利用有機朗肯循環(huán)回收柴油機尾氣余熱

利用有機朗肯循環(huán)回收柴油機尾氣余熱

0發(fā)動機余熱回收技術(shù)隨著中國汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車消耗的燃油消耗越來越高。然而，對于使用強大的燃料來說，只有大約40%的燃料能量才能轉(zhuǎn)化為機器，其他熱量通過大氣和海水排入環(huán)境。近些年對發(fā)動機油氣混合和燃燒過程這兩方面的研究已經(jīng)不能滿足發(fā)動機未來燃油經(jīng)濟性的目標要求,如果能將發(fā)動機廢熱有效利用,將會提高發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性,降低發(fā)動機油耗。近幾年,隨著國際油價的飛速上漲,采用朗肯循環(huán)回收發(fā)動機余熱是國際汽車行業(yè)比較熱門的一個研究方向,如德國寶馬公司將水和乙醇作為循環(huán)工質(zhì),采用雙循環(huán)系統(tǒng)分別對汽油機尾氣和冷卻水熱量進行回收利用;美國康明斯公司、奧地利AVL公司對回收柴油機余熱進行了相關(guān)研究。國內(nèi)對發(fā)動機余熱利用也進行了一些研究,如西安交通大學(xué)對汽油發(fā)動機尾氣和冷卻水的余熱回收利用并對朗肯循環(huán)的工質(zhì)進行了篩選,北京理工大學(xué)對采用R123作為循環(huán)工質(zhì)回收柴油機排氣余熱進行了理論研究和試驗研究。本文的余熱回收系統(tǒng)采用R245fa作為朗肯循環(huán)的工質(zhì),對某車用柴油機尾氣熱量進行回收。1蒸發(fā)器與尾氣柴油機尾氣余熱回收系統(tǒng)如圖1所示,其工作過程為:工質(zhì)由狀態(tài)1經(jīng)過液壓泵壓縮變?yōu)闋顟B(tài)2高壓液體,高壓液體進入蒸發(fā)器吸收發(fā)動機尾氣的熱量變?yōu)闋顟B(tài)3高壓蒸汽,高壓蒸汽3進入膨脹機膨脹變?yōu)闋顟B(tài)4,并推動膨脹機對外輸出功,而后低壓蒸汽4進入冷凝器冷凝為低壓液體1完成一循環(huán),蒸發(fā)器中的發(fā)動機尾氣則由狀態(tài)5變?yōu)闋顟B(tài)6。本文選取R245fa作為有機朗肯循環(huán)的循環(huán)工質(zhì),其特點為:不易燃、不破壞臭氧層、低沸點等,其物性參數(shù)如表1所示。2系統(tǒng)理論分析圖2為R245fa朗肯循環(huán)T-s圖,其中實線為理想循環(huán),虛線表示考慮到液壓泵和膨脹機不可逆損失的朗肯循環(huán)。2.1剩余回收系統(tǒng)可以分析泵的功能蒸發(fā)器換熱量:膨脹機輸出功:冷凝器換熱量:循環(huán)熱效率:2.2剩余熱回收系統(tǒng)的火災(zāi)分析柴油機尾氣火用:系統(tǒng)火用效率:蒸發(fā)器火用損失:膨脹機火用損失:冷凝器火用損失:液壓泵火用損失:余熱回收系統(tǒng)各組件的火用損失率:3發(fā)動機轉(zhuǎn)速和全負荷本文對某發(fā)動機不同工況下的排氣溫度和排氣流量進行測量,該發(fā)動機主要參數(shù)如表2所示。圖3,4為發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速、負荷下的排氣溫度和排氣流量測試結(jié)果,由圖可知,隨著發(fā)動機負荷的增加,發(fā)動機的排氣溫度和質(zhì)量流量也隨之增加。由圖3可見,當發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1400r/min時,由于發(fā)動機進氣量相對不足,所以發(fā)動機排氣溫度普遍較高。本文計算時設(shè)定余熱回收系統(tǒng)蒸發(fā)器尾氣進口溫度為發(fā)動機排氣溫度、出口溫度為150℃,朗肯循環(huán)工質(zhì)冷凝溫度為40℃,蒸發(fā)器和冷凝器參數(shù)可變?；贛ATLAB和物性參數(shù)軟件REF-PROP,分別對發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速、全負荷下朗肯循環(huán)的熱效率;不同轉(zhuǎn)速和負荷下余熱回收系統(tǒng)的火用效率、系統(tǒng)各組件的火用損失率和余熱回收系統(tǒng)的輸出凈功進行了計算和分析。3.1蒸發(fā)壓力對循環(huán)效率的影響設(shè)定發(fā)動機工況為2100r/min、100%負荷,蒸發(fā)器吸熱量一定。圖5為工質(zhì)蒸發(fā)壓力在亞臨界區(qū)域時,不同蒸發(fā)壓力下,膨脹機進口工質(zhì)狀態(tài)由飽和蒸汽變?yōu)檫^熱蒸汽時的朗肯循環(huán)熱效率。由圖5可見,隨著蒸發(fā)壓力的增大,朗肯循環(huán)的效率也隨之增大,這是因為當蒸發(fā)壓力提高時,蒸發(fā)壓力對應(yīng)的蒸發(fā)溫度也隨之提高,循環(huán)的平均溫差增大,故循環(huán)效率提高。當蒸發(fā)壓力一定時,減小循環(huán)工質(zhì)的質(zhì)量流量,則膨脹機進口溫度隨之提高,但循環(huán)熱效率的變化范圍僅為1%,因此,蒸發(fā)壓力是決定循環(huán)熱效率高低的關(guān)鍵因素,而工質(zhì)過熱度對循環(huán)熱效率影響不大。由圖5可見當蒸發(fā)壓力為3.5MPa、膨脹機進口狀態(tài)為飽和蒸汽時,朗肯循環(huán)的熱效率低于蒸發(fā)壓力為3MPa、相同膨脹機進口溫度下朗肯循環(huán)的熱效率,這是由循環(huán)工質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)所決定的,如圖6所示,當蒸發(fā)壓力接近工質(zhì)臨界壓力時,隨著蒸發(fā)壓力的增大,R245fa飽和蒸汽的焓值逐漸減小,從而使循環(huán)效率略有降低。3.2余熱回收系統(tǒng)各組件火用損失率當發(fā)動機工況改變時,改變余熱回收系統(tǒng)工質(zhì)流量,使膨脹機進口工質(zhì)壓力為3.5MPa、溫度為440K,此時發(fā)動機不同工況下余熱回收系統(tǒng)的火用效率如圖7所示。由圖7可知,當發(fā)動機在低負荷工況運行時,余熱回收系統(tǒng)的火用效率隨著發(fā)動機負荷的增加而逐漸增大,而在發(fā)動機中高負荷下,系統(tǒng)火用效率變化曲線趨于平緩且火用效率略有降低。圖8~11為發(fā)動機不同工況下余熱回收系統(tǒng)各組件的火用損失率,各組件火用損失率的大小分別為蒸發(fā)器>冷凝器>膨脹機>液壓泵,并且蒸發(fā)器中的火用損失率最大,其火用損失率在54%以上。致使蒸發(fā)器火用損失較大原因主要是:第一,蒸發(fā)器中的尾氣和工質(zhì)之間的傳熱溫差較大,傳熱過程中造成了一部分不可逆損失;第二,本文中的余熱回收系統(tǒng)只回收了大于150℃的發(fā)動機尾氣熱量,低于150℃的尾氣能量直接排入大氣中而沒有回收利用。當發(fā)動機在低負荷狀態(tài)運行時,發(fā)動機排氣溫度較低,余熱回收系統(tǒng)蒸發(fā)器出口的尾氣火用占發(fā)動機排氣火用的比例較大,所以蒸發(fā)器火用損失率較高,隨著發(fā)動機負荷的增加,發(fā)動機排氣溫度上升,蒸發(fā)器火用損失率減小,但是蒸發(fā)器傳熱溫差的增大使得蒸發(fā)器在發(fā)動機高負荷狀態(tài)下火用損失率略有增大。冷凝器中工質(zhì)與環(huán)境之間的傳熱溫差較低,故火用損較小,損失率約為10%。膨脹機的火用損失率較冷凝器略低,液壓泵由于本身耗功較小,其火用損失率在0.5%以下,可忽略不計。3.3不同發(fā)動機工況下余熱回收系統(tǒng)凈輸出功圖12為膨脹機工質(zhì)進口狀態(tài)為3.5MPa、440K時,發(fā)動機不同工況下余熱回收系統(tǒng)的輸出凈功。當發(fā)動機工況為2100r/min、100%負荷時,余熱回收系統(tǒng)凈輸出功最高,達到18.7kW。隨著發(fā)動機負荷的減小,發(fā)動機排氣溫度和質(zhì)量流量減小,余熱回收系統(tǒng)輸出凈功也隨之減小。4尾氣余熱回收系統(tǒng)的回收效果(1)本文采用R245fa作為尾氣余熱回收系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì)。蒸發(fā)壓力是影響朗肯循環(huán)效率的主要參數(shù),工質(zhì)過熱度對循環(huán)效率影響較小。(2)提高蒸發(fā)壓力,可以減小蒸發(fā)器的傳熱溫差,從而降低火用損失率。但蒸發(fā)壓力的提高使得余熱回收系統(tǒng)無法對發(fā)動機低溫尾氣熱量進行回收,如對發(fā)動機低溫尾氣熱量做進一步的回收利用,則減小了排入大氣環(huán)境中的尾氣火用,從而提高整個余熱回收系統(tǒng)的火用效率。(3)尾氣余熱回收系統(tǒng)回收效果顯著,最高輸出凈功可達18.7kW。符號表:Wp為泵功,kW;Wex為膨脹機輸出功,kW;Wnet為系統(tǒng)輸出凈功,kW;mf為工質(zhì)質(zhì)量流量,kg/s;me為尾氣質(zhì)量流量,kg/s;ηp為液壓泵等熵效率;ηex為膨脹機等熵效率;ηORC為循環(huán)熱效率;ηexergy為系統(tǒng)火用效