車用柴油機余熱回收有機朗肯循環系統方案熱經濟性對比分析

柴俊霖，田瑞，楊富斌，張紅光

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車用柴油機余熱回收有機朗肯循環系統方案熱經濟性對比分析

柴俊霖1，田瑞1，楊富斌2，張紅光2

（1內蒙古工業大學能源與動力工程學院，內蒙古呼和浩特 010051；2北京工業大學環境與能源工程學院，北京 100124）

為實現對車用柴油機余熱能量的充分回收，針對簡單有機朗肯循環系統和雙有機朗肯循環系統進行對比分析研究。根據某車用六缸柴油機的臺架試驗結果，在研究其變工況下余熱特性的基礎上，建立兩種有機朗肯循環系統的熱力學模型和經濟模型，并對兩個系統的熱經濟性進行了對比分析。結果表明：在柴油機整個工況范圍內，雙有機朗肯循環系統的凈輸出功率、功率提升率和有效燃油消耗率改善度均優于簡單有機朗肯循環系統，最大值分別為24.38 kW、8.71%和8.01%；雙有機朗肯循環系統的單位能量產出成本為0.8089 CNY·(kW·h)?1，比簡單有機朗肯循環系統低19.26%。

車用柴油機；余熱回收；有機朗肯循環；系統方案；熱經濟性

引 言

汽車作為主要的交通工具，仍以消耗傳統石油燃料為主。從目前車用發動機能量利用平衡來看，燃料燃燒總熱量的約1/3用于動力輸出，除摩擦、機械等消耗小部分能量外，其余大約一半的能量主要通過排氣及冷卻水以余熱的形式損失[1]。而且根據國家統計局發布的數據顯示，2015年末全國民用汽車保有量達到了17228萬輛[2]，車用發動機能源浪費嚴重。因此，進行車用發動機余熱回收利用對降低燃油消耗量、減少污染物排放、保障國家能源安全意義重大。

在車用發動機余熱回收技術中，有機朗肯循環系統由于其結構簡單、熱效率較高、穩定性高、維修容易等優點受到國內外廣泛關注[3-7]，且已設計了不同形式的有機朗肯循環系統方案[8-12]。其中同時回收發動機排氣余熱能量和發動機冷卻系統余熱能量的雙有機朗肯循環系統新方案已成為研究熱點。Shu等[9]研究了回收車用柴油機排氣和冷卻水余熱能量的雙有機朗肯循環系統在不同循環工質時的熱力學性能，Zhang等[13]對輕型車用柴油機雙有機朗肯循環聯合系統在不同負載下的輸出功率進行了研究，董小瑞等[14]設計了回收車用柴油機排氣和冷卻水余熱能的雙有機朗肯循環系統，并就其凈輸出功率、熱效率等進行了分析。而雙有機朗肯循環系統相比于傳統的只回收發動機排氣余熱能量的簡單有機朗肯循環系統在熱經濟性方面的對比分析未見報道，而熱經濟性分析是方案選擇、系統優化、技術應用推廣等的理論基礎。

針對一臺車用六缸柴油機的臺架試驗結果，分析了其在變工況下的余熱特性，對典型的簡單有機朗肯循環系統和雙有機朗肯循環系統兩種方案進行了熱力學性能和經濟性能的對比分析研究。

1 車用柴油機余熱特性

為了分析有機朗肯循環不同系統方案對車用柴油機余熱的回收效果，須先對車用柴油機不同運行工況下的余熱特性進行研究。選用一臺增壓中冷直列六缸車用柴油機為研究對象，其基本參數見表1。試驗過程中柴油機轉速范圍為600～2200 r·min-1，取值間隔為100 r·min-1，柴油機轉矩范圍為0～1600 N·m。

圖1為試驗得到的柴油機排氣溫度隨柴油機轉速和轉矩的變化情況。從圖中可以看出，柴油機排氣溫度隨柴油機轉矩的增加而增加，受柴油機轉速的影響較小，排氣溫度最大達到818.95 K，大部分集中于490～655 K之間。

圖2為柴油機排氣質量流量隨柴油機轉速和轉矩的變化情況。從圖中可以看出，柴油機排氣質量流量隨柴油機轉速和轉矩的增加而增加，其最大值可以達到0.48 kg?s-1。

表1 車用柴油機的基本參數

圖1 柴油機排氣溫度

圖2 柴油機排氣質量流量

圖3為柴油機最大可用排氣能量隨柴油機轉速和轉矩的變化情況。柴油機最大可用排氣能量是指其排氣溫度降低到酸露點時所釋放出的能量。從圖中可以看出，柴油機最大可用排氣能量隨柴油機轉速和轉矩的增加而增加，在額定工況點，柴油機最大可用排氣能量可達292.95 kW。

圖3 柴油機最大可用排氣能量

圖4為柴油機冷卻系統能量隨柴油機轉速和轉矩的變化情況。柴油機冷卻系統能量是指柴油機運行過程中通過冷卻液所釋放出的能量。從圖中可以看出，柴油機冷卻系統能量與最大可用排氣能量變化趨勢相同，隨柴油機轉速和轉矩的增加而增加，其最大值為233.78 kW。

圖4 柴油機冷卻系統能量

2 兩種有機朗肯循環系統的熱力學模型

在建立簡單有機朗肯循環系統和雙有機朗肯循環系統熱力學模型之前應選取循環有機工質。工質的特性不僅影響有機朗肯循環的熱力學性能，還與系統經濟性密切相關。在綜合分析柴油機余熱特性和文獻[15-16]研究成果的基礎上，選擇R245fa作為循環工質，表2為R245fa的特性參數。

2.1 簡單有機朗肯循環系統的熱力學模型

簡單有機朗肯循環系統由工質泵、蒸發器、膨脹機、發電機、冷凝器、儲液罐等組成。圖5為簡單有機朗肯循環系統示意圖，圖6是其對應的-圖。

表2 R245fa的特性參數

圖5 簡單有機朗肯循環系統

圖6 簡單有機朗肯循環系統T-s圖

簡單有機朗肯循環系統工作過程：飽和液態工質經工質泵加壓后進入蒸發器（1-2表示加壓過程），在蒸發器中吸收柴油機排氣能量變為飽和或過熱蒸氣（2-3表示等壓加熱過程），蒸發后的工質在膨脹機中膨脹帶動發電機輸出電能（3-4表示膨脹過程），膨脹后的乏氣進入冷凝器與冷卻水換熱變為飽和液態（4-1表示等壓冷凝過程），液態工質流入儲液罐再由工質泵加壓送至蒸發器，開始下一次循環。

簡單有機朗肯循環系統的熱力學模型

2.2 雙有機朗肯循環系統的熱力學模型

雙有機朗肯循環系統包括低溫循環和高溫循環，其中低溫循環用于回收柴油機冷卻系統余熱能量，高溫循環用于回收柴油機排氣余熱能量，兩個循環通過熱交換器聯系。圖7為雙有機朗肯循環系統示意圖，圖8是其對應的-圖。

圖7 雙有機朗肯循環系統

圖8 雙有機朗肯循環系統T-s圖

雙有機朗肯循環系統工作過程：

（1）低溫循環。飽和液態工質經工質泵1加壓后進入蒸發器1（L1-L2表示加壓過程），在蒸發器1中吸收柴油機冷卻系統能量（L2-L3表示等壓加熱過程），隨后進入熱交換器中吸收高溫循環做功后乏氣的熱量變為飽和或過熱蒸氣（L3-L4表示等壓加熱過程），氣態工質在膨脹機1中膨脹帶動發電機1輸出電能（L4-L5表示膨脹過程），膨脹后的乏氣進入冷凝器與冷卻水換熱變為飽和液態流入儲液罐1（L5-L1表示等壓冷凝過程）。

（2）高溫循環。與上述簡單有機朗肯循環系統的工作基本相同，只是冷凝放熱過程（H4-H1）是通過熱交換器與低溫循環工質進行換熱。

雙有機朗肯循環系統的熱力學模型：

① 低溫循環

② 高溫循環

(3)

③ 雙有機朗肯循環系統凈輸出功率為

式中，L1、L2、L3、L4、L5表示-圖中低溫循環各狀態點；H1、H2、H3、H4表示-圖中高溫循環各狀態點；其他參數同式（1）。

2.3 評價參數

為了對兩種有機朗肯循環系統方案熱力學性能進行分析，選取凈輸出功率、功率提升率i和有效燃油消耗率改善度be進行研究，凈輸出功率前面已有介紹，其他兩個參數表達式如下

2.4 系統假設條件

基于車用柴油機有機朗肯循環系統的運行條件，就兩種有機朗肯循環系統作如下假設。

① 系統均在穩定狀態下運行。

② 忽略管路中的壓力損失和散熱損失。

③ 膨脹機等熵效率為60%[17]，工質泵等熵效率為80%[5]，蒸發器換熱效率為60%[18]。

④ 簡單有機朗肯循環系統蒸發壓力取為3 MPa，過熱度為10 K，冷凝溫度為303.15 K。

⑤ 雙有機朗肯循環系統熱交換器換熱效率為85%[18]；高溫循環蒸發壓力取為3 MPa，過熱度為10 K，冷凝溫度取為353.15 K；低溫循環蒸發溫度為343.15 K，過熱度為0 K，冷凝溫度為303.15 K。

3 兩種有機朗肯循環系統的經濟模型

選取單位能量產出成本（LEC）為系統經濟性評價參數。單位能量產出成本[USD·(kW·h)?1]簡化表達式為[19]

式中，CRF為投資回收因子；tot2014為2014年的系統初期投資成本；COM為系統運行維護成本，取為tot2014的1.5%；op為系統年運行時間，取為7000 h。

投資回收因子CRF可參考文獻[20]，關系式為

式中，為利息率，取為5%；LTpl為系統使用壽命，取為20 a。

2014年的系統初期投資成本tot2014可由2001年的系統初期投資成本tot2001轉化計算得到

式中，CEPCI2014576.1[21]，CEPCI2001394[22]。

系統初期投資成本為系統各部件的投資費用之和

在有機朗肯循環系統中，換熱器的投資費用占到系統總投資費用的80%～90%[23-25]，因此總投資費用也可近似表示為

(10)

式中，為修正系數，取為1.25；EVP、CON分別為蒸發器、冷凝器的投資費用，以下統一用表示，計算式為[22]

式中，0p,i為換熱器的基本投資費用；1、2和1、2、3是與換熱器類型有關的常數；M,i為換熱器材料因子；F,i為換熱器壓力因子；p為換熱器工作表壓力；1、2、3是與換熱器類型和工作表壓力有關的常數；A為傳熱面積。常數、、和M,i可由文獻[22]得到，見表3。

表3 換熱器費用估算相關系數

換熱器傳熱面積的計算式為

式中，Q為換熱器最大換熱量；h為總傳熱系數；Δm,i為對數傳熱溫差。

忽略污垢層熱阻，總傳熱系數可表示為

換熱器類型不同，傳熱形式不同，傳熱系數不同。表4列出了所選換熱器在不同傳熱形式時對應的傳熱系數經驗公式。其中，雙有機朗肯循環系統（圖7）中的熱交換器對高溫循環來說為冷凝器，對低溫循環來說為蒸發器。

4 熱經濟性計算結果與對比分析

圖9為兩種有機朗肯循環系統凈輸出功率隨柴油機工況的變化情況。

從圖中可以看出，兩種有機朗肯循環系統凈輸出功率隨柴油機轉速和轉矩的增加而增加，雙有機朗肯循環系統凈輸出功率大于簡單朗肯循環系統凈輸出功率，在柴油機額定工況點，均達到最大值，分別為16.08和24.38 kW。且簡單有機朗肯循環系統在柴油機中等轉矩以下的工況范圍內，凈輸出功率基本都小于5 kW，而雙有機朗肯循環系統凈輸出功率小于5 kW的范圍相對要小，主要是因為在柴油機中等轉矩以下的工況范圍內冷卻系統余熱能量比排氣余熱能量多，雙有機朗肯循環系統比簡單有機朗肯循環系統優勢更加明顯。

表4 傳熱系數經驗公式

圖9 兩種有機朗肯循環系統凈輸出功率

圖10 兩種有機朗肯循環系統功率提升率

圖10為兩種有機朗肯循環系統功率提升率隨柴油機工況的變化情況。由圖可以看出，對于簡單有機朗肯循環系統，功率提升率主要受轉矩影響，基本隨轉矩的增加而增加，其最大值為5.75%；對于雙有機朗肯循環系統，功率提升率同時受轉速和轉矩的影響（隨轉速的增加，功率提升率基本上先增加再減少然后再增加；隨轉矩的增加，功率提升率基本上先減少后增加），在額定工況點達到最大值8.71%。且簡單有機朗肯循環系統在柴油機大部分工況下，功率提升率均小于3%，而雙有機朗肯循環系統的功率提升率在所有工況范圍內均大于4%。

圖11為兩種有機朗肯循環系統有效燃油消耗率改善度隨柴油機工況的變化情況。可以看出，兩種有機朗肯循環系統的有效燃油消耗率改善度與功率提升率具有相同的變化趨勢。簡單有機朗肯循環系統的有效燃油消耗率改善度最大值為5.43%，雙有機朗肯循環系統最大值為8.01%。

表5為在系統換熱量最大即柴油機額定工況點時計算得到兩種有機朗肯循環系統的各種成本。由表可知，雙有機朗肯循環系統的單位能量產出成本為0.8089 CNY·(kW·h)?1，比簡單有機朗肯循環系統低19.26%，這是因為雙有機朗肯循環比簡單有機朗肯循環對應的tot2014提高比例小于其凈輸出功率提高的比例。

表5 柴油機額定工況點時兩種有機朗肯循環系統的各種成本

Note: 1 USD6.8903 CNY.

圖11 兩種有機朗肯循環系統有效燃油消耗率改善度

5 結 論

（1）在柴油機整個工況范圍內，雙有機朗肯循環系統的凈輸出功率和功率提升率大于簡單有機朗肯循環系統的凈輸出功率和功率提升率，且均在柴油機額定工況點達到最大值，分別為24.38 kW、8.71%和16.08 kW、5.75%。

（2）在柴油機中等轉矩以下的工況范圍內，雙有機朗肯循環系統的凈輸出功率比簡單有機朗肯循環系統提高優勢更加明顯。

（3）在柴油機整個工況范圍內，有效燃油消耗率改善度變化趨勢與功率提升率相同，在柴油機額定工況點兩系統均達到最大值，分別為8.01%和5.43%。

（4）雙有機朗肯循環系統的單位能量產出成本比簡單有機朗肯循環系統低19.26%。

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Thermo-economic comparative analysis of different organic Rankine cycle system schemes for vehicle diesel engine waste heat recovery

CHAI Junlin1, TIAN Rui1, YANG Fubin2, ZHANG Hongguang2

(1College of Energy and Power Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, Inner Mongolia, China;2College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

In order to have a full recovery of the waste heat from a vehicle diesel engine, simple organic Rankine cycle (ORC) system and dual-loop organic Rankine cycle (ORC) system are compared and investigated. According to bench test results of a vehicle six-cylinder diesel engine, the thermodynamic models and economic models of both ORC systems are established, and the thermo-economic comparative analysis of both ORC systems are done on the basis of the study on waste heat characteristics under engine various operating conditions. The results show that, under engine entire operating conditions, net power output, augmentation proportion of power output and improvement of brake specific fuel consumption (BSFC) of the dual-loop ORC system are better than the simple ORC system, the maximum value are 24.38 kW、8.71% and 8.01% separately; Levelized Energy Cost (LEC) of the dual-loop ORC system is 0.8089 CNY·(kW·h)?1and 19.26% lower than the simple ORC system.

vehicle diesel engine; waste heat recovery; organic Rankine cycle; system scheme;thermo- economy

10.11949/j.issn.0438-1157.20170004

TK 406

A

0438—1157（2017）08—3258—08

田瑞。第一作者：柴俊霖（1979—），女，博士研究生，講師。

國家自然科學基金項目（51376011）；北京市自然科學基金項目（3152005）；內蒙古工業大學科研項目（ZD201606）。

2017-01-03收到初稿，2017-03-21收到修改稿。

2017-01-03.

Prof. TIAN Rui, tianr@imut.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China (51376011), the Natural Science Foundation of Beijing (3152005) and the Scientific Research Program of Inner Mongolia University of Technology (ZD201606).