重型卡车朗肯-朗肯制冷系统热力学研究*

王令宝，卜宪标†，李华山,2，马伟斌

（1. 中国科学院广州能源研究所，中国科学院可再生能源重点实验室，广州 510640；2. 中国科学院大学，北京 100864）

重型卡车朗肯-朗肯制冷系统热力学研究*

王令宝1，卜宪标1†，李华山1,2，马伟斌1

（1. 中国科学院广州能源研究所，中国科学院可再生能源重点实验室，广州 510640；2. 中国科学院大学，北京 100864）

本文针对重型卡车发动机冷却液余热工况，采用R245fa作为循环工质建立了朗肯-朗肯制冷系统，剖析了此系统的基本原理和结构特点，根据系统分析建立了数学模型，模拟分析了发生温度、冷凝温度、蒸发温度对系统性能的影响。结果表明：在发生温度85℃、冷凝温度50℃、蒸发温度5℃时，系统COP达到0.254，虽然此系统的效率要低于相同工况下的吸收制冷循环，但是朗肯-朗肯制冷系统相对于吸收制冷系统具有尺寸小、易于控制和快速响应等优点，利用朗肯-朗肯循环回收重型卡车发动机冷却液余热进行制冷是可行的。

朗肯-朗肯循环；R245fa；重型卡车余热；制冷

0 前 言

近年来，运输行业的能耗和排放对能源危机和环境问题带来了一定的压力[1]。重型卡车的高能耗重排放引起了学者的普遍关注[2]。重型卡车发动机的实用效率大约为40%，剩余的能量被发动机冷却液及排气带走。重型卡车发动机的余热包括循环冷却液带走的热量和排气余热两部分，循环冷却液带走的热量占燃料发热量的25% ～ 35%左右，其中发动机冷却液的温度一般为85 ～ 105℃[3-5]。重型卡车驾驶室有较大的制冷需求，空调制冷系统中，蒸汽压缩式空调系统占统沺地位，一般要消耗8% ～ 12%的发动机动力[6,7]，这一斱面提高了油耗，增加了CO2排放，加剧了空气污染；另一斱面容易引起水箱过热，从而影响重型卡车的动力性。回收利用发动机余热来驱动制冷系统是目前世界各国都在关注的研究课题。

国内外学者已经展开了重型卡车余热制冷斱面的研究，目前提出的利用重型卡车余热制冷的技术主要有吸收式、吸附式和喷射式，多为结构和概念斱面的研究[8-11]，但基本上还没有实际应用，考虑到重型卡车余热制冷的特殊应用背景，重型卡车上空调系统安装空间有限，对制冷系统的尺寸和重量提出了更高的要求。

有机朗肯循环（ORC）利用低沸点的有机工质作为循环工质，在低温条件下可以获得较高的蒸气压力，推动涡轮机做功。有机工质朗肯循环的主要优点在于它具有良好的中低温运行能力，是回收低品位热能的有效技术手段[12]。基于此演化出了耦合有机朗肯循环的新型热力循环概念，朗肯-朗肯制冷就是把有机朗肯循环和蒸汽压缩制冷循环结合起来构建的新型热力循环，利用有机朗肯循环涡轮输出的轴功驱动压缩机进行制冷[13]。朗肯蒸汽压缩制冷循环相对于吸收式和吸附式制冷具有尺寸小、易于控制和快速响应等优点，使得这种制冷斱式更容易应用在重型卡车上面[14]。

基于朗肯循环回收发动机余热的研究始于 20世纪 70年代的第一次能源危机。当时美国能源部（Department of Energy）联合美国热电集团（ThermoElectron Co.）和美国麦克卡车 （Mack Truck Co.）启动了一项基于有机朗肯循环回收利用重型发动机余热的研究，其主要目的是提高重型长途运输卡车的效率[15,16]。后来由于成本过高、控制系统过于复杂以及系统体积过于庞大等问题，利用朗肯循环回收发动机废气能量的研究一度停止。近年来，由于石油价格的上涨以及人们对CO2排放导致温室效应的日益关注，关于发动机余热回收利用斱面的研究重新受到人们的重视。随着技术进步，基于朗肯循环回收利用发动机余热也成为可能。世界上几个著名的重型卡车公司和科研部门（如康明斯、卡特皮勒、AVL等）纷纷开展了多种发动机废热回收利用系统的研究工作[17-20]。

目前，大部分的研究集中在利用有机朗肯循环回收发动机尾气废热，虽然这套系统比较行之有效，但是系统要采用气液换热器，造成系统庞大和造价较高，对系统的应用带来了一定的障碍[21,22]。如果回收发动机冷却液中的热量进行制冷，可以避免系统中采用气液换热器，使得系统较为紧凑。本文基于重型卡车发动机冷却液余热工况，采用新型环保工质R245fa作为循环工质，建立朗肯蒸汽压缩制冷循环系统，通过数学模型研究系统循环参数对系统性能的影响，旨在分析朗肯蒸汽压缩循环利用重型卡车发动机冷却液余热进行制冷的可行性，幵为下一步样机的开发提供参考依据。

1 热力循环过程

图1为朗肯-朗肯循环制冷系统流程图，图1的左端是ORC系统，主要由预热器、发生器、涡轮机、冷凝器和工质泵组成。在预热器中，利用重型卡车发动机循环冷却水提供的热量使有机工质得到预热，在发生器中，利用有机工质的低沸点特性，重型卡车发动机烟气余热提供的热量使有机工质变成高压蒸汽，推动涡轮机做功，从涡轮机出来的有机工质变成低压蒸汽，然后进入冷凝器变成低压液体，经工质泵的提升进入发生器中完成动力循环。图 1的右端是蒸汽压缩制冷循环（VCR），主要由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器组成，其中涡轮机和压缩机是同轴结构的，压缩机利用涡轮机输出的动力，把低温低压有机工质蒸汽压缩成高温高压蒸汽，在冷凝器中，高压蒸汽被冷凝成高压液体，高压有机工质液体经过节流阀节流，变成低压液体，在蒸发器中蒸发制冷变成低压蒸汽，最后进入压缩机完成制冷循环。

图1 朗肯-朗肯循环制冷系统流程图Fig. 1 Flow chart of Rankine-Rankine refrigeration cycle system

此系统利用朗肯循环回收发动机冷却液余热进行制冷，具有以下特点：涡轮机采用径向轴流式透平膨胀机，该机适用范围广，能在变负荷工况下稳定运行；压缩机采用离心式，与涡轮机同轴，减少了机械能转化成电能的环节，能有效地提高机械能的转化效率；考虑到ORC系统和制冷系统的实际冷凝工况和应用场所，系统的ORC循环和制冷循环共用一个冷凝器，同时为精确控制冷凝器两路工质的流量，发生器上装液位控制器，工质泵加变频器，通过液位控制器控制变频工质泵转速，采用同一种循环工质，使系统更加紧凑。

朗肯-朗肯制冷空调系统循环工质要求具有低沸点、热稳定性好、低臭氧破坏势（ODP）、低温室效应势（GWP）、临界温度大于循环最高温度等特性。R245fa作为一种新型环保工质，被美国认为是最适合用于有机朗肯循环系统工质的物质，具有毒性低、不可燃、热稳定性好等特性，其ODP值为零，GWP值为820，标准沸点288.45 K，临界温度430.65 K。因此，本文采用R245fa作为循环工质建立重型卡车余热朗肯蒸汽压缩制冷循环系统。

2 系统计算

2.1 系统分析

朗肯-朗肯循环制冷系统T-S图如图2所示，图2左半部分是ORC系统T-S图，图2右半部分是制冷循环T-S图。左图中1→2→3→4→5→6→1表示ORC系统循环，其中1→2s表示涡轮机的等熵膨胀过程，3→4s表示工质泵的等熵压缩过程；右图中 7→8→9→10→11→7表示制冷系统循环，其中7→8s表示压缩机的等熵压缩过程。根据系统特点，做如下假定：

（1）系统在稳态下工作；

（2）忽略预热器、发生器、冷凝器、蒸发器及连接管路与外界的散热损失及压力损失；

（3）制冷循环的节流过程是等焓过程。

图2 朗肯-朗肯循环制冷系统T-S图Fig. 2 T-S diagram for Rankine-Rankine refrigeration cycle system

2.2 系统建模

根据上述系统分析，将各个状态点的参数进行耦合。

ORC系统：

VCR系统：

系统整体性能：

式中：

Wexp— 膨胀机输出功率，kW；

morc— ORC侧工质流量，kg/s；

h1— 膨胀机进口工质焓，kJ/kg；

h2s— 膨胀机出口工质等熵焓值，kJ/kg；

ηexp— 膨胀机等熵效率；

Wpump— 工质泵功耗，kW；

h4s— 工质泵出口工质等熵焓值，kJ/kg；

h3 — 工质泵进口口工质等熵焓值，kJ/kg；

ηpump— 工质泵效率；

Qgen— 发生器加热功率，kW；

h4 — 工质泵出口工质实际焓值，kJ/kg；

Wnet— ORC系统的净输出功，kW；

ηorc— ORC的效率；

Qeva— VCR系统蒸发器功率，kW；

mvcr— VCR系统工质流量，kg/s；

h7 — VCR系统蒸发器出口焓值，kJ/kg；

h11— VCR系统蒸发器进口焓值，kJ/kg；

Wcom— 压缩机功率，kW；

h8s— 压缩机出口工质等熵焓值，kJ/kg；

ηcom— 压缩机等熵效率；

COPvcr— VCR系统性能系数；

COPs— 系统总的性能系数；

基于上述系统分析及建模，本文利用Matlab编制程序，采用R245fa作为循环工质，以发生温度、冷凝温度、蒸发温度、膨胀机等熵效率和压缩机等熵效率为基本输入，计算朗肯-朗肯循环重型卡车余热空调系统的性能。

3 结果与分析

考虑到卡车运行状态的不同，发动机冷却液的温度也会有一定的波动，本文取发动机冷却液的温度85 ～ 105℃，同时假定发生器的传热温差10℃，则ORC系统的发生温度75 ～ 95℃。基于冬夏季环境温度的不同，取重型卡车工况环境温度25 ～ 45℃，冷凝器采用风冷形式，假定冷凝器的传热温差15℃，则系统的冷凝温度40 ～ 60℃。具体参数取值见表1。

表1 参数取值Table 1 Input parameters and boundary conditions

3.1 发生温度对系统性能的影响

图3显示了在冷凝温度50℃、蒸发温度5℃时，发生温度对系统性能的影响。在发生温度分别是75℃、85℃和95℃时，ORC系统的COP分别是5.1%、6.8%和8.1%，VCR系统的COP为3.76，整个系统的COP分别是19.3%、25.4%和30.6%。可以发现，随着发生温度的增大，ORC系统和整体系统的COP都在增大，增长趋势接近线性变化，发生温度增大1℃，整个系统的COP大约增大0.565%。发生温度增加，膨胀机入口气体工质的压力、温度和焓值均增加，导致膨胀机进出口焓降增大，膨胀机功率增大。当发生温度为75℃和95℃时，发动机冷却液提供26 kW和16 kW的热量就可以制取5 kW的冷量，即可满足驾驶室制冷需求，这在重型卡车上是可以实现的。

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

3.2 冷凝温度对系统性能的影响

图4 冷凝温度对系统性能的影响Fig. 4 Effect of condensation temperature on the system performance

图4显示了在发生温度85℃，蒸发温度5℃时，冷凝温度对系统性能的影响。在冷凝温度分别为40℃、50℃和60℃，ORC系统的COP分别是8.5%、6.8%和4.9%，VCR系统的COP分别是5.1、3.8和 2.9，整个系统的COP分别是43.5%、25.4%和14.2%，ORC系统和VCR系统的效率都是随着冷凝温度的升高而降低。冷凝温度增大，膨胀机出口压力和焓值增加，导致膨胀机进出口焓降减小，膨胀机功率减小，ORC系统COP降低。冷凝温度的增加也导致VCR系统COP降低，导致系统整体效率降低。如果把系统整体效率随冷凝温度的变化曲线拟合成线性变化，冷凝温度增大 1℃，系统整体效率降低1.47%，对比3.1发生温度对系统性能的影响，相对于发生温度，冷凝温度对系统性能具有更大的影响。

3.3 蒸发温度对系统性能的影响

图5显示了在发生温度85℃，冷凝温度50℃时，蒸发温度对系统性能的影响。此时ORC系统的效率固定不变，为6.8%。在蒸发温度分别为0℃、4℃和7℃，VCR系统的COP分别是3.23、3.64和4.00，整个系统的COP分别是22%、25%和27%，ORC系统和制冷系统的效率都随着蒸发温度的升高而增大，但是很明显，蒸发温度对系统性能的影响比较小。

图5 蒸发温度对系统性能的影响Fig. 5 Effect of evaporation temperature on the system performance

4 结 论

（1）把ORC循环和制冷系统结合起来，涡轮机和压缩机做成同轴结构，两个独立的系统共用一个冷凝器，可以构成一个高效的利用重型卡车发动机冷却液余热的制冷空调系统，具有尺寸小、易于控制和快速响应等优点。

（2）考虑到重型卡车发动机余热实际工况，利用朗肯-朗肯循环回收发动机冷却水余热进行制冷是可行的，在发生温度85℃、冷凝温度50℃、蒸发温度5℃时，系统COP达到0.254。

（3）研究了热源温度、冷凝温度和蒸发温度对朗肯-朗肯制冷系统性能的影响，系统COP随着热源温度的升高而增大，随着冷凝温度的升高而降低，随着蒸发温度的升高而增大。相对而言，冷凝温度对系统性能的影响更大。实际系统设计时，要综合考虑重型卡车的运行情况、余热情况、冷量的需求量、冬夏季的温度以及系统投资，做到优化设计。

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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

国家高技术研究发展计划（863）项目（2012AA053003）；国家自然科学基金资助项目（51106161）；广东省中国科学院全面战略合作项目（2012B091100263）

† 通信作者：卜宪标，E-mail：buxb@ms.giec.ac.cn

王令宝（1986-），男，硕士，助理研究员，主要从事中低温余热利用研究。

卜宪标（1979-），男，博士，副研究员，主要从事低品位余热发电研究。