發(fā)動機(jī)多工況有機(jī)朗肯循環(huán)中混合工質(zhì)研究

尉慶國，王震，楊凱，楊富斌，張健，張紅光

(1.中北大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，山西 太原030051;2.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京100124)

在發(fā)動機(jī)的能量消耗中，只有不到45%的燃料燃燒后的能量用于動力輸出，其余大部分能量通過排氣系統(tǒng)和冷卻水被排放到大氣中[1]。這將造成大量的能源浪費(fèi)。所以發(fā)動機(jī)的余熱回收利用具有極大的研究意義。有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)在回收低品位能方面具有較大的優(yōu)勢，并在多個領(lǐng)域得到了應(yīng)用[2-5]。近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者在研究如何利用有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)回收發(fā)動機(jī)的余熱能[6]。天津大學(xué)的學(xué)者針對一臺柴油機(jī)設(shè)計了一套有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的仿真模型，研究表明:大概75%的排氣余熱和9.5%的冷卻液余熱能被回收利用[7]。Maogang等指出同時利用有機(jī)朗肯循環(huán)和Kalina cycle回收內(nèi)燃機(jī)的余熱能，可以回收更多的內(nèi)燃機(jī)余熱能[8]。

在有機(jī)朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)中，有機(jī)工質(zhì)與熱源和系統(tǒng)的匹配嚴(yán)重影響著ORC系統(tǒng)的工作性能[9-10]。非共沸混合工質(zhì)在蒸發(fā)過程和冷凝過程中具有溫度“滑移”特性，可以減少由于溫差導(dǎo)致的(火用)損率。南佛羅里大學(xué)研究了混合工質(zhì)和單一工質(zhì)的ORC系統(tǒng)性能，混合工質(zhì)比單一工質(zhì)具有較優(yōu)的熱力學(xué)性能[11]。

本文通過實(shí)驗，研究一臺柴油機(jī)多工況下的排氣能量變化規(guī)律，利用簡單有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)回收此臺柴油機(jī)的排氣能量，研究4種滑移溫度不同的非共沸混合工質(zhì)對ORC系統(tǒng)性能的影響。

1 有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)簡介

圖1是車用發(fā)動機(jī)有機(jī)朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)示意圖，主要包括儲液罐、工質(zhì)泵、蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、冷凝器等。發(fā)動機(jī)的排氣在蒸發(fā)器中將能量傳遞給有機(jī)工質(zhì)。發(fā)電機(jī)將膨脹機(jī)輸出的軸功轉(zhuǎn)化為電能。單實(shí)線代表有機(jī)工質(zhì)的管路，雙實(shí)線代表發(fā)動機(jī)排氣管路，三實(shí)線代表聯(lián)軸器，虛線代表冷卻水管路。

圖1 有機(jī)朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of waste heat recovery system of ORC

ORC系統(tǒng)凈輸出功率:

ORC系統(tǒng)的熱效率:

ORC系統(tǒng)的(火用)效率:

ORC系統(tǒng)的(火用)損率:

有用功提升率(ORC系統(tǒng)的凈輸出功率比內(nèi)燃機(jī)輸出功率與ORC系統(tǒng)的凈輸出功率)，即

圖2 非共沸混合工質(zhì)的ORC系統(tǒng)T-s圖Fig.2 T-s diagram of the ORC system of zeotropic mixtures

2 非共沸混合工質(zhì)

非共沸混合工質(zhì)在定壓蒸發(fā)和定壓冷凝過程有溫度滑移的熱力學(xué)特性，通過對混合工質(zhì)組元的選擇和各組元間配比的優(yōu)化，可以減小由于傳熱溫差導(dǎo)致的不可逆損失(或(火用)損率)。然而，非共沸混合工質(zhì)是否有利于車用內(nèi)燃機(jī)有機(jī)郎肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)還需要進(jìn)一步研究。

混合工質(zhì)的熱力學(xué)性能不僅與組成混合工質(zhì)的組元有關(guān)，還與各組元所占比例有關(guān)，所以混合工質(zhì)的數(shù)量十分龐大。從現(xiàn)有編號的非共沸混合工質(zhì)中選取4種工質(zhì)進(jìn)行研究。在選取工質(zhì)時主要考慮所選工質(zhì)的滑移溫度不同，以便分析滑移溫度對系統(tǒng)性能的影響。表1是所選工質(zhì)的特性。

表1 非共沸混合工質(zhì)的特性Table 1 Property of zeotropic mixtures

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有編號的非共沸混合工質(zhì)多數(shù)為濕工質(zhì)。為了不讓膨脹后的工質(zhì)落在氣液兩相區(qū)，膨脹機(jī)進(jìn)口的工質(zhì)一定要為過熱氣體。

3 排氣能量研究

通過實(shí)驗，研究一臺柴油機(jī)在多工況下的排氣能量變化情況。圖3是柴油機(jī)實(shí)驗系統(tǒng)示意圖。

圖3 柴油機(jī)實(shí)驗系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic of experimental system of diesel engine

圖3中的單實(shí)線表示聯(lián)軸器、雙實(shí)線表示發(fā)動機(jī)進(jìn)排管路、三實(shí)線表示柴油油路、虛線表示電信號。控制柜控制發(fā)動機(jī)測功機(jī)及ECU的12 V電壓的供應(yīng)，數(shù)據(jù)采集儀可以采集發(fā)動機(jī)的扭矩、轉(zhuǎn)速、功率、油耗等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要采集排氣溫度和進(jìn)氣質(zhì)量流量。實(shí)驗過程共涉及85個不同工況點(diǎn)。轉(zhuǎn)速范圍為600～2 200 r/min，每100 r/min取一點(diǎn)。油門開度從0%～100%變化。從實(shí)驗中可以得出此臺柴油機(jī)的最大輸出功率約為280 kW。該實(shí)驗臺架未安裝發(fā)動機(jī)排氣質(zhì)量流量測量設(shè)備，但可以測量每個工況點(diǎn)的油耗量和進(jìn)氣量，此臺柴油機(jī)的排氣質(zhì)量流量等于油耗量加進(jìn)氣量。從實(shí)驗結(jié)果中可以得出，不同工況下，此臺柴油機(jī)的排氣質(zhì)量流量在0.1～0.5 kg/s變化，排氣溫度在 400～820 K變化。

根據(jù)式(14)計算柴油機(jī)的排氣能量(忽略排氣動能)。

圖4是根據(jù)實(shí)驗結(jié)果和上述計算條件得到的柴油機(jī)排氣可用能量變化圖。隨著油門開度和轉(zhuǎn)速的增加，排氣能量呈上升趨勢，最大可利用的排氣能量約為290 kW。

圖4 排氣能量Fig.4 Exhaust energy

4 實(shí)驗結(jié)果及分析

對于一套有機(jī)朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)，工質(zhì)的選用尤為重要。針對車用柴油機(jī)有機(jī)朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)，研究4種滑移溫度不同的非共沸混合工質(zhì)對ORC系統(tǒng)性能的影響。在計算分析之前，做出以下設(shè)定:

1)蒸發(fā)壓力范圍1～4 MPa，間隔1 MPa;

2)過熱度分別取5 K和10 K;

3)膨脹機(jī)的膨脹比為4;

4)膨脹機(jī)和工質(zhì)泵的等熵效率為0.8，膨脹機(jī)為螺桿膨脹機(jī)，其螺桿直徑為175 mm，工質(zhì)泵為多級離心泵;

5)高溫?zé)嵩礈囟萒H=T3+Δte，Δte是蒸發(fā)器的平均傳熱溫差;

6)低溫?zé)嵩礈囟萒L=T1-10;

7)環(huán)境溫度 T0=303.15 K 。

為了防止液滴對膨脹機(jī)的損害，工質(zhì)膨脹后必須為飽和蒸汽或過熱蒸汽。對于濕工質(zhì)，膨脹機(jī)進(jìn)口的工質(zhì)應(yīng)該為過熱蒸汽，才能確保膨脹后的工質(zhì)為飽和蒸汽或過熱蒸汽。所以，在計算過程中，膨脹機(jī)進(jìn)口的工質(zhì)為過熱蒸汽，過熱度為5 K和10 K。對于不同的工質(zhì)、在不同的蒸發(fā)壓力和不同的過熱度下，膨脹后的狀態(tài)是不確定的。通過相同溫度下，熵值的大小來判斷工質(zhì)膨脹后是否為過熱蒸汽。首先確定工質(zhì)膨脹后的熵值和溫度，即圖2中4點(diǎn)的熵值和溫度確定了之后，查出該溫度下飽和蒸汽的熵值，即圖2中v點(diǎn)的熵值。如果4點(diǎn)的熵值等于或大于v點(diǎn)的熵值，說明工質(zhì)膨脹后為飽和蒸汽或過熱蒸汽，滿足工作要求。如果4點(diǎn)的熵值小于v點(diǎn)的熵值，說明工質(zhì)膨脹后處于兩相區(qū)，不滿足工作要求。

圖5 非共沸混合工質(zhì)膨脹后狀態(tài)的分析圖Fig.5 State analysis after expansion of zeotropic mixtures

圖5是在不同蒸發(fā)壓力、不同的過熱度下，4種非共沸混合工質(zhì)膨脹后狀態(tài)的分析圖。從圖5中可以看出，當(dāng)過熱度為5 K時，R402B不能滿足工作要求，因為其膨脹后的熵值(圖2中4點(diǎn)熵值)均小于該點(diǎn)溫度下飽和蒸汽的熵值(圖2中v點(diǎn)熵值)。同理可得，R409B和R415B都不能滿足工作要求，R407B滿足工作要求的蒸發(fā)壓力范圍為1.0～2.8 MPa。當(dāng)過熱度為10 K時，R402B滿足工作要求的蒸發(fā)壓力范圍約為1.0～3.5 MPa，R407B 滿足工作要求的蒸發(fā)壓力范圍為1.0～4.0 MPa，R409B 滿足工作要求的蒸發(fā)壓力范圍約為 1.0～3.35 MPa，R415B 滿足工作要求的蒸發(fā)壓力范圍約為1.0～3.0 MPa。這主要與非共沸混合工質(zhì)飽和蒸汽曲線的斜率有關(guān)，工質(zhì)斜率的絕對值越大，越容易滿足工作要求，反之，則不容易滿足工作要求。這說明，在不同的過熱度下，每種工質(zhì)可用的蒸發(fā)壓力范圍不同。

熱效率是評價ORC系統(tǒng)的重要指標(biāo)。圖6是在不同過熱度下，隨著蒸發(fā)壓力變化，4種非共沸混合的ORC系統(tǒng)熱效率的變化情況。從圖6中可以看出，隨著蒸發(fā)壓力的增加，4種非共沸混合的ORC系統(tǒng)熱效率先增加后減少，存在一個最大熱效率點(diǎn)，對應(yīng)的蒸發(fā)壓力均為2.0 MPa。當(dāng)過熱度為10 K時，每種工質(zhì)的ORC系統(tǒng)熱效率高于過熱度為5 K時的系統(tǒng)熱效率。

表2是當(dāng)過熱度為10 K、蒸發(fā)壓力為2.0 MPa時，不同發(fā)動機(jī)工況下，4種非共沸混合工質(zhì)的ORC系統(tǒng)熱效率的變化規(guī)律。從表2中可以看出，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和油門開度的變化，4種非共沸混合工質(zhì)的ORC系統(tǒng)熱效率恒定不變，ORC系統(tǒng)熱效率從大到小的非共沸混合工質(zhì)依次為:R402B、R409B、R415B、R407B。非共沸混合工質(zhì)R402B的ORC系統(tǒng)熱效率最大，約為10.63%;R407B的ORC系統(tǒng)熱效率最小，約為10.12%。這是因為，在相同蒸發(fā)壓力下，如果忽略管路損失，系統(tǒng)的熱效率主要與各部件性能和所用工質(zhì)的物性有關(guān)。對于一個已經(jīng)確定的系統(tǒng)，其各部件的性能也就確定了，所以工質(zhì)的物性決定了ORC系統(tǒng)的性能。這說明ORC系統(tǒng)的熱效率與熱源能量沒有直接關(guān)系，無論柴油機(jī)的工況如何變化，ORC系統(tǒng)的熱效率都恒定不變。

圖6 ORC系統(tǒng)熱效率Fig.6 Thermal efficiency of the ORC system

表2 不同發(fā)動機(jī)工況下的ORC系統(tǒng)熱效率的變化規(guī)律Table 2 Variation of the thermal efficiency of the ORC system under multiple operating conditions %

綜上所述，當(dāng)蒸發(fā)壓力為2.0 MPa、過熱度為10 K時，4種非共沸混合工質(zhì)的ORC系統(tǒng)熱效率均為最大。

圖7為4種非共沸混合工質(zhì)的ORC系統(tǒng)凈輸出功率的MAP圖。圖7中每種工質(zhì)的ORC系統(tǒng)凈輸出功率的等高線分布是相同的，但代表的數(shù)值不同。從圖7中可以看出，不同的柴油機(jī)工況下，4種非共沸混合工質(zhì)的ORC系統(tǒng)凈輸出功率不同。當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速恒定時，隨著油門開度的增大，4種工質(zhì)的ORC系統(tǒng)凈輸出功率均逐漸增大;當(dāng)油門開度在70%～100%時，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，4種工質(zhì)的ORC系統(tǒng)凈輸出功率逐漸增加;當(dāng)油門開度在40%～70%時，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，4種工質(zhì)的ORC系統(tǒng)凈輸出功率先增加后減小;當(dāng)油門開度在0%～40%時，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，4種工質(zhì)的ORC系統(tǒng)凈輸出功率先增加后趨于平緩。這是受柴油機(jī)排氣能量的影響，不同柴油機(jī)工況下，柴油機(jī)排氣能量不同，非共沸混合工質(zhì)吸收的能量也有所不同。當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和油門開度恒定時，即相同工況，ORC系統(tǒng)凈輸出功率從大到小的工質(zhì)依次為:R402B、R409B、R415B、R407B。在不同的柴油機(jī)工況下，每種工質(zhì)的 ORC系統(tǒng)凈輸出功率在0.5～25 kW，當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 200 r/min、油門開度100%時，非共沸混合工質(zhì)R402B的ORC系統(tǒng)的凈輸出功率最大，約為24.65 kW;R407B的ORC系統(tǒng)的凈輸出功率最小，約為23.48 kW。

圖7 4種非共沸混合工質(zhì)的ORC系統(tǒng)凈輸出功率的MAP圖Fig.7 Contour MAPs of the net power output of the four zeotropic mixtures

在不同的工況下，發(fā)動機(jī)輸出的功率不同，ORC系統(tǒng)輸出功率也不同。為了研究兩者之間的關(guān)系，定義了有用功提升率的概念，來評價不同工況下，輸出功率提升比例的大小。圖8是當(dāng)蒸發(fā)壓力為2.0 MPa、過熱度為10 K時，隨著柴油機(jī)工況的變化，4種非共沸混合工質(zhì)的整體系統(tǒng)有用功提升率的對比MAP圖。

從圖8中可以看出，不同工況下，有用功提升率不同。當(dāng)轉(zhuǎn)速恒定時，轉(zhuǎn)速在600～1 100 r/min，隨著油門開度的增加，有用功提升率逐漸減小;轉(zhuǎn)速在1 100～2 200 r/min，隨著油門開度的增加，有用功提升率先減小后略有增加，并隨著轉(zhuǎn)速的增加，有用功提升率的增加幅度逐漸增加。這主要與柴油機(jī)輸出功率和排氣能量的分布有關(guān)。無論如何，當(dāng)柴油機(jī)處于低負(fù)荷高轉(zhuǎn)速區(qū)時，有用功提升率最大;柴油機(jī)處于高負(fù)荷低轉(zhuǎn)速區(qū)時，有用功提升率最小。這是因為，當(dāng)柴油機(jī)處于低負(fù)荷高轉(zhuǎn)速區(qū)時，柴油機(jī)的輸出功率較低，但排氣溫度較高，即ORC系統(tǒng)吸收的排氣能量較多，所以，有用功提升率最高。當(dāng)柴油機(jī)處于高負(fù)荷低轉(zhuǎn)速區(qū)時，柴油機(jī)的輸出功率提高，但排氣溫度增加幅度不大，即ORC系統(tǒng)吸收的排氣能量較小，所以，有用功提升率最小。

圖8 系統(tǒng)有用功提升率的對比MAP圖Fig.8 Comparable contour MAPs of the power output increasing rate of the system

通過圖8可以看出，相同柴油機(jī)工況下，有用功提升率從大到小的非共沸混合工質(zhì)的順序為:R402B、R409B、R415B、R407B。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速2 200 r/min，油門開度0%時，R402B的有用功提升率最大，約為10.63%;R407B的有用功提升率最小，約為10.14%。

最后，分析ORC余熱回收系統(tǒng)(火用)效率的變化情況。圖9是當(dāng)蒸發(fā)壓力為2.0 MPa、過熱度為10 K時，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和油門開度的變化，4種非共沸混合工質(zhì)的ORC系統(tǒng)(火用)效率對比MAP圖。圖中每種工質(zhì)的ORC系統(tǒng)(火用)效率的等高線分布是相同的，但代表的數(shù)值不同。

圖9 ORC系統(tǒng)(火用)效率對比MAP圖Fig.9 Comparable contour MAPs of the exergy eficiency of the ORC system

從圖9中可以看出，不同發(fā)動機(jī)工況下，每種工質(zhì)的ORC系統(tǒng)(火用)效率不同。無論如何，當(dāng)柴油機(jī)處于高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷時，ORC系統(tǒng)的(火用)效率最小，處于小負(fù)荷時，ORC系統(tǒng)的(火用)效率最大。這主要因為，隨著轉(zhuǎn)速和油門開度的增加，柴油機(jī)的排氣溫度增加，柴油機(jī)排氣與有機(jī)工質(zhì)之間的傳熱溫差增加，溫差導(dǎo)致的不可逆損失增加，所以，ORC系統(tǒng)的(火用)效率減小。從圖中還可以看出，在相同工況下，ORC系統(tǒng)(火用)效率從大到小的工質(zhì)順序為:R415B、R409B、R402B、R407B。此時，R415B的ORC系統(tǒng)(火用)效率最大，約為39.88%;R407B的ORC系統(tǒng)(火用)效率最小，約為31.56%。這說明，就ORC系統(tǒng)的(火用)效率而言，相同發(fā)動機(jī)工況下，每種非共沸混合工質(zhì)的ORC系統(tǒng)體現(xiàn)出的性能不同。

5 結(jié)論

1)對于不同的非共沸混合工質(zhì)，在不同的蒸發(fā)壓力下，需要不同的過熱度來確保膨脹之后的有機(jī)工質(zhì)處于飽和或過熱狀態(tài)，當(dāng)過熱度確定后，每種工質(zhì)可以使用的蒸發(fā)壓力范圍不同。

2)隨著蒸發(fā)壓力的增加，非共沸混合工質(zhì)的ORC系統(tǒng)熱效率先增加后減小，當(dāng)蒸發(fā)壓力為2.0 MPa時，其值最大。

3)當(dāng)蒸發(fā)壓力為2.0 MPa、過熱度為10 K 時，不同發(fā)動機(jī)工況下，非共沸混合工質(zhì)的ORC系統(tǒng)凈輸出功率和(火用)效率不同。在大轉(zhuǎn)速高負(fù)荷時，每種有機(jī)工質(zhì)的ORC系統(tǒng)的凈輸出功率均為最大。其中，R402B的ORC系統(tǒng)的凈輸出功率最大，約為24.65 kW。當(dāng)柴油機(jī)處于高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷時，每種工質(zhì)的ORC系統(tǒng)(火用)效率最小，處于小負(fù)荷時，(火用)效率最大。其中，R415B的 ORC系統(tǒng)(火用)效率最大，約為39.88%，R407B的ORC系統(tǒng)(火用)效率最小，約為31.56%。

4)當(dāng)ORC系統(tǒng)的熱效率確定后，整個系統(tǒng)的有用功提升率主要取決于蒸發(fā)器的性能。蒸發(fā)器的性能好，相同的排氣能量就能蒸發(fā)更多的有機(jī)工質(zhì)，從而輸出更多的功率。但也與不同工況下的發(fā)動機(jī)輸出功率和排氣能量有關(guān)。

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