,2 ,2 ,2

(1 上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240； 2 上海高效冷卻系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心 上海 200240)

近十年，化石燃料快速消耗造成能源供應(yīng)不足，汽車尾氣排放惡化了生態(tài)環(huán)境。低品位能源的廢熱利用重新受到關(guān)注[1-2]。汽車發(fā)動機(jī)中約60%～70%的燃油能量以廢熱的形式散失。此外，越來越嚴(yán)格的排放要求和燃油利用效率指標(biāo)也迫使人們在能源回收再利用領(lǐng)域做出質(zhì)的改變。為進(jìn)一步減少污染及改善歐洲市場汽車燃油經(jīng)濟(jì)性，歐洲環(huán)境署在2014年4月24號宣布了針對歐洲汽車工業(yè)最新的二氧化碳排放法規(guī)。2015及2021年的目標(biāo)相對于2007年分別減少18%和40%。美國新能源法要求其汽車行業(yè)在2020年前，把汽車燃油效率提高40%。為進(jìn)一步減少污染以及改善汽車燃油經(jīng)濟(jì)性，按照中國的法規(guī)CAFC，2015年燃油排放限值應(yīng)達(dá)到0.069 L/km，2020年應(yīng)達(dá)到0.005 L/km。提高發(fā)動機(jī)的燃油效率成為汽車行業(yè)首要解決的難題。

車用有機(jī)朗肯循環(huán)回收重卡EGR (exhaust gas recirculation)、CAC (charge air cooler)的余熱在國外已展開研究，但國內(nèi)在商用車小型有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)領(lǐng)域的研究仍較少。膨脹機(jī)作為有機(jī)朗肯循環(huán)的核心部件一直是研究的熱點[3-4]。目前國內(nèi)余熱回收技術(shù)主要集中在采用螺桿式膨脹機(jī)的大型熱電廠的廢熱回收，且已經(jīng)達(dá)到了成熟的商用技術(shù)；國外對膨脹機(jī)的研究主要基于仿真進(jìn)行分析。梁任等[5]針對螺桿膨脹機(jī)的工作特點建立了熱力學(xué)模型，分析得知冷卻水進(jìn)口溫度對系統(tǒng)影響最大，冷凝器的工況調(diào)節(jié)是優(yōu)化系統(tǒng)的有效措施；S. Declaye等[6]對開式膨脹機(jī)在ORC系統(tǒng)中的性能進(jìn)行了實驗研究，當(dāng)蒸發(fā)溫度和冷凝溫度分別達(dá)到97.5 ℃和26.6 ℃時系統(tǒng)循環(huán)效率具有最大值8.5%，此時等熵效率75%；P. Garg等[7]開發(fā)了一套用于有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)膨脹機(jī)選擇的經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?/p>

基于商用卡車發(fā)動機(jī)余熱回收[8-12]的背景，針對中低溫余熱的應(yīng)用要求，本文建立了2 kW目標(biāo)發(fā)電量的小型有機(jī)朗肯循環(huán)實驗測試臺架。針對膨脹發(fā)電一體的全封閉式渦旋膨脹機(jī)作為有機(jī)朗肯發(fā)電系統(tǒng)的核心部件進(jìn)行了參數(shù)特性研究。分析了膨脹機(jī)的等熵效率、容積系數(shù)及壓比變化對系統(tǒng)循環(huán)整體性能的影響并提出優(yōu)化方向。

1 渦旋膨脹機(jī)

渦旋膨脹機(jī)因轉(zhuǎn)速低、結(jié)構(gòu)緊湊、活動部件少、成本較低等優(yōu)點被認(rèn)為比離心式透平機(jī)械更適用小型中低溫有機(jī)朗肯循環(huán)[13]。實驗研究中采用的渦旋膨脹機(jī)大多由商業(yè)壓縮機(jī)改造而來而并非獨立設(shè)計。其優(yōu)勢之一就是可獲得性強(qiáng)，有利于縮減系統(tǒng)成本。一般做法即移除壓縮機(jī)的吸排氣閥片，在運行過程中將進(jìn)出口反向接入系統(tǒng)即可。不同于壓縮機(jī)的是，高壓氣體由中間進(jìn)氣口進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹做功，低壓乏氣從膨脹機(jī)周邊排氣口排出。現(xiàn)在市場上的渦旋壓縮機(jī)主要分兩種：制冷渦旋和空氣渦旋。

表1 兩種渦旋壓縮機(jī)的對比Tab.1 Comparison of two scroll compressors

渦旋膨脹機(jī)也可分為開式和全封閉式兩類，全封閉式渦旋膨脹機(jī)區(qū)別于開式膨脹機(jī)主要在[14]：

1)膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速不再作為外部調(diào)節(jié)參數(shù)，受限于發(fā)電機(jī)的頻率。

2)膨脹機(jī)的輸出功由軸功變?yōu)檩敵鲭姽?，需要考慮機(jī)械功轉(zhuǎn)化為電功率的損失。

2 實驗臺架

有機(jī)朗肯循環(huán)的基本組成部件有：蒸發(fā)器、冷凝器、工質(zhì)泵和膨脹機(jī)。圖1所示為有機(jī)朗肯循環(huán)實驗臺架。系統(tǒng)采用R245fa作為循環(huán)工質(zhì)[15]。

圖1 有機(jī)朗肯循環(huán)臺架Fig.1 Scheme of organic Rankine cycle

循環(huán)原理：過冷狀態(tài)下的冷媒流體在工質(zhì)泵中加壓后進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)，與來流的高溫?zé)嵩磽Q熱轉(zhuǎn)化為高溫制冷劑蒸氣，進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹做功將機(jī)械功傳遞給發(fā)電機(jī)從而輸出電功率。膨脹結(jié)束的高溫乏汽進(jìn)入冷凝器與來流的冷卻水換熱，冷凝后的制冷劑再次進(jìn)入工質(zhì)泵中完成一次循環(huán)過程。

圖2 有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)實驗臺架Fig.2 Test bench of organic Rankine cycle

有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)實驗臺架如圖2所示。選擇合適的工質(zhì)和單體部件是影響系統(tǒng)性能的重要因素。循環(huán)工質(zhì)的選擇一般基于熱源特性和系統(tǒng)運行工況。根據(jù)發(fā)動機(jī)余熱資源的溫度可分為高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩础８邷責(zé)嵩窗òl(fā)動機(jī)排氣(400～600 ℃)和EGR(200～400 ℃)，低溫?zé)嵩窗–AC(90～100 ℃)和潤滑油(50～70 ℃)。分析認(rèn)為，余熱溫度低于70 ℃時就失去了回收的價值，反而帶來額外的消耗。而超高溫的余熱則限制了有機(jī)工質(zhì)的選擇范圍。大部分有機(jī)工質(zhì)在高溫下會發(fā)生裂解，釋放出有害或腐蝕性物質(zhì)，損壞部件，破壞環(huán)境。針對90～120 ℃的中低溫?zé)嵩催x擇R245fa作為循環(huán)工質(zhì)。工質(zhì)泵選擇Blackmer的滑片式變頻泵，進(jìn)出口壓差最大可達(dá) 1 000 kPa。核心部件是將渦旋機(jī)械與發(fā)電機(jī)相耦合的全封閉式膨脹機(jī)。這種全封閉式發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主要依賴于電機(jī)的頻率大小。本系統(tǒng)中電機(jī)輸出端并入50 Hz市網(wǎng)，因此膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速恒定為3 000 r/min。蒸發(fā)器和冷凝器均采用逆流板式換熱器。冷凝器出口增加儲液罐，目的是通過液位差保證液體泵入口具有一定的過冷度，防止發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，當(dāng)工況變化時也起到緩沖穩(wěn)定的作用。冷凝器出口溫度通過冷卻水側(cè)調(diào)節(jié)保持一致。過熱度與工質(zhì)泵頻率之間的反饋調(diào)節(jié)作為控制邏輯嵌入到系統(tǒng)調(diào)節(jié)中進(jìn)行波動工況下循環(huán)性能優(yōu)化。

圖3 全封閉式渦旋膨脹機(jī)Fig.3 Hermetic scroll expander

熱源溫度設(shè)定在90～100 ℃之間，流量穩(wěn)定。膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在3 000 r/min，通過改變工質(zhì)泵的輸入頻率調(diào)節(jié)制冷劑流量。本實驗共測試了6個系統(tǒng)工況并記錄了系統(tǒng)穩(wěn)定后的各項參數(shù)進(jìn)行性能分析。實驗測試設(shè)備精度如表2所示。

表2 實驗測試設(shè)備精度Tab.2 Measuring accuracy of the test equipments

3 結(jié)果及分析

第一定律循環(huán)熱效率和循環(huán)凈功是考察有機(jī)朗肯循環(huán)性能的重要指標(biāo)。

循環(huán)熱效率：

循環(huán)凈功：

Pnet=Pe-Ppump

(2)

式中：Pnet為循環(huán)凈功，W；Qev為蒸發(fā)器吸熱量，W；Pe為測量電功， W；Ppump為泵功耗，W。

圖4所示為6種不同工況下，循環(huán)熱效率和循環(huán)凈功隨壓比的變化。

(a)循環(huán)熱效率

(b)循環(huán)凈功圖4 循環(huán)熱效率和循環(huán)凈功隨壓比的變化Fig.4 Variation of cycle thermal efficiency and cyde output power with pressure ratio

由圖4可知，循環(huán)熱效率隨壓比的變化不是單調(diào)變化，存在最優(yōu)壓比使循環(huán)熱效率最佳。循環(huán)凈功隨著壓比的增加而增加，區(qū)別于循環(huán)效率先增后減的趨勢。在優(yōu)化系統(tǒng)的方案選擇中，要權(quán)衡考慮兩個指標(biāo)的重要性以確定最適工況點。以下基于膨脹機(jī)單體對系統(tǒng)能效進(jìn)行分析。

3.1 壓比

由商業(yè)壓縮機(jī)改裝而來的膨脹機(jī)存在特定的設(shè)計膨脹比，也稱“Built-in Volume Ratio”，其值是渦旋機(jī)械工作腔在膨脹結(jié)束時的體積與開始時的工作腔體積之比。設(shè)計比與渦旋機(jī)械的幾何參數(shù)緊密相關(guān)，默認(rèn)為固有屬性。運行過程中由于各種不可逆損失的存在，實際工作壓比并不完全等于設(shè)計壓比，因此會帶來兩類損失：欠膨脹或過膨脹。運行壓比偏離設(shè)計值越大，性能衰減越厲害。圖5所示分別為欠膨脹和過膨脹現(xiàn)象。

圖5 欠膨脹和過膨脹Fig.5 Under/Over expansion

3.2 容積系數(shù)

膨脹機(jī)的容積系數(shù)是反映膨脹機(jī)容積效率的重要參數(shù)，如式(3)所示:

式中：ρin為進(jìn)氣密度，kg/m3；Nrot為膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速，1/s；Vs,cp為壓縮機(jī)排量，cm3；rv為設(shè)計壓比。

φff大小反映了膨脹機(jī)內(nèi)泄漏的程度。容積系數(shù)越大，內(nèi)泄漏情況越嚴(yán)重。根據(jù)式(3)，對于某個工質(zhì)而言，影響其值大小的唯一參數(shù)為Nrot。Nrot越高，容積系數(shù)越趨近于1，內(nèi)泄漏情況越少。因為增加Nrot，膨脹氣體在工作腔內(nèi)停留的時間減少，內(nèi)泄漏的可能性相對降低。但增加Nrot帶來的負(fù)面作用即機(jī)械摩擦損失增加。為研究Nrot變化對容積系數(shù)的影響，測試了Nrot在1 000～2 000 r/min之間的容積系數(shù)的變化，如圖6所示。結(jié)果表明：增加Nrot能有效減少內(nèi)泄漏損失。

圖6 容積系數(shù)隨膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速的變化Fig.6 Variation of filling factor with expander rotational speed

3.3 等熵效率

膨脹機(jī)的等熵效率是多個特征參量共同作用的結(jié)果[16]。壓比的增加導(dǎo)致循環(huán)凈功增加，但摩擦等機(jī)械損失也增加。內(nèi)泄漏削減了實際的循環(huán)凈功。圖7所示為膨脹機(jī)等熵效率隨運行壓比的變化。

圖7 等熵效率隨壓比的變化Fig.7 Variation of isentropic efficiency with pressure ratio

由圖7可知,膨脹機(jī)等熵效率受壓比變化的影響與循環(huán)熱效率先增后減的趨勢相似。同樣存在最優(yōu)壓比使得等熵效率達(dá)到該工況范圍內(nèi)的峰值點。實驗驗證下最優(yōu)壓比約為4.5，對應(yīng)膨脹機(jī)等熵效率約為48%，而膨脹機(jī)設(shè)計壓比為3。由于膨脹機(jī)運行過程中的內(nèi)泄漏、傳熱及機(jī)械摩擦等損失帶來的影響，一般最優(yōu)工作壓比略大于膨脹機(jī)的設(shè)計壓比。

4 結(jié)論

本文針對中低溫余熱特性搭建了小型有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)并進(jìn)行了系統(tǒng)性能實驗探究。研究了全封閉式膨脹機(jī)運行壓比對單體性能及系統(tǒng)循環(huán)的影響，得出以下結(jié)論：

1) 評價系統(tǒng)性能應(yīng)綜合考慮多個指標(biāo)，循環(huán)熱效率隨運行壓比先增后減，存在最優(yōu)壓比使得循環(huán)熱效率達(dá)到峰值。

2) 循環(huán)凈功隨壓比的增加而增加，以循環(huán)凈功為優(yōu)化目標(biāo)的前提下，高壓比是系統(tǒng)優(yōu)化的方向。

3) 最優(yōu)工作壓比約為4.5，一般情況下最佳運行壓比略大于膨脹機(jī)設(shè)計壓比，原因是由于內(nèi)泄漏、機(jī)械摩擦、傳熱等不可逆損失的存在。

4) 容積系數(shù)是反映膨脹機(jī)容積性能的重要參數(shù)，容積系數(shù)越大，膨脹機(jī)內(nèi)泄漏情況越嚴(yán)重，提高膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速能有效減少內(nèi)泄漏損失，從而優(yōu)化系統(tǒng)性能。