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ORC-蒸气压缩耦合制冷系统在小型冷藏车上的应用

发表日期:2021/12/29 11:01:05 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

随着生活水平的提高,人们对新鲜果蔬、药品质量的要求越来越高,这极大地促进了冷藏物流的发展,但与消费需求的快速增长不相适宜的是冷藏配送的体量和能力仍然较低,且冷藏车燃油成本非常高。汽车发动机燃料燃烧后转变为有用功的热当量仅占发动机燃油燃烧热量的20%~30%(汽油机)或30%~45%(柴油机),大部分能量以尾气排气余热的形式被排放至大气环境。

将冷藏车发动机排气余热回收应用于冷藏车制冷系统是一个很好的方法,可以作为对冷藏车制冷系统进行改进的一种理想方案。采用有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)的热力循环模式进行余热回收是一种可以实现产业化的余热回收技术。

笔者结合冷藏车冷藏储运过程中冷量需求大、油耗高等应用现状,提出一种利用冷藏车发动机排气余热驱动的节能型制冷系统,即耦合有机朗肯循环和蒸气压缩循环的制冷系统(简称“ORC-蒸气压缩耦合制冷系统”),并通过试验测试其制冷性能。

1  系统工质选择

根据发动机尾气余热回收ORC系统运行工况,依据冷藏车排气余热的温度及工质筛选原则,在热力循环系统中表现出较好热力学性能的工质有:R134a,R245fa,R236ea及R227ea等HFCs;R600,R600a和R601a等HCs;R1234ze(E)和R1234yf等HFOs。根据冷藏车制冷运行所需的蒸发温度及工质遴选原则,在制冷系统中具有良好热力学性能的工质有:R134a,R404A和R410A等HFCs;R1234ze(E)和R1234yf等HFOs。通过查询Refprop软件,得到以上11种工质的物性数据如表1所示。

表1  可用于ORC系统和制冷系统工质的物性参数

根据有机朗肯循环及蒸气压缩制冷循环特性,采用Matlab编程调用Refprop中工质基础物性,分别计算在不同膨胀机膨胀过程等熵效率条件下ORC采用不同工质时的循环效率(见图1),考虑到膨胀机的实际运行特点,将等熵效率的取值范围设定为0.5~0.8,这符合行业目前的膨胀机技术水平。另外,分别计算5种工质在不同压缩机等熵效率条件下制冷系统制冷系数COP(见图2)。上述计算对应的工况见表2。

表2  理论ORC循环计算工况和参数

由图1可见在不同膨胀机等熵效率参数下,采用R245fa工质时ORC系统的循环效率均高于其他工质,笔者拟选择R245fa作为ORC系统工质。由图2可见,R134a制冷系统在不同蒸发温度下的COP均略高于其他工质,笔者拟选择R134a作为制冷系统工质。综上所述,拟搭建的ORC-蒸气压缩耦合制冷系统选取R245fa/R134a工质对作系统工质。

 

图1  采用不同工质时ORC系统的循环效率

图2  采用不同工质时制冷系统的COP


2  试验台搭建

ORC-蒸气压缩耦合制冷系统,通过有机朗肯循环回收冷藏车发动机排气中的热量将热能转换为动能,驱动蒸气压缩制冷系统中压缩机做功。为验证ORC-蒸气压缩耦合制冷系统能够回收发动机余热并为冷藏车提供冷量,笔者搭建了一套ORC-蒸气压缩耦合制冷系统试验台架,主要包含ORC系统回路、制冷系统回路、高温水系统回路、冷却水系统回路及冷冻水系统回路,如图3所示。高温水系统回路负责模拟发动机排气余热温度及热量,可进行余热温度及流量设定。ORC系统回路主要由蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质泵组成,还包括维持系统稳定运行的辅件,如背压阀、流量调节阀及储液罐等。由于试验台搭建时选择使用的膨胀机为无油涡旋式膨胀机,ORC系统无须设置油路循环,减小了系统复杂程度。制冷系统回路主要模拟冷藏车制冷系统,监测余热回收制冷量及温度参数。冷却水系统回路主要为ORC和制冷循环提供所需冷却水量。冷冻水系统回路主要用于为制冷系统的板式换热器提供所需冷冻水量。

 

图3  ORC-蒸气压缩耦合制冷系统试验台架原理图

小型冷藏车(尺寸为4 200 mm×1 950 mm×2 960 mm)发动机尾气参数如表3所示,其承载量约1.5 t,此种类型冷藏车一般运送0 ℃的食品,选用制冷量1 160 W以下的制冷机组即可。试验台搭建过程中采用可实现带压工作高温水箱模拟发动机排气余热,其相关参数见表4,搭建的ORC-蒸气压缩耦合制冷系统试验台架见图4。

表3  小型冷藏车发动机尾气参数

 

表4  高温水箱参数

 

图4  ORC-蒸气压缩耦合制冷系统台架实物图

3  试验结果与讨论

为分析制冷系统蒸发温度对系统制冷量的影响,测试不同膨胀机转速下制冷系统蒸发温度分别为0 ℃,-5 ℃,-10 ℃,-15 ℃和-20 ℃时ORC-蒸气压缩耦合制冷系统制冷量。通过控制电子膨胀阀开度,实现制冷系统蒸发温度和系统流量的调节。测试得到不同工况下的压缩机功耗和制冷量如图5所示。


 

图5  不同膨胀机转速下蒸发温度对ORC-蒸气压缩耦合制冷系统性能的影响

由图5可知,在不同膨胀机转速下,蒸发温度为-20~0 ℃时,可获得1.31~2.21 kW的制冷量,满足该型号冷藏车的制冷量需求。

4  结论

1)R245fa相较于其他ORC系统工质具有最高的循环效率,选择作为本试验ORC系统工质;R134a相较于其他制冷工质具有较高的COP,选择作为制冷系统工质。

2)通过搭建排气余热驱动型有机朗肯循环与蒸气压缩循环耦合制冷系统试验台架展开试验研究,测试结果表明,通过回收小型冷藏车(尺寸为4 200 mm×1 950 mm×2 960 mm)发动机尾气余热,制冷系统可以为冷藏车提供所需冷量。

3)在搭建的排气余热驱动型有机朗肯循环与蒸气压缩耦合制冷系统中,ORC的膨胀机与蒸气压缩制冷系统的压缩机通过直连实现连续稳定运行,无须额外配置发动机,同时系统采用的设备无须设置油路循环,简化系统结构的同时节约投资成本,为ORC-蒸气压缩耦合制冷系统在冷藏车领域的应用提供了试验依据。




本文选自《制冷与空调》2021年10月刊46-49页;作者:黄磊  赵盼盼  周到  吴俊峰  孙云  乔雅静;未经许可,不得转载




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