柴油機尾氣余熱回收系統(tǒng)的能分析和火用分析

張傳明，魏名山，史 磊

(北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081)

0 引言

隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，汽車消耗的燃油量越來越大，而對于車用柴油機，僅有大約40%的燃油能量轉(zhuǎn)化為機械能[1]，其他熱量則通過尾氣和冷卻水釋放到大氣環(huán)境中[2]。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[3]，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[3]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[4]、奧地利 AVL 公司[5]對回收柴油機余熱進行了相關研究。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[6]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[7]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 柴油機尾氣余熱回收系統(tǒng)

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。

圖1 尾氣余熱回收系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of exhaust energy recovery system

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。

表1 R245fa物性參數(shù)Tab.1 R245fa physical parameter

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)。

圖2 R245fa朗肯循環(huán)T-s圖Fig.2 R245fa temperature-entropy diagram of the Rankine cycle

2.1 余熱回收系統(tǒng)能分析

泵功:

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 余熱回收系統(tǒng)分析

3 計算結(jié)果及分析

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。

表2 柴油機主要參數(shù)Tab.2 Diesel engine parameters

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1 400 r/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。

圖3 不同轉(zhuǎn)速和負荷下發(fā)動機排氣溫度Fig.3 Exhaust gases temperature vs．engine load and speed

圖4 不同轉(zhuǎn)速和負荷下發(fā)動機排氣質(zhì)量流量Fig.4 Exhaust gases mass flow vs．engine load and speed

本文計算時設定余熱回收系統(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REFPROP[8]，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)的效率、系統(tǒng)各組件的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 變蒸發(fā)壓力對有機朗肯循環(huán)熱效率的影響

設定發(fā)動機工況為2 100 r/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3.5 MPa、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3 MPa、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。

圖5 不同蒸發(fā)壓力下朗肯循環(huán)的熱效率Fig.5 Effect of expander-inlet temperature on thermal efficiencies with different evaporation pressures

3.2 變動機工況下余熱回收系統(tǒng)的效率分析

圖6 不同蒸發(fā)壓力下的飽和蒸汽焓Fig.6 Specific enthalpy of saturated vapor for R245fa vs．evaporation pressure

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3.5 MPa、溫度為440 K，此時發(fā)動機不同工況下余熱回收系統(tǒng)的效率如圖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)效率變化曲線趨于平緩且效率略有降低。

圖7 余熱回收系統(tǒng)的效率Fig.7 Exergy efficiencies of the waste heat recovery system

圖8 蒸發(fā)器損失率Fig.8 Exergy loss percentage of the boiler

圖9 冷凝器損失率Fig.9 Exergy loss percentage of the condenser

圖10 膨脹機損失率Fig.10 Exergy loss percentage of the expander

3.3 尾氣余熱回收系統(tǒng)回收效果

圖11 液壓泵損失率Fig.11 Exergy loss percentage of the pump

圖12為膨脹機工質(zhì)進口狀態(tài)為3.5 MPa、440 K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2 100 r/min、100%負荷時，余熱回收系統(tǒng)凈輸出功最高，達到18.7 kW。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。

圖12 余熱回收系統(tǒng)輸出凈功Fig.12 Net power output of the waste heat recovery system

4 結(jié)論

(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。

(3)尾氣余熱回收系統(tǒng)回收效果顯著，最高輸出凈功可達18.7 kW。

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)效率; Q1為蒸發(fā)器換熱量，kW;Q2為冷凝器換熱量，kW;h為焓，kJ/kg;s為熵，kJ/(kg·K);Ex，e為尾氣，kW;I損失，kW;ELP為部件損失率。

下腳標:

act為工質(zhì)實際狀態(tài);c為冷凝器;e為蒸發(fā)器;ex為膨脹機;p為液壓泵;0為與環(huán)境相平衡的狀態(tài)。

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