范峻豪 譚先琳 藍(lán)琳生

摘要：以柴油機(jī)廢氣余熱作為研究對(duì)象，利用MATLAB軟件建立有機(jī)朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)熱力學(xué)模型，對(duì)比6種工質(zhì)的物性參數(shù)，選擇苯為工質(zhì)，仿真研究系統(tǒng)凈輸出功率、熱效率、功耗因子和效率等熱力學(xué)性能參數(shù)隨蒸發(fā)壓力以及冷凝溫度的變化規(guī)律。仿真結(jié)果表明：蒸發(fā)壓力增大，凈輸出功率和效率先增大后減小，熱效率和功耗因子增大；蒸發(fā)壓力為0.6 MPa時(shí)凈輸出功率最大，為4358 kW；蒸發(fā)壓力為1.6 MPa時(shí)效率最大，為54.5%；冷凝溫度升高，系統(tǒng)凈輸出功率、熱效率和效率減小，功耗因子增大。

關(guān)鍵詞：有機(jī)朗肯循環(huán)；船用柴油機(jī)；余熱回收；熱力學(xué)分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TK422文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-6397（2023）01-0009-06

引用格式：范峻豪，譚先琳，藍(lán)琳生.蒸發(fā)壓力和冷凝溫度對(duì)船用柴油機(jī)余熱回收有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)性能的影響 ［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2023，40（1）：9-14.

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0引言

隨著石油資源緊缺以及環(huán)境污染問(wèn)題加劇，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗、排放成為內(nèi)燃機(jī)行業(yè)研究的重點(diǎn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)余熱回收利用是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一[1]。在眾多用于回收中、低品位余熱的技術(shù)中，有機(jī)朗肯循環(huán)被認(rèn)為是最具有應(yīng)用前景的方法之一[2]。朗肯循環(huán)一種高效的節(jié)能減排技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工質(zhì)密度大、熱效率較高[3]，能提高能源的總利用率，并能減少尾氣排放，緩解環(huán)境污染問(wèn)題。

我國(guó)90%以上的貨物運(yùn)輸由航運(yùn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，船舶運(yùn)行時(shí)消耗很多的化石能源[4]。全球98%的船舶動(dòng)力采用柴油機(jī)[5]，現(xiàn)代大型船舶柴油機(jī)推進(jìn)裝置的最高熱效率僅為45%～50%[6-7]，大部分熱量以排氣廢熱和冷卻液廢熱的形式散失到環(huán)境中[8]。船舶柴油機(jī)廢氣余熱量大，可以用海水作為冷源，采用有機(jī)朗肯循環(huán)回收其廢氣余熱具有很大前景。我國(guó)對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)的研究起步較晚，還沒(méi)有得到大規(guī)模的研究和推廣[9]。

本文中以柴油機(jī)廢氣余熱作為研究對(duì)象，利用MATLAB軟件建立有機(jī)朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)的熱力學(xué)模型，計(jì)算并分析蒸發(fā)壓力和冷凝溫度對(duì)朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)熱力學(xué)性能的影響，為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1朗肯循環(huán)模型建立

朗肯循環(huán)系統(tǒng)如圖1所示。朗肯循環(huán)系統(tǒng)主要由工質(zhì)泵、蒸發(fā)器、膨脹機(jī)和冷凝器組成。朗肯循環(huán)系統(tǒng)溫熵圖如圖2所示，圖中Tgas為廢氣溫度，Tgas，in為廢氣入口溫度，Tgas，out為廢氣出口溫度，TΔE為廢氣與工質(zhì)間的最小傳熱溫差，TΔC為工質(zhì)與冷卻水間的最小傳熱溫差。

由圖1可知：從冷凝器中離開(kāi)的液態(tài)工質(zhì)在工質(zhì)泵中被壓縮為高壓液體，在蒸發(fā)器中柴油機(jī)的高溫?zé)煔馀c高壓液態(tài)工質(zhì)換熱并使工質(zhì)氣化，產(chǎn)生的高溫工質(zhì)蒸汽在膨脹機(jī)中膨脹做功后變成低壓乏汽，最后進(jìn)入冷凝器凝結(jié)成液態(tài)工質(zhì)完成循環(huán)。

由圖2可知：工質(zhì)變化過(guò)程包圍的面積即為系統(tǒng)的有用功；冷凝溫度升高，氣液兩相區(qū)的冷凝線位置上移，工質(zhì)變化過(guò)程包圍的面積減小，系統(tǒng)凈輸出功率減小。

利用MATLAB對(duì)朗肯循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行建模時(shí)作以下假設(shè)：1）工質(zhì)在系統(tǒng)中穩(wěn)定流動(dòng)；2）不考慮系統(tǒng)各設(shè)備及管道中的換熱損失；3）不考慮各管道中的壓力損失 [10]。

1.1朗肯循環(huán)數(shù)學(xué)模型

1.1.1工質(zhì)泵

工質(zhì)在工質(zhì)泵中消耗電能對(duì)其中的工質(zhì)進(jìn)行加壓壓縮，所消耗的功率

Pp=qm，f（h1-h4）/ηp，（1）

式中：qm，f為工質(zhì)質(zhì)量流量，kg/h；ηp為工質(zhì)泵效率，ηp=0.8；h4和h1分別為工質(zhì)泵進(jìn)、出口的工質(zhì)比焓，kJ/kg。

1.1.2工質(zhì)泵蒸發(fā)器

液態(tài)工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸收柴油機(jī)廢氣的余熱，等壓加熱為高溫高壓的工質(zhì)蒸汽，該過(guò)程吸收的熱量

Qeva=qm，f（h2－h(huán)1），（2）

式中：h2為蒸發(fā)器工質(zhì)出口比焓，kJ/kg。

1.1.3膨脹機(jī)

膨脹過(guò)程輸出功率

P=qm，f（h3－h(huán)2）ηtηg，（3）

式中：ηt為膨脹機(jī)機(jī)械效率，ηt=0.85；ηg為發(fā)電機(jī)效率，ηg=1；h3為膨脹機(jī)出口工質(zhì)比焓，kJ/kg[11]。

系統(tǒng)凈輸出功率

Pnet=P－Pp 。 （4）

1.1.4冷凝器

冷凝過(guò)程工質(zhì)釋放的熱量

Qcond=qm，f（h4－h(huán)3） 。（5）

功耗因子ξPCF是評(píng)價(jià)泵功能效的重要指標(biāo)，指產(chǎn)生單位凈輸出功消耗的泵功，計(jì)算式為：

ξPCF=Pp/Pnet 。（6）

系統(tǒng)中任一點(diǎn)i的

Ei=qm，f［（hi－h(huán)0）－T0（si－s0）］ ，（7）

式中：T0為環(huán)境熱力學(xué)溫度，K；hi為工質(zhì)在i點(diǎn)的比焓，kJ/kg；h0為環(huán)境狀態(tài)比焓，kJ/kg；si為工質(zhì)在i點(diǎn)的比熵，kJ/（kg·K）；s0為環(huán)境狀態(tài)比熵，kJ/（kg·K）。

系統(tǒng)效率

ηe=Pnet/Ein，（8）

式中：Ein為系統(tǒng)輸入，kW。

系統(tǒng)熱效率

η=Pnet/Qeva 。（9）

1.2工質(zhì)的選擇

選用工質(zhì)時(shí)，應(yīng)在保證工質(zhì)符合環(huán)保性、安全性要求的前提下，有盡可能高的效能和經(jīng)濟(jì)性。針對(duì)以上原則，本文中選擇了6種工質(zhì)，其物性參數(shù)如表1所示[12-15]。

為了比較各工質(zhì)對(duì)系統(tǒng)的能效，利用MATLAB軟件在相同條件下用各工質(zhì)模擬運(yùn)行系統(tǒng)，得到各工質(zhì)下系統(tǒng)的凈輸出功率、熱效率、功耗因子、效率等性能參數(shù)。蒸發(fā)壓力為1 MPa、冷凝溫度為45 ℃時(shí)各工質(zhì)系統(tǒng)的性能參數(shù)如表2所示；蒸發(fā)壓力為2 MPa，冷凝溫度為45 ℃時(shí)各工質(zhì)系統(tǒng)的性能參數(shù)如表3所示。

由表2可知：蒸發(fā)壓力為1 MPa、冷凝溫度為45 ℃時(shí)，工質(zhì)二氯一氟乙烷的凈輸出功率最大，但熱效率只有13.31%；工質(zhì)甲苯的熱效率最大，但凈輸出功率最??；工質(zhì)苯的效能最好，凈輸出電量、熱效率和效率均較大，且功耗因子較小。由表3可知：蒸發(fā)壓力為2 MPa、冷凝溫度為45 ℃時(shí)，工質(zhì)苯的熱效率和效率較大，但凈輸出功率較小；工質(zhì)二氯一氟乙烷在該條件下的效能較好，凈輸出功率、熱效率和效率都較大。

2熱力學(xué)性能分析

根據(jù)對(duì)各工質(zhì)能效的分析，不同蒸發(fā)壓力時(shí)苯作為工質(zhì)的系統(tǒng)性能都較好，因此選用苯作為系統(tǒng)工質(zhì)，但苯可燃且具有一定毒性，對(duì)人體健康造成危害[16]，如果發(fā)生泄漏會(huì)污染環(huán)境，在使用時(shí)應(yīng)注意。苯是等熵工質(zhì)，盡量減小其過(guò)熱度可以有效增加系統(tǒng)的輸出功，使用苯為工質(zhì)時(shí)采用亞臨界飽和循環(huán)。本文中使用苯為工質(zhì)計(jì)算分析系統(tǒng)凈輸出功率、熱效率、功耗因子和效率等隨蒸發(fā)壓力以及冷凝溫度的變化規(guī)律。

2.1蒸發(fā)壓力的影響

蒸發(fā)壓力是朗肯循環(huán)運(yùn)行過(guò)程中的重要參數(shù)。設(shè)置循環(huán)冷凝溫度為45 ℃，蒸發(fā)壓力的變化范圍為0.1～2.5 MPa，模擬運(yùn)行朗肯循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)熱效率、凈輸出功率、效率、功耗因子隨蒸發(fā)壓力的變化曲線如圖3所示。

由圖3a）可知：當(dāng)蒸發(fā)壓力增加時(shí)，凈輸出功率先增大后減小，熱效率一直增加；低于0.6 MPa 時(shí)系統(tǒng)凈輸出功率增加，高于0.6 MPa 時(shí)系統(tǒng)凈輸出功率減??；蒸發(fā)壓力為0.6 MPa時(shí)，凈輸出功率最大，為4358 kW。系統(tǒng)所產(chǎn)生的功率與工質(zhì)膨脹前、后的焓降以及工質(zhì)的流量有關(guān)，當(dāng)蒸發(fā)壓力增加時(shí)，工質(zhì)的蒸發(fā)溫度升高，工質(zhì)膨脹前、后的焓降增大，系統(tǒng)的輸出功率增加。但為了使所有工質(zhì)蒸發(fā)為蒸汽，工質(zhì)流量需伴隨蒸發(fā)壓力增加而減少，系統(tǒng)的輸出功率減少。由此可見(jiàn)對(duì)于工質(zhì)苯，蒸發(fā)壓力低于0.6 MPa時(shí)，工質(zhì)膨脹前、后焓降變化的影響大于工質(zhì)流量變化；蒸發(fā)壓力高于0.6 MPa時(shí)，工質(zhì)流量變化的影響較大。當(dāng)蒸發(fā)壓力增大時(shí)，蒸發(fā)溫度升高，工質(zhì)與柴油機(jī)廢氣的溫差減小，導(dǎo)致?lián)Q熱量減少，雖然蒸發(fā)壓力大于0.6 MPa后系統(tǒng)凈輸出功率呈遞減趨勢(shì)，但是系統(tǒng)吸熱量下降更快，系統(tǒng)熱效率增大。

由圖3b）可知：當(dāng)蒸發(fā)壓力增大時(shí)，功耗因子增大，效率先增大后減?。徽舭l(fā)壓力為0.1～1.0 MPa時(shí)效率迅速增大，蒸發(fā)壓力為1.6 MPa時(shí)效率最大，為54.5%；蒸發(fā)壓力增大時(shí)，凈輸出功率剛開(kāi)始會(huì)增加，但增加幅度低于工質(zhì)泵耗功，所以功耗因子增大。

2.2冷凝溫度的影響

冷凝溫度也是朗肯循環(huán)運(yùn)行過(guò)程中的重要參數(shù)?？ㄖZ循環(huán)的效率

ηn=1-T2/T1，（10）

式中：T1、T2分別為熱源熱力學(xué)溫度和冷源熱力學(xué)溫度，K。

由式（10）可知：冷源溫度越低，系統(tǒng)效率越高。但是采用海水作為冷源時(shí)，冷凝溫度受到環(huán)境溫度的限制。保持其他條件不變，循環(huán)蒸發(fā)壓力為1 MPa、冷凝溫度為35～60 ℃時(shí)，模擬運(yùn)行朗肯循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)凈輸出功率、熱效率、功耗因子、效率隨冷凝溫度的變化曲線如圖4所示。

a）凈輸出功率、熱效率b）功耗因子、效率

圖4系統(tǒng)凈輸出功率、熱效率、功耗因子、效率隨冷凝溫度的變化曲線

由圖4a）可知：系統(tǒng)凈輸出功率和熱效率均隨冷凝溫度的升高而減小，因受到環(huán)境溫度的限制，本文中設(shè)置的最低冷凝溫度為35 ℃，系統(tǒng)熱效率在35 ℃時(shí)最大，為21.5%。根據(jù)圖2，隨著冷凝溫度升高，氣液兩相區(qū)的冷凝線位置上移，工質(zhì)變化過(guò)程所包圍的面積減小，系統(tǒng)凈輸出功率減小。

由圖4b）可知：當(dāng)冷凝溫度升高時(shí)，功耗因子增大，效率減小。冷凝溫度升高，冷凝壓力增大，工質(zhì)泵進(jìn)、出口的壓力差減小，工質(zhì)泵耗功減少。但系統(tǒng)凈輸出功率的減小趨勢(shì)更大，所以功耗因子增大。冷凝溫度升高，工質(zhì)泵、蒸發(fā)器、膨脹機(jī)中造成的不可逆損失減小。冷凝溫度升高，工質(zhì)與海水的冷、熱端平均換熱溫差增大，冷凝器中產(chǎn)生的不可逆損失增大幅度大于其他設(shè)備中不可逆損失減小幅度的總和，所以系統(tǒng)效率降低。

3結(jié)論

以船舶柴油機(jī)廢氣余熱為熱源，利用MATLAB軟件對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)進(jìn)行仿真建模，對(duì)比6種工質(zhì)的物性參數(shù)，不同蒸發(fā)壓力時(shí)苯的能效均較高，選擇苯作為系統(tǒng)工質(zhì)研究了蒸發(fā)壓力以及冷凝溫度對(duì)系統(tǒng)凈輸出功率、熱效率、功耗因子和效率的影響，為有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的工質(zhì)選擇和參數(shù)優(yōu)化提供參考。

1）蒸發(fā)壓力增大，系統(tǒng)凈輸出功率和效率先增大后減小，系統(tǒng)熱效率和功耗因子增加。

2）冷凝溫度升高，系統(tǒng)凈輸出功率、熱效率和效率減小，功耗因子增加。

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