谷正釗,夏連鵬,權龍,李運華

(1.太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室,030024,太原;2.太原工業(yè)學院機械工程系,030008,太原;3.北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院,100191,北京)

液壓傳動系統(tǒng)因其較大的功率質(zhì)量比而廣泛應用于大功率移動設備和工業(yè)設備。液壓挖掘機作為典型的移動液壓設備,根據(jù)中國工程機械工業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計數(shù)據(jù),其保有量在2017年底已達149.5萬～162.0萬臺。由于液壓能在轉(zhuǎn)換和傳遞過程中存在節(jié)流損失和溢流損失,使系統(tǒng)平均效率僅為22%[1],其損失的能量幾乎都轉(zhuǎn)化為熱能而使油溫升高。油溫過高將產(chǎn)生一系列不良影響,如增大泄漏、加速油液氧化變質(zhì)、加速密封元件老化等[2]。為防止液壓系統(tǒng)中油溫過高,一般在系統(tǒng)中增加油冷器,由風扇引入環(huán)境空氣與液壓油進行強制對流換熱。其中,冷卻系統(tǒng)消耗功率可占整機裝機功率的5%～10%[3]。

目前,對液壓系統(tǒng)冷卻方式的研究主要集中于兩方面:一方面通過優(yōu)化機械結構和運行參數(shù),使冷卻系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)相匹配,提高冷卻效果和運行的可靠性[4-7];另一方面采用新型的冷卻方式,如熱管技術[8]和半導體制冷技術[9],增大傳熱系數(shù),實現(xiàn)高效冷卻。這些研究對冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化提供了很好的指導,然而,仍需通過耗能來實現(xiàn)油液熱能的耗散,降低了系統(tǒng)整體能量效率。為滿足節(jié)能減排的發(fā)展理念,本文提出采用有機朗肯循環(huán)實現(xiàn)液壓系統(tǒng)再生冷卻,即在冷卻熱油液的同時,回收油液熱并將其轉(zhuǎn)化為可用能,以期實現(xiàn)無耗能冷卻的目標。

由于有機朗肯循環(huán)(ORC)在中低溫余熱回收方面具有較高的效率,因此其在太陽能、地熱水源、發(fā)動機廢氣、工業(yè)余熱和生物質(zhì)能等領域的研究較多[10-14]。工質(zhì)優(yōu)選、參數(shù)優(yōu)化、系統(tǒng)性能分析和試驗測試等方面的研究,為有機朗肯循環(huán)的應用提供了技術支持[15-19]。文獻[20]對太陽能驅(qū)動的ORC系統(tǒng)進行了實驗測試,當熱源溫度為110 ℃時,回熱循環(huán)效率可達10.8%。文獻[21]研究了熱源為90 ℃熱水的ORC實驗系統(tǒng),系統(tǒng)的最大比凈功可達4.31 kJ/kg。文獻[22]采用ORC回收重型車用柴油機排氣余熱,搭建了試驗平臺并進行了試驗研究,在柴油機排氣溫度為447.63 ℃時,膨脹機最大輸出功率為490 W。文獻[23]通過試驗研究了冷熱源工況對ORC系統(tǒng)性能的影響,并建議在熱源溫度較低時用基本ORC,在熱源溫度較高時用再熱ORC。文獻[24]研究了微型ORC系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性,發(fā)現(xiàn)負載對系統(tǒng)性能有顯著影響,試驗工況下最大發(fā)電功率為120 W。

盡管近年來對ORC試驗研究逐漸增多,但仍少有ORC回收液壓系統(tǒng)余熱方面的試驗研究。常用液壓系統(tǒng)中油液最高熱平衡溫度一般不超過95 ℃,作為余熱熱源時溫度較低。盡管作者已對ORC回收液壓系統(tǒng)余熱進行了理論研究[25],但其實際運行特性仍需通過試驗進一步探究。因此,本文搭建有機朗肯循環(huán)回收液壓系統(tǒng)余熱試驗平臺,以研究系統(tǒng)在低溫熱源作用下的運行效果和特性,獲得液壓系統(tǒng)和ORC參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律,為ORC在液壓系統(tǒng)冷卻中的應用提供參考。

1 試驗系統(tǒng)

在前期理論研究的基礎上,搭建基于ORC的液壓系統(tǒng)余熱回收試驗平臺,通過試驗研究其可行性和運行特性。同時,試驗結果可為仿真模型的校準和驗證提供依據(jù)。

1.1 系統(tǒng)介紹

搭建的液壓系統(tǒng)余熱回收試驗平臺,主要包括作為熱源的液壓回路、ORC工質(zhì)回路、機械傳動部分和測控信號,并配有潤滑回路,其原理如圖1所示。試驗平臺以液壓泵站模擬液壓系統(tǒng)工作過程,由三相異步電機驅(qū)動液壓泵作為動力源,采用溢流閥作為液壓系統(tǒng)的負載,經(jīng)溢流損失后液壓能轉(zhuǎn)化為熱能,油液溫度升高。油液流量由變量泵控制,通過調(diào)節(jié)負載閥工作壓力控制油液溫度。當液壓油達到一定溫度后,逐步啟動ORC系統(tǒng)。升溫后的液壓油進入蒸發(fā)器,將熱量傳遞給工質(zhì)。此時,熱油液被冷卻,而工質(zhì)吸熱蒸發(fā)為有一定壓力的氣體。氣態(tài)工質(zhì)驅(qū)動膨脹機轉(zhuǎn)動,然后通過皮帶傳動帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn),發(fā)電機發(fā)電并供給電負載。之后,工質(zhì)在冷凝器中冷凝為液體,并進入儲液罐,再次由工質(zhì)泵輸入蒸發(fā)器,繼續(xù)下一次循環(huán)。潤滑回路主要由油泵、油分離器和儲油罐組成,為膨脹機工作提供潤滑油。試驗測試中,采用dSPACE公司的DS1103硬件在環(huán)測試系統(tǒng)對相關信號進行控制和測量。本次試驗采用R123作為ORC系統(tǒng)工質(zhì),其沸點為27.82 ℃,臨界溫度為183.68 ℃,臨界壓力為3.66 MPa,安全等級為B1。

圖1 液壓系統(tǒng)余熱回收試驗平臺原理圖

1.2 主要元件參數(shù)

余熱回收系統(tǒng)試驗平臺的主要元件有液壓泵站、工質(zhì)泵、蒸發(fā)器、膨脹機、發(fā)電機、儲液罐、冷凝器和相應傳感器,各元件的布置如圖2所示。在蒸發(fā)器和工質(zhì)管路的外部有絕熱泡沫,以減少工質(zhì)熱量的散失。

圖2 液壓系統(tǒng)余熱回收試驗平臺

在液壓泵站中,所用液壓泵為全閉環(huán)電子變量泵,其排量為71 mL/r,轉(zhuǎn)速為1 480 r/min。液壓泵可實現(xiàn)排量閉環(huán)控制,直接通過給定流量自動控制排量變化,因此在液壓回路中未安裝流量計。根據(jù)液壓油流量測量結果,給定值和反饋值的相對誤差小于1%。

在ORC系統(tǒng)中,蒸發(fā)器和冷凝器分別采用板式換熱器和管翅式換熱器,換熱面積分別為3、120 m2;工質(zhì)泵為隔膜式計量泵,其最大流量為800 L/min,膨脹機由渦旋式壓縮機改造而成,其當量排氣量為106 mL/r,內(nèi)置容積比為2.1。通過改變工質(zhì)泵的柱塞行程長度可調(diào)節(jié)其排量,從而改變工質(zhì)泵的流量。膨脹機作為熱功轉(zhuǎn)換裝置,其產(chǎn)生的機械能經(jīng)皮帶輪傳輸至單相永磁式同步發(fā)電機發(fā)電,由燈泡作為電負載消耗電能。由于容積式膨脹機的適應性,即使在壓力比很小且遠低于設計點的情況下,渦旋式膨脹機仍可輸出機械能。

2 試驗測試及計算模型

2.1 試驗測試

液壓系統(tǒng)在實際工作過程中,油溫變化緩慢,而回油流量會隨工況而變化。另外,當再利用ORC系統(tǒng)產(chǎn)生的可用能時,其負載功率也可能變化。因此,將液壓油的流量和發(fā)電機的負載功率作為系統(tǒng)的輸入變量。測試時,在其他參數(shù)不變的情況下,調(diào)節(jié)某一個變量,由dSPACE實時采集和記錄液壓油和工質(zhì)的流量、壓力和溫度等參數(shù)。

熱力系統(tǒng)中各點的狀態(tài)主要通過測量壓力和溫度來計算,再結合質(zhì)量流量,即可計算出各點的能量流。測試系統(tǒng)采用的主要傳感器如表1所示。

表1 測量用傳感器的精度和量程

2.2 計算模型

液壓泵站的工作介質(zhì)為L-HM46液壓油,其密度和比定壓熱容可表示為

ρoil=892-0.62Toil

(1)

cp,oil=1 940+3.4Toil

(2)

式中:Toil為液壓油溫度, ℃。

蒸發(fā)器中的換熱量為

(3)

冷凝器中的換熱量為

(4)

工質(zhì)泵消耗功率為

(5)

式中:ηrp為工質(zhì)泵效率。

冷凝器和油冷器的冷卻風扇消耗功率為

(6)

式中:pair為風扇壓降,Pa;ηfan為風扇效率。

膨脹機輸出功率為

(7)

式中:ηexp為膨脹機效率。

膨脹機的壓縮比為

rexp=p3/p2

(8)

系統(tǒng)熱效率為

(9)

由于油冷器冷卻時只消耗功率,故將其熱效率定義為風扇消耗功率與散熱功率的比值,表示為

(10)

3 結果與分析

在試驗過程中,測得室內(nèi)環(huán)境溫度為(18±1)℃。保持蒸發(fā)器入口油溫為80 ℃,油液流量以10 L/min的梯度,從50 L/min遞增至80 L/min,其變化如圖3所示。電負載功率變化規(guī)律為60、120、220、320 W。

圖3 液壓泵流量變化過程

3.1 油冷器和余熱回收系統(tǒng)比較

采用ORC回收液壓系統(tǒng)余熱,在回油路中將油冷器替換為蒸發(fā)器,液壓系統(tǒng)回流油液經(jīng)過蒸發(fā)器后回油箱。油液經(jīng)過換熱器存在壓降,從而影響液壓系統(tǒng)的背壓,而回油背壓又將影響液壓系統(tǒng)的運動平穩(wěn)性和能效。若系統(tǒng)背壓過小,則對突變載荷的緩沖能力較弱,會使執(zhí)行元件運動平穩(wěn)性降低;若背壓過大,則系統(tǒng)功率損失增大,使效率降低。因此,需要比較油液在蒸發(fā)器和油冷器中的壓降。

圖4為入口油溫80 ℃時,ORC系統(tǒng)與相近規(guī)格的油冷器中油液壓降和熱效率的比較。由圖可知,油液在蒸發(fā)器中的壓降稍小于油冷器中的壓降,兩者處于同一數(shù)量級。因此,在液壓系統(tǒng)回油路中將油冷器替換為蒸發(fā)器,會輕微降低系統(tǒng)背壓?？赏ㄟ^調(diào)整背壓閥參數(shù),維持系統(tǒng)所需背壓。圖中ORC系統(tǒng)的運行工況為:負載320 W,工質(zhì)質(zhì)量流量16 g/s。由圖可知,ORC冷卻系統(tǒng)的熱效率為正值,并隨流量的增大而增大,最大值為2.56%;而油冷器冷卻系統(tǒng)的熱效率為負值,隨流量的增大而緩慢增大,最大值為-1.63%。說明用ORC回收液壓系統(tǒng)余熱具有明顯的節(jié)能效果。隨著油液流量的增大,油冷器冷卻系統(tǒng)的熱效率緩慢升高,而ORC冷卻系統(tǒng)的熱效率顯著升高?？梢?油液流量對ORC系統(tǒng)的熱效率影響更顯著。

圖4 油冷器和余熱回收系統(tǒng)的壓降和系統(tǒng)熱效率比較

3.2 油液流量對余熱回收系統(tǒng)性能的影響

液壓系統(tǒng)作為ORC系統(tǒng)的熱源,油液流量的變化將影響蒸發(fā)器的換熱量,從而影響有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的性能。在試驗中,保持工質(zhì)泵排量不變,改變油液流量和電負載功率,觀測系統(tǒng)性能變化。

圖5和圖6分別為油液流量和電負載對膨脹機轉(zhuǎn)速和壓力比的影響。膨脹機轉(zhuǎn)速和壓力比隨著油液流量的增大緩慢增大,而膨脹機轉(zhuǎn)速則隨著負載的降低顯著增大。這是由于隨著油液流量增大,工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸熱更充分,進入膨脹機時焓升高,從而使膨脹機轉(zhuǎn)速緩慢升高。而電負載增大,膨脹機的輸出轉(zhuǎn)矩增大,從而降低膨脹機轉(zhuǎn)速,并提高壓力比。試驗中,膨脹機的轉(zhuǎn)速變化范圍為866～1 128 r/min,壓力比變化范圍為3.49～3.87。

圖5 油液流量和電負載對膨脹機轉(zhuǎn)速的影響

圖6 油液流量和電負載對膨脹機壓力比的影響

圖7為油液流量和電負載對系統(tǒng)熱效率的影響。由圖可知,隨著油液流量和電負載的增大,系統(tǒng)熱效率逐漸增大。當電負載功率為320 W,油液流量為80 L/min時,系統(tǒng)熱效率達到最大值2.56%。負載對ORC系統(tǒng)的影響可通過圖8所示溫熵圖來分析,圖中紅色線條表示負載增大后溫熵圖的變化。當負載增大時,膨脹機轉(zhuǎn)速降低,從而使工質(zhì)蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度升高。因此,工質(zhì)在蒸發(fā)器中的預熱區(qū)換熱量增加,而蒸發(fā)區(qū)和過熱區(qū)換熱量相對減少,整體換熱功率輕微增大。膨脹機輸出功率增大較多,所以系統(tǒng)熱效率增加。而油液流量增大,使工質(zhì)在蒸發(fā)器出口的壓力和溫度升高,蒸發(fā)器吸熱量和膨脹機輸出功率都增大,由于后者增加幅度大,因此系統(tǒng)熱效率也增大。

圖7 油液流量和電負載對系統(tǒng)熱效率的影響

圖8 負載對ORC系統(tǒng)的影響

3.3 工質(zhì)流量對系統(tǒng)性能的影響

工質(zhì)泵對ORC系統(tǒng)的工質(zhì)進行加壓和輸送,而工質(zhì)流量直接影響系統(tǒng)運行特性。在試驗中,保持負載功率為320 W,分別在工質(zhì)質(zhì)量流量為16、21 g/s時進行測量,觀察系統(tǒng)性能變化,其結果如圖9和圖10所示。

由圖9可知,隨著工質(zhì)流量增大,蒸發(fā)器換熱功率和膨脹機功率都增大,相當于將液壓系統(tǒng)更多的熱量轉(zhuǎn)化為可用功,對液壓系統(tǒng)和ORC系統(tǒng)都是有益的。當工質(zhì)質(zhì)量流量為21 g/s,油液流量為80 L/min時,蒸發(fā)器的換熱功率為4.18 kW,膨脹機輸出功率為356 W。從圖10可知,工質(zhì)流量增大,會使蒸發(fā)壓力增大,過熱度下降。工質(zhì)流量如果過大,可能使工質(zhì)在膨脹機中進入兩相區(qū),產(chǎn)生液滴損傷膨脹機。因此,在實際運行中,應該根據(jù)液壓系統(tǒng)的流量和溫度,在保持工質(zhì)過熱的情況下,盡量增大工質(zhì)流量。

圖9 工質(zhì)流量對膨脹機功率和蒸發(fā)器換熱功率的影響

圖10 工質(zhì)流量對工質(zhì)蒸發(fā)壓力和過熱度的影響

4 結 論

本文對ORC回收液壓系統(tǒng)余熱系統(tǒng)進行了試驗研究,比較了油冷器和ORC系統(tǒng)的壓降和熱效率,并研究了油液流量、電負載和工質(zhì)流量對ORC系統(tǒng)性能的影響,主要結論如下。

(1)液壓油在蒸發(fā)器中的壓降稍小于相同規(guī)格油冷器中的壓降。油冷器的熱效率為-1.63%,而ORC系統(tǒng)的熱效率可為正值,且隨油液流量的增大而增大。

(2)油液流量和負載對系統(tǒng)性能有顯著影響,兩者的增大將提高膨脹機壓力比和系統(tǒng)熱效率。當電負載功率為320 W,油液流量為80 L/min時,系統(tǒng)熱效率可達2.56%。

(3)工質(zhì)流量增大,可增大蒸發(fā)器換熱量和膨脹機輸出功率,但會降低工質(zhì)過熱度。當工質(zhì)質(zhì)量流量為21 g/s,油液流量為80 L/min時,蒸發(fā)器的換熱功率為4.18 kW,膨脹機輸出功率為356 W。由于搭建的測試平臺規(guī)模較小,因此蒸發(fā)器中的換熱功率和膨脹機輸出功率相對較小,但也能夠驗證液壓系統(tǒng)余熱回收系統(tǒng)的節(jié)能效果,并可為后續(xù)的系統(tǒng)優(yōu)化、仿真建模和控制策略奠定基礎。