当ORC系统与VCC系统组成联合系统时,可在发电的同时进行制冷,实现冷电联产。Zheng等分析了一种太阳能驱动的ORC-VCC联合系统性能[43]。在该系统中,需要考虑采用纯工质还是非共沸混合工质,系统的蒸发温度和制冷温度对工作性能也会产生影响。一般而言,等熵工质和干工质适于ORC系统,而湿工质更适于VCC系统。考虑的8种纯工质见表5-5,ξ的大小表示了工质的类型,当ξ>1时为湿工质,当ξ=1时为等熵工质,当ξ<1时为干工质。由这些纯工质组成的二元非共沸混合工质中,根据温度滑移选取5种非共沸混合工质,见表5-6。
表5-5 ORC-VCC联合系统考虑的纯工质[43]
表5-6 ORC-VCC联合系统考虑的非共沸混合工质[43]
整个ORC-VCC联合系统的构型如图5-44(a)所示,带回热器的ORC系统直接通过集热器收集太阳能,与VCC系统共享一个冷凝器,ORC系统膨胀功用于驱动VCC系统的压缩机。整个工作过程的T-s图如图5-44(b)所示。
在中低温热源条件下,ETC的性能优于FPC,因此,ORC系统的蒸发器选用ETC。ETC的热效率采用下式计算[44]:
图5-44 太阳能驱动的ORC-VCC联合系统及其工作过程的T-s图[43]
式中,T m为集热器内工质平均温度,T0为环境温度,I为太阳能辐射强度(kW/m2)。
ORC系统的热效率为
式中,W exp为膨胀机输出功,W pump为工质泵耗功,Q gen为集热器的吸热量。
VCC系统的COP值为
式中,Q refig为制冷量;W comp为压缩机输入功,与W exp相等。
ORC-VCC联合系统的总能效为
在给定膨胀机入口温度、蒸发温度和冷凝温度的条件下,不同纯工质的性能如图5-45(a)所示。对于ORC系统而言,不同纯工质之间的热效率存在一定差异,R600a、R227ea和R1234ze等干工质的性能优于湿工质。对于VCC系统来说,采用湿工质R152a时COP值最大为4.067,采用R600a时COP值为4.037,仅次于R152a。采用不同工质的集热器效率和总能效如图5-45(b)所示。湿工质的集热器效率稍高于干工质。采用R600a时根据式(5-27)计算的总能效达到最大值,为22.12%,其次为采用R152a工质时,总能效为20.76%。(www.xing528.com)
图5-45 采用纯工质的ORC-VCC联合系统的性能[43]
(a)ORC系统效率和VCC系统COP值;(b)ORC-VCC联合系统总能效和集热器效率
采用非共沸混合工质的ORC-VCC联合系统总能效如图5-46所示,随着混合工质中低沸点组分质量分数的增加,不同混合工质的总能效均先增加后减小。R161/R600a(0.25/0.75)的总能效最高,达到30.89%,与采用R600a的系统相比,热效率提高了39.6%。采用R152a/R600a(0.25/0.75)和R290/R600a(0.45/0.55)时总能效也较好。由于非共沸混合工质在冷凝过程中温度滑移随组分质量分数变化,总能效的变化主要受到非共沸混合工质温度滑移的影响。
图5-46 采用非共沸混合工质的ORC-VCC联合系统总能效[43]
近年来,引射器被引入制冷系统来提高系统性能,其具有结构简单和工作可靠的特点。基于引射器的工作原理,图5-47所示为一种ORC-VCC冷电联产系统[45]。ORC系统与VCC系统采用同样的工质,工质在ORC系统的蒸发器内吸收热源能量,经膨胀机膨胀带动发电机发电,随后气体进入引射器的初级入口,同时VCC系统的蒸发器内工质从环境吸热后进入低压的引射器次级,经加压后进入冷凝器冷凝。冷凝后的液态工质分为两股,分别进入ORC系统的工质泵和VCC系统的膨胀阀。工作过程对应的T-s图如图5-47(b)所示。
以50℃热空气为热源,采用戊烷/异丁烷为工质,带引射器的ORC-VCC冷电联产系统的工作性能随异丁烷质量分数的变化曲线如图5-48所示。随着异丁烷质量分数的增大,系统净输出功率先增加后减小,当质量比为0.5/0.5时有最大净输出功率,制冷量的变化趋势正好与净输出功率相反,如图5-48(a)所示。这主要是因为引射器的喷射系数随着异丁烷质量分数的增加先减小后增加。同时,VCC系统的蒸发器入口温度的变化曲线如图5-48(b)所示,总体上其变化趋势与喷射系数相似。整个系统效率的变化曲线如图5-48(c)所示,当质量比为0.5/0.5时有最高效率10.33%。
图5-47 带引射器的ORC-VCC冷电联产系统及其工作过程的T-s图[45]
对ORC-VCC联合系统而言,ORC系统的蒸发温度、VCC系统的蒸发温度和冷凝温度(对混合工质定义为相应的泡点温度)是3个影响系统性能的重要参数。当热源温度升高到150℃时,基于R600a/R245fa混合工质,可分析这些参数对系统性能的影响[46]。当VCC系统蒸发温度为275.15 K,冷凝温度为338.15 K时,随着ORC系统蒸发温度的增加,不同质量分数的混合工质的净输出功率先增加后减小。当ORC系统蒸发温度小于375 K时,纯R245fa工质的净输出功率稍高于混合工质。随着ORC系统蒸发温度的升高,VCC系统的制冷量近似线性降低,而质量比为0.4/0.6的R600a/R245fa混合工质的制冷量稍高,如图5-49所示。当ORC系统蒸发温度为374.15 K时,VCC系统蒸发温度和冷凝温度对制冷量的影响如图5-50所示。随着蒸发温度的增加或制冷温度的降低,制冷量近似线性增大。
图5-48 带引射器的ORC-VCC冷电联产系统的工作性能随异丁烷质量分数的变化曲线[45]
(a)净输出功率和制冷量;(b)蒸发器入口温度和喷射系数;(c)效率
图5-49 蒸发温度对ORC-VCC联合系统性能的影响[46]
(a)净输出功率;(b)制冷量
图5-50 工作参数对ORC-VCC联合系统制冷量的影响[46]
(a)蒸发温度;(b)冷凝温度
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