利用有機朗肯循環回收柴油機尾氣余熱

0發動機余熱回收技術隨著中國汽車產業的快速發展，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%的燃料能量才能轉化為機器，其他熱量通過大氣和海水排入環境。近些年對發動機油氣混合和燃燒過程這兩方面的研究已經不能滿足發動機未來燃油經濟性的目標要求,如果能將發動機廢熱有效利用,將會提高發動機的燃油經濟性,降低發動機油耗。近幾年,隨著國際油價的飛速上漲,采用朗肯循環回收發動機余熱是國際汽車行業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工質,采用雙循環系統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研究。國內對發動機余熱利用也進行了一些研究,如西安交通大學對汽油發動機尾氣和冷卻水的余熱回收利用并對朗肯循環的工質進行了篩選,北京理工大學對采用R123作為循環工質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采用R245fa作為朗肯循環的工質,對某車用柴油機尾氣熱量進行回收。1蒸發器與尾氣柴油機尾氣余熱回收系統如圖1所示,其工作過程為:工質由狀態1經過液壓泵壓縮變為狀態2高壓液體,高壓液體進入蒸發器吸收發動機尾氣的熱量變為狀態3高壓蒸汽,高壓蒸汽3進入膨脹機膨脹變為狀態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,蒸發器中的發動機尾氣則由狀態5變為狀態6。本文選取R245fa作為有機朗肯循環的循環工質,其特點為:不易燃、不破壞臭氧層、低沸點等,其物性參數如表1所示。2系統理論分析圖2為R245fa朗肯循環T-s圖,其中實線為理想循環,虛線表示考慮到液壓泵和膨脹機不可逆損失的朗肯循環。2.1剩余回收系統可以分析泵的功能蒸發器換熱量:膨脹機輸出功:冷凝器換熱量:循環熱效率:2.2剩余熱回收系統的火災分析柴油機尾氣火用:系統火用效率:蒸發器火用損失:膨脹機火用損失:冷凝器火用損失:液壓泵火用損失:余熱回收系統各組件的火用損失率:3發動機轉速和全負荷本文對某發動機不同工況下的排氣溫度和排氣流量進行測量,該發動機主要參數如表2所示。圖3,4為發動機在不同轉速、負荷下的排氣溫度和排氣流量測試結果,由圖可知,隨著發動機負荷的增加,發動機的排氣溫度和質量流量也隨之增加。由圖3可見,當發動機轉速為1400r/min時,由于發動機進氣量相對不足,所以發動機排氣溫度普遍較高。本文計算時設定余熱回收系統蒸發器尾氣進口溫度為發動機排氣溫度、出口溫度為150℃,朗肯循環工質冷凝溫度為40℃,蒸發器和冷凝器參數可變。基于MATLAB和物性參數軟件REF-PROP,分別對發動機最高轉速、全負荷下朗肯循環的熱效率;不同轉速和負荷下余熱回收系統的火用效率、系統各組件的火用損失率和余熱回收系統的輸出凈功進行了計算和分析。3.1蒸發壓力對循環效率的影響設定發動機工況為2100r/min、100%負荷,蒸發器吸熱量一定。圖5為工質蒸發壓力在亞臨界區域時,不同蒸發壓力下,膨脹機進口工質狀態由飽和蒸汽變為過熱蒸汽時的朗肯循環熱效率。由圖5可見,隨著蒸發壓力的增大,朗肯循環的效率也隨之增大,這是因為當蒸發壓力提高時,蒸發壓力對應的蒸發溫度也隨之提高,循環的平均溫差增大,故循環效率提高。當蒸發壓力一定時,減小循環工質的質量流量,則膨脹機進口溫度隨之提高,但循環熱效率的變化范圍僅為1%,因此,蒸發壓力是決定循環熱效率高低的關鍵因素,而工質過熱度對循環熱效率影響不大。由圖5可見當蒸發壓力為3.5MPa、膨脹機進口狀態為飽和蒸汽時,朗肯循環的熱效率低于蒸發壓力為3MPa、相同膨脹機進口溫度下朗肯循環的熱效率,這是由循環工質的熱力學性質所決定的,如圖6所示,當蒸發壓力接近工質臨界壓力時,隨著蒸發壓力的增大,R245fa飽和蒸汽的焓值逐漸減小,從而使循環效率略有降低。3.2余熱回收系統各組件火用損失率當發動機工況改變時,改變余熱回收系統工質流量,使膨脹機進口工質壓力為3.5MPa、溫度為440K,此時發動機不同工況下余熱回收系統的火用效率如圖7所示。由圖7可知,當發動機在低負荷工況運行時,余熱回收系統的火用效率隨著發動機負荷的增加而逐漸增大,而在發動機中高負荷下,系統火用效率變化曲線趨于平緩且火用效率略有降低。圖8~11為發動機不同工況下余熱回收系統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器>冷凝器>膨脹機>液壓泵,并且蒸發器中的火用損失率最大,其火用損失率在54%以上。致使蒸發器火用損失較大原因主要是:第一,蒸發器中的尾氣和工質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只回收了大于150℃的發動機尾氣熱量,低于150℃的尾氣能量直接排入大氣中而沒有回收利用。當發動機在低負荷狀態運行時,發動機排氣溫度較低,余熱回收系統蒸發器出口的尾氣火用占發動機排氣火用的比例較大,所以蒸發器火用損失率較高,隨著發動機負荷的增加,發動機排氣溫度上升,蒸發器火用損失率減小,但是蒸發器傳熱溫差的增大使得蒸發器在發動機高負荷狀態下火用損失率略有增大。冷凝器中工質與環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不同發動機工況下余熱回收系統凈輸出功圖12為膨脹機工質進口狀態為3.5MPa、440K時,發動機不同工況下余熱回收系統的輸出凈功。當發動機工況為2100r/min、100%負荷時,余熱回收系統凈輸出功最高,達到18.7kW。隨著發動機負荷的減小,發動機排氣溫度和質量流量減小,余熱回收系統輸出凈功也隨之減小。4尾氣余熱回收系統的回收效果(1)本文采用R245fa作為尾氣余熱回收系統的循環工質。蒸發壓力是影響朗肯循環效率的主要參數,工質過熱度對循環效率影響較小。(2)提高蒸發壓力,可以減小蒸發器的傳熱溫差,從而降低火用損失率。但蒸發壓力的提高使得余熱回收系統無法對發動機低溫尾氣熱量進行回收,如對發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境中的尾氣火用,從而提高整個余熱回收系統的火用效率。(3)尾氣余熱回收系統回收效果顯著,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為系統輸出凈功,kW;mf為工質質量流量,kg/s;me為尾氣質量流量,kg/s;ηp為液壓泵等熵效率;ηex為膨脹機等熵效率;ηORC為循環熱效率;ηexergy為系統火用效