）compound with vapor compression heat pump system was described in this paper，and the calculation method was established.The working performance under both cooling and heating condition was researched using different working fluid，and the suitable working fluid was obtained.This work can offer the theoretical direction for designing the ORC compound with vapor compression heat pump system.

organic Rankin cycle（ORC）；heat pump；working fluid；coefficient of performance

TB 66

A

0254-0037（2016）02-0296-06

10.11936/bjutxb2015040070

2015-04-23

北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（3154032）

馬國(guó)遠(yuǎn)，（1963—），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事制冷與空調(diào)系統(tǒng)的環(huán)保節(jié)能技術(shù)方面的研究，E-mail:magy @bjut.edu.cn