車用有機朗肯循環余熱回收系統方案及工質選擇

阿云生， 馬生元， 盧海濤， 崔丹丹， 張紅光

(1.青海民族大學 交通學院，青海 西寧 810007； 2.北京工業大學 環境與能源工程學院，北京 100124)

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車用有機朗肯循環余熱回收系統方案及工質選擇

阿云生1,2， 馬生元1， 盧海濤2， 崔丹丹2， 張紅光2

(1.青海民族大學 交通學院，青海 西寧 810007； 2.北京工業大學 環境與能源工程學院，北京 100124)

針對某車用柴油機的余熱特性，分別采用簡單有機朗肯循環、帶回熱器有機朗肯循環和抽氣回熱式有機朗肯循環對其排氣余熱能進行回收利用。根據3種有機朗肯循環系統的工作原理，分別建立了其熱力學模型，選取R123、R141b、R245ca、R365mfc、R601、R601a作為系統工作介質，對比分析了3種有機朗肯循環系統的熱力學性能。結果表明，工質R141b可作為簡單有機朗肯循環和抽氣回熱式有機朗肯循環系統最優工質;工質R601a可作為帶回熱器有機朗肯循環系統最優工質。當采用R141b作為系統工質時，抽氣回熱式有機朗肯循環系統的最大熱效率和凈輸出功率分別可以達到17.08%和14.41 kW，具有最優的熱力學性能。因此，抽氣回熱式有機朗肯循環系統方案可作為最佳選擇方案。

有機朗肯循環； 余熱回收； 工質選擇； 系統方案

0 引 言

自20世紀90年代以來，我國汽車工業發展迅速，年均增幅為10%～13%，伴隨著國民經濟和汽車保有量的增長，能源消耗急劇增加。從目前車用發動機的熱平衡看，用于動力輸出的能量一般只占燃料燃燒總能量的30%左右[1-2]，相當大一部分熱量被浪費，這不僅降低了燃料利用率，還造成了環境污染。利用有機朗肯循環系統回收汽車排氣余熱能是降低汽車燃料消耗、減少污染物排放的一種有效途徑，目前已經成為發動機余熱利用領域研究的熱點[3-6]。

有機工質的選擇和有機朗肯循環系統方案的設計是影響有機朗肯循環系統性能的重要因素。Dai等[7]對比分析了9種純工質的有機朗肯循環系統的工作性能，結果表明，R236ea的有機朗肯循環系統的(火用)效率最高。Badr等[8]比較了簡單有機朗肯循環和帶回熱器有機朗肯循環的性能，結果表明，帶回熱器有機朗肯循環系統的性能較優。Mago等[9]對比研究了簡單有機朗肯循環和抽氣回熱式有機朗肯循環的性能，結果表明，抽氣回熱式有機朗肯循環具有較高的熱效率。

本文根據某車用柴油機的余熱特性，建立了簡單有機朗肯循環、帶回熱器有機朗肯循環和抽氣回熱式有機朗肯循環3種不同結構的熱力學模型，分析了采用R123、R141b、R245ca、R365mfc、R601、R601a作為工作介質時，蒸發溫度對3種有機朗肯循環系統熱力學性能的影響。

1 有機朗肯循環系統工作原理

1.1 簡單有機朗肯循環系統

圖1是系統方案一(簡單有機朗肯循環)的結構示意圖。系統工作時，高溫高壓的氣體在膨脹機中膨脹做功轉變為低壓氣體；低壓氣體流入冷凝器中冷凝成飽和液體，再經工質泵輸送到蒸發器中，在蒸發器中吸收發動機排氣熱量轉變為高溫高壓氣體進入膨脹機中膨脹做功，進行下一個循環。

圖1 簡單有機朗肯循環系統示意圖

1.2 帶回熱器有機朗肯循環系統

圖2是系統方案二(帶回熱器有機朗肯循環)的結構示意圖。系統工作時，高溫高壓有機工質進入膨脹機膨脹做功，做功后的低壓氣體先進入回熱器中將工質余熱傳遞給下一循環的液態有機工質，放熱后的低壓氣體進入冷凝器中被冷凝為液態有機工質，經工質泵加壓后的高壓低溫液態有機工質，先進入回熱器進行預熱；預熱后的有機工質被送到蒸發器中吸收發動機排氣的余熱能轉變為高溫高壓氣體進入膨脹機，進行下一個工作循環。

圖2 帶回熱器有機朗肯循環系統示意圖

1.3 抽氣回熱式有機朗肯循環系統

圖3是系統方案三(抽氣回熱式有機朗肯循環)的結構示意圖。系統工作時，高溫高壓有機工質在膨脹機中膨脹做功，當有機工質的壓力降低到某一定值時，抽出部分工質送入回熱器，剩余的工質繼續在膨脹機中膨脹做功，做功后的低壓氣體進入冷凝器冷凝為飽和液態，工質泵1將液態有機工質加壓后送入回熱器，與回熱器中的氣態有機工質進行混合，工質泵2將混合后的有機工質加壓送入蒸發器，吸收發動機的排氣余熱能進而轉變為高溫高壓氣體進入膨脹機，進行下一工作循環。

圖3 抽氣回熱式有機朗肯循環系統示意圖

2 有機朗肯循環系統熱力學模型

2.1 系統方案一熱力學模型

圖4是系統方案一的溫熵圖。

1-2加壓過程，工質泵消耗的功率:

(1)

2-3蒸發過程，工質吸收的熱量：

(2)

3-4膨脹過程，膨脹機的輸出功率：

圖4 簡單有機朗肯循環系統溫熵圖

(3)

4-1冷凝過程，工質釋放的熱量：

(4)

簡單有機朗肯循環系統的凈輸出功率：

(5)

簡單有機朗肯循環系統熱效率：

(6)

簡單有機朗肯循環系統(火用)效率：

(7)

2.2 系統方案二熱力學模型

圖5是系統方案二的溫熵圖。

圖5 帶回熱器有機朗肯循環系統溫熵圖

1-2加壓過程，工質泵消耗的功率同式(1)；采用有效度方法建立回熱器模型[10]，具體方程如下：

(8)

(9)

3-4蒸發過程，工質吸收的熱量：

(10)

4-5膨脹過程，膨脹機的輸出功率：

(11)

6-1冷凝過程，工質釋放的熱量：

(12)

帶回熱器有機朗肯循環系統的凈輸出功率同式(5)；帶回熱器有機朗肯循環系統熱效率同式(6)； 帶回熱器有機朗肯循環系統(火用)效率同式(7)。

2.3 系統方案三熱力學模型

圖6是系統方案三的溫熵圖。

1-2加壓過程1，工質泵1消耗的功率:

圖6 抽氣回熱式有機朗肯循環系統溫熵圖

(13)

回熱器計算方程如下：

(14)

3-4加壓過程2，工質泵2消耗的功率:

(15)

4-5蒸發過程，工質吸收的熱量：

(16)

5-7膨脹過程，膨脹機的輸出功率：

(17)

7-1冷凝過程，工質釋放的熱量：

(18)

抽氣回熱式有機朗肯循環系統的凈輸出功率：

(19)

抽氣回熱式有機朗肯循環系統熱效率同式(6)；抽氣回熱式有機朗肯循環系統(火用)效率同式(7)。

3 有機工質的選擇

有機工質的選用是影響有機朗肯循環性能的一個重要因素，選取時應遵循以下原則[11]：①工質安全性；②工質環保性；③化學穩定性；④工質的臨界參數及正常沸點；⑤工質經濟性。根據工質的飽和蒸汽曲線的形狀，可將有機工質分為3種類型[12]：濕工質、等熵工質、干工質。因濕流體在膨脹機中膨脹做功后，可能處于含液滴的濕蒸汽狀態區，對膨脹機葉片有液擊作用，因此，選取有機工質時盡可能選取等熵或干工質。

根據上述原則，選取R123、R141b、R245ca、R365mfc、R601、R601a6種工質作為系統的工作介質。表1中給出了6種工質的基本物性參數。各狀態點的物性參數可由REFPROP軟件計算獲得。

表1 6種工質的基本物性參數

4 排氣能量的確定

柴油機在不同的運行工況下，其排氣能量不同，所以在設計分析有機朗肯循環系統之前，必須首先研究不同柴油機工況下排氣能量的變化規律。本文以一臺六缸四沖程柴油機作為研究對象，表2為此臺柴油機的部分實驗數據。

表2 柴油機部分實驗數據

利用下述公式計算排氣能量[13]。

(20)

cp=0.000 25Texh-1+0.99

(21)

選取柴油機轉速2 100 r/min、排氣溫度502.95 K、排氣質量流量0.378 kg/s時的工況為研究對象。在此工況下，柴油機的排氣余熱能約為84.35 kW。

在分析上述3種有機朗肯循環系統的熱力學性能時作出了如下假設：有機工質蒸發溫度在375～430 K之間變化；膨脹機的膨脹比為6；系統的高溫熱源溫度為502.95 K，低溫熱源溫度比冷凝溫度低10 K[14]；環境溫度為290 K；回熱器的有效度為0.9；抽氣壓力與蒸發壓力比值為0.4；工質泵的等熵效率為0.85；膨脹機的等熵效率為0.8；工質在蒸發器中吸熱變為飽和蒸氣；工質在冷凝器中放熱變為飽和液體。

5 計算結果與分析

圖7是工質蒸發壓力隨蒸發溫度的變化情況。由于在研究過程中，有機工質蒸發溫度在給定溫度范圍內變化，并且有機工質的蒸發壓力與蒸發溫度是一一對應的關系，因此，同一工質的蒸發壓力在不同的系統方案中隨蒸發溫度的變化情況相同。如圖7所示，隨著蒸發溫度的增加，各工質的蒸發壓力隨之增加。在同一蒸發溫度下，工質R245ca具有最高的蒸發壓力，工質R123次之，工質R601a的蒸發壓力最低。蒸發壓力過高將會導致機械承壓問題，因此，從運行安全角度考慮，在同樣蒸發溫度下，優先選擇蒸發壓力較低的工質[15]。

圖7 工質蒸發壓力隨蒸發溫度的變化情況

如圖8所示，隨著蒸發溫度的增加，系統熱效率和凈輸出功率的變化趨勢一致。系統熱效率是系統凈輸出功率與工質在蒸發器中吸收熱量的比值，由于工質吸收的熱量是確定的，即為柴油機排氣的余熱能，因此，系統熱效率和凈輸出功率隨蒸發溫度的變化一致。從圖中可知，在同一工質和相同蒸發溫度下，系統方案三具有較高的熱效率和凈輸出功率，系統方案二次之，系統方案一的熱效率和凈輸出功率最低。在系統方案一和系統方案三中，工質R141b、R123具有較高的熱效率和凈輸出功率，工質R601a、R601次之，工質R365mfc的系統熱效率和凈輸出功率最低。系統方案一的最大熱效率和凈輸出功率分別為12.48%和10.53 kW；系統方案三的最大熱效率和凈輸出功率分別為17.08%和14.41 kW；在系統方案二中，工質R601a、R601具有較高的熱效率和凈輸出功率，工質R141b、R123次之。其最大熱效率和凈輸出功率分別為13.58%和11.46 kW。

為了進一步評價工質的做功能力，定義了單位工質凈功量，其為系統凈輸出功率與工質質量流量的比值:

(a) 方案一

(b) 方案二

(c) 方案三

(d) 方案一

(e) 方案二

(f) 方案三

如圖9所示，在系統方案一和系統方案二中，工質R245ca的單位工質凈功量隨著蒸發溫度的增加而降低，其余5種工質的單位工質凈功量隨著蒸發溫度的增加先增加后降低。在系統方案三中，工質R141b、R601的單位工質凈功量隨著蒸發溫度的增加先增加后降低，其余4種工質的單位工質凈功量隨著蒸發溫度的增加而降低。從圖中可以看出，在同一蒸發溫度下，工質R601、R601a的單位工質凈功量明顯高于其他4種工質，工質R141b的單位工質凈功量相對于工質R123、R245ca、R245mfc較高，工質R123的單位工質凈功量最低。說明工質R601、R601a的做功能力明顯較高，工質R141b的做功能力高于工質R123、R245ca、R245mfc，工質R123的做功能力最低。在同一工質和相同蒸發溫度下,當采用系統方案一和系統方案二時，工質的做功能力基本相同；當采用系統方案三時，工質具有較高的做功能力。

(b) 方案二

(c) 方案三

(a) 方案一

(b) 方案二

(c) 方案三

6 結 論

(1) 當采用簡單有機朗肯循環和抽氣回熱式有機朗肯循環系統時，工質R141b具有最高的系統熱效率、凈輸出功率和效率，而且具有較低的蒸發壓力和較高的做功能力，可作為最優工質。當采用帶回熱器有機朗肯循環系統時，工質R601a具有最高的系統熱效率、凈輸出功率和效率，而且具有最低的蒸發壓力和較高的做功能力，可作為最優工質。

(2) 通過對比分析，抽氣回熱式有機朗肯循環系統熱力學性能優于帶回熱器有機朗肯循環和簡單有機朗肯循環系統熱力學性能。當采用R141b作為系統工質時，其最大熱效率和凈輸出功率可以達到17.08%和14.41 kW。因此，抽氣回熱式有機朗肯循環系統方案可作為最佳選擇方案。

(3) 當工質蒸發溫度在375 K-430 K范圍內變化時，3種有機朗肯循環系統的效率隨著蒸發溫度的增加而增加。

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The Selections of Organic Rankine Cycle System Schemes and Working Fluids for Automotive Engine

AYun-sheng1,2,MASheng-yuan1,LUHai-tao2,CUIDan-dan2,ZHANGHong-guang2

(1. Department of Traffic and Engineering, Qinghai University for Nationalities, Xining 810007, China；2. College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Based on the waste heat characteristics of the diesel engine, a simple organic Rankine cycle (ORC) system, an ORC system with a internal heat exchanger and the regenerative ORC system are adopted to recover the exhaust waste heat of the diesel engine. According to the working principles of these three ORC systems, their thermodynamic models are established, respectively. The working fluids R123, R141b, R245ca, R365mfc, R601 and R601a are selected for the three ORC systems, and the thermodynamic performances are compared for these three ORC systems. The results show that the working fluid R141b is the optimum working fluid for simple ORC and regenerative ORC, whereas the working fluid R601a is optimum working fluid for ORC with internal heat exchanger. When using R141b as working fluid, the maximum thermal efficiency and net power output of the regenerative ORC system can reach up to 17.08% and 14.41 kW, respectively, this is the optimal thermodynamic performance. Therefore, the thermodynamic performance of the regenerative ORC is better than that of the others.

organic Rankine cycle; waste heat recovery; working fluid selection; system scheme

2015-01-22

國家自然科學基金資助項目(51376011)；北京市自然科學基金資助項目(3152005)；北京市教育委員會科技計劃重點項目(KZ201410005003)

阿云生(1990-)，男,蒙古族，青海大通人，本科生，現主

張紅光(1970-)，男，山東乳山人，教授，博士生導師，主要從事內燃機余熱利用研究。

Tel.: 010-67392469；E-mail：zhanghongguang@bjut.edu.cn

TK 11+5

A

1006-7167(2015)10-0018-06

要從事內燃機余熱利用研究。

Tel.: 15501044909；E-mail：15509786478@163.com