柴油机工况对中温有机朗肯循环性能影响探讨

论文导读:：图1为中温有机朗肯循环余热回收系统示意图。中温有机朗肯循环系统介绍。
论文关键词：余热回收，有机朗肯循环，车用柴油机工况

　　引言
　　随着我国汽车行业的飞速发展，对汽车的节能与环保问题的关注程度不断提高。基于有机朗肯循环（Organic-fluid Rankine Cycle,ORC）的车用发动机余热回收系统可以在不改动原车发动机的前提下，通过在车上加装ORC系统，达到回收发动机排气余热的目的，间接提高发动机燃油利用率，降低排气温度，因此受到越来越多的关注[1-4]。
　　ORC系统的工质特性、运行压力、工质质量流量、换热器结构、膨胀器特性等参数对系统效率有重要影响，很多研究者对此做了深入的研究[5-10]。本文旨在探讨在ORC运行参数与结构参数不变的条件下，柴油机工况(排气温度和排气流量)对ORC系统效率的影响。
　　1．中温有机朗肯循环系统介绍
　　图1为中温有机朗肯循环余热回收系统示意图。其中实线部分为发动机进排气系统，虚线为中温有机朗肯循环系统。
　　在进排气系统中，空气首先经过压气机压缩后在中冷器中冷却机械论文，随后进入发动机气缸中与燃油混合并燃烧膨胀做功，做功后的排气随后进入涡轮并通过涡轮轴对压气机做功；经涡轮排出的高温废气首先通过中温过热器对中温循环工作流体进行加热并使其达到过热状态，然后通过中温蒸发器使中温循环工作流体蒸发，低温排气最终排入大气中。
　　

　　图1. 中温有机朗肯循环余热回收系统示意图
　　Fig.1 Schematic diagram of the medium temperature
　　ORC waste heat recovery system
　　在中温有机朗肯循环中，低温低压的中温循环工作流体在经过泵加压后进入中温蒸发器中蒸发吸热，然后进入中温过热器中过热，随后高温高压的工作流体在中温膨胀器中膨胀做功，做功后的乏气通过中温冷凝器冷凝至常温状态并返回至压缩泵，从而完成整个循环。
　　本文的有机朗肯循环余热回收系统采用R123作为工作流体。该工质具有循环效率高、临界温度和压力低、粘性小、表面张力小、导热性好、热稳定性好等特点论文怎么写。而且，其在热交换单元中具有中等蒸汽压力，与发动机材料及润滑匹配性较好，不腐蚀、非易燃、毒性小、成本较低，能较好满足柴油机余热回收要求。
　　2．系统设计计算方法
　　图2. 中温有机朗肯循环流程图
　　Fig.2 Schematic diagram of the medium temperature ORC
　　图2为中温有机朗肯循环流程图。其中实线代表柴油机涡轮后排气，虚线代表有机工质。图中出现的符号注释如下：
　　1:涡轮后排气； 2:过热器后排气；
　　3:蒸发器后排气； 4:压缩泵后工质；
　　5:蒸发器后工质； 6:过热器后工质；
　　7:膨胀器后工质； 8:冷凝器后工质；
　　a:蒸发器；b:过热器；
　　c:膨胀器；d:冷凝器；
　　e:压缩泵
　　2.1工况选择
　　在中温有机朗肯循环系统中，放热侧为排气侧，吸热侧为有机工质侧。
　　对排气侧，发动机全负荷时的试验测量结果如表1所示，不同负荷下的排气温度随发动机转速的变化曲线如图3所示。在进行系统设计时，分别选取涡轮后排气温度为470℃和400℃时的两种工况进行设计计算，排气流量都取0.418kg/s，排气压力为0.1MPa。
　　表1．发动机全负荷试验测量结果
　　Tab.2 Test results of the engine under full load
　　

图3.涡轮后排气温度随发动机转速变化曲线图
　　Fig.3 Effect of engine rotating speed and load on
　　exhaust temperature
　　对有机工质侧，朗肯循环中循环压力越高则余热回收系统效率越高[10]，同时考虑压力过高所带来的系统密封及制造成本等问题机械论文，因此在本次设计中取朗肯循环循环压力为3MPa，该压力处于工质R123的亚临界压力范围。此压力下的R123部分特性参数如表2所示。
　　表2．R123部分特性参数表（3.0MPa）
　　Tab.2 Characteristics of R123 (under 3.0MPa)
　　

2.2确定最佳工质流量
　　根据文献10中3.3节部分的计算方法，得到不同有机工质流量下的系统效率变化曲线，依据系统效率最高原则分别确定两种排气温度下的最佳工质流量分别为0.37kg/s和0.274kg/s。
　　由此确定两种设计方案的已知条件为：
　　表3. 系统设计已知参数
　　Tab.3 Known parameters for the system design
　　

2.3换热器设计
　　根据上述已知条件设计蒸发器和过热器，两种方案均采用管壳式换热器，光管，得到的换热器具体结构及参数如表4所示。
　　表4.换热器参数
　　Tab.4 Heat exchangers parameters
　　

2.4发动机变排气温度计算
　　本节主要讨论在发动机排气流量一定条件下，改变排气温度对朗肯循环系统的影响。计算中，以有机工质R123的最高稳定温度为约束限制排气温度的范围。根据发动机实际运行工况，可分以下几种情况进行讨论。
　　2.4.1排气温度低于设计点
　　在此状况下，有机工质在蒸发器中将不能完全蒸发，设蒸发率为x，则可列方程组（1）：
　　 (1)
　　其中：
　　T:温度，℃；P:压力，MPa；
　　K:换热系数，kJ/(kg.K.m2)；A:面积，m2；
　　:排气流量，kg/s；:工质流量，kg/s；
　　:换热量，kW；:比焓，kJ/kg。
　　下角标分别对应图2中的符号注释。
　　此时，T5为蒸发器后工质温度，即30MPa压力下R123的沸点171.3℃机械论文，由上述方程组可解出。
　　2.4.2排气温度高于设计点
　　在此状况下，有机工质在蒸发器中将完全蒸发并达到过热状态，则可列方程组（2）：
　　 (2)
　　由上述方程可解出。
　　2.5结果对比
　　通过上述计算，得到两种方案的计算结果如下：
　　
　　图4.不同排气温度下蒸发率变化曲线
　　Fig.4 Effect of exhaust temperature on evaporation rate
　　图4为两种方案的蒸发率与排气温度变化曲线。从图中可以看出，当排气温度高于设计点对应的排气温度时，蒸发率均保持为1；当排气温度低于设计点对应排气温度时，蒸发率单调降低。
　　 　　
　　5a.方案一
　　5a. Program one
　　
　　5b.方案二
　　5b. Program two
　　图5.不同排气温度下各节点温度变化曲线
　　Fig.5 Effectof exhaust temperature on node temperature
　　图5a和5b分别为两种方案下，系统各节点温度随排气温度变化曲线论文怎么写。从图中可以看出，在两种方案下，当排气温度低于设计点对应温度时，蒸发器后工质温度T5均为有机工质的沸点温度，当排气温度高于设计点对应温度时，T5单调增加，即在蒸发器中已发生过热；过热器后工质温度T6在设计点处温度最低，这是因为当排气温度高于设计点时，排气可提供能量增加，但有机工质质量流量没变，因此有机工质的过热度升高，既表现为温度T6随着排气温度的升高单调升高。而当排气温度低于设计点时，由于蒸发器中的有机工质蒸发率逐渐降低，在过热器中过热的工质流量降低，且蒸发率降低的斜率高于排气温度降低造成的过热器换热量降低的斜率，因此设计点以下时的温度T6随排气温度的降低而单调升高；对膨胀器后工质温度T7机械论文，由于计算中取膨胀器绝热效率为定值0.7，因此其变化规律与T6相似。
　　
　　图6.不同排气温度下朗肯循环效率变化曲线
　　Fig.6 Effectof exhaust temperature on ORC efficiency
　　图6为不同排气温度下的朗肯循环效率变化曲线。从图中可以看出，在两种方案下，当排气温度高于设计点对应排气温度时，其效率维持在15%附近；当排气温度降低后，循环效率单调下降，其中方案一在排气温度降到360℃时朗肯循环效率降为5%，方案二在排气温度320℃附近时循环效率降至5%。
　　
　　图7.不同排气温度下中温朗肯循环输出功变化曲线
　　Fig.7 Effectof exhaust temperature on ORCoutput power
　　图7为不同排气温度下，中温朗肯循环输出功的变化曲线。从图中可以看出，当排气温度低于440℃时，相同排气流量下，方案二的输出功总是大于方案一；当排气温度高于440℃时，相同排气流量下，方案一输出功高于方案二；方案一的适用排气温度范围为[360℃,500℃]，方案二的为[300℃,480℃]，相比而言方案二的适用范围更广。之所以出现上述适用范围上的不同，是由工质的自身特性及系统效率综合造成的。由于R123工质存在最高稳定温度，在计算最高可适排气温度时，工质在蒸发器中都是完全蒸发过热，且方案二的工质流量比方案一的小，因此方案二的可适最高排气温度低于方案一；最低排气温度则受限于系统效率，当排气温度低到一定程度，工质蒸发率将接近与零机械论文，此时的余热回收系统将失去意义。
　　结合图4-7可以看出，方案二的排气适用范围较方案一更为广阔，且在350℃-490℃的排气温度范围内朗肯循环效率均保持在10%以上，输出功的变化曲线较方案一更为平坦。因此在下面的计算中将采用方案二的换热器设计结果。
　　3．变工况计算与结果分析
　　根据本文2节中的计算结果，确定了中温有机朗肯循环的蒸发器和过热器结构参数，本文据此对不同排气温度和排气流量下的朗肯循环余热回收系统变化规律进行了计算和分析，计算说明和具体计算结果如下。
　　3.1计算说明
　　计算中，以有机工质R123允许达到的最高稳定温度327℃为约束限制排气温度和排气流量的上下限。
　　3.2计算结果与说明
　　
　　图8.蒸发率随排气流量及排气温度变化曲线
　　Fig.8 Effectof mass flow rates on evaporation rate with different exhaust temperature
　　图8为不同排气温度下，有机工质在蒸发器中的蒸发率随排气流量变化曲线。如图可见，当排气温度高于400℃时，各排气温度下蒸发率为1时对应的最小排气流量随着排气温度的升高而不断降低；当排气温度低于400℃、高于300℃时，各排气温度下的蒸发率始终小于1，且在相同排气流量下，排气温度越低其对应的工质蒸发率越小；当排气温度低于300℃时，全排气流量范围内的蒸发率接近于0，即由于排气能量过低从而不会有工质在蒸发器中蒸发。
　　
　　图9.温度T3随排气流量及排气温度变化曲线
　　Fig.9 Effectof mass flow rates on T3 with
　　different exhaust temperature
　　图9为不同排气温度下，最终排气温度T3随排气流量变化曲线。从图中可以看到，当排气温度高于400℃时，大排气流量区域对应的排气最终温度T3会高于200℃，且排气流量越大、T3越高。这是因为固定流量的有机工质其吸热能力有限，工质吸热后的最高温度T6不能超过327℃，因此排气的放热量存在一个极大值，从而造成在某些工况下出现温度T3高于设计时要求的200℃的情况。此外机械论文，当排气温度T1低于400℃时，各排气温度下的T3总是随着排气流量的升高而升高。
　　
　　图10.朗肯循环效率随排气流量及排气温度变化曲线
　　Fig.10 Effect of mass flow rates on ORC efficiency withdifferent exhaust temperature
　　图10为不同排气温度下，中温有机朗肯循环效率随排气流量变化曲线。如图所示，当排气温度高于400度时，循环效率先随着排气流量的增加而增大，在工质蒸发率达到1后，效率保持在15%附近；当排气温度小于等于400℃时，循环效率总是随着排气流量的升高而单调增加论文怎么写。在相同排气流量下，排气温度越高则朗肯循环效率越高。
　　
　　图11.朗肯循环输出功随排气温度及排气流量变化曲线
　　Fig.11 Effect of mass flow rates on output power with
　　different exhaust temperature
　　图11为不同排气温度下，朗肯循环输出功率与排气流量的变化关系曲线。其在各个排气温度下的变化规律一致，即循环输出功总是随着排气流量的增加而单调增加；在相同排气流量下，输出功随排气温度的升高而增加。
　　此外，从图8-11中还可看出，在不同排气温度下的排气流量范围不同。排气温度最低可至300℃，此时排气流量需超过0.4kg/s系统效率才不为零，可用排气流量范围最窄；排气温度最高可至480℃，若排气温度超过480，有机工质在过热器后的温度将超过其最高稳定温度327℃（此时可以通过放气阀降低排气流量来防止工质超温）。480℃时的可用排气流量范围为0.24~0.418kg/s，可用排气范围最广。
　　4．结论
　　 通过本文的研究，可以得到如下结论：
　　(1)在对中温有机朗肯循环进行设计计算时，选择中高工况而不选择标定点时的排气温度作为设计点进行设计可以拓宽系统适用范围，更好的顾及发动机中低工况。
　　(2)不同排气温度下，适用于中温朗肯循环系统的排气流量范围不同。排气温度越高机械论文，该范围越广；排气温度越低，该范围越窄。在本文计算中，当排气温度低于300℃时，朗肯循环系统无效。
　　(3)通过合理选择设计点-优化设计换热器，可以使有机朗肯循环余热回收系统在发动机中高工况时的效率保持在10%以上，最高可达15%，余热回收效果明显。
　　本文采用基于有机朗肯循环(ORC)的余热回收系统对重型车用柴油机排气余热进行回收，采用两种设计方案进行了换热器设计，并对变工况条件下的有机朗肯循环系统进行了计算，其结果证明采用有机朗肯循环系统对重型柴油机余热进行回收可以提高汽车的有效输出功，提高燃油经济性，同时降低排气排入大气时的温度，降低了汽车的热污染效应。

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