传统冷藏车制冷系统是通过发动机消耗燃油为制冷机组提供能量，驱动制冷机组进行工作的，制冷过程消耗了大量石油的化学能，燃油成本高造成运输成本也高，同时制冷系统的运行增大了冷藏车尾气的排放量，加剧了环境污染。冷藏车等车辆受发动机热效率上限限制，大量的热量通过冷却水和尾气排入到了大气环境中，有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，ORC）系统是一种能够高效回收尾气余热从而将其转化为动力输出的热力循环系统，通过ORC系统回收冷藏车尾气中的余热是一种行之有效的提高尾气能量利用率和降低环境污染的方式。

ORC系统输出的动力可用以驱动制冷循环系统，从而为冷藏车提供所需冷量，实现冷藏车燃油量的节省。已有研究表明ORC系统可以驱动蒸汽压缩制冷循环系统实现冷量供应。张伟明等采用甲苯（toluene）、苯（benzene）、R141b、R245fa作为朗肯循环工质，采用R134a、R404A、R410A、R143a、R125等作为制冷循环系统工质，系统分析了不同工质在内燃机尾气余热驱动的有机朗肯蒸汽压缩制冷循环系统中的热力学性能；HE等人采用CO2作为跨临界朗肯循环系统的工质用于驱动海水淡化系统的制冷循环系统，分析了膨胀机不同进口压力条件对系统运行性能的影响情况。

王令宝等分别采用R123、R600a、R245fa、R1234ze（E）作为循环工质，分析低温太阳能驱动的亚临界有机朗肯循环-蒸气压缩制冷系统的热力学性能，热力学角度显示R123是最合适的循环工质。莫东鸣等选择R134a、R290、R227ea作为跨临界有机朗肯循环和蒸气压缩制冷循环的循环工质，分析得到不同工质的热力学运行性能。Kim等选取多种循环工质作为朗肯循环-制冷耦合循环系统工作介质，包括R143a、R22、R134a、R152a、R600a、丙烷（propane）、氨（ammonia）和丁烷（butane）多种循环工质进行了热力学分析，说明了有机工质应用于有机朗肯循环-制冷耦合循环系统运行可行性。

迄今为止，ORC系统普遍采用的工质是含氢氯氟烃（Hydrochlorofluorocarbons，HCFCs）和氢氟烃（Hydrofluorocarbons，HFCs）等工质，也有部分研究开始选择使用氢氟烯烃类(hydrofluoroolefins，HFOs)，一般应用于亚临界热力循环系统。

目前，世界范围内已实现1974年《蒙特利尔议定书》中所规定的CFCs替代工作，而工业化国家中HCFCs的替代计划也将要在2020年完成；对于发展中国家，将于2040年停用HCFCs类工质。其替代工质HFCs类工质却因较高的全球变暖潜能值（Global Warming Potential，GWP）受限于《京都议定书》和《氟化气体法规》中的相关规定，将被削减。现有的热力循环如有机朗肯循环常用的循环工质为R134a、R245fa等，制冷循环常用的循环工质为R22、R134a等，普遍使用的循环工质面临着削减使用制甚至淘汰的现状。寻找替代热力循环系统工质的环保型工质迫在眉睫。HFOs及其混合工质是目前国际上众多学者普遍探寻的一类新型环保制冷剂，其主要特点是具有零臭氧消耗潜值（Ozone Depletion Potential，ODP）和低GWP值。其中,R1234ze（E）以其具有竞争力的热力学特性成为研究者们的关注重点。

本文采用新型环保工质R1234ze（E）作为ORC系统和制冷循环系统的工作介质，为更好的发挥R1234ze（E）在有机朗肯循环系统回收冷藏车尾气余热的性能，设计跨临界有机朗肯循环过程（Transcritical Organic Rankine Cycle，TORC），实现冷藏车余热回收及动力输出。输出的动力用于驱动蒸汽压缩制冷循环系统（简称“制冷循环系统”），本研究针对冷藏车的设备参数及运行工况进行合理设计，主要研究某型号冷藏车发动机尾气温度对应用R1234ze（E）工质的TORC-制冷循环系统性能的影响规律；研究不同冷凝温度条件下，冷藏车发动机尾气温度对TORC系统膨胀机做功、TORC系统热效率、制冷系统制冷量、TORC-制冷循环系统热效率的影响规律。

1  热力循环过程

TORC-制冷循环系统包含TORC系统和制冷循环系统。TORC系统包含膨胀机、工质泵和蒸发/冷凝器及管路/阀门等辅助设备,制冷循环系统包含压缩机、膨胀阀和蒸发/冷凝器及管路/阀门等辅助设备。两个循环系统通过联轴器将TORC系统的膨胀机与制冷循环系统的压缩机相连接。如图1所示。

图1  TORC-制冷循环系统原理图

联轴器左边为TORC系统。在该系统中，工质在蒸发器1中吸收发动机尾气余热后被加热汽化，被加热到 超临界状态的工质在膨胀机中膨胀输出机械功，做功后的亚临界状态工质被送入冷凝器冷凝降温成液态后由工质泵增压再一次送入蒸发器中被发动机尾气余热加热。由此形成循环，反复运行，实现TORC系统回收发动机尾气余热的循环过程。1-2-3-4-1为完整的TORC循环，其中，1-2为工质在蒸发器中蒸发过程；2-3为工质在膨胀机中膨胀做功过程；3-4为工质在冷凝器中降温散热过程；4-1为工质在工质泵中增压过程。

图1中联轴器右边为压缩制冷循环系统，制冷循环中压缩机通过联轴器与膨胀机同轴连接获得动力，膨胀机直接带动压缩机旋转工作。在该系统中，工质在压缩机中压缩后变成高温高压的工质气被送入冷凝器2降温，经膨胀阀后进入置于冷藏车厢中的蒸发器2吸收冷藏车厢热量，实现冷藏车厢降温制冷，如此反复循环，实现冷藏车厢降温制冷效果。5-6-7-8-5为完整的制冷循环，其中，8-5为工质在压缩机中的压缩过程；5-6为工质在冷凝器中降温散热过程；6-7为工质在膨胀阀中节流降压过程；7-8为工质在蒸发器中吸热制冷过程。

系统选用环保工质R1234ze（E）作为TORC和制冷循环系统的工质。整个系统循环的温熵T-s图如图2所示。其中，1′-2′为发动机尾气释放热量的过程；9-9′为冷却水吸热过程。

图2  R1234ze（E）工质在TORC-制冷循环系统运行T-s图

为简化计算模型，根据系统运行特点，作以下假定：

1）系统在稳态下工作；

2）忽略蒸发器、冷凝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。

R1234ze（E）物性参数列于下表中。

表1   R1234ze（E）工质物性参数

在本工作中，针对一车厢尺寸为4 200×1 950×2 960 mm³的冷藏车展开研究，该冷藏车发动机由北京福田康明斯发动机有限公司生产，型号为WP3Q130E50。发动机的相关参数列于表2中，同时列出了TORC系统和制冷系统的运行临界参数。

表2   发动机尾气参数及TORC系统、制冷系统运行参数

2  热力计算模型

2.1  TORC系统

1）蒸发器：

式（1）中，Q_exh为被吸收的发动机尾气余热热量（kW），Q_TORC,evap为TORC系统蒸发器中工质吸收的热量（kW），m_exh为发动机尾气质量流量（kg/s），m_TORC为TORC循环工质质量流量（kg/s）；h₁、h₂、h_1′、h_2′为状态点1、2、1′、2′的焓值（kJ/kg）。

2）工质泵：

式（2）~（4）中，P₁、P₄为状态点1、4的压力(MPa)，π_pump为工质泵工作压比，W_pump为工质泵耗功(kW)，η_pump为工质泵等熵效率，h_1,is为4-1为等焓过程时1点的焓值（kJ/kg），h₄为状态点4的焓值（kJ/kg）。

3）膨胀机：

式（5）~（7）中，P₂、P₃为状态点2、3的压力(MPa)，W_exp为膨胀机做功(kW)，π_exp为膨胀机工作压比，η_exp为膨胀机等熵效率，h₃为状态点3的焓值（kJ/kg），h_3,is为2-3为等熵过程时3点的焓值（kJ/kg）。

4）冷凝器：

式（8）中，Q_TORC,cond为TORC系统冷凝器换热量(kw)，m_water-1为TORC系统冷却水质量流量（kg/s），h₃、h₄、h₉、h_9′为状态点3、4、9、9′的焓值(kJ/kg)，h₉、h_9′对应冷却水进出口焓值(kJ/kg)。

5）TORC循环系统热效率：

式（9）中，η_TORC,en为TORC系统热效率。

2.2  制冷循环系统

1）压缩机：

式（10）~（12）中，P₅、P₈为状态点5、8的压力，π_com为压缩机工作压比，W_com为压缩机耗功(kW)，m_ref为制冷循环系统工质质量流量(kg/s)，η_com为压缩机等熵效率，h₅、h₈为状态点5、8的焓值(kJ/kg)，h_5,is为8-5为等熵过程时5点的焓值(kJ/kg)。

TORC系统的净输出功用于驱动制冷系统压缩机，系统运行耗功存在如下关系：

式（13）中，η_mech为膨胀机驱动压缩机的机械传动效率。

2）冷凝器：

式（14）中，Q_ref,cond为制冷循环系统冷凝器换热量(kW)，m_water-2为制冷循环系统冷却水质量流量(kg/s)，h₆为状态点6的焓值(kJ/kg)。

3）蒸发器：

式（15）中，Q_ref,evap为制冷系统蒸发器制冷量(kW)，h₇、h₈为状态点7、8的焓值(kJ/kg)。

2.3  系统总体评价指标

式（16）中，η_TORC-ref为TORC-制冷循环系统热效率。

3  发动机尾气温度对系统运行性能的影响

根据3.1-3.3热力计算模型，采用Matlab编程调用Refprop 9.0循环工质物性参数。本文工作主要针对115 ℃～250 ℃温度范围内的发动机尾气对系统运行性能的影响，在该温度范围内，以5 ℃为间隔共取28个发动机尾气温度，在冷凝温度分别为40 ℃、50 ℃、60 ℃条件下，TORC系统膨胀机做功大小、TORC系统热效率、制冷系统制冷量大小、TORC-制冷循环系统热效率大小随发动机尾气温度变化情况如图3～图6所示。

3.1  TORC系统膨胀机做功

TORC系统膨胀机做功随发动机尾气温度升高呈现先升高后下降的趋势，且随着冷凝温度的升高，膨胀机做功呈下降趋势；不同冷凝温度条件下存在一最佳尾气温度，使得对应的TORC系统膨胀机做功达到最大值。当尾气温度约为140 ℃时，TORC系统膨胀机做功达到最大值：当冷凝温度为40 ℃时，TORC系统膨胀机做功最大达10.20 kW；当冷凝温度为60 ℃时，系统膨胀机做功最大值约为7.24 kW，较冷凝温度为40 ℃时的膨胀机做功下降约29.02%。

图3  不同冷凝温度下TORC系统膨胀机做功随尾气温度变化情况

3.2  TORC系统热效率

随尾气温度变化情况TORC系统热效率随发动机尾气温度升高呈现先升高后下降的趋势，且随着冷凝温度的升高，TORC系统热效率逐渐降低；不同冷凝温度条件下存在一最佳尾气温度，使得对应的TORC系统热效率达到最大值。当尾气温度约为165 ℃时，TORC系统热效率达到最大值：当冷凝温度为40 ℃时，TORC系统热效率最大达9.49%；当冷凝温度为60 ℃时，系统热效率最大值约为6.38%，较冷凝温度为40 ℃时的TORC系统热效率下降约32.78%。

图4  不同冷凝温度下TORC系统热效率

3.3  TORC-制冷循环系统制冷量

随尾气温度变化情况TORC-制冷循环系统中制冷系统制冷量随发动机尾气温度升高呈现先升高后下降的趋势，且随着冷凝温度的升高，系统制冷量逐渐降低；不同冷凝温度条件下存在一最佳尾气温度，使得对应的制冷系统制冷量达到最大值。当尾气温度约为165 ℃时，制冷循环系统制冷量达到最大值：当冷凝温度为40 ℃时，系统制冷量最大达18.36 kW；当冷凝温度为60 ℃时，系统制冷量最大值约为8.47 kW，较冷凝温度为40 ℃时的系统制冷量下降约53.87%。

图5  不同冷凝温度下制冷系统制冷量

3.4  TORC-制冷循环系统热效率

随尾气温度变化情况TORC-制冷循环系统热效率随尾气温度升高呈现先升高后下降的趋势，且随着冷凝温度的升高，系统热效率逐渐降低；不同冷凝温度条件下存在一最佳尾气温度，使得对应的系统热效率达到最大值。当尾气温度约为165 ℃时，TORC-制冷循环系统热效率达到最大值：当冷凝温度为40 ℃时，系统热效率最大达19.12%；当冷凝温度为60 ℃时，系统热效率最大值约为8.82%，较冷凝温度为40 ℃时的系统热效率下降约53.87%。

图6  不同冷凝温度下TORC-制冷循环系统热效率

综上，在冷凝温度分别为40 ℃、50 ℃、60 ℃条件下，TORC系统膨胀机做功大小、TORC系统热效率、制冷系统制冷量大小、TORC-制冷循环系统热效率大小随发动机尾气温度增大均呈现先增大后降低的趋势，实际运行过程中不同冷凝温度条件下，发动机尾气温度约为140 ℃时，可得到最高的膨胀机做功量；当发动机尾气温度约为165 ℃时，TORC-制冷循环系统可得到最高的TORC系统热效率、制冷量及TORC-制冷循环系统热效率，系统运行过程中蒸发压力不变，随着尾气温度变高，蒸发过热度也相应升高，蒸发温度第一阶段的升高会使得膨胀机发电量大于整体消耗的热量，使得系统效率随之增加；随着过热度的持续升高，由于膨胀比不变，将得到更高的膨胀机出口温度，多余的这部分热量属于未被系统膨胀做功利用却被冷凝水带走，造成了系统能量损失，出现了效率下降，因此系统运行存在最优发动机尾气温度。同时，系统各参数均随冷凝温度升高而降低，实际运行过程中应尽可能降低系统冷凝温度以期得到更佳的系统运行性能。

4  结束语

跨临界有机朗肯循环-制冷循环系统可以使工质运行状态与发动机尾气余热参数更好地匹配。本研究选用环保工质R1234ze（E）作为系统运行工质，建立了跨临界有机朗肯循环-制冷循环系统热力学计算模型，以跨临界有机朗肯循环-制冷循环系统热效率作为整个系统的热力学性能评价指标，分别探讨不同冷凝温度下，发动机尾气温度对TORC系统膨胀机做功、TORC系统热效率及系统制冷量和TORC-制冷循环系统热效率参数的影响，初步得到如下结论：

1）R1234ze(E)可以同时作为回收冷藏车发动机尾气余热的跨临界有机朗肯循环和制冷循环两种系统的工质，实现发动机尾气余热回收并得到相应的冷量以供冷藏车厢使用；

2）分别对比冷凝温度为40 ℃、50 ℃、60 ℃时系统运行性能参数，得到冷凝温度为40 ℃时，对应发动机尾气温度约140 ℃时，系统拥有最高的膨胀机做功量；对应发动机尾气温度约为165 ℃时，系统拥有最高的TORC系统热效率及TORC-制冷循环系统制冷量和热效率值，分别可以得到10.20 kW的膨胀机做功量，9.49%的TORC系统热效率，18.36 kW的系统制冷量和19.12%的TORC-制冷循环系统热效率；

3）TORC-制冷循环系统各运行参数均随冷凝温度的升高而降低，实际运行过程中应考虑采取降低系统冷凝温度的方式来获得更佳的热力循环系统运行性能。

（本文选自《制冷与空调》2020年9月刊79-84+89页；作者：赵盼盼  何家才  周到  张欢  黄静  吴俊峰；未经许可，不得转载）