中溫有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)效率研究

發(fā)動(dòng)機(jī)余熱回收隨著汽車產(chǎn)量的增加，汽車消耗的能源也在增加。同時(shí),由于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率很低,只能將約30%的燃油能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能,其它的燃油能量則通過(guò)冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)以及排氣耗散到大氣中,因此,若能通過(guò)有效途徑對(duì)該部分發(fā)動(dòng)機(jī)余熱加以回收利用,將對(duì)汽車的節(jié)能環(huán)保、提高汽車燃油利用率十分有益。采用基于有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)的蒸汽動(dòng)力裝置回收發(fā)動(dòng)機(jī)余熱能量是能量回收的一種有效途徑,即以發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水和排氣作為熱源,有機(jī)工作流體受熱蒸發(fā)產(chǎn)生蒸汽,后進(jìn)入膨脹器膨脹做功,然后進(jìn)入冷凝器凝結(jié)成液體從而完成循環(huán)。在國(guó)外,早在上世紀(jì)70年代能源危機(jī)時(shí)就曾提出過(guò)在公路車輛,特別是重型卡車上采用朗肯循環(huán)。能源危機(jī)過(guò)后,對(duì)余熱回收的研究集中在固定柴油機(jī)和船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī),以及客車用空調(diào)系統(tǒng)上。近年來(lái),由于燃油價(jià)格的上漲,康明斯公司重新提出在重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用基于朗肯循環(huán)的余熱回收系統(tǒng)。類似的,李斯特(AVL)公司以及寶馬(BMW)公司也在采用朗肯循環(huán)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)余熱進(jìn)行回收方面展開研究,其中寶馬公司將其應(yīng)用到小型轎車上,并進(jìn)一步提出了朗肯雙循環(huán)系統(tǒng):針對(duì)寶馬3系列汽車使用的1.8L、4缸發(fā)動(dòng)機(jī),研制了帶有基于朗肯循環(huán)的余熱回收系統(tǒng);試驗(yàn)結(jié)果顯示,發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性、輸出功率及轉(zhuǎn)矩分別提高了15%、10kW和20N·m。可以看到,運(yùn)用朗肯循環(huán)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)余熱進(jìn)行回收是提高燃油經(jīng)濟(jì)性的有效途徑。筆者以某重型車用柴油機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對(duì)排氣流量不變、溫度為370～470℃的渦輪后排氣余熱進(jìn)行回收,采用R123作為有機(jī)工質(zhì),并通過(guò)膨脹器輸出機(jī)械功。1中溫循環(huán)和低溫循環(huán)為有效利用柴油機(jī)余熱,設(shè)計(jì)了有機(jī)朗肯雙循環(huán)系統(tǒng),一個(gè)為中溫朗肯循環(huán)系統(tǒng),另一個(gè)為低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng),其中中溫循環(huán)主要回收溫度較高的柴油機(jī)排氣余熱,低溫循環(huán)主要回收溫度較低的柴油機(jī)冷卻水熱量。每個(gè)循環(huán)中都包括蒸發(fā)器、過(guò)熱器、膨脹器、冷凝器和液壓泵。1.1齒輪進(jìn)入齒輪柴油機(jī)中溫有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)流程如圖1所示。空氣首先經(jīng)過(guò)壓氣機(jī)壓縮后在中冷器中冷卻,隨后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中與燃油混合并燃燒膨脹做功,做功后的排氣隨后進(jìn)入渦輪并通過(guò)渦輪軸對(duì)壓氣機(jī)做功;經(jīng)渦輪排出的氣體首先通過(guò)中溫過(guò)熱器對(duì)中溫循環(huán)工作流體進(jìn)行加熱并使其達(dá)到過(guò)熱狀態(tài),然后全部通過(guò)中溫蒸氣發(fā)生器并最終排入大氣。液態(tài)的中溫循環(huán)工作流體在中溫壓縮泵中加壓,然后液態(tài)、高壓的中溫循環(huán)工作流體在中溫蒸氣發(fā)生器中被加熱蒸發(fā)并通過(guò)中溫過(guò)熱器被柴油機(jī)排氣加熱到過(guò)熱狀態(tài),隨后在中溫膨脹器中膨脹做功,做功后的乏氣在中溫冷凝器中冷凝為液體,再經(jīng)中溫壓縮泵加壓后流回中溫蒸氣發(fā)生器。1.2有機(jī)工質(zhì)s123通過(guò)對(duì)比多種有機(jī)工質(zhì),選用R123作為中溫朗肯循環(huán)工作流體。其部分特性如表1所示,溫熵示意見圖2。有機(jī)工質(zhì)R123具有循環(huán)效率高、臨界溫度和壓力低、黏性小、表面張力小、導(dǎo)熱性好和熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。而且,其在熱交換單元中具有中等蒸氣壓力,與發(fā)動(dòng)機(jī)材料及潤(rùn)滑匹配性較好,不腐蝕、非易燃、毒性小和成本較低,能較好滿足柴油機(jī)余熱回收要求。2液壓泵及工質(zhì)壓縮過(guò)程圖3為中溫朗肯循環(huán)流程示意,實(shí)線代表柴油機(jī)渦輪后排氣,虛線代表有機(jī)工質(zhì),并假定系統(tǒng)處于穩(wěn)定工況。1)在蒸發(fā)器中,對(duì)應(yīng)排氣的等壓冷卻過(guò)程2～3和有機(jī)工質(zhì)在蒸氣發(fā)生器中的等壓加熱過(guò)程4～5,由能量守恒定律得Φ2～3=qm(h2-h3)=Φ4～5(1)Φ4～5=qmm(h5m-h4m)(2)其中,Φ2～3為蒸氣發(fā)生器中排氣側(cè)放出的熱流量;Φ4～5為蒸氣發(fā)生器中工質(zhì)側(cè)吸收的熱流量;qm為發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的質(zhì)量流量;h2、h3分別為發(fā)動(dòng)機(jī)排氣經(jīng)過(guò)中溫過(guò)熱器后和蒸發(fā)器后的焓值;qmm為工質(zhì)的質(zhì)量流量;h4m和h5m分別為工質(zhì)在蒸發(fā)器前和后的焓值。2)在過(guò)熱器中,對(duì)應(yīng)排氣的等壓冷卻過(guò)程1～2和有機(jī)工質(zhì)在過(guò)熱器中的等壓加熱過(guò)程5～6,由能量守恒定律得Φ1～2=qm(h1-h2)=Φ5～6(3)Φ5～6=qmm(h6m-h5m)(4)式中:Φ1～2為過(guò)熱器中排氣側(cè)放出的熱流量;Φ5～6為過(guò)熱器中工質(zhì)側(cè)吸收的熱流量;h1為發(fā)動(dòng)機(jī)排氣在渦輪后的焓值;h6m為工質(zhì)在過(guò)熱器后的焓值。3)在膨脹器中,對(duì)應(yīng)有機(jī)工質(zhì)的膨脹過(guò)程。在絕熱膨脹時(shí),膨脹器入口處工質(zhì)的比熵s6m應(yīng)與絕熱膨脹后的比熵s7ms相同。設(shè)實(shí)際膨脹過(guò)程的熱效率為ηe,則Hems=h6m-h7ms(5)Hem=Hems·ηe=h6m-h7m(6)Wem=Hem·qmm(7)式中:Hems為工質(zhì)絕熱膨脹焓降;h7ms為工質(zhì)在絕熱膨脹做功后的焓值;Hem為工質(zhì)實(shí)際焓降;ηe為膨脹器絕熱效率;h7m為工質(zhì)實(shí)際膨脹做功后的焓值;Wem為工質(zhì)實(shí)際所做功。4)在冷凝器中,對(duì)應(yīng)有機(jī)工質(zhì)的等壓冷卻過(guò)程,有Wcm=Hcm·qmm=qmm(h7m-h8m)(8)式中:Wcm為工質(zhì)在冷凝器中的放熱量;Hcm為工質(zhì)在冷凝器中的焓降;h8m為工質(zhì)在冷凝器后的焓值。5)在液壓泵中,對(duì)應(yīng)有機(jī)工質(zhì)等溫壓縮過(guò)程,有式中:h4m為工質(zhì)在液壓泵中壓縮后的焓值;Wpm為泵對(duì)工質(zhì)做的壓縮功;p8m和p4m分別為工質(zhì)在液壓泵前和后的壓力;ρ8m為液壓泵前工質(zhì)的密度;ηp為泵的效率。6)朗肯循環(huán)理論效率ηadm為工質(zhì)的理論循環(huán)凈功Wnet與循環(huán)中工質(zhì)吸收總熱量的比值,代表朗肯循環(huán)的完善程度,其表達(dá)式為ηadm=WnetΦ1~2+Φ2~3=Hems?qmm?WpmΦ1~2+Φ2~3(11)ηadm=WnetΦ1~2+Φ2~3=Ηems?qmm-WpmΦ1~2+Φ2~3(11)朗肯循環(huán)實(shí)際效率ηacm為工質(zhì)在循環(huán)中所做的實(shí)際循環(huán)凈功Wnet,act與循環(huán)所吸收熱量的比值,表示系統(tǒng)將吸收熱量轉(zhuǎn)換為功的能力,即ηacm=Wnet,actΦ1~2+Φ2~3=Wem?WpmΦ1~2+Φ2~3(12)ηacm=Wnet,actΦ1~2+Φ2~3=Wem-WpmΦ1~2+Φ2~3(12)3余熱回收系統(tǒng)循環(huán)特性的確定根據(jù)某6缸直列柴油機(jī)的性能試驗(yàn)結(jié)果,確定了發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度和流量,據(jù)此對(duì)循環(huán)壓力、有機(jī)工質(zhì)流量和排氣溫度3個(gè)變量下的余熱回收系統(tǒng)循環(huán)變化規(guī)律進(jìn)行了計(jì)算和分析。3.1發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)表2和表3分別列出了發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)和部分相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。3.2亞臨界朗肯循環(huán)在該循環(huán)計(jì)算中,設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪后排氣溫度為470℃、排氣放熱后出口最終溫度為200℃、排氣質(zhì)量流量為0.418kg/s不變,R123質(zhì)量流量為定值0.4kg/s,以朗肯循環(huán)循環(huán)壓力(液壓泵出口壓力)為自變量,分別取1.5MPa、2.0MPa、2.5MPa、3.0MPa、3.5MPa、3.6MPa、3.66MPa、3.7MPa、4.0MPa、4.5MPa和5.0MPa,以此計(jì)算循環(huán)效率等參數(shù)變化情況。其中3.66MPa為工質(zhì)R123的臨界壓力,對(duì)應(yīng)的循環(huán)為臨界朗肯循環(huán),1.5MPa、2.0MPa、2.5MPa、3.0MPa、3.5MPa和3.6MPa等循環(huán)壓力下的朗肯循環(huán)為亞臨界朗肯循環(huán),臨界及亞臨界朗肯循環(huán)計(jì)算中的蒸發(fā)器后溫度采用各循環(huán)壓力下R123的蒸發(fā)飽和溫度;3.7MPa、4.0MPa、4.5MPa和5.0MPa循環(huán)壓力下的循環(huán)為超臨界朗肯循環(huán),此循環(huán)狀態(tài)下,將循環(huán)壓力對(duì)應(yīng)的定壓比熱容最大值位置處的工質(zhì)溫度稱為擬臨界溫度,即蒸發(fā)器后工質(zhì)溫度達(dá)到該擬臨界溫度。計(jì)算時(shí)蒸發(fā)器和過(guò)熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)可變。圖4為不同循環(huán)壓力下,兩個(gè)換熱器換熱量的變化。其中蒸發(fā)器的換熱量在低循環(huán)壓力時(shí)先逐漸增加,在3.0MPa后逐漸降低,并在臨界壓力點(diǎn)達(dá)到最低值,在超臨界狀態(tài)下蒸發(fā)器換熱量隨著壓力的升高而增加。蒸發(fā)器換熱量的變化是由工質(zhì)在不同壓力下對(duì)應(yīng)的飽和溫度焓值變化引起的。由于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的初始和最終狀態(tài)相同,因此總放熱量相同,所以對(duì)過(guò)熱器而言,蒸發(fā)器換熱量越多則過(guò)熱器換熱量越小。圖5為不同循環(huán)壓力下,R123在各位置處的焓值。蒸發(fā)器前焓值h4m在不同壓力狀態(tài)下相同,都是226.3kJ/kg(此值在圖中沒有標(biāo)出)。飽和溫度對(duì)應(yīng)焓值h5m在小于3.0MPa時(shí)的亞臨界循環(huán)壓力狀態(tài)下隨著循環(huán)壓力的升高而升高;在大于3.0MPa的亞臨界循環(huán)壓力下,h5m隨著循環(huán)壓力的升高而降低,并在臨界壓力3.66MPa時(shí)達(dá)到最低;在超臨界壓力狀態(tài)下,h5m隨著壓力的升高而單調(diào)升高。對(duì)過(guò)熱器后焓值h6m,其變化不明顯,都處于530kJ/kg左右。對(duì)膨脹器后實(shí)際焓值,由于循環(huán)壓力越高其在膨脹器中的做功能力越強(qiáng),焓降越大,在圖中就表現(xiàn)為膨脹器后實(shí)際焓值隨著循環(huán)壓力的升高而降低。由圖6可見,隨著循環(huán)壓力的升高,朗肯循環(huán)的理論效率、實(shí)際效率都單調(diào)增大。這是由于循環(huán)壓力的升高,使膨脹器前工質(zhì)的壓力增大,因此工質(zhì)推動(dòng)膨脹器做功的能力增強(qiáng),與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣增壓后可提高效率原理相似,朗肯循環(huán)系統(tǒng)效率因此增加。3.3不同壓力下的效率比較在該循環(huán)計(jì)算中,假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪后排氣溫度為470℃、排氣放熱后最終溫度為200℃以及排氣質(zhì)量流量為0.418kg/s不變,在循環(huán)壓力一定條件下,改變R123的質(zhì)量流量,計(jì)算系統(tǒng)效率變化。計(jì)算時(shí)蒸發(fā)器和過(guò)熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)可變,以有機(jī)工質(zhì)R123允許達(dá)到的最高溫度327℃為約束限制R123的最小流量,以使全部流體蒸發(fā)為約束限制R123的最大流量,即要求滿足T6m≤327℃,T5m≥蒸發(fā)溫度(13)從圖7中可見,不同循環(huán)壓力下,效率總是先隨R123流量增加而增加,到一個(gè)最大值后再隨流量增加而降低;不同壓力下效率最大值對(duì)應(yīng)的R123流量不同,且該流量隨著壓力增加而降低,如在5.0MPa時(shí),最高效率對(duì)應(yīng)流量約為0.34kg/s,而在1.5MPa時(shí)最大效率對(duì)應(yīng)流量約為0.45kg/s。這是由于在低循環(huán)壓力時(shí),工質(zhì)在膨脹器中的焓降小,所以要想發(fā)出更多的功就需要大的工質(zhì)質(zhì)量流量,同時(shí)由于R123在蒸發(fā)器后的焓值較高,若質(zhì)量流量過(guò)大,則工質(zhì)在蒸發(fā)器中將吸收大部分的排氣能量,過(guò)熱器的作用被削減,工質(zhì)做功能力反而下降,因此在低循環(huán)壓力時(shí),最大效率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的工質(zhì)流量在流量區(qū)間中的偏大但不是最大區(qū)域。在圖7中還可看出,不同壓力下,系統(tǒng)的流量范圍發(fā)生變化。各壓力下的流量最小值差別不大,但是流量的最大值變化明顯。該值先隨著壓力的升高而降低,在3.0MPa附近隨著壓力的升高而增加,并在3.66MPa時(shí)達(dá)到最大流量的最大值,隨后又隨著壓力升高而最大流量值降低。這是由于不同壓力下R123飽和蒸氣的焓值不同,焓值低則相同吸熱量下蒸發(fā)器可通過(guò)的流量高,反之則低。所以流量最大值的變化規(guī)律與圖5中飽和溫度對(duì)應(yīng)焓值變化規(guī)律相反。3.4蒸發(fā)器與過(guò)熱器設(shè)計(jì)參數(shù)的確定該計(jì)算中,排氣放熱后最終溫度為200℃不變,在朗肯循環(huán)工質(zhì)質(zhì)量流量、循環(huán)壓力一定條件下,改變渦輪后排氣溫度的值(過(guò)熱器進(jìn)口排氣的溫度),分別計(jì)算470℃、430℃、400℃和370℃下循環(huán)參數(shù)的變化。該循環(huán)計(jì)算分別在1.5MPa、3.0MPa和4.5MPa共3種循環(huán)壓力下進(jìn)行,蒸發(fā)器和過(guò)熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)可變,以有機(jī)工質(zhì)R123允許達(dá)到的最高溫度327℃為約束限制R123的最小流量,以使全部工質(zhì)蒸發(fā)為約束限制R123的最大流量,即滿足式(13)要求,計(jì)算結(jié)果如圖8a～圖8c所示。從圖8a中可見,不同排氣溫度下的最高效率值接近,但最高效率對(duì)應(yīng)的工質(zhì)流量隨溫度升高逐漸增大;改變排氣溫度,R123的流量范圍區(qū)間將發(fā)生改變,表現(xiàn)為排氣溫度越高則流量區(qū)間向高流量區(qū)移動(dòng),且流量范圍越大;最高效率點(diǎn)對(duì)應(yīng)流量在流量區(qū)間中的位置處于大流量區(qū)。圖8b和圖8c與圖8a中的曲線相比,形狀相似,區(qū)別在于最高效率點(diǎn)對(duì)應(yīng)流量在流量區(qū)間中的位置處于中間偏小流量區(qū)和小流量區(qū)。從圖8可見,在一定循環(huán)壓力下,各排氣溫度對(duì)應(yīng)的工質(zhì)流量-效率曲線形狀相似,效率最大值接近,只是隨著排氣溫度的升高,系統(tǒng)效率曲線整體向流量大的區(qū)域移動(dòng),且流量范圍變廣。這是由于排氣溫度的升高使朗肯循環(huán)可以吸收更多的熱量,而一定循環(huán)壓力下工質(zhì)的蒸發(fā)后溫度和最高穩(wěn)定溫度一定,所以最低流量值不斷增大。4工質(zhì)流量-效率曲線(1)從效率因素考慮,循環(huán)壓力越高則效率越高,因此超臨界朗肯循環(huán)有利于余熱回收。(2)在不同循環(huán)壓力下,系統(tǒng)工