太阳能驱动的有机朗肯-喷气增焓（带二次吸气的增效）蒸汽压缩制冷系统性能分析*

邵振华，于文远，陈小娇，董如玺

（1. 中国科学院广州能源研究所，广州 510640；2. 上海理工大学制冷与低温研究所，上海 200093；3. 苏州三星电子（家电）有限公司，江苏 215004）

太阳能驱动的有机朗肯-喷气增焓（带二次吸气的增效）蒸汽压缩制冷系统性能分析*

邵振华1，于文远2，陈小娇2，董如玺3†

（1. 中国科学院广州能源研究所，广州 510640；2. 上海理工大学制冷与低温研究所，上海 200093；3. 苏州三星电子（家电）有限公司，江苏 215004）

为有效利用太阳能，以有机朗肯-喷气增焓（带二次吸气的增效）蒸汽压缩式制冷系统为研究对象，建立了系统的热力学模型，分别选取R236fa、R245fa、RC318和R141b作为系统工质，研究了发生温度、凝结温度、冷凝温度、蒸发温度、膨胀机等熵膨胀效率及压缩机等熵压缩效率对系统性能的影响，并以系统性能最佳为目标对工质进行了优选。计算结果表明：对整个系统而言，R141b是最合适的工质，凝结温度和冷凝温度对系统性能有重要影响。以R141b为例，当发生温度在85℃、凝结温度为40℃、冷凝温度为40℃、蒸发温度为 -15℃时，系统COPs达到0.2528，采用喷气增焓技术对于环境温度很低、太阳能资源丰富的北方地区具有很大的优势。

太阳能；朗肯-喷气增焓；蒸汽压缩；制冷

0 前 言

近年来，有机朗肯循环的研究为低品位热源（太阳能、生物质能、地热能）的开发利用提供了发展机遇，有机朗肯循环利用低沸点有机物作为循环工质，在低温条件下可以获得较高的蒸汽压力，推动膨胀机做功，有机朗肯循环是回收低品位热能的有效技术手段之一[1]。国内外研究表明，太阳能将成为低品位热源中最有发展前景的热源[2-7]。在我国北方地区，太阳能资源非常丰富，利用太阳能驱动有机朗肯循环产生动力驱动制冷系统，是一种节能节资的方案。但普通制冷系统在北方地区面临冬季低温环境的制约，目前国内外采用喷气增焓技术来解决该问题[8]，王文毅[9]、杨丽[10]等认为，采用喷气增焓技术的制冷系统具有很强的低温适应性，且环境温度越低，节能效果越明显。针对太阳能驱动的有机朗肯系统的研究，都是将有机朗肯和蒸汽压缩制冷联合的研究，现有的研究主要集中在三个方面：（1）工质选择。Wang等[11]研究了一种以 R245fa为循环工质的有机朗肯循环和蒸汽压缩制冷循环联合系统。王令宝等[12]研究了以 R245fa为循环工质的朗肯-朗肯制冷系统。卜宪标[13]等分析了R123、R134a、R245fa、R600、R600a及R290等六种有机工质的动力循环参数，发现R600a是最适合的工质。（2）循环的热力学分析与优化。针对亚临界有机朗肯，分析热源温度、冷凝温度和蒸发温度等对系统性能的影响，寻找最佳运行参数，通过回热、再热方式提高系统性能[14,15]。（3）蓄热方法研究。目前，主要的蓄热方式是相变材料蓄热和以传热和蓄热性能良好的氨作为蓄热介质。然而，至今还没有关于有机朗肯和喷气增焓蒸汽压缩制冷系统联合的文献报道。本文以喷气增焓为切入点，研究了有机朗肯-喷气增焓（带二次吸气的增效）蒸汽压缩制冷循环系统，并建立热力学模型，以太阳能为热源，采用EES（Engineering Equation Solver）计算软件研究系统工质各参数对系统性能的影响，确定最佳工质。

1 热力循环

太阳能驱动的有机朗肯-喷气增焓（带二次吸气的增效）蒸汽压缩制冷循环（ORC-EVI VCR）的过程如图1所示。左端是ORC系统，主要由发生器、膨胀机、凝汽器和工质泵组成。将太阳能转化为热能，利用有机工质的低沸点特性，使经过发生器的有机工质变成高压蒸汽，推动膨胀机做功。从膨胀机中出来的有机工质，其温度和压力已大大降低，这些低温低压的有机工质在凝汽器中凝结成液体后，被工质泵加压进入发生器中完成动力循环。喷气增焓技术主要通过在系统增设经济器实现，右端是喷气增焓蒸汽压缩制冷循环（EVI VCR），主要由压缩机、冷凝器、节流阀、经济器和蒸发器组成，其中压缩机和膨胀机是同轴结构的，压缩机利用膨胀机输出的机械动力，把低温低压有机工质蒸汽压缩成高温高压的蒸汽，在冷凝器中高温高压的蒸汽被冷凝成高压液体，从冷凝器中出来的制冷剂液体分两部分，主回路部分直接进入到经济器进一步过冷后节流进入蒸发器，另一部分节流到某一中间压力进入经济器，这两部分在经济器中进行热交换。产生的闪蒸气体进入压缩机接触线密封后的吸气腔中继续被压缩。考虑到运行工况的多变性，膨胀机采用径向轴流式的透平膨胀机，该机适用范围广，能在变负荷工况下稳定运行。压缩机采用螺杆式压缩机，与膨胀机同轴，由膨胀机直接驱动，两者转速一致，减少了机械能转化为电能的环节，一方面提高了能源利用效率，另一方面使得系统结构更加紧凑。此外，由于膨胀机和压缩机通过联轴器连接，考虑到长期运行过程中存在泄露的可能性，为避免泄露引起的工质掺混，故采用相同工质[11-13,16]。

图1 有机朗肯-喷气增焓（带二次吸气的增效）蒸汽压缩制冷系统结构示意图Fig. 1 Structure diagram of organic Rankine-EVI (with efficiency by secondary suction) Vapor Compression Refrigeration system

2 系统计算

2.1 有机工质选择

有机朗肯循环的经济性直接决定于循环工质的热力学性质，选择合适的工质可以获得较高的循环效率，也是高效利用低品位热源的关键，而工质的干湿性是有机朗肯循环系统所用工质的一个重要特性。湿工质在膨胀机中易形成液击，损坏膨胀机，应用中需要膨胀机进口过热度高一些，而干工质和绝热工质一般不太高的过热度就可以保证其在膨胀机中的干度。本文所选的工质R236fa、R245fa、RC318和R141b均为干工质，有机工质的热物理性质按照 NIST（National Institute of Standards and Technology）提供的Refprop 9.0程序进行计算。

我国拥有丰富的太阳能资源，假设太阳能集热器热源温度变化范围为80℃～110℃，同时假定发生器的传热温差为10℃，则ORC系统的发生温度为70℃～100℃。考虑到有机朗肯-喷气增焓（带二次吸气的增效）蒸汽压缩制冷系统循环的工质要求临界温度高于系统最高温度，则所选工质的临界温度应高于 100℃。根据此原则，选取以下工质作为循环工质，其物性参数如表1所示。

表1 工质物性Table 1 Properties of the working fluids

2.2 系统分析

图 2为有机朗肯-喷气增焓（带二次吸气的增效）蒸汽压缩制冷循环典型工况的温熵图和压焓图。左半部分是ORC的温熵图，右半部分是EVI VCR的压焓图。理论循环包括以下基本过程：1→2s→3→4→5s→6→1表示ORC系统循环，其中1→2s表示膨胀机的等熵膨胀过程，4→5s是工质泵的等熵压缩过程。

图2 有机朗肯-喷气增焓（带二次吸气的增效）蒸汽压缩制冷循环热力循环示意图Fig. 2 Thermodynamic cycle diagram of organic Rankine-EVI (with efficiency by secondary suction) Vapor Compression Refrigeration system

2.3 热力学模型

为建立热力学模型，进行如下假设：

（1）假设系统处于稳定流动状态；

（2）发生器、凝汽器、冷凝器、蒸发器及连接管路与环境的散热损失及压力损失忽略不计；

（3）制冷的节流过程是等焓过程；

（4）膨胀机入口工质处于饱和状态。

根据以上假设，将各个状态点的参数进行耦合。

ORC系统：

VCR系统：

系统总评价指标：

以上各符号的物理意义详见符号表。

2.4 系统参数设置

本文在单一参数扰动的条件下，研究太阳能驱动的有机朗肯-喷气增焓（带二次吸气的增效）蒸汽压缩制冷系统性能的变化，当研究某一参数对系统性能影响时，其余参数取典型值。参数取值和边界条件如表2所示。冷凝器采用风冷形式，考虑到冬夏两季环境温度变化较大，设为15℃～40℃，假定冷凝器的传热温差为15℃，则冷凝器冷凝温度变化范围为30℃～55℃。系统的评价指标主要有两个：单位制冷量的工质质量流量，QMR；ORC-EVI VCR系统的性能系数，COPs。利用 EES（Engineering Equation Solver）编程，分析了R236fa、R245fa、RC318和R141b这四种工质在不同工况下的系统性能。

表2 有机朗肯-喷气增焓（带二次吸气的增效）蒸汽压缩制冷循环系统的参数设定Table 2 Parameter setting of organic Rankine-EVI (with efficiency by secondary suction) Vapor Compression Refrigeration system

3 结果与讨论

3.1 发生温度对系统性能的影响

图3表明了发生温度对COPs和QMR的影响，COPs随着发生温度的升高而升高，QMR随着发生温度的升高而降低。从图中可以看出，随着发生温度的升高，四种工质对应的COPs增长趋势接近线性变化，当发生温度在70℃～100℃时，发生温度每升高1℃，R141b、R245fa、R236fa和RC318的COPs分别提高0.57%、0.49%、0.40%、0.33%。当发生温度为 100℃时，R141b的COPs为 0.4116，分别比R245fa、R236fa、RC318高10.7%、27.47%、47.47%。随着发生温度的升高，QMR减小的趋势逐渐变缓，当发生温度在70℃～100℃时，QMR从大到小依次为RC318、R236fa、R245fa、R141b。可以看出，在相同的发生温度下，R141b的COPs和QMR分别是四种工质中最大和最小的，因此提高发生温度对于以R141b为工质的系统的效果最明显。

图3 发生温度对系统性能的影响Fig. 3 Effects of the generating temperature on the system performance

3.2 凝结温度对系统性能的影响

图 4表明了发生温度为 85℃、蒸发温度为-5℃、冷凝温度为40℃时，凝汽器凝结温度对系统性能的影响。四种工质对应的COPs随着凝结温度的升高而呈线性减小趋势，且变化斜率相近，QMR随着凝结温度的升高而升高。以R141b为例，凝结温度每升高1℃，对应的COPs和QMR分别减小0.69%和增加 0.04%，可见凝结温度对系统性能有重要影响。QMR升高是因为随着凝结温度的升高，膨胀机的出口压力和焓值增加，导致膨胀机进出口焓差减小，膨胀机的功率减小，导致压缩机输入功率减小，VCR系统制冷量减小，因为蒸发温度和冷凝温度不变，所以 VCR系统的COPvcr保持不变。就COPs和QMR而言，随着凝结温度的升高，R141b的性能是四种工质中最优的。

图4 凝结温度对系统性能的影响Fig. 4 Effects of the condensation temperature on the system performance

3.3 冷凝温度对系统性能的影响

图5表明了发生温度为85℃、凝结温度为40℃、蒸发温度为 -5℃时，冷凝温度对系统性能的影响。四种工质对应的COPs随着冷凝温度的升高而降低，但减小的趋势逐渐变缓。QMR随着冷凝温度的升高而升高，这四种工质的QMR相差越来越大。对于R141b，若将COPs和QMR的变化趋势拟合为线性变化，则冷凝温度每升高1℃，COPs和QMR分别降低0.76%和升高0.04%，可以看出冷凝温度对系统性能影响要大于凝结温度对系统的影响。随着冷凝温度的升高，就COPs和QMR而言，R245fa、R141b比较接近，综合比较后确定R141b是最优工质。

图5 冷凝温度对系统性能的影响Fig. 5 Effects of the condensing temperature on the system performance

3.4 蒸发温度对系统性能的影响

图6表明了蒸发温度对系统性能的影响。随着蒸发温度的增大，四种工质的COPs变化趋势一致，均随着蒸发温度的升高而增大，蒸发温度越高，COPs增大越快。QMR的变化却恰恰相反，随着蒸发温度的提高，四种工质的QMR相差越来越小。当蒸发温度为 -15℃时，工质R245fa的COPs、QMR分别为0.229、0.02749，R141b的COPs、QMR分别为0.2528、0.02123，可见，在相同工况下采用工质R141b时系统性能最优。

图6 蒸发温度对系统性能的影响Fig. 6 Effects of the evaporation temperature on the system performance

3.5 膨胀机等熵膨胀效率对系统性能的影响

图7表明了膨胀机等熵膨胀效率对系统性能的影响。随着等熵膨胀效率的增大，四种工质的COPs变化趋势呈线性增长，且斜率相近。不同工质的COPs和QMR变化相差较大，工质R141b的COPs最大，QMR最小。当等熵膨胀效率为0.90时，RC318、R236fa、R245fa、R141b的COPs分别为0.2528、0.2876、0.3243、0.3531，分别比等熵膨胀效率为0.60时提高55.38%、52.61%、57.41%、51.22%。可见，等熵膨胀效率对系统系能影响非常大。影响膨胀机等熵膨胀效率效率的原因主要是膨胀机的不可逆损失，尽量减少不可逆损损失，能够提高等熵膨胀效率、显著提高系统性能COPs。

图7 膨胀机等熵膨胀效率对系统性能的影响Fig. 7 Effects of the expander isentropic expansion efficiency on the system performance

3.6 压缩机等熵压缩效率对系统性能的影响

图8表明了压缩机等熵压缩效率对系统性能的影响。从图8中可以看出：就整体而言，随着等熵压缩效率的升高，四种工质的COPs呈线性增长趋势，QMR逐渐减小，综合比较COPs和QMR，R141b是该系统最合适的工质。与之前分析相同，压缩机等熵压缩效率对系统性能影响很大，尽可能提高等熵压缩效率，可显著提高系统性能。

图8 压缩机等熵压缩效率对系统效率的影响Fig. 8 Effects of the compressor isentropic compression efficiency on the system performance

4 结 论

本文建立了太阳能驱动的有机朗肯-喷气增焓（带二次吸气的增效）蒸汽压缩式制冷系统的热力学模型，分析比较了四种工质R236fa、R245fa、RC318和R141b对应的系统性能，并以系统性能最佳为目标对工质进行了优选，得出如下结论：

（1）将ORC系统和带经济器的VCR系统联合起来，通过同轴器连接，可以构成一个利用太阳能等低品位热源的制冷系统。该系统在较低环境温度下仍具有高效的运行效率，对于太阳能资源丰富北方地区具有显著优势。

（2）研究了发生温度、凝结温度、冷凝温度、蒸发温度、膨胀机等熵膨胀效率、压缩机等熵压缩效率对系统性能的影响，系统COPs随着发生温度、蒸发温度、膨胀机等熵膨胀效率和压缩机等熵压缩效率的升高而增大，随着凝结温度、冷凝温度的升高而减小。尽可能减少不可逆损失，提高等熵效率，可显著提高系统性能，实际设计时需要考虑余热、冷量的需求量及系统投资，做到优化设计。

（3）比较四种工质在各个单因素变量影响下的COPs和QMR，R141b是最适合太阳能驱动的有机朗肯-喷气增焓（带二次吸气的增效）蒸汽压缩式制冷循环的工质；综合比较四种工质，无论是从ORC系统、VCR系统还是从整体而言，R141b都是最优工质。

符号表

参考文献：

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Study on the Organic Rankine-EVI (with efficiency by secondary suction) Vapor Compression Refrigeration Cycle System Powered by Solar Energy

SHAO Zhen-hua1, YU Wen-yuan2, CHEN Xiao-jiao2, Dong Ru-xi3
(1.Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2. University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 3. Suzhou Samsung electronics (home appliance) Co., LTD, Jiang Su 215004, China)

To utilize solar energy efficiently, a thermodynamic model of Rankine-EVI (with efficiency by secondary suction) Vapor Compression refrigeration system was established. Under the proposed working conditions, working fluid R236fa, R245fa, RC318 and R141b were selected and compared by investigating the effects of generating temperature, condensation temperature, condensing temperature, evaporation temperature, expander isentropic expansion efficiency and compressor isentropic compression efficiency on the system performance to identify suitable working fluid which may yield high system efficiencies. The calculated results showed that R141b was the most appropriate working fluid for the system. Condensation temperature and condensing temperature had important influences on system performance. TheCOPsreached 0.2528 when the generating temperature was 85oC, the condensation temperature was 40oC, the condensing temperature was 40oC and the evaporation temperature was -15oC. The application of EVI technology has a great advantage in north areas with rich solar energy and low ambient temperature.

solar energy; Rankine-EVI; Vapor Compression; refrigeration

TK5

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.05.008

2095-560X（2014）05-0373-07

邵振华（1988-），男，硕士研究生，主要从事新能源技术的研究。

于文远（1988-），男，硕士研究生，主要从事制冷装置测试技术与自动化研究。

陈小娇（1991-），女，硕士研究生，主要从事超疏水表面抑霜研究。

董如玺（1990-），男，学士，工程师，主要从事制冷装置测试技术研究。

2014-07-02

2014-08-28

† 通信作者：董如玺，E-mail：rx.dong@samsung.com