不同工況柴油機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)試驗(yàn)與仿真.pdf

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1、2014年2月農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)第45卷第2期doi：10．6041／j．issn．1000—1298．2014．02．001不同工況柴油機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)試驗(yàn)與仿真木涂鳴李剛炎胡劍(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，武漢430070)摘要：基于有機(jī)朗肯循環(huán)(Organicrankinecycle，ORC)設(shè)計(jì)了柴油機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)。建立了ORC熱力學(xué)仿真模型預(yù)測系統(tǒng)回收性能，并對某款柴油發(fā)動機(jī)在有、無ORC作用下分別進(jìn)行試驗(yàn)，對比了試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果，驗(yàn)證了模型的有效性。將模型應(yīng)用于不同工況下，觀察不同工質(zhì)流量對ORC

2、凈功率及熱效率的影響，結(jié)果表明ORC凈功率隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，不同工況下最大熱效率均為12．1％，且對應(yīng)的工質(zhì)流量選擇區(qū)間隨著轉(zhuǎn)速的提高而擴(kuò)大，此區(qū)間的確定可為ORC試驗(yàn)時(shí)工質(zhì)流量范圍的選擇提供參考依據(jù)。關(guān)鍵詞：柴油機(jī)有機(jī)朗肯循環(huán)熱力學(xué)模型排氣余熱回收系統(tǒng)試驗(yàn)仿真．中圖分類號：TK40；TH11文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1000—1298(2014)02-0001·05(過程1—2)，進(jìn)入冷凝器，與冷卻劑進(jìn)行等壓熱交引言換后成為飽和液工質(zhì)(過程2—3)，隨后經(jīng)冷卻劑冷發(fā)動機(jī)在燃燒過程的不可逆性導(dǎo)致了燃油能卻后

3、的飽和液通過泵等熵壓縮后成為壓縮飽和液輸量20％～30％的損失，雖然均質(zhì)混合氣壓燃、缸內(nèi)送到換熱器(過程3—4)，與發(fā)動機(jī)廢氣排放的廢熱直噴技術(shù)可使得其熱效率增加，但已經(jīng)逐漸接近熱經(jīng)等壓熱交換后再度成為過熱蒸汽(過程4—1)，如力學(xué)定律所限制的最大值，所以必須開發(fā)其他技術(shù)此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)將廢熱轉(zhuǎn)化成有用功的過程。來提高發(fā)動機(jī)熱效率。利用渦輪增壓、渦輪復(fù)合及熱發(fā)電技術(shù)，將發(fā)動機(jī)排氣口及尾氣余熱能量轉(zhuǎn)化為有用功可提高熱效率，其中朗肯循環(huán)可最大限度地利用發(fā)動機(jī)廢氣及冷卻劑能量。岳晨等分別結(jié)合汽油、柴油發(fā)動機(jī)、EGR技術(shù)

4、、Qj5，’’燃油經(jīng)濟(jì)性和混合動力汽車研究了排氣余熱回收對發(fā)動機(jī)熱效率的影響，研究表明基于朗肯循環(huán)可提高有效燃油消耗率2．6％～8．0％、動力輸出0．7～2．0kW。本文首先搭建有機(jī)朗肯循環(huán)(Organicrankinecycle，ORC)試驗(yàn)平臺，對某款柴油機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)得到有、無ORC作用下發(fā)動機(jī)熱效率及ORC系俞統(tǒng)性能，隨后建立ORC換熱器及系統(tǒng)模型，對比仿圖1有機(jī)朗肯循環(huán)示意圖真結(jié)果與試驗(yàn)測量結(jié)果，最后將模型應(yīng)用在不同工Fig．1SchemeofORCsystem況下，觀測工作介質(zhì)在不同流量時(shí)對ORC性能

5、及發(fā)有機(jī)朗肯循環(huán)熱效率為動機(jī)熱效率的影響。W一Wph2一h3?．1叼百一1有機(jī)朗肯循環(huán)式中——工質(zhì)對外做功熱量有機(jī)朗肯循環(huán)通常由渦輪機(jī)、冷凝器、泵和換熱W——工質(zhì)接受外功熱量器4個(gè)部分組成，如圖1所示。換熱器出口處過熱Qi——工質(zhì)吸收熱量蒸汽工質(zhì)進(jìn)入渦輪機(jī)等熵膨脹推動其做功后排出——不同狀態(tài)點(diǎn)時(shí)工質(zhì)焓值，i=1，2，3，4收稿日期：2013一O9—3O修回日期：2013—10—21}國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51305313)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2012一IV一035)、武漢市國際科技合

6、作計(jì)劃資助項(xiàng)目(201231234463)和武漢市青年晨光計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013070104010004)作者簡介：涂鳴，博士生，主要從事發(fā)動機(jī)排放控制和車輛制動研究，E-mail：tumingo728@gmail．tom2農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)通過對比多種有機(jī)工質(zhì)”，選用R245fa(I，表1發(fā)動機(jī)全負(fù)荷試驗(yàn)參數(shù)及測量結(jié)果Tab．1Resultsofdieselenginetestatfullload1，1，3，3-五氟丙烷)作為有機(jī)朗肯循環(huán)工作介質(zhì)，R245fa是常見不易燃低壓HFC制冷劑，其沸點(diǎn)為參數(shù)轉(zhuǎn)速／(r·

7、min)15．3oC，對臭氧無危害，屬于干流體，在有機(jī)朗肯循有效轉(zhuǎn)矩／(N·m)環(huán)膨脹時(shí)不會蒸發(fā)為飽和氣態(tài)，不會腐蝕渦輪機(jī)葉有效功率／kW片。其溫熵示意見圖2。燃油消耗率／(kg·h)排氣流量／(kg·h)排氣熱流／kW發(fā)動機(jī)熱效率／％排氣溫度／。cORC工質(zhì)流量／(kg·h)渦輪機(jī)進(jìn)口壓力／MPa比熵／(kJ·(kg·K)一)圖2R245fa在2．05MPa時(shí)溫熵最大凈功率有著重要影響，而在試驗(yàn)環(huán)境中不容易Fig．2R245fatemperature—entropydiagramat2．O5MPa找出最合適

8、的流量，通過熱力學(xué)對ORC建模是一個(gè)相對容易預(yù)測其性能及對發(fā)動機(jī)熱效率影響的方2排氣余熱有機(jī)朗肯循環(huán)試驗(yàn)式。換熱器效能與工作介質(zhì)R245fa流量和發(fā)動機(jī)2．1平臺組成及試驗(yàn)結(jié)果排氣流量有關(guān)，對換熱器采用效能一傳熱單元數(shù)法進(jìn)試驗(yàn)主要由排量為1．9L，壓縮比為17．5的柴行建模，逆流殼管式換熱器其效能與傳熱單元數(shù)油發(fā)動機(jī)及測功機(jī)、有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)、控制及數(shù)據(jù)Ⅳ、熱容比G，的關(guān)系為¨采集系統(tǒng)3個(gè)部分組成。