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柴油机有机朗肯底循环余热驱动的仿真

摘要：基于有机郎肯底循环的余热回收(WHR)模型提出了从一般柴油机的排气和水套冷却水中回收余热。有机朗肯循环（ORC）模型的建立基于各成分的实际结构和功能参数，并能在实验室准确地反映ORC系统的实验工作过程。首先对柴油机进行试验来揭示其能量平衡和余热特点，然后根据台架试验数据对R245fa工质和R601a工质的有机郎肯底循环进行仿真。对关键参数进行热力学评估，如余热回收率，膨胀功率、泵功率损耗及系统效率，结果表明ORC的最大膨胀功率和效率是18.8KW和9.6%。分析了发动机工况、流体质量流量量和蒸发压力对系统性能的影响，揭示了有意义的规律。通过对柴油机余热驱动的有机郎肯底循环的仿真研究，结果表明, 有机郎肯底循环大大改变了柴油机的能量分布,柴油机的热效率提高到47.2%,增加了9.0%。

简介

一般内燃机的热效率不到45%，这已是目前技术的极限，难以有所提高。燃料的很多能量浪费在排气和水套冷却水上面，造成了石油资源的浪费和空气污染。余热回收是一种基于不添加燃料来提高发动机效率的很有前途的方法，在几种方法的研究中，ORC技术因其较高的效率和良好的适应性越来越受到重视，内燃机次要的余热将由ORC系统回收并整合到发动机系统转换成机械功。

其实，在许多工业领域，已经广泛采用ORC技术来回收余热，如地热领域和太阳能领域，但在发动机领域，这还是一个比较新颖的技术。一是发动机热资源的不稳定性，因为发动机的工况是复杂和迅速变化的。二是ORC系统在组成部分要求比较严格，换热器和膨胀机的效率要求较高。三是对车用发动机紧凑性、实用性以及经济性的要求很高。J.格勒等人分析了朗肯循环在利用汽车的发动机余热作为一个额外的发电过程中的潜力。昊腾等人针对重型柴油机的余热回收提出了一种超临界有机朗肯循环（ORC）系统，本文的案例研究表明，ORC-WHR系统可以恢复高达55KW的机械功，这相当于将发动机功率提高了20%，然后它们集成增压空气冷却器和（多个）EGR冷却器到有机朗肯循环回路作为预加热器，并且最多可以回收重型柴油发动机的余热的20％，使得对于混合能量系统的效率ge;50％；他们还在热力学理论的基础上讨论了候选工质的特性。Rody El Chammas等人提出了一种基于从发动机冷却回路和朗肯循环的排气管回收和转换热能的理念，能够潜在地改善混合动力汽车的燃油消耗量预计高达32％。Richard Stobart等人回顾了朗肯循环理论作为热能回收循环在汽油和柴油发动机上的应用。Srinivasan等人在一种先进的注射低引燃天然气发动机（阿尔派）上进行一个简单的钢筋混凝土操作来进行余热的回收。Yamada等人基于朗肯循环在氢内燃机上提出了一种以水作为工质和废气作为热源的新型余热回收系统。Arias提出了采用动力循环内燃机回收能量可行性的热力学分析，表明朗肯循环是回收内燃机余热的有效手段。Vaja等人为12缸天然气发动机研究了三种配置的ORC系统，选择最佳的流体和结构，最大效率提高了约12.5%。Katsanos等人研究了重型卡车柴油发动机使用朗肯循环的情况，当对废气热能和EGR的热量进行回收时，根据发动机负荷，改进的制动燃油消耗率（BSFC）介于6%和7.5%。Weerasinghe等利用数值模拟对比了ORC系统和涡轮复合在利用余热方面的输出功率和耗油量，结果揭示了ORC系统较涡轮复合更有优势。

在这项研究中，首先进行了一个典型的柴油机台架试验，基于回收缸套水和废气的余热的发动机测试数据对ORC系统进行建模与仿真，揭示其能量分布。为了在实验室精确预测ORC系统的实验性能，该模型是在各组成部分详细的实际结构和的功能参数基础上结合Aspen EDR和Aspen Plus软件构建的，对余热回收率、膨胀功率、泵功率损耗和系统效率等关键参数进行了热力学评价，分析了发动机工况、流体质量流量量和蒸发压力对系统性能的影响，揭示了有意义的规律，通过对柴油机与有机郎肯底循环组合的系统研究，确定了有机郎肯底循环系统在回收余热方面具有巨大的潜力。

柴油机台架试验

试验采用的是一台车用直列式六缸涡轮增压发动机，从柴油机能量平衡的观点看，燃料的化学能可以大致分为有效功率，排气能量，水套冷却水能量和剩余损失。台架试验首先揭示了柴油机的能量分布，将温度传感器、压力传感器和流量计布置在进气管、排气管、进出水管来监测有机朗肯底循环中废气和水套冷却水两热源的情况。挑选出两个工况来进行仿真，并在表1中列出，其中工况2是此柴油机的额定工况。在测试数据的基础上，可以计算出2种能量的分配比例，从表中计算，假设废气可以冷却到323K下，工况1和2的余热为121KW和175kw；如果水套冷却水能冷却到354k，余热分别为51kw和109kw。它表明，如果对；两个热源的余热进行有效地回收和利用，热效率可以大大提高。

表1.两种工况的实验数据

有机朗肯底循环仿真

有机朗肯底循环系统试验

图1为柴油机有机朗肯底循环系统的实验装置，柴油机换热的热废气通过热油循环，防止造成工质的分解，因柴油机水套冷却水的低温性，可作为的预热源，如图1所示，通过水套冷却水和热油依次对点1到点3进行热交换来对ORC回路的工质进行预热、蒸发和过热，之后，点3处的高压高温的工作蒸汽进入膨胀机，其焓转变为膨胀力，在回到工作泵之前，部分工作蒸汽从膨胀机排出，然后冷凝成饱和液体或过冷液体。总的来说，实验的有机朗肯循环集成包含一个膨胀机、油泵和工作液泵，一种预加热器、一种气体-油热交换器、冷凝装置（两连接交换器—CON1和CON2）和石油工质换热器（三连接热换热器- 1、2、3）。

系统建模

ORC模型是建立在ASPEN PLUS环境中，在ASPEN EDR建立起每个热交换器，检验后使用ASPEN PLUS将它们集成到 ORC系统中，所有的7个换热器都是根据实际的换热器组件进行了详细的仿真，表2为生产厂家提供的热交换器的主要参数。应该指出的是，表中得传热系数（H.T.Cs）是假设换热器在ORC系统设计的工况下进行工作得出的，即蒸发压力为30bar，工质的入口质量流量量是0.34kg/s。另外，当系统设计时，两个热源还应在柴油机额定工况下,见表1的第二列，然而, 在以后的实验中，无论是柴油机工况和ORC工况将会改变，并且ORC系统在最初设计的工况下无法正常工作。

膨胀机是根据其制造商提供的性能参数进行建模，包括膨胀比与体积流量的关系（Rexp～v）和效率与容积的关系（eta;exp～v），如表3所示，设计的膨胀机入口蒸汽压力是30bar。为了保护膨胀机，在其出口处不允许有任何液体，设计的系统蒸发压力范围是20bar-37bar，这可以通过添置膨胀机来实现，膨胀压力和等熵效率分别提高了11.7和60%。R245fa是ORC系统的工质，是一种非氯化氢氟碳化合物，不消耗臭氧且具有减缓全球变暖的潜力，传热性能好、热稳定性好和粘度低，在这项研究中也选择R601a作为工质来观察有机朗肯底循环系统的综合性能。工作液泵是一种液压隔膜计量泵，在30bar时其额定流量1000L/h。油泵因其功耗小，建模比较简单。

结果与讨论

模型验证

仿真结果表明，在模型运行的过程中没有泄漏现象，ORC模型基本保持了良好的平衡，且该系统的输出能量等于输入能量，能量具有很好的平衡性。此外，换热器在实际换热元件详细参数的基础上进行仿真，假设柴油机的热交换器在额定工况下运行且ORC系统的蒸发压力为30bar，在此假设下，对仿真结果与制造商所提供的产品参数进行了比较，见表4，比较了设计工况下换热器的换热量（热流），传热系数（H.T.C）和对数平均温差（LMTD），比较结果表明，各换热器的设计参数（DP）和仿真结果（S.R.）有良好的一致性。经过验证和优化，将7个换热器集成到ORC模型中。根据上述的研究，证明了整个模型与实际系统比较接近，仿真结果对系统性能的预测更可靠。

膨胀力

当柴油机在工况1下运行时，发动机的余热是不能完全蒸发R601a工质，因此，在仿真中只能采用R245fa工质。如图2所示，采用R245fa工质，膨胀力的变化为蒸发压力从26bar到 32bar，四个质量流量下的膨胀功率都在降低，并且在29bar后下降速度更快，0.3kg/s，0.32kg/s，0.34kg/s，0.36kg/s这四个质量流量的膨胀最大功率分别为11.3kW，11.8 kW，12.3 kW 和12.4 kW，它们的下降幅度分别高达14.0%，15.5%，17.6% 和17.5%，这些变化和膨胀力的升高有着密切的联系。以0.34kg/s为例, 下降趋势的原因可以解释为：随蒸发压力从26bar 增加到32bar，入口流膨胀的体积流量从3.3e-3 逐渐减少到2.5e-3 ，如表3所示，在这期间，膨胀压力比（进口压力与出口压力之比）变化不大，但等熵效率显著下降，导致膨胀功率降低，其他三个曲线的变化的原因也是如此。

此外，随着流速的增加，膨胀力逐渐增大，但当质量流量超过0.34kg/s时，功率增加不明显，相比质量流量0.34kg/s，0.36kg/s只有1.5%的膨胀功增加，更重要的是，当质量流量超出0.36kg/s时，R245fa不能完全蒸发，这会造成膨胀机的损坏。总之，ORC系统适合在质量流量0.34kg/s这种工况下运行。

工况2是额定工况，等级和余热的量较高，在工况2下，分别模拟了R245fa、R601a工质的ORC并在图3中进行了比较，采用了三种质量流量，当质量流量超过0.34kg/s 时，R601a不能完全蒸发，如图3所示，三种质量流量下R245fa工质的膨胀力的变化几乎相同，它们蒸发压力的增加几乎呈线性上升。以0.34kg/s为例，对线性增长的原因可以解释为：随蒸发压力从26bar 增加到32bar，入口流膨胀的体积流量从4.6e-3 逐渐减少到3.5e-3 。如表3所示，在这期间，膨胀压力比和等熵效率不断增加。膨胀机的入口流和出口流之间的压力比越大，焓差越大，同时更高等熵效率导致膨胀损失少，因此，膨胀回收的能量增加，最大增量为25%。

此外，在同一运行工况下，通过改变工质R601a将显著提高膨胀力，膨胀力先增大，达到峰值后减小，0.3kg/s在30bar时的膨胀最大功率为18.1kw，相当于0.32kg/s在29bar时的膨胀最大功率和0.34kg/s在28bar时的膨胀最大功率，其值分别为17.3kw、18.8kw。

如表3所示，虽然R245fa与R601a的变化趋势很多都不同，但原因颇为相似，他们都是由膨胀压力比和等熵效率的组合效果来确定。

工作液泵功率

集成在ORC系统的两泵和油泵的功率损耗很小，这是不容忽视，工作液泵在每个运行工况下的功率损耗都显示在图4中，它们都随压力的增加而线性增加。在柴油机工况2下，R601a的工质泵功率远远大于R245fa，这意味着两种泵具有一个较大焓差，原因是，在膨胀机中工质R601a膨胀的更充分且出口压力远低于R245fa，导致在泵中的压力上升较高，产生更多的泵功率。

关于工质R245fa，泵的功率在同一质量流量的两种工况下保持几乎一致，尽管更大的流量导致更高的泵功率，但这种工作液的最大功率小于1KW，所以它对系统性能的影响不大。

余热回收

总的来说，无论在什么工况、工质和质量流量下，蒸发压力对通过ORC进行余热回收的方法影响较小。如图5所示，在柴油机工况下，可以从流体中回收大量的余热，在工况2下，工质R601a的热回收排名第一，三个质量流量下的热量在188.5kw-192kw之间，较大的质量流量能够回收更多的热量，在同样的柴油机工况下，通过工质R245fa回收的热量要低得多，并且四个质量流量下的热量是在164kw-175KW范围内，当发动机负荷降低到工况1时，两热源可用的热量更少，回收的热量更少，其热量在120kw-125kw之间。

ORC的效率

图6所示是基于四种质量流量下的R245fa工质在工况1和2下的ORC的效率。由于ORC效率是膨胀力回收余热的比率而蒸发压力的不同导致热回收变化小，效率变化与图2和图3对应的膨胀力相似，即在工况1下，效率不断下降，在工况2下，效率随蒸发压力的上升几乎呈线性增加。在工况1下，0.34kg/s是获取高效率最适合的质量流量，且峰值达9.6%，此外，在这种情况下，较低的蒸发压力对系统更有利。在工况2下，随着质量流量的增加，效率逐步降低，从图3和图5中可以得出四个质量流量的膨胀功率差别不大，但较大的质量流量导致更多的热量回收，从而降低效率。另外，在这种情况下，较高的蒸发压力对系统有更大的效益，效率的峰值达到8.4%。

图7为在工况2下，R245fa、R601a工质的ORC效率的比较，R601a在三质量流量下的效率的变化也与图3相应的膨胀功类似，它们先增大，在达到峰值后减小，0.3kg/s在30bar时的最大效率为8.8％，相当于0.32kg/s在29bar时的最大效率和0.34kg/s在28bar时的最大效率，其值分别为8.2％、8.9％。从两个关键参数的规律性判断即膨胀力和效率可以得出结论：在这种情况下，随着质量流量的增大，较高的蒸发压力对系统更有利。也就是说，当质量流量量在变化时，蒸发压力需要调整到最佳性能。

从图3中可以看出，在相同的运行工况下，R601a膨胀功比R245fa高，但从图7中知，前

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