冷热电联产技术优化方案

ORC系统还可以与VCC系统和热泵一起组成复杂的冷热电三联产系统，进一步提高系统的总能效。图5-51所示为一种ORC系统与热泵组成的冷热电三联产系统［47］。对采用非共沸混合工质的系统，部分冷凝的工质进入气液分离器，饱和液态工质3被工质泵加压后进入高温蒸发器，被地热水加热变成高压气态工质5。从气液分离器流出的饱和气态工质c经四通阀后进入低温冷凝器，完全冷却后的液体d经膨胀阀后，变成低压气液两相状态a，随后在低温蒸发器内吸热变成低压气态工质b。低压气态工质b与高压气态工质5在引射器内混合变成过热气体状态1，随后进入膨胀机膨胀到状态2，并驱动发电机发电。膨胀机出口的过热工质2进入高温冷凝器被冷却到两相状态e，之后进入气液分离器开始下一个工作循环。对应的T-s图如图5-51（b）所示。系统工作时，如果低温蒸发器向环境吸热，则实现制冷作用；如果低温冷凝器向环境散热，则实现制热效果，同时发电机向外提供电能。改变四通阀的方向，可改变两个低温换热器的换热方向，实现制热与制冷功能的切换。

图5-51　ORC系统与热泵组成的冷热电三联产系统及其工作过程的T-s图［47］

基于设计的冷热电三联产系统，设热源为95℃的地热水，采用R141b/R134a、R141b/R152a和R123/R152a等非共沸混合工质时COP值和效率较高，并且采用干工质与湿工质的混合工质有利于性能的提升，当湿工质的比例较大而干工质的比例较小时，整个系统能获得较高的能效。

定义引射器的喷射系数为工质流b与工质流5的质量流量比，利用热力学模型可分析引射器喷射系数对系统工作性能的影响。同时，高温蒸发器的出口温度（即蒸发温度）是另一个影响系统性能的重要参数。系统净输出功率和COP值随引射器喷射系数和蒸发温度的变化如图5-52所示。随着引射器喷射系数的增大，净输出功率明显减小，当引射器喷射系数为0.71时，蒸发温度必须高于91.5℃才能有净功率输出。当引射器喷射系数一定时，随着蒸发温度的升高，净输出功率先增加后减小，存在一个优化的蒸发温度使净输出功率最大。随着引射器喷射系数的增加，COP值近似线性增大，当引射器喷射系数一定时，随着蒸发温度的升高COP值有轻微的增大。

图5-52　引射器喷射系数和蒸发温度对系统净输出功率和COP值的影响［47］

针对内燃机排气和冷却液余热回收，图5-53所示为一种基于有机朗肯循环的冷热电三联产系统［48］。工质泵入口的饱和液态工质被加压后，依次经过回热器RE1、RE2、RE3、RE4，进入换热器HE2，被来自内燃机的冷却液加热到气液两相状态12。随后，进入气液分离器，饱和气态工质13被分成两股，一股工质15在换热器HE1中吸收来自内燃机排气的余热后，进入膨胀机做功。低压气态工质17经回热器RE3和RE6放热后，被送入冷凝器冷凝。另一股工质14经回热器RE1后进入换热器RE5降温，随后经膨胀阀1变成低温气液两相状态，进而在蒸发器内吸收环境空气的热量，对车辆乘员舱起到制冷作用。从气液分离器流出的饱和液态工质23经回热器RE2和RE4后，通过膨胀阀2减压后与工质流19和28混合进入冷凝器冷凝。当需要制热时，空气29先进入冷凝器被加热，随后进入RE4和RE6进一步吸热后空气32将为车辆乘员舱制热。通过调节工质流15和14的比例，可以调节系统净输出功率和制冷量的比例。(https://www.xing528.com)

图5-53　用于内燃机排气和冷却液余热回收的冷热电三联产系统［48］

整个余热回收循环采用氨水混合物作为工质，定义余热回收循环的总效率为

式中，P WHR为膨胀机输出功率，Q3为制热或制冷的热量，Q1和Q cl为排气和冷却液换热量。针对丰田8A-FE汽油机的余热回收，分析得到的氨质量分数x和工质泵2的压缩比对余热回收循环总效率的影响如图5-54所示。当工质泵出口压力一定时，随着氨质量分数的增加，余热回收循环总效率先增大后减小。随着工质泵出口压力的增大，相应的氨质量分数可选范围缩小，而对应的余热回收循环总效率增大。当氨质量分数一定时，随着工质泵2的压缩比的增大，余热回收循环总效率也呈现先增后减的趋势，存在一个优化的工质泵2的压缩比，使余热回收循环总效率最大。随着氨质量分数的增大，优化的工质泵2的压缩比逐渐增大，而余热回收循环总效率也轻微升高。

图5-54　余热回收循环总效率随氨质量分数x和工质泵2的压缩比的变化曲线［48］