从重型柴油发动机回收废热的有机朗肯循环（ORC）性能分析外文翻译资料

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从重型柴油发动机回收废热的有机朗肯循环（ORC）性能分析

摘要

减少发动机的排气和冷却水的热量损失，对于内燃（IC）发动机的热效率有显著影响。这在很大程度上影响了燃油经济性和动力输出。废热回收（WHR）已被证明是克服这些挑战的一种有效的方法。朗肯循环是一个逆制冷循环系统，流体通过四个基本部件即泵、蒸发器、涡轮机和冷凝器工作的循环。这个废热回收方法很受欢迎，在汽车应用取得不同以往程度的成功。有机工作流体的传热能力比常规使用的无机流体更好，前者是用来从低等级热源捕获最大废热如汽车发动机。

双回路有机朗肯循环（ORC）提出一个方案，重型内燃机与工质R245fa和R236fa分别在高温（HT）和低温（LT）循环。在HT循环中从废气利用热，而LT循环从发动机缸体，和HT循环余热回收热量。循环设计也有助于通过从发动机缸体回收浪费掉的热量降低冷却系统的负荷。使用从ESC周期、提高总热效率和输出功率获取的发动机数据，由此建立数学模型。该研究显示5%-10%的总循环效率可以提高发动机整体热效率。

绪论

能源危机导致内燃（IC）机技术的快速发展，尤其在提高效率和燃油经济性方面。交通行业能源需求的增加，使得化石燃料日益枯竭，也增加了有害温室气体(GHG)的排放，这促进了发动机在燃烧设计，喷射策略等方面的进步。摩擦学和材料科学有助于减少摩擦损失。尽管有这些努力，但是提高内燃机(IC)热效率可以说是饱和的。发动机以热能的形式，将燃料能量约66％排放到环境中。因此，明显存在着巨大未开发的能量，可以通过有效回收热能提高整体效率。

另一方面，排放法规越来越严格，以及从较小的燃料供给获取更大动力的需求增加，使得汽车动力系统正在经历一系列重大变化。顶级汽车公司已经转向发动机小型化，安装尾气处理装置和废热回收来满足客户的需求，同时减少了他们的碳足迹。今天汽车配有的燃油喷射系统，能够从每一滴油挤出最大的工作输出。即使如此，三分之二燃料输入的损失是由于摩擦，热辐射或冷却系统的缘故[1]。这个项目的重点是从重型内燃机回收浪费的热量，并将其转换成机械能或电能。汽车应用废热回收方法形式多样，包括热力循环（如有机朗肯循环，卡利纳循环，哥斯瓦米循环等），电动涡轮增压器，六冲程内燃机和低散热的发动机。

该项目阐明了亚临界朗肯循环将低等级的热能转换成机械能或电能。朗肯循环系统选择的工作流体是有机制冷剂，用于回收废热。这是一个有前景的方向，因为在重型汽车动力总成上易于实施。该项目的主要目标是通过分析各种工作流体的性质，研究亚临界循环的性能，以及优化热力系统，从而调查所提出双闭环亚临界朗肯循环转换热源的能力。

通过这个项目，作者打算开发用于汽车应用的双回路有机朗肯循环，循环设置包括蒸发器，扩展器，预热器，冷凝器，给水泵。有机朗肯循环的热力循环分析包括系统各个点的温度和压力，单个周期循环热(火用)效率和整个循环的工作输出。各种有机工作流体，如R245ca，R245fa，R134a，R142b，R124，R236fa等流体都被考虑。工作流体的选择是根据它的化学性质，和以整体热循环效率最大化为意向，对高温（HT）和低温（LT）回路的工作流体进行配对分析。用于朗肯循环的数学计算优于MATLAB生成的算法，并且通过这两种方法获得的周期输出值已被验证。该算法包括换热器的设计和整体表面积的优化，作为重型车辆包装研究的一部分。

有机朗肯循环（ORC）

威廉·朗肯推导的并称为朗肯循环的热力循环，通常被称为逆卡诺循环。它发现了废热回收在各个领域的应用。循环由四部分组成，即泵，蒸发器，扩展器/涡轮机和冷凝器。泵通常是往复式的泵，泵加压的工作流体在线路所有组件中流动。蒸发器把热流体作为热源，将热传递到冷流体，这就是朗肯循环工作流体的热交换器。这将导致工作流体的相变从液体到气体，如T-S（温度 - 熵）图所描绘。气态工作流体通过扩展器，扩展器通常是叶片式或涡轮式，膨胀之前和之后产生的焓差，经过涡轮机轴的机械功输出。气态工作流体必须在进入泵之前被冷凝到液相，然后进入到下一次循环的工作流体中。因此，冷凝器作为另一个热交换器，类似于蒸发器，被安装在泵和涡轮之间。

ORC的温熵图

在状态点1的工作流体作为饱和液体离开冷凝器。然后工作流体在液体泵中被压缩到亚临界压力，即状态点2，增加加热过程。蒸发器的工作流体被加热直到变成过热蒸汽，即状态点3。过热蒸汽流入涡轮，并在状态点4被膨胀到冷凝压力。在冷凝压力点，工作流体处于两相区域。两相流体通过冷凝器时被去除热，直到它再次变为饱和液体。相同周期的重复就形成了一个连续的能量回收系统[2]。

ORC的优化

为了最大限度地提高朗肯循环的效率，无论其使用何种工作流体，就必须在T-S曲线下增加朗肯循环的多边形面积。通过以下方法可以实现：

蒸发压力的增量取代高蒸发压力曲线的顶峰。保持其它所有输入参数恒定，这增加了朗肯循环多边形的面积，从而提高了效率。

减少冷凝器压力（它是下面所示图像中连接点1和4的曲线），同时保持其它参数不变，可以增加曲线下的面积，从而提高了效率。

饱和压力限制了锅炉的温度。通过过热饱和蒸气可以进一步增加温度。这具有附加的优点，即在涡轮机后增加蒸气的质量，可以降低对涡轮机叶片的侵蚀。

ORC的应用

自1970年以来，美国已经公布了汽车领域废热回收的研究，这是第一次石油危机导致的结果 [3，4，5，6]。利用麦克电磁无损技术检测676柴油卡车发动机的排气热能，这是第一个设计和实验研究的汽车ORC系统。该ORC的工作流体是Fluorinol-50，它是三氟乙醇和水的混合物。同时，三级轴流式水轮机的设计，制造和测试成功，表明利用了ORC的能量。水轮机还原过去使用的齿轮箱并且转速是柴油发动机的两倍。实验最大输出功率的效率为61.5%，实验连续操作的时间超过70小时[7，8]。在随后的研究中[9、10]，热稳定性高的流体RC-1用于超临界再生周期。这个项目节省了15%-18％的燃料，其中速度的恒定取决于冷凝温度。腾等写的的文章由两部分组成(11、12)，文章从理论上分析了重型卡车发动机基于超临界往复式朗肯循环先进的热回收系统，以纯净物和混合物作为工作流体。在这项工作中，从增压空气冷却器，排气再循环冷却器，以及发动机排气中回收的热量用于运行ORC系统。作者报道柴油机总能量的转化率大约为20%。尼尔森演示了类似的系统，从EGR冷却器和发动机排气中回收热，预计效率能提高6%[13]。林格勒等在工作中涉及使用了ORC方法，从汽油乘用车发动机排气和冷却液中回收热量。人们发现，通过固定燃料消耗来增加8%-15%的功率，这取决于发动机的负荷。所有这些研究表明，考虑包装，成本和散热限制等因素可以提高有用效率。

在过去十年中，朗肯循环具有不同的概念，但是废热回收在汽车中的运用意义重大。2007年，远藤等人在本田[15]开发了一种蒸汽朗肯系统，在混合动力汽车中应用。工作涉及车辆的熵分析，将冷却剂和废气作为热损失的主要来源，并且原型缸盖连接了高传热密度的蒸发器。在发动机负载测试中，废气的57％和冷却损失的17％以热能的形式被回收。该系统在车辆上的应用，将蒸发器集成在汽车催化器上，据报道有95%的废气被转化为蒸汽。用于旋转斜盘的轴向活塞膨胀机的系统，能够将车辆热效率从3.8％提高为32.7％。该研究没有给出修改汽车催化器能够影响发动机整体效率，也没有给出燃料消耗改进的结果，这项工作中也没有出现使用不同工作流体的朗肯循环。

宝马汽车[16]利用过热蒸汽在双回路朗肯循环中工作，包括两个旋转叶片式膨胀机。该朗肯系统成功应用于汽车，表明朗肯循环整车一体化向前迈进一大步。这项研究结果表明，估计能使车辆的性能增加15％。

托马斯等人[17]也研究了双回路朗肯循环。该研究对轻型柴油机的发动机进行了实验测试，目的是打破45%的发热效率。作者表明，对于这种类型的发动机，在发动机的最佳操作点可以实现40%的制动热效率。

关于优化ORC的研究报告，简要谈到工作液选择对系统最大限度回收余热的重要性。查尔斯等[18]在ORC系统中使用8种干流体（丁烷，戊烷，己烷，环戊烷，苯，甲苯，R245fa和R123）进行分析，以排气能量作为热源。作者谈及有机朗肯循环时，由于其简单性和有效回收中档热源能够促进废热回收。模型使用REFPROP进行开发，并且通过MATLAB进行模拟。结果表明所有配置的效率有10%-15％的提高，并且内燃机发电机的工作效率约有10％的提高。随着对基本朗肯循环与8种不同的工作流体的模拟，研究了压力比参数，对冷凝器空气流速进行了比较，以及对蒸发器的并行和逆流配置进行了计算。

循环设计

在亚临界和超临界循环的效率和包装便利之间存在权衡，后者提供更全面的效率。[19]。随着包装在现有的动力系统上易于实施，作者提出的亚临界循环的热源包括发动机缸体和废气。这基本上由两个环形循环组成，包括一个高温（HT）回路（与废气作为热源）和一个低温（LT）回路（与发动机缸体和HT冷凝器）。两个循环使用不同的工作流体，其蒸发温度合适且在热源的温度范围内。循环是一个双回路循环，其中HT循环的冷凝器充当LT循环的预热器，这样减少了一个组件，也从冷凝器中回收热量，从而允许热力循环的一个散热器有两个朗肯循环回路。

双回路朗肯循环

高温循环

亚临界循环的HT环是一个基本的四组分朗肯循环，发动机的废气作为其热源。HT循环的冷凝器，在LT循环中是预热器，要非常注意这一点。因此，高温回路损失的热流入了低温环。高温循环选择的有机工作流体是R245fa。

低温循环

双回路循环的LT环有两个热源。其中之一是发动机冷却液预热LT回路的工作流体，另一个是HT回路排出的热量。HT回路的冷凝器蒸发LT回路的工作流体，即R236fa，工作流体在经过涡轮机之前被冷凝回到液体的形式。

高温循环和低温循环的T-S图

工作流体的选择

朗肯循环工作流体的分类，基于干流体、湿流体和等熵流体的蒸汽饱和曲线在温-熵图中的斜率。干流体是具有正斜率的蒸汽曲线，而湿液体具有负斜率。在大量科学出版物中提到关于有机朗肯循环工作流体的选择[12，19，20，21，22]，但大多数作品，只是基于所述循环的热力学模型，比较一组工作流体的热力学性能。由于最佳的工作条件与所选择的工作流体有紧密联系，所以优化必须考虑流体的选择。为了给我们的应用选择最适宜的工作流体，主要涉及以下原则和指标:

热力学性能:对于给定热源和散热器温度的，其效率和输出功率应尽可能的高。这种性能取决于工作液若干相互依存的热力学性质:如临界点，偏心因子，比热和密度等。

正或绝热的饱和蒸汽曲线:负饱和蒸汽曲线（“湿”流体）导致液滴在过程结束时膨胀，这可能会对涡轮端部造成严重的损坏。正蒸气曲线使工作流体保持在汽相，因此不需要过热的流体温度，从而保证了涡轮的安全。大多数有机流体蒸汽曲线的斜率是正的。

高密度蒸汽：当流体呈现出非常低的冷凝压力（例如硅油）时，这个参数非常关键。低密度会造成较高的体积流量，热交换器中的压降会增加，以及扩展器的尺寸会增加。

低粘度:热交换器为了保持高的传热系数和低的摩擦损失，这就会使液相和蒸汽相需要低粘度。

高导热率:热交换器想要获得高的传热系数，高导热率是必须的。

工作流体要有减少全球变暖潜势(GWP)和臭氧低消耗潜力(ODP）

干流体、湿流体和等熵流体的T-S曲线

工质配对

基于文献研究，有机工质才被选择用于HT回路和LT回路的循环。对朗肯循环高温循环和低温循环分别进行评估，目的是选择正确的循环工质。在提出的亚临界朗肯循环中，高温循环的冷凝器充当低温循环的蒸发器。因此，高温循环的Q₀值与低温循环Q_in值相等。低温循环工质的临界点明显低于高温循环，因此t - s曲线下的面积会比后者少，这会降低效率。为了提高双回路的效率(达到更高的整体效率)，最低临界点(LT循环)的工作流体与最大热功率(Q o)(从HT循环)的工作流体进行配对，低温循环转换的Q_in值有所提高。

随着WF对整体效率，以及总净输出功的列表和绘制，可以看出，工质R245fa-R236fa的配对具有较高的效率，净输出功分别为6.04%和11.02千瓦。同时，高热导率、低GWP和ODP对WF对的选择有一定的影响。

数学模型

在MATLAB中对本文的双回路热力系统进行了编写。发动机在不同的ESC点，循环输出数据有相应的变化，因此以下是对ORC编码系统的假设:

高温环

工作流体（R245fa）的冷凝温度设定为90℃（363 K）[23]。

最初涡轮入口的温度设置为127°C(400K)[20]。

最初的热效率为0.1%[20]。

最初高温循环蒸发器和冷凝器的有效性分别设置为0.1和0.6[20]。

低温环

环境的空气质量流量假设为2kg/ s。

工作流体（R236fa）的冷凝温度设定为60℃（333 K）[23]。

最初工质R236fa的涡轮进口温度设定为66℃（340K）。

初始的热效率设定为0.1％[24]

预加热器的有效性设定为0.6[25]。

其它循环假设包括：

换热器的气-气传热系数为0.3 W / m²k。

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