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排氣余熱有機朗肯循環(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?？茖W(xué)校汽車工程系, 河北承德067000）

為回收車用柴油機的排氣余熱設(shè)計了一套帶回?zé)崞饔袡C朗肯循環(huán)系統(tǒng)，采用純工質(zhì)R245fa作為工作介質(zhì)。通過實驗研究了車用柴油機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朗肯循環(huán)系統(tǒng)的運行性能，討論了過熱度對帶回?zé)崞饔袡C朗肯循環(huán)系統(tǒng)運行性能的影響。針對車用柴油機-有機朗肯循環(huán)聯(lián)合系統(tǒng)提出了余熱回收效率、發(fā)動機熱效率提升率、單位工質(zhì)輸出能量密度3個評價指標(biāo)。研究表明，帶回?zé)崞饔袡C朗肯循環(huán)系統(tǒng)的凈輸出功率、余熱回收效率、發(fā)動機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；有機朗肯循環(huán)；變工況；熱力學(xué)過程；蒸發(fā)；傳熱

引 言

內(nèi)燃機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，所以，對內(nèi)燃機余熱能進(jìn)行回收利用可以提高內(nèi)燃機的熱效率，減少能源消耗，降低污染物排放[1-2]。有機朗肯循環(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]。對于不同的應(yīng)用領(lǐng)域，選用不同結(jié)構(gòu)的有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)或選取合適的有機工質(zhì)有助于提高能源的利用效率[10-14]。近年來，利用有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)回收內(nèi)燃機的余熱能受到了研究者的關(guān)注[15-18]。

雖然有很多學(xué)者研究利用有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)回收內(nèi)燃機的余熱能，但很少有學(xué)者考慮車用內(nèi)燃機變工況下的有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)性能，更少有學(xué)者提出如何控制有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的運行參數(shù)來實現(xiàn)車用內(nèi)燃機全工況范圍內(nèi)余熱能的高效回收利用。對于車用柴油機-有機朗肯循環(huán)聯(lián)合系統(tǒng)缺少有效的性能評價體系。

本研究通過實驗和理論計算分析了一臺車用柴油機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)計了一套帶回?zé)崞鞯挠袡C朗肯循環(huán)系統(tǒng)。針對車用柴油機-有機朗肯循環(huán)聯(lián)合系統(tǒng)（以下簡稱聯(lián)合系統(tǒng)）提出了余熱回收效率、發(fā)動機熱效率提升率、單位工質(zhì)輸出能量密度3個評價指標(biāo)，研究了車用柴油機變工況下有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)運行性能的變化特性，討論了變工況下聯(lián)合系統(tǒng)的運行性能，分析了過熱度對有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)運行性能的影響。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)描述

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

采用純工質(zhì)R245fa作為有機朗肯循環(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朗肯循環(huán)系統(tǒng)溫熵圖。1-2是實際加壓過程，1-2s是等熵加壓過程，2-3是有機工質(zhì)在回?zé)崞髦械念A(yù)熱過程，3-4是等壓吸熱過程，4-5s是等熵膨脹過程，4-5是實際膨脹過程，5-6是有機工質(zhì)在回?zé)崞髦械姆艧徇^程，6-1是等壓冷凝過程，exh_in-exh_out是柴油機排氣在蒸發(fā)器中的放熱過程。1、2s、2、3、4、5、5s、6是帶回?zé)崞饔袡C朗肯循環(huán)系統(tǒng)的各狀態(tài)點。

帶回?zé)崞饔袡C朗肯循環(huán)系統(tǒng)各個過程的換熱量和?損率的計算公式如下。

過程1-2

過程2-3和過程5-6

過程3-4

過程4-5

過程6-1

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

此外，為了評價聯(lián)合系統(tǒng)的運行性能，提出了余熱回收效率（WHRE）、發(fā)動機熱效率提升率（ETEIR）和單位工質(zhì)輸出能量密度（OEDWF）3個評價指標(biāo)。3個評價指標(biāo)分別由式（13）～式（15）計算。

計算分析時做出如下假設(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，膨脹機和工質(zhì)泵的等熵效率均為0.8；

（5）柴油機排氣為有機朗肯循環(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 柴油機排氣余熱

車用柴油機通常在變工況下運行，其排氣余熱隨其運行工況變化。要想實現(xiàn)變工況下車用柴油機排氣余熱的高效回收利用，需要對柴油機排氣余熱的變化規(guī)律進(jìn)行研究。選用一臺6缸4沖程車用柴油機進(jìn)行研究，表2是此臺柴油機的基本技術(shù)參數(shù)。

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

通過實驗測得此臺柴油機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)均隨柴油機的運行工況變化。最大可用排氣余熱()可由式（16）計算。

式中，c為柴油機排氣的比定壓熱容，由式（17）計算；為柴油機的排氣質(zhì)量流量，等于柴油機的進(jìn)氣量與燃油消耗量之和，kg·s-1；exh_in為柴油機排氣進(jìn)入蒸發(fā)器時的溫度，K；min為柴油機排氣通過蒸發(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最大可用排氣余熱的變化情況。隨著柴油機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的增加，最大可用排氣余熱逐漸增加。當(dāng)柴油機轉(zhuǎn)矩為1200 N·m、轉(zhuǎn)速為2200 r·min-1時，最大可用排氣余熱可達(dá)293 kW。從表2可以得出此臺柴油機的額定功率為280 kW，所以對其排氣余熱進(jìn)行回收利用有助于實現(xiàn)燃油的高效利用。

3 結(jié)果及分析

研究表明，當(dāng)柴油機轉(zhuǎn)矩大于300 N·m時，柴油機排氣與有機工質(zhì)之間窄點溫差通常出現(xiàn)在蒸發(fā)器的有機工質(zhì)側(cè)進(jìn)口處，即圖2所示的exh_out與3之間。當(dāng)柴油機轉(zhuǎn)矩小于300 N·m時，柴油機排氣與有機工質(zhì)之間窄點溫差出現(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轉(zhuǎn)矩小于300 N·m的情況。

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

排氣余熱隨柴油機的運行工況變化，為實現(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)有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的運行參數(shù)。圖5是不同過熱度時柴油機不同工況下有機工質(zhì)質(zhì)量流量的變化情況。當(dāng)過熱度相同時，隨著柴油機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的增加，有機工質(zhì)質(zhì)量流量逐漸增加。這主要受柴油機排氣余熱的影響，當(dāng)柴油機運行工況相同時，隨著過熱度的增加，有機工質(zhì)質(zhì)量流量逐漸減小。在該質(zhì)量流量下，發(fā)動機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)柴油機運行工況恒定時，隨著過熱度的增加，帶回?zé)崞饔袡C朗肯循環(huán)系統(tǒng)的凈輸出功率逐漸增加，而有機工質(zhì)質(zhì)量流量卻逐漸減小。這說明隨著過熱度的增加較小的有機工質(zhì)質(zhì)量流量可以輸出較大的功率。圖6是不同過熱度時單位工質(zhì)輸出能量密度（OEDWF）的變化情況。隨著過熱度的增加，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朗肯循環(huán)系統(tǒng)中有機工質(zhì)的充裝量，可有效降低有機工質(zhì)的潛在泄漏量。

從上述分析可以得出，當(dāng)過熱度為40 K時，帶回?zé)崞饔袡C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熱度為40 K的情況。

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

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

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

4 結(jié) 論

（1）相同柴油機工況下，隨著過熱度的增加，帶回?zé)崞饔袡C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工質(zhì)的潛在泄漏量。

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

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

（4）當(dāng)柴油機的轉(zhuǎn)矩較大時，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)計及性能的改進(jìn)是影響有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)性能的一個關(guān)鍵因素。

References

[1] Bari S, Hossain S N. Waste heat recovery from a diesel engine using shell and tube heat exchanger [J]., 2013, 61(2): 355-363

[2] Yun K T, Cho H, Luck R, Mago P J. Modeling of reciprocating internal combustion engines for power generation and heat recovery [J]., 2013, 102: 327-335

[3] Ni Yuan (倪淵), Zhao Liangju (趙良舉), Liu Chao (劉朝), Mo Yili (莫依璃). Recovery of waste heat of low-temperature flue gas by parametric optimization on organic Rankine cycle with non-azeotropic mixtures [J].(化工學(xué)報), 2013, 64(11): 3985-3991

[4] El-Emam R S, Dincer I. Exergy and exergoeconomic analyses and optimization of geothermal organic Rankine cycle [J]., 2013, 59(1/2): 435-444

[5] Zhang J H, Feng J C, Zhou Y L, Fang F, Yue H. Linear active disturbance rejection control of waste heat recovery systems with organic Rankine cycles [J]., 2012, 5: 5111-5125

[6] Wang J F, Yan Z Q, Zhao P, Dai Y P. Off-design performance analysis of a solar-powered organic Rankine cycle [J]., 2014, 80: 150-157

[7] Pei Gang (裴剛), Wang Dongyue (王東玥), Li Jing (李晶), Li Yunzhu (李昀竹), Ji Jie (季杰). Organic Rankine cycle combined heat and power system [J].(化工學(xué)報), 2013, 64(6): 1993-2000

[8] Carcasci C, Ferraro R, Miliotti E. Thermodynamic analysis of an organic Rankine cycle for waste heat recovery from gas turbines [J]., 2014, 65(1): 91-100

[9] Maria F D, Micale C, Sordi A. Electrical energy production from the integrated aerobic-anaerobic treatment of organic waste by ORC [J]., 2014, 66: 461-467

[10] Liu Qiang (劉強), Shen Aijing (申愛景), Duan Yuanyuan (段遠(yuǎn)源). Quantitative analysis for thermal economy of regenerative extraction organic Rankine cycle [J].(化工學(xué)報), 2014, 65(2): 437-444

[11] Wang Zhiqi (王志奇), Zhou Naijun (周乃君), Xia Xiaoxia (夏小霞), Wang Xiaoyuan (王曉元). Multi-objective parametric optimization of power generation system based on organic Rankine cycle [J].(化工學(xué)報), 2013, 64(5): 1710-1716

[12] Maraver D, Quoilin S, Royo J. Optimization of biomass-fuelled combined cooling, heating and power (CCHP) systems integrated with subcritical or transcritical organic Rankine cycles (ORCs) [J]., 2014, 16: 2433-2453

[13] Yang M H, Yeh R H. Analysis of optimization in an OTEC plant using organic Rankine cycle [J]., 2014, 68: 25-34

[14] Zhang Junhui (張軍輝), Liu Juanfang (劉娟芳), Chen Qinghua (陳清華). Optimal evaporating temperature and exergy analysis for organic Rankine cycle [J].(化工學(xué)報), 2013, 64(3): 820-826

[15] Yan Yulin (嚴(yán)雨林), Wang Huaixin (王懷信), Guo Tao (郭濤). Experimental study of performance of organic Rankine cycle system for low/moderate temperature geothermal power generation [J].(太陽能學(xué)報), 2013, 34(7): 1183-1189

[16] Xie H, Yang C. Dynamic behavior of Rankine cycle system for waste heat recovery of heavy duty diesel engines under driving cycle [J]., 2013, 112: 130-141

[17] Tu Ming(涂鳴), Li Gangyan(李剛炎), Hu Jian(胡劍). Experiment and simulation of diesel engine exhaust heat recovery system under variable conditions [J].(農(nóng)業(yè)機械學(xué)報), 2014, 45(2): 1-5

[18] Hajabdollahi Z, Hajabdollahi F, Tehrani M, Hajabdollahi H. Thermo-economic environmental optimization of organic Rankine cycle for diesel waste heat recovery [J]., 2013, 63(15): 142-151

[19] Wang E H, Zhang H G, Fan B Y, Ouyang M G, Zhao Y, Mu Q H. Study of working fluid selection of organic Rankine cycle (ORC) for engine waste heat recovery [J]., 2011, 36(5): 3406-2418

[20] Lakew A A, Bolland O. Working fluids for low-temperature heat source [J]., 2010, 30(10): 1262-1268

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)基金項目（3152005）；國家自然科學(xué)基金項目(51376011)；北京市教育委員會科技計劃重點項目(KZ201410005003)；教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目(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)