朗肯循環(huán)尾氣余熱回收系統(tǒng)試驗及性能研究

李廣華，高文志，趙 洋，高 峰，袁 偉

（1.天津大學(xué) 內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室，天津 300072；2.江蘇林海動力機械集團(tuán)有限公司，江蘇 泰州 225300；3.常熟理工學(xué)院 汽車工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

0 引言

隨著石油資源日益緊缺及環(huán)境污染日益加重，各國不斷收緊汽車燃油消耗及排放標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)能環(huán)保車輛開始受到人們的青睞。2015 年5 月《中國制造2025》更是明確了節(jié)能與新能源是汽車產(chǎn)業(yè)重點發(fā)展方向之一，對于已有百年歷史的內(nèi)燃機而言，想繼續(xù)保持其旺盛生命力，須在節(jié)能減排技術(shù)上有新突破。內(nèi)燃機燃料燃燒所產(chǎn)生的能量，僅有三分之一左右被有效利用，其余能量以冷卻液、機油及排氣能量等形式散失到大氣中，其中排氣散失能量約占三分之一，且能量品位相對較高。因此，針對內(nèi)燃機余熱能高效轉(zhuǎn)化利用[1-2]是近年來研究熱點，其中采用熱力循環(huán)方法進(jìn)行排氣熱能有效利用頗受關(guān)注。近年來利用朗肯循環(huán)方法進(jìn)行排氣熱能回收[1，3-6]進(jìn)行了較為廣泛的理論研究。

水工質(zhì)朗肯循環(huán)回收系統(tǒng)的工作原理及評價指標(biāo)。針對某2.0L 汽油機搭建了朗肯循環(huán)余熱回收試驗系統(tǒng)，在4 種不同工況進(jìn)行試驗，得到了回收系統(tǒng)尾氣經(jīng)過蒸發(fā)器后溫度、壓力變化情況以及膨脹機輸出性能。最后進(jìn)行回收系統(tǒng)能量分析，指明提高回收系統(tǒng)熱效率主要方向。

1 回收系統(tǒng)工作原理及評價指標(biāo)

基于工質(zhì)水的朗肯循環(huán)汽油機尾氣余熱回收系統(tǒng)，包括四部分主要設(shè)備——蒸發(fā)器、膨脹機、冷凝器、工質(zhì)泵。尾氣進(jìn)入蒸發(fā)器對高壓水加熱，使其過熱，再進(jìn)入膨脹機膨脹對外發(fā)電，排出乏汽進(jìn)入冷凝器冷凝，進(jìn)入工質(zhì)箱，工質(zhì)箱內(nèi)水工質(zhì)經(jīng)水泵加壓再次進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)。其T-S 工作過程可以簡化成圖2：在膨脹機內(nèi)定熵膨脹做功過程1→2；冷凝器內(nèi)定壓冷凝過程2→3；工質(zhì)泵定熵壓縮過程3→4；蒸發(fā)器內(nèi)由液態(tài)-飽和蒸汽-過熱蒸汽的定壓吸熱過程4→5→6→1；蒸發(fā)器內(nèi)尾氣放熱過程in-out，如圖1 所示。

圖1 朗肯循環(huán)余熱回收結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 朗肯循環(huán)溫-熵圖

1.1 系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的工作過程

工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)經(jīng)歷定壓加熱過程（過程4-1 吸熱量為Q1）、絕熱膨脹做功過程（過程1-2 做功WTi）、冷凝器內(nèi)冷凝放熱過程（過程2-3 放熱量Q2）、在工質(zhì)泵中壓縮過程（過程3-4 消耗泵功Wp）。根據(jù)熱力學(xué)原理可算出每一段熱量及做功情況。

1.2 回收系統(tǒng)性能評價指標(biāo)

（1）功率提高率φ

為了表明回收系統(tǒng)回收能力，定義系統(tǒng)功率提高率φ為膨脹機軸功率Wa與汽油機輸出功率Pe之比，表達(dá)式如下：

2 余熱回收系統(tǒng)試驗布置方案

余熱回收試驗系統(tǒng)布置如圖3 所示。蒸發(fā)器在汽油機三效催化轉(zhuǎn)化器之后，發(fā)動機的排氣管采用覆蓋玻璃纖維以及鋁箔紙以減少對流換熱損失，經(jīng)改造后排氣管與蒸發(fā)器相連。膨脹機一端與高壓水泵同軸聯(lián)接，另一端與發(fā)電機相連接。蒸發(fā)器為流式蒸發(fā)器。系統(tǒng)臺架如圖4 所示。當(dāng)汽油機在某一工況運行時，首先啟動膨脹機，將一定流量和壓力工質(zhì)水泵入蒸發(fā)器內(nèi)與尾氣進(jìn)行熱交換，一定過熱的蒸汽進(jìn)入膨脹機，在缸內(nèi)膨脹開始對外作功，帶動發(fā)電機對外發(fā)電，做功后乏汽進(jìn)入冷凝器，經(jīng)冷凝后進(jìn)入工質(zhì)箱準(zhǔn)備下一個循環(huán)。尾氣經(jīng)蒸發(fā)器出口排向大氣。

圖3 朗肯循環(huán)尾氣回收試驗系統(tǒng)

圖4 試驗臺架

3 試驗測試采集及結(jié)果分析

測試采集系統(tǒng)如圖5 所示。從圖5 看到，壓力傳感器分別布置在蒸發(fā)器進(jìn)出口兩端和膨脹機缸蓋上，用來測量尾氣經(jīng)過蒸發(fā)器后壓力變化和膨脹機缸內(nèi)瞬時壓力情況；溫度傳感器分別測量水箱中、蒸發(fā)器前、膨脹機進(jìn)口處的溫度及尾氣進(jìn)入蒸發(fā)器前、后的溫度。另設(shè)置轉(zhuǎn)速傳感器、功率表及油耗儀來分析回收系統(tǒng)對汽油機性能影響。

圖5 試驗測試系統(tǒng)布置圖

3.1 汽油機參數(shù)變化情況

選取4 個汽油機工況，汽油機尾氣經(jīng)過蒸發(fā)器前、后溫度有明顯的降低，見表1。系統(tǒng)在4 種工況下運行時，尾氣經(jīng)過蒸發(fā)器前、后壓力的變化，其最大壓差為14 kPa，最小壓差為6.1 kPa，對汽油機運行性能影響不大。

表1 汽油機尾氣經(jīng)過蒸發(fā)器前、后溫度變化

3.2 膨脹機參數(shù)變化及輸出性能

實驗測得4 個工況下膨脹機部分性能參數(shù)，見表2。由表2 可知，隨著汽油機功率升高，尾氣溫度和質(zhì)量流量隨之增加，工質(zhì)作功能力增加，膨脹機轉(zhuǎn)速增大，系統(tǒng)回收指示功率由1.64 kW 顯著增加到5.04 kW，但其軸功率由1.61 kW 增加到2.78 kW 增加幅度逐漸減小，這是由于膨脹機轉(zhuǎn)速升高，機械效率逐漸降低而導(dǎo)致的。

表2 膨脹機部分性能參數(shù)情況

3.3 回收系統(tǒng)能量利用評價

依據(jù)熱力學(xué)原理計算出4 種工況下朗肯循環(huán)系統(tǒng)中尾氣熱量回收利用情況（圖6），尾氣放熱量和汽油機功率相當(dāng)，而最大可用能損失幾乎在汽油機功率的一半以上。增加回收系統(tǒng)后，隨汽油機功率增大，放出總熱量由20 kW 增大到40 kW，由于蒸發(fā)器存在一定熱損失，工質(zhì)水在蒸發(fā)器中吸收熱量分別由17.6 kW 增長到28.1 kW。尾氣進(jìn)出口火用差由12.7 kW增加到27.7 kW。

圖6 回收系統(tǒng)內(nèi)能量/功率對比關(guān)系

（1）功率提高率

根據(jù)式（1）四個工況下功率提高率為3.6%到4.72%不等，表明該廢熱回收系統(tǒng)在一定程度上有效地提高了汽油機輸出功率。該系統(tǒng)具有實際應(yīng)用的可行性。

（2）余熱回收系統(tǒng)熱效率

圖7 是回收系統(tǒng)各效率情況，回收系統(tǒng)熱效率不僅與朗肯循環(huán)熱效率相關(guān)，還與廢氣實際利用率及膨脹機絕熱效率相關(guān)。實驗結(jié)果表明，朗肯循環(huán)熱效率及膨脹機絕熱效率均呈增大趨勢，分別由19.45%逐漸增大到32.33%，47.95%增加到55.45%，其中膨脹機絕熱效率并不高，還有很大提升空間。而廢氣實際利用率由41.93%逐漸降低到32.38%，這是由于蒸發(fā)器效率及散熱損失原因，工質(zhì)吸熱量增加幅度小于尾氣總放熱量增加值。膨脹機機械效率也呈下降趨勢。因此回收系統(tǒng)實際熱效率隨汽油機功率增加由3.91%增長到5.8%，增長幅度逐漸變小。因此提高蒸發(fā)器效率，降低熱損失，提高膨脹機絕熱效率和機械效率是提高系統(tǒng)熱效率主要方向。

圖7 回收系統(tǒng)內(nèi)各效率對比

4 結(jié)語

汽油機尾氣經(jīng)過蒸發(fā)器后溫度大大降低，排氣背壓變化不大，對汽油機運行影響不大，膨脹機回收軸功率由1.61 kW 增加到2.78 kW，相當(dāng)于汽油機功率增加3.6% ～ 4.72%，該朗肯循環(huán)系統(tǒng)在回收內(nèi)燃機尾氣方面有很大潛力。余熱回收系統(tǒng)能量分析表明，提高系統(tǒng)總性能應(yīng)該綜合考慮朗肯循環(huán)效率、膨脹機絕熱效率和機械效率、蒸發(fā)器中尾氣廢熱利用率等方面因素進(jìn)行優(yōu)化。