全封閉式渦旋膨脹機在車用有機朗肯循環中的特性研究

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(1 上海交通大學制冷與低溫工程研究所 上海 200240； 2 上海高效冷卻系統工程技術研究中心 上海 200240)

近十年，化石燃料快速消耗造成能源供應不足，汽車尾氣排放惡化了生態環境。低品位能源的廢熱利用重新受到關注[1-2]。汽車發動機中約60%～70%的燃油能量以廢熱的形式散失。此外，越來越嚴格的排放要求和燃油利用效率指標也迫使人們在能源回收再利用領域做出質的改變。為進一步減少污染及改善歐洲市場汽車燃油經濟性，歐洲環境署在2014年4月24號宣布了針對歐洲汽車工業最新的二氧化碳排放法規。2015及2021年的目標相對于2007年分別減少18%和40%。美國新能源法要求其汽車行業在2020年前，把汽車燃油效率提高40%。為進一步減少污染以及改善汽車燃油經濟性，按照中國的法規CAFC，2015年燃油排放限值應達到0.069 L/km，2020年應達到0.005 L/km。提高發動機的燃油效率成為汽車行業首要解決的難題。

車用有機朗肯循環回收重卡EGR (exhaust gas recirculation)、CAC (charge air cooler)的余熱在國外已展開研究，但國內在商用車小型有機朗肯循環系統領域的研究仍較少。膨脹機作為有機朗肯循環的核心部件一直是研究的熱點[3-4]。目前國內余熱回收技術主要集中在采用螺桿式膨脹機的大型熱電廠的廢熱回收，且已經達到了成熟的商用技術；國外對膨脹機的研究主要基于仿真進行分析。梁任等[5]針對螺桿膨脹機的工作特點建立了熱力學模型，分析得知冷卻水進口溫度對系統影響最大，冷凝器的工況調節是優化系統的有效措施；S. Declaye等[6]對開式膨脹機在ORC系統中的性能進行了實驗研究，當蒸發溫度和冷凝溫度分別達到97.5 ℃和26.6 ℃時系統循環效率具有最大值8.5%，此時等熵效率75%；P. Garg等[7]開發了一套用于有機朗肯循環系統膨脹機選擇的經驗模型。

基于商用卡車發動機余熱回收[8-12]的背景，針對中低溫余熱的應用要求，本文建立了2 kW目標發電量的小型有機朗肯循環實驗測試臺架。針對膨脹發電一體的全封閉式渦旋膨脹機作為有機朗肯發電系統的核心部件進行了參數特性研究。分析了膨脹機的等熵效率、容積系數及壓比變化對系統循環整體性能的影響并提出優化方向。

1 渦旋膨脹機

渦旋膨脹機因轉速低、結構緊湊、活動部件少、成本較低等優點被認為比離心式透平機械更適用小型中低溫有機朗肯循環[13]。實驗研究中采用的渦旋膨脹機大多由商業壓縮機改造而來而并非獨立設計。其優勢之一就是可獲得性強，有利于縮減系統成本。一般做法即移除壓縮機的吸排氣閥片，在運行過程中將進出口反向接入系統即可。不同于壓縮機的是，高壓氣體由中間進氣口進入膨脹機膨脹做功，低壓乏氣從膨脹機周邊排氣口排出。現在市場上的渦旋壓縮機主要分兩種：制冷渦旋和空氣渦旋。

表1 兩種渦旋壓縮機的對比Tab.1 Comparison of two scroll compressors

渦旋膨脹機也可分為開式和全封閉式兩類，全封閉式渦旋膨脹機區別于開式膨脹機主要在[14]：

1)膨脹機的轉速不再作為外部調節參數，受限于發電機的頻率。

2)膨脹機的輸出功由軸功變為輸出電功，需要考慮機械功轉化為電功率的損失。

2 實驗臺架

有機朗肯循環的基本組成部件有：蒸發器、冷凝器、工質泵和膨脹機。圖1所示為有機朗肯循環實驗臺架。系統采用R245fa作為循環工質[15]。

圖1 有機朗肯循環臺架Fig.1 Scheme of organic Rankine cycle

循環原理：過冷狀態下的冷媒流體在工質泵中加壓后進入蒸發器內，與來流的高溫熱源換熱轉化為高溫制冷劑蒸氣，進入膨脹機膨脹做功將機械功傳遞給發電機從而輸出電功率。膨脹結束的高溫乏汽進入冷凝器與來流的冷卻水換熱，冷凝后的制冷劑再次進入工質泵中完成一次循環過程。

圖2 有機朗肯循環系統實驗臺架Fig.2 Test bench of organic Rankine cycle

有機朗肯循環系統實驗臺架如圖2所示。選擇合適的工質和單體部件是影響系統性能的重要因素。循環工質的選擇一般基于熱源特性和系統運行工況。根據發動機余熱資源的溫度可分為高溫熱源和低溫熱源。高溫熱源包括發動機排氣(400～600 ℃)和EGR(200～400 ℃)，低溫熱源包括CAC(90～100 ℃)和潤滑油(50～70 ℃)。分析認為，余熱溫度低于70 ℃時就失去了回收的價值，反而帶來額外的消耗。而超高溫的余熱則限制了有機工質的選擇范圍。大部分有機工質在高溫下會發生裂解，釋放出有害或腐蝕性物質，損壞部件，破壞環境。針對90～120 ℃的中低溫熱源選擇R245fa作為循環工質。工質泵選擇Blackmer的滑片式變頻泵，進出口壓差最大可達 1 000 kPa。核心部件是將渦旋機械與發電機相耦合的全封閉式膨脹機。這種全封閉式發電機轉速調節主要依賴于電機的頻率大小。本系統中電機輸出端并入50 Hz市網，因此膨脹機轉速恒定為3 000 r/min。蒸發器和冷凝器均采用逆流板式換熱器。冷凝器出口增加儲液罐，目的是通過液位差保證液體泵入口具有一定的過冷度，防止發生氣蝕現象，當工況變化時也起到緩沖穩定的作用。冷凝器出口溫度通過冷卻水側調節保持一致。過熱度與工質泵頻率之間的反饋調節作為控制邏輯嵌入到系統調節中進行波動工況下循環性能優化。

圖3 全封閉式渦旋膨脹機Fig.3 Hermetic scroll expander

熱源溫度設定在90～100 ℃之間，流量穩定。膨脹機的轉速控制在3 000 r/min，通過改變工質泵的輸入頻率調節制冷劑流量。本實驗共測試了6個系統工況并記錄了系統穩定后的各項參數進行性能分析。實驗測試設備精度如表2所示。

表2 實驗測試設備精度Tab.2 Measuring accuracy of the test equipments

3 結果及分析

第一定律循環熱效率和循環凈功是考察有機朗肯循環性能的重要指標。

循環熱效率：

循環凈功：

Pnet=Pe-Ppump

(2)

式中：Pnet為循環凈功，W；Qev為蒸發器吸熱量，W；Pe為測量電功， W；Ppump為泵功耗，W。

圖4所示為6種不同工況下，循環熱效率和循環凈功隨壓比的變化。

(a)循環熱效率

(b)循環凈功圖4 循環熱效率和循環凈功隨壓比的變化Fig.4 Variation of cycle thermal efficiency and cyde output power with pressure ratio

由圖4可知，循環熱效率隨壓比的變化不是單調變化，存在最優壓比使循環熱效率最佳。循環凈功隨著壓比的增加而增加，區別于循環效率先增后減的趨勢。在優化系統的方案選擇中，要權衡考慮兩個指標的重要性以確定最適工況點。以下基于膨脹機單體對系統能效進行分析。

3.1 壓比

由商業壓縮機改裝而來的膨脹機存在特定的設計膨脹比，也稱“Built-in Volume Ratio”，其值是渦旋機械工作腔在膨脹結束時的體積與開始時的工作腔體積之比。設計比與渦旋機械的幾何參數緊密相關，默認為固有屬性。運行過程中由于各種不可逆損失的存在，實際工作壓比并不完全等于設計壓比，因此會帶來兩類損失：欠膨脹或過膨脹。運行壓比偏離設計值越大，性能衰減越厲害。圖5所示分別為欠膨脹和過膨脹現象。

圖5 欠膨脹和過膨脹Fig.5 Under/Over expansion

3.2 容積系數

膨脹機的容積系數是反映膨脹機容積效率的重要參數，如式(3)所示:

式中：ρin為進氣密度，kg/m3；Nrot為膨脹機轉速，1/s；Vs,cp為壓縮機排量，cm3；rv為設計壓比。

φff大小反映了膨脹機內泄漏的程度。容積系數越大，內泄漏情況越嚴重。根據式(3)，對于某個工質而言，影響其值大小的唯一參數為Nrot。Nrot越高，容積系數越趨近于1，內泄漏情況越少。因為增加Nrot，膨脹氣體在工作腔內停留的時間減少，內泄漏的可能性相對降低。但增加Nrot帶來的負面作用即機械摩擦損失增加。為研究Nrot變化對容積系數的影響，測試了Nrot在1 000～2 000 r/min之間的容積系數的變化，如圖6所示。結果表明：增加Nrot能有效減少內泄漏損失。

圖6 容積系數隨膨脹機轉速的變化Fig.6 Variation of filling factor with expander rotational speed

3.3 等熵效率

膨脹機的等熵效率是多個特征參量共同作用的結果[16]。壓比的增加導致循環凈功增加，但摩擦等機械損失也增加。內泄漏削減了實際的循環凈功。圖7所示為膨脹機等熵效率隨運行壓比的變化。

圖7 等熵效率隨壓比的變化Fig.7 Variation of isentropic efficiency with pressure ratio

由圖7可知,膨脹機等熵效率受壓比變化的影響與循環熱效率先增后減的趨勢相似。同樣存在最優壓比使得等熵效率達到該工況范圍內的峰值點。實驗驗證下最優壓比約為4.5，對應膨脹機等熵效率約為48%，而膨脹機設計壓比為3。由于膨脹機運行過程中的內泄漏、傳熱及機械摩擦等損失帶來的影響，一般最優工作壓比略大于膨脹機的設計壓比。

4 結論

本文針對中低溫余熱特性搭建了小型有機朗肯循環系統并進行了系統性能實驗探究。研究了全封閉式膨脹機運行壓比對單體性能及系統循環的影響，得出以下結論：

1) 評價系統性能應綜合考慮多個指標，循環熱效率隨運行壓比先增后減，存在最優壓比使得循環熱效率達到峰值。

2) 循環凈功隨壓比的增加而增加，以循環凈功為優化目標的前提下，高壓比是系統優化的方向。

3) 最優工作壓比約為4.5，一般情況下最佳運行壓比略大于膨脹機設計壓比，原因是由于內泄漏、機械摩擦、傳熱等不可逆損失的存在。

4) 容積系數是反映膨脹機容積性能的重要參數，容積系數越大，膨脹機內泄漏情況越嚴重，提高膨脹機轉速能有效減少內泄漏損失，從而優化系統性能。