朗肯循環尾氣余熱回收系統試驗及性能研究

李廣華，高文志，趙 洋，高 峰，袁 偉

（1.天津大學 內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072；2.江蘇林海動力機械集團有限公司，江蘇 泰州 225300；3.常熟理工學院 汽車工程學院，江蘇 常熟 215500）

0 引言

隨著石油資源日益緊缺及環境污染日益加重，各國不斷收緊汽車燃油消耗及排放標準，節能環保車輛開始受到人們的青睞。2015 年5 月《中國制造2025》更是明確了節能與新能源是汽車產業重點發展方向之一，對于已有百年歷史的內燃機而言，想繼續保持其旺盛生命力，須在節能減排技術上有新突破。內燃機燃料燃燒所產生的能量，僅有三分之一左右被有效利用，其余能量以冷卻液、機油及排氣能量等形式散失到大氣中，其中排氣散失能量約占三分之一，且能量品位相對較高。因此，針對內燃機余熱能高效轉化利用[1-2]是近年來研究熱點，其中采用熱力循環方法進行排氣熱能有效利用頗受關注。近年來利用朗肯循環方法進行排氣熱能回收[1，3-6]進行了較為廣泛的理論研究。

水工質朗肯循環回收系統的工作原理及評價指標。針對某2.0L 汽油機搭建了朗肯循環余熱回收試驗系統，在4 種不同工況進行試驗，得到了回收系統尾氣經過蒸發器后溫度、壓力變化情況以及膨脹機輸出性能。最后進行回收系統能量分析，指明提高回收系統熱效率主要方向。

1 回收系統工作原理及評價指標

基于工質水的朗肯循環汽油機尾氣余熱回收系統，包括四部分主要設備——蒸發器、膨脹機、冷凝器、工質泵。尾氣進入蒸發器對高壓水加熱，使其過熱，再進入膨脹機膨脹對外發電，排出乏汽進入冷凝器冷凝，進入工質箱，工質箱內水工質經水泵加壓再次進入循環系統。其T-S 工作過程可以簡化成圖2：在膨脹機內定熵膨脹做功過程1→2；冷凝器內定壓冷凝過程2→3；工質泵定熵壓縮過程3→4；蒸發器內由液態-飽和蒸汽-過熱蒸汽的定壓吸熱過程4→5→6→1；蒸發器內尾氣放熱過程in-out，如圖1 所示。

圖1 朗肯循環余熱回收結構示意圖

圖2 朗肯循環溫-熵圖

1.1 系統內工質的工作過程

工質在蒸發器內經歷定壓加熱過程（過程4-1 吸熱量為Q1）、絕熱膨脹做功過程（過程1-2 做功WTi）、冷凝器內冷凝放熱過程（過程2-3 放熱量Q2）、在工質泵中壓縮過程（過程3-4 消耗泵功Wp）。根據熱力學原理可算出每一段熱量及做功情況。

1.2 回收系統性能評價指標

（1）功率提高率φ

為了表明回收系統回收能力，定義系統功率提高率φ為膨脹機軸功率Wa與汽油機輸出功率Pe之比，表達式如下：

2 余熱回收系統試驗布置方案

余熱回收試驗系統布置如圖3 所示。蒸發器在汽油機三效催化轉化器之后，發動機的排氣管采用覆蓋玻璃纖維以及鋁箔紙以減少對流換熱損失，經改造后排氣管與蒸發器相連。膨脹機一端與高壓水泵同軸聯接，另一端與發電機相連接。蒸發器為流式蒸發器。系統臺架如圖4 所示。當汽油機在某一工況運行時，首先啟動膨脹機，將一定流量和壓力工質水泵入蒸發器內與尾氣進行熱交換，一定過熱的蒸汽進入膨脹機，在缸內膨脹開始對外作功，帶動發電機對外發電，做功后乏汽進入冷凝器，經冷凝后進入工質箱準備下一個循環。尾氣經蒸發器出口排向大氣。

圖3 朗肯循環尾氣回收試驗系統

圖4 試驗臺架

3 試驗測試采集及結果分析

測試采集系統如圖5 所示。從圖5 看到，壓力傳感器分別布置在蒸發器進出口兩端和膨脹機缸蓋上，用來測量尾氣經過蒸發器后壓力變化和膨脹機缸內瞬時壓力情況；溫度傳感器分別測量水箱中、蒸發器前、膨脹機進口處的溫度及尾氣進入蒸發器前、后的溫度。另設置轉速傳感器、功率表及油耗儀來分析回收系統對汽油機性能影響。

圖5 試驗測試系統布置圖

3.1 汽油機參數變化情況

選取4 個汽油機工況，汽油機尾氣經過蒸發器前、后溫度有明顯的降低，見表1。系統在4 種工況下運行時，尾氣經過蒸發器前、后壓力的變化，其最大壓差為14 kPa，最小壓差為6.1 kPa，對汽油機運行性能影響不大。

表1 汽油機尾氣經過蒸發器前、后溫度變化

3.2 膨脹機參數變化及輸出性能

實驗測得4 個工況下膨脹機部分性能參數，見表2。由表2 可知，隨著汽油機功率升高，尾氣溫度和質量流量隨之增加，工質作功能力增加，膨脹機轉速增大，系統回收指示功率由1.64 kW 顯著增加到5.04 kW，但其軸功率由1.61 kW 增加到2.78 kW 增加幅度逐漸減小，這是由于膨脹機轉速升高，機械效率逐漸降低而導致的。

表2 膨脹機部分性能參數情況

3.3 回收系統能量利用評價

依據熱力學原理計算出4 種工況下朗肯循環系統中尾氣熱量回收利用情況（圖6），尾氣放熱量和汽油機功率相當，而最大可用能損失幾乎在汽油機功率的一半以上。增加回收系統后，隨汽油機功率增大，放出總熱量由20 kW 增大到40 kW，由于蒸發器存在一定熱損失，工質水在蒸發器中吸收熱量分別由17.6 kW 增長到28.1 kW。尾氣進出口火用差由12.7 kW增加到27.7 kW。

圖6 回收系統內能量/功率對比關系

（1）功率提高率

根據式（1）四個工況下功率提高率為3.6%到4.72%不等，表明該廢熱回收系統在一定程度上有效地提高了汽油機輸出功率。該系統具有實際應用的可行性。

（2）余熱回收系統熱效率

圖7 是回收系統各效率情況，回收系統熱效率不僅與朗肯循環熱效率相關，還與廢氣實際利用率及膨脹機絕熱效率相關。實驗結果表明，朗肯循環熱效率及膨脹機絕熱效率均呈增大趨勢，分別由19.45%逐漸增大到32.33%，47.95%增加到55.45%，其中膨脹機絕熱效率并不高，還有很大提升空間。而廢氣實際利用率由41.93%逐漸降低到32.38%，這是由于蒸發器效率及散熱損失原因，工質吸熱量增加幅度小于尾氣總放熱量增加值。膨脹機機械效率也呈下降趨勢。因此回收系統實際熱效率隨汽油機功率增加由3.91%增長到5.8%，增長幅度逐漸變小。因此提高蒸發器效率，降低熱損失，提高膨脹機絕熱效率和機械效率是提高系統熱效率主要方向。

圖7 回收系統內各效率對比

4 結語

汽油機尾氣經過蒸發器后溫度大大降低，排氣背壓變化不大，對汽油機運行影響不大，膨脹機回收軸功率由1.61 kW 增加到2.78 kW，相當于汽油機功率增加3.6% ～ 4.72%，該朗肯循環系統在回收內燃機尾氣方面有很大潛力。余熱回收系統能量分析表明，提高系統總性能應該綜合考慮朗肯循環效率、膨脹機絕熱效率和機械效率、蒸發器中尾氣廢熱利用率等方面因素進行優化。