基于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)的非共沸混合工質(zhì)性能分析

婁宗勇， 郭珍， 宋松松,， 張紅光

(1. 承德石油高等專科學(xué)校汽車工程系， 河北 承德 067000；2. 中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400； 3. 北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院， 北京 100124)

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基于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)的非共沸混合工質(zhì)性能分析

婁宗勇1， 郭珍2， 宋松松1,3， 張紅光3

(1. 承德石油高等專科學(xué)校汽車工程系， 河北 承德 067000；2. 中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400； 3. 北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院， 北京 100124)

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)； 余熱回收； 有機(jī)朗肯循環(huán)； 非共沸混合工質(zhì)

由于受到工作原理和結(jié)構(gòu)的制約，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率都較低，為30%左右，大部分燃料燃燒能量通過(guò)排氣和冷卻水釋放到大氣中，而其中排氣余熱能量品位較高。因此，如何有效回收利用這部分熱量，成為節(jié)能領(lǐng)域研究的重要課題[1-2]。

目前，采用有機(jī)朗肯循環(huán)裝置回收內(nèi)燃機(jī)余熱成為研究熱點(diǎn)[3-10]。在工質(zhì)選擇方面，非共沸混合工質(zhì)在蒸發(fā)和冷凝相變時(shí)存在一定程度的溫度滑移，與冷熱源間有較好的熱匹配，因此降低了可用能的損耗，減小了系統(tǒng)的不可逆損失。但是國(guó)內(nèi)外非共沸混合工質(zhì)的應(yīng)用主要集中在太陽(yáng)能、地?zé)岬阮I(lǐng)域[11-12]，在內(nèi)燃機(jī)余熱利用方面的應(yīng)用研究還很少。

本研究根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)分析了1臺(tái)6缸天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)全工況范圍內(nèi)的排氣余熱能特性，設(shè)計(jì)了一套帶回?zé)崞鞯挠袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)比分析了非共沸混合工質(zhì)R416A和純工質(zhì)R245fa對(duì)系統(tǒng)性能的影響。最終建立了車用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)-帶內(nèi)部回?zé)崞饔袡C(jī)朗肯循環(huán)聯(lián)合系統(tǒng)，并分析了聯(lián)合系統(tǒng)的熱效率。

1 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱能特性分析

研究對(duì)象為1臺(tái)增壓中冷直列6缸車用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，其主要性能參數(shù)見表1。通過(guò)設(shè)計(jì)內(nèi)燃機(jī)性能試驗(yàn)，分析天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)工況范圍內(nèi)的性能以及排氣能量的變化情況。在試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為800～2 200 r/min，轉(zhuǎn)速間隔為200 r/min，在每個(gè)轉(zhuǎn)速下測(cè)試11個(gè)不同負(fù)荷工況點(diǎn)。

表1 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1示出天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性。從圖1可以看出，隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率逐漸增大。在標(biāo)定工況點(diǎn)處，發(fā)動(dòng)機(jī)功率達(dá)到最大值206.9 kW。在發(fā)動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)速、中高負(fù)荷區(qū)域，發(fā)動(dòng)機(jī)的有效燃?xì)庀穆?be)較低，燃油經(jīng)濟(jì)性較好。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400 r/min、扭矩為1 050 N·m時(shí)，be達(dá)到最小值，為199 g/(kW·h)，在發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷區(qū)域，燃?xì)庀穆势毡檩^高，燃油經(jīng)濟(jì)性較差，高轉(zhuǎn)速時(shí)尤為嚴(yán)重。

圖2示出天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的變化。發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的計(jì)算公式如下：

(1)

從圖2可以看出，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率逐漸增大。而隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且在低負(fù)荷區(qū)域變化趨勢(shì)不明顯。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，扭矩達(dá)到最大時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率最大，為36.14%。

圖3示出天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度的變化。從圖3可以看出，排氣溫度主要集中在730～900 K范圍內(nèi)。發(fā)動(dòng)機(jī)在低速低負(fù)荷區(qū)域排氣溫度較低，而在中高轉(zhuǎn)速中高負(fù)荷區(qū)域排氣溫度較高。

(2)

式中：hexh為排氣焓值。

圖4示出天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排氣能量的MAP圖。從圖4可以看出，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣能量逐漸增加。在發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定工況點(diǎn)處，排氣能量最大，為303.5 kW。與圖1對(duì)比分析可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)全工況范圍內(nèi)，排氣能量始終大于發(fā)動(dòng)機(jī)的有效輸出功率。因此，對(duì)該天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱能進(jìn)行回收利用具有重要的意義。

蒸發(fā)器作為排氣與有機(jī)工質(zhì)進(jìn)行熱交換的場(chǎng)所，在有機(jī)朗肯循環(huán)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，并不能使有機(jī)工質(zhì)完全吸收發(fā)動(dòng)機(jī)釋放出的排氣能量[13]。因此，在本研究中，排氣在蒸發(fā)器出口處的溫度Texh_out設(shè)定為378 K，排氣壓力為97.8 kPa，利用Refprop9.0軟件計(jì)算得到在該排氣溫度和壓力下的排氣焓值，然后根據(jù)式(3)即可計(jì)算得出可用排氣能量。

(3)

式中：hin為排氣在蒸發(fā)器進(jìn)口處的焓值；hout為排氣在蒸發(fā)器出口處的焓值。

2 有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)

2.1 帶回?zé)崞饔袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)

為了更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)車用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱能的高效利用，本研究設(shè)計(jì)了帶回?zé)崞饔袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)(見圖5)。蒸發(fā)器中的有機(jī)工質(zhì)吸收排氣能量后變成高溫高壓氣體，隨后進(jìn)入膨脹機(jī)做功，做功后的乏氣進(jìn)入回?zé)崞髋c下一循環(huán)進(jìn)入回?zé)崞鞯挠袡C(jī)工質(zhì)進(jìn)行換熱，換熱后的乏氣經(jīng)過(guò)冷凝器后流回儲(chǔ)液罐，工質(zhì)泵將有機(jī)工質(zhì)從儲(chǔ)液罐中抽出，壓縮成高壓液體，高壓液態(tài)有機(jī)工質(zhì)通過(guò)回?zé)崞魑丈弦谎h(huán)乏氣的廢熱后進(jìn)入蒸發(fā)器吸收天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣能量，至此完成一個(gè)工作循環(huán)。

2.2 工質(zhì)選擇

通過(guò)對(duì)常見有機(jī)純工質(zhì)用于朗肯循環(huán)的研究，發(fā)現(xiàn)R245fa循環(huán)性能較優(yōu)[14-16]。因此，本研究以R245fa為參考，從現(xiàn)有編號(hào)的制冷劑中選取安全性和環(huán)境友好性較好的R416A作為有機(jī)工質(zhì)，以此分析天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)余熱回收系統(tǒng)的性能。表2和表3分別列出非共沸混合工質(zhì)R416A和純工質(zhì)R245fa的性能參數(shù)。

表2 非共沸混合工質(zhì)R416A性能參數(shù)

表3 純工質(zhì)R245fa性能參數(shù)

2.3 帶回?zé)崞饔袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)熱力學(xué)模型

圖6示出兩種工質(zhì)的溫熵圖。圖中，1—2過(guò)程表示工質(zhì)泵的實(shí)際加壓過(guò)程，1—2s表示對(duì)應(yīng)于1—2等熵加壓過(guò)程，2—3過(guò)程表示低溫液態(tài)工質(zhì)在回?zé)崞鲀?nèi)的預(yù)熱過(guò)程，3—4過(guò)程表示工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)的吸熱蒸發(fā)過(guò)程，4—5過(guò)程表示氣態(tài)工質(zhì)在膨脹機(jī)內(nèi)的膨脹過(guò)程，4—5s表示對(duì)應(yīng)于4—5等熵膨脹過(guò)程，5—6表示低壓過(guò)熱氣體在回?zé)崞鲀?nèi)的放熱過(guò)程，6—1過(guò)程表示工質(zhì)在冷凝器內(nèi)的冷凝過(guò)程。

對(duì)應(yīng)每一個(gè)工作過(guò)程，基于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律，推導(dǎo)帶回?zé)崞饔袡C(jī)朗肯循環(huán)性能參數(shù)的計(jì)算公式。

對(duì)應(yīng)1—2，工質(zhì)泵的耗功為

(4)

對(duì)應(yīng)2—3和5—6，回?zé)崞髦械膿Q熱量由下式計(jì)算：

(5)

ε=(T5-T6)/(T5-T2)。

(6)

式中：ε為回?zé)崞鞯挠行Ф取?/p>

對(duì)應(yīng)3—4，蒸發(fā)器吸收的熱量由下式計(jì)算：

為適應(yīng)改革后的執(zhí)業(yè)醫(yī)師考試，我國(guó)的高等醫(yī)學(xué)院校需進(jìn)行相應(yīng)的教學(xué)改革，例如：藥理學(xué)、病理學(xué)及一些臨床學(xué)科已經(jīng)進(jìn)行了相應(yīng)的教學(xué)改革[4-7]。組織學(xué)是一門重要的醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)課程，與生理學(xué)、病理學(xué)等基礎(chǔ)課程有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，雖然執(zhí)業(yè)醫(yī)師考試中沒有單列組織學(xué)，但執(zhí)業(yè)醫(yī)師考試題中卻有諸多與組織學(xué)密切相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，為了適應(yīng)執(zhí)業(yè)醫(yī)師考試改革的需要，在組織學(xué)教學(xué)中也進(jìn)行了相應(yīng)的探索式改革，具體總結(jié)如下。

(7)

對(duì)應(yīng)4—5，膨脹機(jī)的輸出功率由下式計(jì)算：

(8)

式中：ηs為膨脹機(jī)等熵效率。

對(duì)應(yīng)6—1，冷凝器釋放的熱量由下式計(jì)算：

(9)

上述公式中h為有機(jī)工質(zhì)對(duì)應(yīng)各狀態(tài)點(diǎn)的焓值。

(10)

(11)

(12)

式(12)中的高溫?zé)嵩礈囟萒H由式(13)計(jì)算得到：

TH=(Texh_in-Texh_out)/ln(Texh_in/Texh_out)。

(13)

式中：Texh_in為排氣在蒸發(fā)器進(jìn)口處的溫度，可以通過(guò)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)獲得。

此外，本研究還定義了單位工質(zhì)能量輸出密度，用于反映單位有機(jī)工質(zhì)的做功能力，計(jì)算公式如下：

(14)

3 結(jié)果與分析

3.1 邊界條件

為了對(duì)比分析兩種不同類型有機(jī)工質(zhì)對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)性能的影響，本研究設(shè)定的計(jì)算邊界條件如下：

1) 蒸發(fā)器壓力設(shè)定為2.5 MPa；

2) 過(guò)熱度取30 K；低溫?zé)嵩礈囟萒L取293 K；

3) 工質(zhì)在冷凝器中放出熱量后變?yōu)轱柡鸵簯B(tài)；回?zé)崞饔行Ф热?.85；

4) 膨脹機(jī)和工質(zhì)泵的等熵效率取0.8；膨脹機(jī)膨脹比取4；

5) 在研究分析時(shí)，忽略各部件和管路中的壓力損失和熱損失。

3.2 結(jié)果分析

圖7示出采用兩種有機(jī)工質(zhì)時(shí)，帶回?zé)崞饔袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)凈輸出功率隨天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化。從圖7可以看出，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的升高，兩種工質(zhì)的凈輸出功率均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。在標(biāo)定工況點(diǎn)處，非共沸混合工質(zhì)R416A和純工質(zhì)R245fa對(duì)應(yīng)的凈輸出功率分別為16.6 kW和16.0 kW。

此外，通過(guò)對(duì)比圖7a和圖7b可知，采用R416A的系統(tǒng)凈輸出功率均比相同等高線位置下采用R245fa的系統(tǒng)凈輸出功率大。這一結(jié)果表明在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)相同工況下，采用非共沸混合工質(zhì)R416A的帶回?zé)崞饔袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)具有更好的功率輸出特性。

表4列出兩種有機(jī)工質(zhì)在帶回?zé)崞饔袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)中的計(jì)算結(jié)果。從表4可以看出：非共沸混合工質(zhì)R416A的系統(tǒng)熱效率和單位工質(zhì)能量輸出密度都高于純工質(zhì)R245fa。單位工質(zhì)能量輸出密度越高，表示當(dāng)凈輸出功率相同時(shí)，系統(tǒng)所需有機(jī)工質(zhì)質(zhì)量流量越小，從而系統(tǒng)中有機(jī)工質(zhì)的充裝量也會(huì)減小，這樣不僅可以減小整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量，還可以減小有機(jī)工質(zhì)的泄漏量。

表4 兩種有機(jī)工質(zhì)計(jì)算結(jié)果

另一方面，通過(guò)計(jì)算得出非共沸混合工質(zhì)R416A對(duì)應(yīng)的冷凝溫度要低于純工質(zhì)R245fa。冷凝溫度是影響有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行性能的關(guān)鍵因素之一，冷凝溫度較小有利于有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行性能的提升，但在實(shí)際工程中，冷凝溫度越低，對(duì)冷卻系統(tǒng)的要求越高。

通過(guò)上述對(duì)比分析可以看出，在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)全工況范圍內(nèi)，非共沸混合工質(zhì)R416A的各項(xiàng)熱力學(xué)性能指標(biāo)均優(yōu)于純工質(zhì)R245fa。因此，本研究采用R416A作為有機(jī)工質(zhì)，進(jìn)一步評(píng)價(jià)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)-帶回?zé)崞饔袡C(jī)朗肯循環(huán)聯(lián)合系統(tǒng)的熱效率，其計(jì)算公式如下：

(15)

圖9示出聯(lián)合系統(tǒng)熱效率變化情況。對(duì)比分析圖9和圖2可以看出，聯(lián)合系統(tǒng)熱效率和發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的變化趨勢(shì)一致。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，扭矩達(dá)到最大值(1 050 N·m)時(shí)，非共沸混合工質(zhì)R416A對(duì)應(yīng)的聯(lián)合系統(tǒng)熱效率最大為38.67%，比原天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高7%。

4 結(jié)論

b) 當(dāng)帶回?zé)崞饔袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)采用非共沸混合工質(zhì)R416A時(shí)，其對(duì)應(yīng)的冷凝溫度低于純工質(zhì)R245fa的冷凝溫度；

c) 隨著天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)-帶回?zé)崞饔袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)聯(lián)合系統(tǒng)熱效率逐漸增加，相比原天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，熱效率最大可提高7%，因此有機(jī)朗肯循環(huán)在回收天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱方面潛力較大。

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[編輯： 袁曉燕]

Performance Analysis of Non-azeotropic Mixture Based on CNG Engine Waste Heat Recovery System

LOU Zongyong1, GUO Zhen2, SONG Songsong1,3, ZHANG Hongguang3

(1. Automotive Engineering Department, Chengde Petroleum College, Chengde 067000, China;2. China North Engine Research Institute(Tianjin), Tianjin 300400, China;3. College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

A set of organic Rankine cycle (ORC) system with internal heat exchanger (IHE) was designed to recover exhaust energy of a compressed natural gas (CNG) engine. The net output power, heat release efficiency, exergy efficiency and energy output density of ORC system for R245fa and R416A organic working fluids were compared and analyzed. The results show that the performance of R416A zeotropic mixture surpasses that of R245fa. Finally, the CNG engine and ORC combined system with IHE is built and the thermal efficiency of R416A non-azeotropic mixture is analyzed. It is found that the thermal efficiency of engine can increase by 7% at most.

compressed natural gas engine; waste heat recovery; organic Rankine cycle; non-azeotropic mixture

2014-12-24；

2015-03-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51376011)；北京市教育委員會(huì)科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(KZ201410005003)；承德市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃科技支撐項(xiàng)目(201422113)

婁宗勇(1981—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)排氣余熱利用技術(shù)；louzongyong112@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.03.010

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1001-2222(2015)03-0045-06