基于雙有機朗肯循環的CNG發動機余熱回收系統參數優化及工質選擇

崔雁清， 尤琦， 湯傳琦， 楊富斌,2， 張紅光,2

(1. 北京工業大學環境與能源工程學院， 北京　100124； 2. 北京電動車輛協同創新中心， 北京　100124)

?

基于雙有機朗肯循環的CNG發動機余熱回收系統參數優化及工質選擇

崔雁清1， 尤琦1， 湯傳琦1， 楊富斌1,2， 張紅光1,2

(1. 北京工業大學環境與能源工程學院， 北京100124； 2. 北京電動車輛協同創新中心， 北京100124)

為了充分利用CNG發動機的余熱能量，根據CNG發動機的余熱能分布特性設計了雙有機朗肯循環系統，用來回收CNG發動機的排氣能量、進氣中冷能量以及冷卻系統具有的能量。該雙有機朗肯循環系統包括高溫循環和低溫循環，高溫循環采用R245fa作為工質，用于回收CNG發動機排氣能量；低溫循環分別采用R245fa，R1234ze和R1234yf作為工質，用于回收進氣中冷能量、高溫循環冷凝過程中釋放的能量以及發動機冷卻系統的能量。在CNG發動機標定工況下，對雙有機朗肯循環系統的參數敏感度進行了分析。結果表明：較高的高溫循環蒸發壓力和低溫循環蒸發溫度，較低的高溫循環冷凝溫度和低溫循環冷凝溫度可以提升雙ORC系統的凈輸出功率和熱效率；高、低溫循環均選擇R245fa的方案可以使系統具有較優的熱力學性能。

天然氣發動機； 有機朗肯循環系統； 余熱回收； 參數優化

隨著汽車工業的快速發展，汽車保有量越來越大，汽車所消耗的能源也隨之增加。從目前車用內燃機的熱平衡來看，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]，這不僅會造成能源的浪費，其排出的燃燒產物還會對環境產生嚴重的污染。因此，開展針對傳統內燃機的余熱利用研究是提高內燃機的總能利用率以及減少污染物排放的有效途徑[2-4]。有機朗肯循環(Organic Rankine Cycle，ORC)技術被認為是實現低品位能量回收的有效途徑之一，并且在內燃機余熱回收領域得到了廣泛的研究與應用[5-7]。

簡單ORC系統僅能用于回收單一余熱源能量，因此其凈輸出功率通常較低。雙有機朗肯循環系統由于其結構上的優勢，能夠實現余熱能量的梯級利用[8-9]。運行參數的設置和有機工質的選擇對ORC系統的性能有著重要影響，尤其是對于雙有機朗肯循環系統，其涉及到的運行參數更多，并且高、低溫循環可以選取不同的有機工質[10-11]，因此，有必要從這兩方面對雙有機朗肯循環系統的性能進行分析。

本研究針對1臺車用CNG發動機在標定工況點的余熱能分布特性，設計了雙有機朗肯循環系統用于回收CNG發動機排氣能量、進氣中冷能量及冷卻液能量，分析了雙有機朗肯循環系統主要運行參數和工質選擇對系統性能的影響。

1　雙有機朗肯循環系統工作原理

圖1示出車用CNG發動機雙有機朗肯循環余熱回收系統結構。該系統主要由高溫循環和低溫循環兩部分組成，高溫循環用于回收CNG發動機排氣能量，低溫循環用于回收進氣中冷能量、高溫循環冷凝過程中釋放的能量以及冷卻系統具有的能量。

高溫循環中，工質泵將有機工質加壓后送入蒸發器，有機工質在蒸發器中吸收CNG發動機排氣能量后變為蒸氣狀態。隨后，工質蒸氣進入膨脹機并推動膨脹機做功，做功后的乏氣在熱交換器中與低溫循環工質換熱后變為飽和液體，最后回到儲液罐中。低溫循環中，有機工質經工質泵加壓后首先被送到中冷器中，在吸收CNG發動機進氣能量后變為過冷狀態。隨后，在熱交換器中吸熱后變為氣液兩相狀態。之后，在蒸發器中吸收CNG發動機冷卻液能量后變為飽和蒸氣，飽和蒸氣推動膨脹機對外做功。膨脹后的乏氣經冷凝器放熱后變為飽和液體并流回到儲液罐中。至此，低溫回路完成一個工作循環。

圖1　雙有機朗肯循環余熱回收系統結構

2　雙有機朗肯循環系統熱力學模型

圖2　雙有機朗肯循環系統溫熵圖

2.1高溫循環

吸熱過程(H5—H2)：

(1)

(2)

式中：TH,HH為高溫循環的高溫熱源溫度，設定TH,HH=TH2+5 K。

膨脹過程(H2—H3)：

(3)

(4)

預熱過程(H3—H4)：

(5)

加壓過程(H4—H5)：

(6)

(7)

高溫循環凈輸出功率：

(8)

2.2低溫循環

中冷過程(L4—L5)：

(9)

(10)

式中，Tint,HH為中冷器換熱過程中高溫熱源溫度，設定Tint,HH=TL5+5 K。

預熱過程(L5—L6)：

(11)

(12)

吸熱過程(L6—L1)：

(13)

(14)

式中：TL,HH為低溫循環的高溫熱源溫度，設定TL,HH=TL1+5 K。

膨脹過程(L1—L2)：

(15)

(16)

冷凝過程(L2—L3)：

(17)

(18)

式中：TL,LT為低溫循環的低溫熱源溫度，設定TL,LT=TL3-5 K。

加壓過程(L3—L4)：

(19)

(20)

低溫循環凈輸出功率：

(21)

2.3雙有機朗肯循環系統性能參數

雙有機朗肯循環系統總凈輸出功率為

(22)

(23)

(24)

(25)

雙有機朗肯循環系統熱效率為

(26)

加裝雙ORC系統后，與原CNG發動機相比，功率提升率為

(27)

2.4有機工質的選擇

在有機朗肯循環系統結構確定以后，有機工質的物性參數會對系統性能產生較大影響。在當前的研究中，大部分學者都采用干工質作為循環工質以避免膨脹后產生液擊現象。同時，工質的臨界溫度應該略高于循環中的最高溫度，以避免跨臨界循環可能帶來的諸多問題。此外，針對雙有機朗肯循環系統的特點，高溫循環應盡量選擇臨界參數較高的工質。在保證系統熱力學性能的同時，應該兼具環境友好性，即具有較低的全球變暖潛值(GWP)和臭氧層破壞潛值(ODP)。

制冷劑R245fa由于其綜合性能較優在有機朗肯循環領域得到了廣泛的應用。近年來，R1234yf和R1234ze作為新一代的綠色環保替代制冷劑，因其環保特性及良好的熱力學性能，具有廣闊的發展前景。因此，本研究選取R245fa作為高溫循環工質，選取R245fa，R1234yf和R1234ze作為低溫循環工質。表1給出了3種工質的基本物性參數。

表1　有機工質基本物性參數

3　計算結果及分析

本研究選取了1臺車用CNG發動機作為余熱回收對象。CNG發動機運行在標定工況時具有最大的余熱能量，因此，選擇該工況點進行余熱回收潛力分析。CNG發動機的基本技術參數見表2。表3示出了CNG發動機在標定工況點的余熱特性參數。

表2　CNG發動機基本技術參數

表3　CNG發動機余熱特性參數

在對雙有機朗肯循環系統的性能進行分析之前，假設膨脹機等熵效率為0.7，工質泵等熵效率為0.65，環境溫度為291.15 K。

圖5　高溫循環冷凝溫度對雙ORC系統性能的影響

圖6　低溫循環蒸發溫度對雙ORC系統性能的影響

圖7　低溫循環冷凝溫度對雙ORC系統性能的影響

本研究所采用的CNG發動機主要應用于客車和卡車領域，考慮到其通常運行在高扭矩區域，因此，有必要對ORC系統在CNG發動機常用工況下的性能進行分析。表4示出了CNG發動機處于最大扭矩工況時的性能參數。

表4　CNG發動機最大扭矩工況時性能參數

在CNG發動機最大扭矩工況下，以雙ORC系統熱力學性能最優為目標，分析并確定了雙ORC系統的最佳運行參數。其分析結果見表5。

表5　CNG發動機最大扭矩工況時雙ORC系統性能參數

由表5可知，在CNG發動機最大扭矩工況下，雙ORC系統仍然表現出了較好的熱力學性能，并且其運行參數的分析結果與標定工況點時一致。這說明CNG發動機僅僅作為雙ORC系統的余熱源，其工況的變化對雙ORC系統的運行參數影響較小。在CNG發動機最大扭矩工況下，雙ORC系統凈輸出功率和熱效率分別為23.78 kW和10.53%。同時，可以使原CNG發動機功率提升11.33%。由此可知，在CNG 發動機的常用工況下，雙ORC系統仍然表現出了較優的熱力學性能。

4　結論

a) 較高的高溫循環蒸發壓力、低溫循環蒸發溫度，以及較低的高溫循環冷凝溫度和低溫循環冷凝溫度可以提升雙ORC系統的熱力學性能；

b) 將高溫循環工質加熱至過熱狀態并不能顯著提升雙ORC系統的熱力學性能，反而會增加系統的不可逆損失；

c) 對于雙ORC系統，在系統其他條件相同的情況下，高、低溫循環均選擇R245fa的方案可以使系統具有較優的熱力學性能，以及較低的不可逆損失。

[1]周龍保. 內燃機學[M]. 3版. 北京:機械工業出版社,2010.

[2]Tian H, Shu G Q, Wei H Q, et al. Fluids and parameters optimization for the organic Rankine cycles (ORCs) used in exhaust heat recovery of Internal Combustion Engine (ICE)[J]. Energy,2012,47:125-136.

[3]He Y L, Mei D H, Tao W Q, et al. Simulation of the parabolic trough solar energy generation system with Organic Rankine Cycle[J]. Applied Energy,2012,97:630-641.

[4]Wang J F, Yan Z Q, Wang M, et al. Thermodynamic analysis and optimization of an (organic Rankine cycle) ORC using low grade heat source[J]. Energy,2013,49:356-365.

[5]Yu G P, Shu G Q, Tian H, et al. Simulation and thermodynamic analysis of a bottoming Organic Rankine Cycle (ORC) of diesel engine (DE)[J]. Energy,2013,51:281-290.

[6]Yue C, Han D, Pu W H. Analysis of the integrated characteristics of the CPS (combined power system) of a bottoming organic Rankine cycle and a diesel engine[J]. Energy,2014,72:739-751.

[7]Wang E H, Zhang H G, Fan B Y, et al. Study of working fluid selection of organic Rankine cycle (ORC) for engine waste heat recovery[J]. Energy,2011,36:3406-3418.

[8]Yang F B, Dong X R, Zhang H G, et al. Performance analysis of waste heat recovery with a dual loop organic Rankine cycle (ORC) system for diesel engine under various operating conditions[J]. Energy Conversion and Management,2014,80:243-255.

[9]Zhang H G, Wang E H, Fan B Y. A performance analysis of a novel system of a dual loop bottoming organic Rankine cycle (ORC) with a light-duty diesel engine[J]. Applied Energy,2013,102:1504-1513.

[10]Shu G Q, Yu G P, Tian H, et al. Multi-approach evaluations of a cascade-Organic Rankine Cycle (C-ORC) system driven by diesel engine waste heat: Part A-Thermodynamic evaluations[J]. Energy Conversion and Management,2016,108:579-595.

[11]Shu G Q, Liu L N, Tian H, et al. Performance comparison and working fluid analysis of subcritical and transcritical dual-loop organic Rankine cycle (DORC) used in engine waste heat recovery[J]. Energy Conversion and Management,2013,74:35-43.

[編輯：潘麗麗]

Parameter Optimization and Working Fluid Selection of Waste Heat Recovery System for CNG Engine Based on Dual Organic Rankine Cycle

CUI Yanqing1, YOU Qi1, TANG Chuanqi1, YANG Fubin1,2, ZHANG Hongguang1,2

(1. College of Environmental and Energy Engineering，Beijing University of Technology, Beijing100124, China;2. Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles in Beijing, Beijing100124, China)

In order to utilize the waste heat of CNG engine efficiently, a dual organic Rankine cycle (ORC) system was designed to recover the waste heat of exhaust gas, intake air and cooling system. The dual ORC system included a high temperature (HT) cycle and a low temperature (LT) cycle. R245fa was used as working fluid to recover the exhaust energy at HT cycle. And R245fa, R1234ze and R1234yf were selected as working fluids to recover the waste heat of intake air, condensation process of HT cycle and cooling system at LT cycle. At rated condition of CNG engine, the parameter sensitivity of the dual ORC system was further analyzed. The results show that the higher evaporation pressure of HT cycle and evaporation temperature of LT cycle and the lower condensation temperature of both cycles can improve the net power output and thermal efficiency of dual ORC system. The optimal thermodynamic performance can be achieved by choosing R245fa as working fluid for both cycles.

CNG engine； organic Rankine cycle； waste heat recovery； parameter optimization

2016-04-18；

2016-06-09

2016年度國家自然科學基金委員會與英國皇家學會合作交流項目(5151101376)；國家自然科學基金(51376011)

崔雁清(1994—)，男，本科，主要研究方向為內燃機余熱利用技術；1193240469@qq.com。

張紅光(1970—)，男，教授，主要研究方向為車用內燃機余熱利用技術；zhanghongguang@bjut.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.05.012

TK406

B

1001-2222(2016)05-0061-08