變工況下車用柴油機(jī)排氣余熱有機(jī)朗肯循環(huán)回收系統(tǒng)

楊凱，張紅光，宋松松,2，姚寶峰

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變工況下車用柴油機(jī)排氣余熱有機(jī)朗肯循環(huán)回收系統(tǒng)

楊凱1，張紅光1，宋松松1,2，姚寶峰1

（1北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100124；2承德石油高等專科學(xué)校汽車工程系, 河北承德067000）

為回收車用柴油機(jī)的排氣余熱設(shè)計(jì)了一套帶回?zé)崞饔袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)，采用純工質(zhì)R245fa作為工作介質(zhì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了車用柴油機(jī)變工況下排氣余熱的變化規(guī)律，分析了不同工況下帶回?zé)崞饔袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行性能，討論了過(guò)熱度對(duì)帶回?zé)崞饔袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響。針對(duì)車用柴油機(jī)-有機(jī)朗肯循環(huán)聯(lián)合系統(tǒng)提出了余熱回收效率、發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提升率、單位工質(zhì)輸出能量密度3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。研究表明，帶回?zé)崞饔袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的凈輸出功率、余熱回收效率、發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提升率最大分別可以達(dá)到43.74 kW、14.93%、13.58%。

余熱回收；有機(jī)朗肯循環(huán)；變工況；熱力學(xué)過(guò)程；蒸發(fā)；傳熱

引 言

內(nèi)燃機(jī)不僅消耗大量的石油資源，還造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。內(nèi)燃機(jī)汽缸內(nèi)燃料燃燒釋放的部分能量被排氣和冷卻介質(zhì)帶走并浪費(fèi)，所以，對(duì)內(nèi)燃機(jī)余熱能進(jìn)行回收利用可以提高內(nèi)燃機(jī)的熱效率，減少能源消耗，降低污染物排放[1-2]。有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）系統(tǒng)可以將中低溫余熱能轉(zhuǎn)化為有用功輸出，在眾多領(lǐng)域均得到了廣泛的研究和應(yīng)用[3-9]。對(duì)于不同的應(yīng)用領(lǐng)域，選用不同結(jié)構(gòu)的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)或選取合適的有機(jī)工質(zhì)有助于提高能源的利用效率[10-14]。近年來(lái)，利用有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)回收內(nèi)燃機(jī)的余熱能受到了研究者的關(guān)注[15-18]。

雖然有很多學(xué)者研究利用有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)回收內(nèi)燃機(jī)的余熱能，但很少有學(xué)者考慮車用內(nèi)燃機(jī)變工況下的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)性能，更少有學(xué)者提出如何控制有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)車用內(nèi)燃機(jī)全工況范圍內(nèi)余熱能的高效回收利用。對(duì)于車用柴油機(jī)-有機(jī)朗肯循環(huán)聯(lián)合系統(tǒng)缺少有效的性能評(píng)價(jià)體系。

本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算分析了一臺(tái)車用柴油機(jī)變工況下排氣余熱的變化規(guī)律，以排氣余熱作為高溫?zé)嵩丛O(shè)計(jì)了一套帶回?zé)崞鞯挠袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)。針對(duì)車用柴油機(jī)-有機(jī)朗肯循環(huán)聯(lián)合系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱聯(lián)合系統(tǒng)）提出了余熱回收效率、發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提升率、單位工質(zhì)輸出能量密度3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究了車用柴油機(jī)變工況下有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行性能的變化特性，討論了變工況下聯(lián)合系統(tǒng)的運(yùn)行性能，分析了過(guò)熱度對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)描述

圖1是車用柴油機(jī)-有機(jī)朗肯循環(huán)聯(lián)合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。聯(lián)合系統(tǒng)主要由柴油機(jī)、蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、回?zé)崞?、冷凝器、?chǔ)液罐和工質(zhì)泵組成。有機(jī)工質(zhì)儲(chǔ)存在儲(chǔ)液罐中，工質(zhì)泵將有機(jī)工質(zhì)加壓后送入回?zé)崞?，有機(jī)工質(zhì)在回?zé)崞髦蓄A(yù)熱后進(jìn)入蒸發(fā)器，柴油機(jī)排氣在蒸發(fā)器中與有機(jī)工質(zhì)進(jìn)行換熱，吸熱后的有機(jī)工質(zhì)變?yōu)楦邷馗邏簹怏w后推動(dòng)膨脹機(jī)做功，膨脹后的有機(jī)工質(zhì)進(jìn)入回?zé)崞鲗⑹Ｓ酂崃總鬟f給液態(tài)有機(jī)工質(zhì)，膨脹放熱后的氣態(tài)有機(jī)工質(zhì)進(jìn)入冷凝器被冷卻為液態(tài)有機(jī)工質(zhì)并流回儲(chǔ)液罐。

采用純工質(zhì)R245fa作為有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的工作介質(zhì)[19-20]。表1給出了純工質(zhì)R245fa的基本物性，純工質(zhì)R245fa被眾多學(xué)者認(rèn)為是較為理想的有機(jī)工質(zhì)。

表1 R245fa基本物性Table 1 Main properties of R245fa

1.2 熱力學(xué)模型

圖2是帶回?zé)崞饔袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)溫熵圖。1-2是實(shí)際加壓過(guò)程，1-2s是等熵加壓過(guò)程，2-3是有機(jī)工質(zhì)在回?zé)崞髦械念A(yù)熱過(guò)程，3-4是等壓吸熱過(guò)程，4-5s是等熵膨脹過(guò)程，4-5是實(shí)際膨脹過(guò)程，5-6是有機(jī)工質(zhì)在回?zé)崞髦械姆艧徇^(guò)程，6-1是等壓冷凝過(guò)程，exh_in-exh_out是柴油機(jī)排氣在蒸發(fā)器中的放熱過(guò)程。1、2s、2、3、4、5、5s、6是帶回?zé)崞饔袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的各狀態(tài)點(diǎn)。

帶回?zé)崞饔袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)各個(gè)過(guò)程的換熱量和?損率的計(jì)算公式如下。

過(guò)程1-2

過(guò)程2-3和過(guò)程5-6

過(guò)程3-4

過(guò)程4-5

過(guò)程6-1

帶回?zé)崞饔袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的凈輸出功率由式（12）計(jì)算

此外，為了評(píng)價(jià)聯(lián)合系統(tǒng)的運(yùn)行性能，提出了余熱回收效率（WHRE）、發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提升率（ETEIR）和單位工質(zhì)輸出能量密度（OEDWF）3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)分別由式（13）～式（15）計(jì)算。

計(jì)算分析時(shí)做出如下假設(shè)：

（1）忽略系統(tǒng)各部件及管路中的熱損失和壓力損失；

（2）蒸發(fā)壓力為2.0 MPa，冷凝溫度為308 K；

（3）過(guò)熱度在10～40 K之間變化，間隔為10 K；

（4）回?zé)崞鞯挠行Ф葹?.9，膨脹機(jī)和工質(zhì)泵的等熵效率均為0.8；

（5）柴油機(jī)排氣為有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的高溫?zé)嵩矗蜏責(zé)嵩吹臏囟鹊扔?00 K，環(huán)境溫度為293 K。

2 柴油機(jī)排氣余熱

車用柴油機(jī)通常在變工況下運(yùn)行，其排氣余熱隨其運(yùn)行工況變化。要想實(shí)現(xiàn)變工況下車用柴油機(jī)排氣余熱的高效回收利用，需要對(duì)柴油機(jī)排氣余熱的變化規(guī)律進(jìn)行研究。選用一臺(tái)6缸4沖程車用柴油機(jī)進(jìn)行研究，表2是此臺(tái)柴油機(jī)的基本技術(shù)參數(shù)。

表2 柴油機(jī)基本技術(shù)參數(shù)Table 2 Main parameters of diesel engine

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得此臺(tái)柴油機(jī)不同工況下的排氣溫度、燃油消耗率、進(jìn)氣量等，這些參數(shù)均隨柴油機(jī)的運(yùn)行工況變化。最大可用排氣余熱()可由式（16）計(jì)算。

式中，c為柴油機(jī)排氣的比定壓熱容，由式（17）計(jì)算；為柴油機(jī)的排氣質(zhì)量流量，等于柴油機(jī)的進(jìn)氣量與燃油消耗量之和，kg·s-1；exh_in為柴油機(jī)排氣進(jìn)入蒸發(fā)器時(shí)的溫度，K；min為柴油機(jī)排氣通過(guò)蒸發(fā)器后能夠到達(dá)的最小溫度，K。

c=0.00025exh_in+0.99 (17)

圖3是變工況下車用柴油機(jī)最大可用排氣余熱的變化情況。隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的增加，最大可用排氣余熱逐漸增加。當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩為1200 N·m、轉(zhuǎn)速為2200 r·min-1時(shí)，最大可用排氣余熱可達(dá)293 kW。從表2可以得出此臺(tái)柴油機(jī)的額定功率為280 kW，所以對(duì)其排氣余熱進(jìn)行回收利用有助于實(shí)現(xiàn)燃油的高效利用。

3 結(jié)果及分析

研究表明，當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩大于300 N·m時(shí)，柴油機(jī)排氣與有機(jī)工質(zhì)之間窄點(diǎn)溫差通常出現(xiàn)在蒸發(fā)器的有機(jī)工質(zhì)側(cè)進(jìn)口處，即圖2所示的exh_out與3之間。當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩小于300 N·m時(shí)，柴油機(jī)排氣與有機(jī)工質(zhì)之間窄點(diǎn)溫差出現(xiàn)的位置可能發(fā)生變化，所以下述分析中將不討論柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩小于300 N·m的情況。

圖4是不同過(guò)熱度時(shí)柴油機(jī)不同工況下帶回?zé)崞饔袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)凈輸出功率的變化情況。隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的增加，帶回?zé)崞饔袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的凈輸出功率逐漸增加。這主要因?yàn)?，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的增加，柴油機(jī)最大可用排氣余熱增加。隨著過(guò)熱度的增加，帶回?zé)崞饔袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的凈輸出功率增加。因?yàn)槔淠郎囟群愣?，隨著過(guò)熱度的增加，蒸發(fā)溫度（膨脹機(jī)進(jìn)口溫度）增加，所以凈輸出功率增加。當(dāng)過(guò)熱度為40 K，柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩為1200 N·m、轉(zhuǎn)速為2200 r·min-1時(shí)，帶回?zé)崞饔袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的凈輸出功率最大，約為43.74 kW。

排氣余熱隨柴油機(jī)的運(yùn)行工況變化，為實(shí)現(xiàn)不同工況下排氣余熱的高效回收利用，應(yīng)根據(jù)排氣余熱的變化規(guī)律適當(dāng)調(diào)節(jié)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。圖5是不同過(guò)熱度時(shí)柴油機(jī)不同工況下有機(jī)工質(zhì)質(zhì)量流量的變化情況。當(dāng)過(guò)熱度相同時(shí)，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的增加，有機(jī)工質(zhì)質(zhì)量流量逐漸增加。這主要受柴油機(jī)排氣余熱的影響，當(dāng)柴油機(jī)運(yùn)行工況相同時(shí)，隨著過(guò)熱度的增加，有機(jī)工質(zhì)質(zhì)量流量逐漸減小。在該質(zhì)量流量下，發(fā)動(dòng)機(jī)各工況的排氣余熱回收效率均為最大值。

從圖4和圖5可以看出，當(dāng)柴油機(jī)運(yùn)行工況恒定時(shí)，隨著過(guò)熱度的增加，帶回?zé)崞饔袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的凈輸出功率逐漸增加，而有機(jī)工質(zhì)質(zhì)量流量卻逐漸減小。這說(shuō)明隨著過(guò)熱度的增加較小的有機(jī)工質(zhì)質(zhì)量流量可以輸出較大的功率。圖6是不同過(guò)熱度時(shí)單位工質(zhì)輸出能量密度（OEDWF）的變化情況。隨著過(guò)熱度的增加，單位工質(zhì)輸出能量密度逐漸增加。較大的單位工質(zhì)輸出能量密度有助于減少有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)中有機(jī)工質(zhì)的充裝量，可有效降低有機(jī)工質(zhì)的潛在泄漏量。

從上述分析可以得出，當(dāng)過(guò)熱度為40 K時(shí)，帶回?zé)崞饔袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的凈輸出功率和單位工質(zhì)輸出能量密度均到達(dá)最大值，所以下述分析只考慮過(guò)熱度為40 K的情況。

有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的熱效率只能用于評(píng)價(jià)有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸收熱量的利用程度，不能反映柴油機(jī)排氣余熱的回收利用程度，所以提出余熱回收效率（WHRE）評(píng)價(jià)指標(biāo)。圖7是過(guò)熱度為40 K時(shí)柴油機(jī)不同工況下余熱回收效率的變化情況。當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩的增加，余熱回收效率增加。當(dāng)柴油機(jī)輸出功率小于185.6 kW時(shí)，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，余熱回收效率的變化情況比較復(fù)雜；當(dāng)柴油機(jī)輸出功率大于185.6 kW時(shí)，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，余熱回收效率逐漸增加。當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩為1200 N·m、轉(zhuǎn)速為2200 r·min-1時(shí)，余熱回收效率最大，約為14.93%。余熱回收效率主要受柴油機(jī)排氣和帶回?zé)崞饔袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)凈輸出功率的影響。

為評(píng)價(jià)加裝帶回?zé)崞饔袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)后車用柴油機(jī)熱效率的改善程度，提出了發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提升率（ETEIR）評(píng)價(jià)指標(biāo)。圖8是過(guò)熱度為40 K時(shí)柴油機(jī)變工況下發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提升率的變化情況。當(dāng)柴油機(jī)輸出功率小于185.6 kW時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提升率的變化情況比較復(fù)雜；當(dāng)柴油機(jī)輸出功率大于185.6 kW時(shí)，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提升率逐漸增加。當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩為1200 N·m、轉(zhuǎn)速為2200 r·min-1時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提升率最大，約為13.58%。發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提升率主要受柴油機(jī)輸出功率和帶回?zé)崞饔袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)凈輸出功率的影響。

圖9是柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1600 r·min-1時(shí)，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化，帶回?zé)崞饔袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)各部件?損率的變化情況。隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩的增加，各部?損率均逐漸增加。當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩相同時(shí)，各部件?損率依次減小的順序?yàn)椋赫舭l(fā)器、膨脹機(jī)、冷凝器、回?zé)崞?、工質(zhì)泵。當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩較大時(shí)，蒸發(fā)器的?損率遠(yuǎn)大于其他4個(gè)部件的?損率。所以蒸發(fā)器性能的提高有助于帶回?zé)崞饔袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)性能的改善。

4 結(jié) 論

（1）相同柴油機(jī)工況下，隨著過(guò)熱度的增加，帶回?zé)崞饔袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的凈輸出功率、單位工質(zhì)輸出能量密度均逐漸增加；較大的單位工質(zhì)輸出能量密度有助于降低有機(jī)工質(zhì)的潛在泄漏量。

（2）柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩為1200 N·m、轉(zhuǎn)速為2200 r·min-1時(shí)、帶回?zé)崞饔袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的凈輸出功率、余熱回收效率、發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提升率均達(dá)到最大值，分別為43.74 kW、14.93%、13.58%。

（3）根據(jù)柴油機(jī)排氣余熱的變化規(guī)律，可調(diào)節(jié)有機(jī)工質(zhì)的質(zhì)量流量，以便實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)全工況范圍內(nèi)排氣余熱高效回收利用。

（4）當(dāng)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)矩較大時(shí)，蒸發(fā)器的?損率遠(yuǎn)大于其他部件的?損率，所以蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)及性能的改進(jìn)是影響有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。

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Waste heat organic Rankine cycle of vehicle diesel engine under variable working conditions

YANG Kai1, ZHANG Hongguang1, SONG Songsong1,2, YAO Baofeng1

(School of Environmental and Energy EngineeringBeijing University of TechnologyBeijingChina；Department of Automotive EngineeringChengde Petroleum CollegeChengdeHebeiChina

An organic Rankine cycle system with recuperator was designed for recycling waste heat of a vehicle diesel engine and R245fa was used as workingmedium. The change of waste heat from vehicle diesel engine under variableworkingconditions was studied. The operating performance of the organic Rankine cycle system with recuperator was analyzed under variableworkingconditions and the influence of degree of superheat on the organic Rankine cycle system with recuperator was discussed. Three evaluation indices, waste heat recovery efficiency (WHRE), engine thermal efficiency increasing ratio (ETEIR) and output energy density of working fluid (OEDWF) were presented for the vehicle diesel engine-organic Rankine cycle combined system. The net power output, WHRE and ETEIR could reach maximum values of 43.74 kW, 14.93% and 13.58%.

waste heat recovery; organic Rankine cycle; variableworkingconditions; thermodynamics process; evaporation; heat transfer

2014-07-24.

ZHANG Hongguang, zhanghongguang@bjut. edu. cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20141119

TK 406

A

0438—1157（2015）03—1097—07

北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（3152005）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51376011)；北京市教育委員會(huì)科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(KZ201410005003)；教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(3C005015201301)。

2014-07-24收到初稿，2014-12-01收到修改稿。

聯(lián)系人：張紅光。第一作者：楊凱（1987—），男，博士研究生。

supported by the Natural Science Foundation of Beijing (3152005), the National Natural Science Foundation of China (51376011)，the Scientific Research Key Program of Beijing Municipal Commission of Education (KZ201410005003) and the Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China (3C005015201301)