h2015 No. 66Vol.66No.3 可變工況下車(chē)用柴油尾氣熱有機(jī)朗肯循環(huán)回收系統(tǒng)，宋松松1，2北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京；承德石油學(xué)院汽車(chē)工程系，河北承德） 摘要：為回收車(chē)用柴油機(jī)余熱，以純工質(zhì)為工質(zhì)，設(shè)計(jì)了一套帶蓄熱器的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了車(chē)用柴油機(jī)在變工況下廢氣余熱的變化規(guī)律，分析了帶蓄熱器的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)在不同工況下的運(yùn)行性能，以及過(guò)熱度對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)的影響。討論了再生器。對(duì)系統(tǒng)性能的影響。根據(jù)車(chē)用柴油機(jī)與有機(jī)朗肯循環(huán)的組合系統(tǒng)，提出了余熱回收效率、發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高率、單位工質(zhì)輸出能量密度等三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。研究表明，帶蓄熱器的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的凈輸出功率、余熱回收效率和發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提升率分別可以達(dá)到43.74kW、14.93%、13.. @>58%。關(guān)鍵詞：余熱回收；有機(jī)朗肯循環(huán)；可變的工作條件；熱力學(xué)過(guò)程；蒸發(fā); 傳熱 DOI：10.11949/j.issn.0438-1157. 文獻(xiàn)編號(hào)：A 貨號(hào)：0438—1157 (2015）03—1097—,,,,China ; g,ege,,河北,中國(guó)): ..es,(WHRE),(ETEIR)(OEDWF),.

聯(lián)系方式：**光。第一作者：**（1987-）柴油怎么算出密度來(lái)，男，博士研究生。基金項(xiàng)目：北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ ）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ ）；北京市教委科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（KZ2)；教育部高等教育博士生專(zhuān)項(xiàng)科研基金項(xiàng)目（3C1).:2014-07-24.）： ,:(),(),(KZ2)(3C1)。內(nèi)燃機(jī)不僅消耗大量石油資源，而且對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)燃料燃燒所釋放的部分能量被廢氣和冷卻介質(zhì)帶走浪費(fèi)掉。因此，回收利用內(nèi)燃機(jī)的余熱能，可以提高內(nèi)燃機(jī)的熱效率，降低能耗，減少污染物排放[1-2]。有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）系統(tǒng)可以將中低溫廢熱能轉(zhuǎn)化為有用的功輸出，在許多領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用[3-9]。針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，選擇不同結(jié)構(gòu)的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)或選擇合適的有機(jī)工質(zhì)，有助于提高能源利用效率[10-14]。最近幾年，利用有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)回收內(nèi)燃機(jī)的余熱能引起了研究人員的關(guān)注[15-18]雖然許多學(xué)者研究了利用有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)回收內(nèi)燃機(jī)的余熱能。在內(nèi)燃機(jī)方面，很少有學(xué)者考慮使用有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)來(lái)回收內(nèi)燃機(jī)的廢熱能。關(guān)于有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)在內(nèi)燃機(jī)變工況下的性能，很少有學(xué)者提出如何控制有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)余熱能在全負(fù)荷范圍內(nèi)的高效回收利用。車(chē)輛內(nèi)燃機(jī)的工作范圍。車(chē)用柴油機(jī)-有機(jī)朗肯循環(huán)聯(lián)合系統(tǒng)尚無(wú)有效的性能評(píng)價(jià)體系。本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算分析了車(chē)用柴油機(jī)在變工況下的余熱變化規(guī)律，并以余熱為高溫?zé)嵩丛O(shè)計(jì)了帶蓄熱器的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)。根據(jù)車(chē)用柴油機(jī)與有機(jī)朗肯循環(huán)聯(lián)合系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)聯(lián)合系統(tǒng)），余熱回收效率、發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高率、單位工質(zhì)輸出能量密度等三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)為建議的。討論了朗肯循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行性能的變化特點(diǎn)，

系統(tǒng)介紹1.1 系統(tǒng)描述為車(chē)用柴油機(jī)-有機(jī)朗肯循環(huán)聯(lián)合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。組合系統(tǒng)主要由柴油機(jī)、蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、再生器、冷凝器、儲(chǔ)液罐和工質(zhì)泵組成。有機(jī)工質(zhì)儲(chǔ)存在儲(chǔ)液罐中。工質(zhì)泵將有機(jī)工質(zhì)加壓后送至再生器。有機(jī)工質(zhì)在蓄熱器中預(yù)熱后進(jìn)入蒸發(fā)器。工質(zhì)進(jìn)行熱交換，吸熱后的有機(jī)工質(zhì)變成高溫高壓氣體，推動(dòng)膨脹機(jī)做功。膨脹的有機(jī)工作流體進(jìn)入再生器并將剩余的熱量傳遞給液態(tài)有機(jī)工作流體。組合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 圖 工質(zhì)進(jìn)入冷凝器，冷卻成液態(tài)有機(jī)工質(zhì)，回流至儲(chǔ)存器。純工作介質(zhì)作為有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的工作介質(zhì)[19-20]給出了純工作介質(zhì)的基本物理性質(zhì)。該工作液被許多學(xué)者認(rèn)為是一種理想的有機(jī)工作液?；疚锢硇再|(zhì) 表流體 /K CHF 427. /MPa ODP GWP () 3.651 9501.2 熱力學(xué)模型是帶有再生器的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的溫度熵圖. 純工作介質(zhì)作為有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的工作介質(zhì)[19-20]給出了純工作介質(zhì)的基本物理性質(zhì)。該工作液被許多學(xué)者認(rèn)為是一種理想的有機(jī)工作液。基本物理性質(zhì) 表流體 /K CHF 427. /MPa ODP GWP () 3.651 9501.2 熱力學(xué)模型是帶有再生器的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的溫度熵圖. 純工作介質(zhì)作為有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的工作介質(zhì)[19-20]給出了純工作介質(zhì)的基本物理性質(zhì)。該工作液被許多學(xué)者認(rèn)為是一種理想的有機(jī)工作液?；疚锢硇再|(zhì) 表流體 /K CHF 427. /MPa ODP GWP () 3.651 9501.2 熱力學(xué)模型是帶有再生器的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的溫度熵圖.

1-2為實(shí)際增壓過(guò)程，1-2s為等熵增壓過(guò)程，2-3為蓄熱室工作液預(yù)熱過(guò)程，3-4為等壓吸熱過(guò)程，4-5s為等熵膨脹過(guò)程柴油怎么算出密度來(lái)，4-5為實(shí)際膨脹過(guò)程，5-6為蓄熱室有機(jī)工質(zhì)放熱過(guò)程，6-1為等壓冷凝過(guò)程，T為蒸發(fā)器內(nèi)柴油機(jī)排氣放熱過(guò)程。1、2s,2、3、4、5、5s,6為帶式蓄熱器有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的溫度熵圖 圖2 Ts Yang Kai et al.：變工況下車(chē)用柴油機(jī)余熱有機(jī)朗肯循環(huán)回收系統(tǒng)的各個(gè)狀態(tài)點(diǎn)。帶蓄熱器的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)各過(guò)程的熱交換和火用損失率計(jì)算公式如下。過(guò)程1-2 2s 過(guò)程2-3和過(guò)程5-6 蓄熱器出氣口工質(zhì)溫度，K；ε 是再生器的有效性。流程3-4高溫?zé)嵩礈囟?，K。流程4-5膨脹機(jī)輸出功率，kW；ηs 是膨脹機(jī)的等熵效率。過(guò)程 6-1 低溫?zé)嵩礈囟龋琄。 有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)帶蓄熱器的凈輸出功率由公式 (12） (12)) 計(jì)算得出。聯(lián)合系統(tǒng)的運(yùn)行性能、余熱回收效率（WHRE）、

低溫?zé)嵩礈囟鹊扔?00K，環(huán)境溫度293℃。 柴油機(jī)排氣熱 車(chē)用柴油機(jī)通常在多變工況下運(yùn)行，其排氣熱隨工況而變化。為實(shí)現(xiàn)車(chē)用柴油機(jī)在變工況下余熱的高效回收利用，有必要研究柴油機(jī)余熱的變化規(guī)律。選擇一個(gè)是該柴油機(jī)的基本技術(shù)參數(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)和柴油機(jī)的區(qū)別是不同的。工況下的排氣溫度、油耗率、進(jìn)氣量等，

當(dāng)柴油機(jī)扭矩為1200 Nm，轉(zhuǎn)速為2200 rmin時(shí)，最大可用排熱可達(dá)293 kW。由表2可知，該柴油機(jī)額定功率為280kW，余熱回收利用是有效的。有助于實(shí)現(xiàn)燃料的有效利用。圖 3 柴油機(jī)最大可用排氣熱率 結(jié)果和分析研究表明，當(dāng)柴油機(jī)扭矩大于 300 時(shí)，柴油機(jī)排氣與有機(jī)工質(zhì)之間的窄點(diǎn)溫差通常出現(xiàn)在蒸發(fā)器的有機(jī)過(guò)程。在質(zhì)量側(cè)的入口，即T之間，如圖2所示。當(dāng)柴油機(jī)扭矩小于300時(shí)，柴油機(jī)排氣與有機(jī)工質(zhì)之間的窄點(diǎn)溫差位置可能會(huì)發(fā)生變化，因此在下面的分析中不予討論。柴油機(jī)扭矩小于300是具有蓄熱器的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)在不同過(guò)熱度柴油機(jī)不同工況下凈輸出功率的變化。

隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩的增加，帶蓄熱器的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的凈輸出功率逐漸增加。這主要是因?yàn)殡S著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩的增加，柴油機(jī)的最大可用排熱增加。隨著過(guò)熱度的增加，帶有再生器的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的凈輸出功率增加。由于冷凝溫度恒定，蒸發(fā)溫度（膨脹機(jī)進(jìn)口溫度）隨著過(guò)熱度的增加而增加，因此凈功率輸出增加。當(dāng)過(guò)熱度為40 K，柴油機(jī)扭矩為1200 Nm，轉(zhuǎn)速為2200 rmin時(shí)，帶蓄熱器的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的凈輸出功率最大，約為43.74 kW。帶蓄熱器的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的凈輸出功率 圖4 凈功率 廢氣余熱隨柴油機(jī)的運(yùn)行條件而變化。為實(shí)現(xiàn)不同工況下廢氣余熱的高效回收利用，應(yīng)定期對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，即有機(jī)工質(zhì)在不同工況下的質(zhì)量流量變化。不同過(guò)熱度的柴油機(jī)工況。當(dāng)過(guò)熱度相同時(shí)，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩的增加，有機(jī)工質(zhì)的質(zhì)量流量逐漸增加。這主要受柴油機(jī)排氣熱量的影響。當(dāng)柴油機(jī)在相同工況下運(yùn)行時(shí)，隨著過(guò)熱度的增加，有機(jī)工質(zhì)的質(zhì)量流量逐漸減小。在此質(zhì)量流量下，發(fā)動(dòng)機(jī)在各工況下的排氣熱回收效率為最大值。

可以看出，當(dāng)柴油機(jī)工況不變時(shí)，隨著過(guò)熱度的增加，帶蓄熱器的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的凈輸出功率逐漸增大，而有機(jī)工質(zhì)的質(zhì)量流量逐漸減小。這說(shuō)明隨著過(guò)熱度的增加，較小的有機(jī)工質(zhì)質(zhì)量流量可以輸出較大的功率。圖 6 顯示了不同過(guò)熱度下單位工質(zhì)輸出能量密度（OEDWF）的變化。隨著過(guò)熱度的增加，單位工質(zhì)輸出能量密度 楊凱等： law of cycle 1101 變工況下車(chē)用柴油機(jī)尾氣余熱有機(jī)工質(zhì)流量 圖 5 趨勢(shì)率 單位工質(zhì) 輸出能量密度的變化規(guī)律 圖6 趨勢(shì)OEDWF 逐漸增大。較大的單位工質(zhì)輸出能量密度有助于減少有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)中有機(jī)工質(zhì)的充填量，可有效降低有機(jī)工質(zhì)的潛在泄漏。由以上分析可知，當(dāng)過(guò)熱度為40時(shí)，蓄熱器有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的單位工質(zhì)凈輸出功率和輸出能量密度均達(dá)到最大值，因此以下分析僅考慮過(guò)熱度為40的情況。有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的熱效率只能用來(lái)評(píng)價(jià)有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸收的熱量的利用率，不能反映柴油機(jī)余熱的回收利用。因此，提出了余熱回收效率（WHRE）的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖 7 為過(guò)熱度為 40 時(shí)不同工況下柴油機(jī)余熱回收效率的變化。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，隨著柴油機(jī)扭矩的增加，余熱回收效率提高。當(dāng)柴油機(jī)輸出功率小于185.6 kW時(shí)，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，余熱回收效率的變化更為復(fù)雜；當(dāng)柴油機(jī)輸出功率大于185.6 kW時(shí)，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，余熱回收效率逐漸提高。當(dāng)柴油機(jī)扭矩為1200 Nm，轉(zhuǎn)速為2200 rmin時(shí)，余熱回收效率最大，約為14.93%。余熱回收效率主要受柴油機(jī)尾氣和帶蓄熱器的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)凈輸出功率的影響。為評(píng)價(jià)車(chē)用柴油機(jī)加裝有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)后熱效率的提高程度，提出了發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高率（ETEIR）的評(píng)價(jià)指標(biāo)。圖 8 顯示了柴油機(jī)在過(guò)熱度為 40 的可變工況下發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高率的變化。當(dāng)柴油機(jī)輸出功率小于 185.6 kW 時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高率的變化更為復(fù)雜；當(dāng)柴油機(jī)輸出功率大于185.6 kW時(shí)，隨著柴油機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高率逐漸提高。柴油機(jī)扭矩為 1200 Nm，轉(zhuǎn)速為 2200 rmin 時(shí)，余熱回收效率變化規(guī)律 圖 7 趨勢(shì) 發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高率變化規(guī)律 圖 8 趨勢(shì) 1102 效率提高率為最大，約 13.58%。

發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的提高率主要受柴油機(jī)輸出功率和帶蓄熱器的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)凈輸出功率的影響。是帶有再生器的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)各組成部分的火用損失率在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)的變化。隨著柴油機(jī)扭矩的增大，各部分的火用損失率逐漸增大。柴油機(jī)扭矩相同時(shí)，各部件火用率降低的順序?yàn)椋赫舭l(fā)器、膨脹器、冷凝器、蓄熱器、工質(zhì)泵。當(dāng)柴油機(jī)扭矩較大時(shí)，蒸發(fā)器的火用損失率遠(yuǎn)大于其他四個(gè)部件。所以，蒸發(fā)器性能的提高有助于提高帶有再生器的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的性能。系統(tǒng)各組成部分的火用率變化 圖9 趨勢(shì)變化率(1） 在相同柴油機(jī)工況下，隨著過(guò)熱度的增加，有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的凈輸出功率和單位工質(zhì)帶蓄熱器的輸出能量密度逐漸增加；單位工質(zhì)輸出能量密度越大，有助于減少有機(jī)工質(zhì)的潛在泄漏。(2）當(dāng)柴油機(jī)扭矩為1200 Nm，轉(zhuǎn)速為2200 rmin，將帶回?zé)崃績(jī)糨敵龉β剩?/p>

(3）根據(jù)柴油機(jī)余熱的變化規(guī)律，可調(diào)節(jié)有機(jī)工質(zhì)的質(zhì)量流量，實(shí)現(xiàn)全工況余熱的高效回收利用（4）當(dāng)柴油機(jī)的扭矩較大時(shí)，蒸發(fā)器的火用損失率遠(yuǎn)大于其他部件，因此蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)和性能改進(jìn)是影響有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素. 從使用殼, 2013, 61(2): 355-363 l, 2013, 102: 327-335 low-gas on cycle non of化學(xué)工業(yè)), 2013, 64(11): 3985-3991 es cycle , 2013, 59(1 /2): 435-444 ,2012, Off-solar-cycle ,2014, 80: 150 -157 氣體, 2014, 65(1): 91-100 from - , 2014, 66: 461-467 [10] 劉強(qiáng) on cycle ( of ), 2014, 65(2): 437-444 [11] Wang智奇多基循環(huán)（化工學(xué)報(bào)）, 2013, 64(5): 1710-1716 [12] - , power(CCHP) (ORCs), 2014, 16: 2433-2453 [13] 楊使用周期, 2014, 68: 25-34 [14] 張(陳清華). 周期(化工學(xué)報(bào)), 2013,64(3): 820-826 [15] 閆玉林(Yan Yulin) , 王(郭濤). 研究循環(huán)低/功率( of Solar ), 2013, 34(7): 1183-1189 [16] 謝下循環(huán), 楊凱等: 有機(jī)朗肯循環(huán)回收系統(tǒng)變工況下車(chē)用柴油機(jī)尾氣余熱研究 1103, 2013, 112: 130-141 [17] 涂明（Tu Ming），李（李剛彥），胡?。℉u Jian）. y下的熱量（農(nóng)機(jī)學(xué)報(bào)） ,2014, 45(2): 1-5 [18] -l 循環(huán)熱,2013, 63(15): 142-151 [19] 王循環(huán) (ORC) 熱, 2011, 36(< @5): 3406-2418 [20] Lakew low-, 2010, 30(10): 1262-1268@5): 142-151 [19] 王循環(huán) (ORC) 熱, 2011, 36 (5): 3406-2418 [20] Lakew low-, 2010, 30(10): 1262 -1268@5): 142-151 [19] 王循環(huán) (ORC) 熱, 2011 , 36(5): 3406-2418 [20] 萊克低-, 2010, 30(10): 1262 -1268@5): 3406-2418 [20] Lakew 低-, 2010, 30(10): 1262 -1268@5): 3406-2418 [20] Lakew 低-, 2010, 30(10): 1262 -1268