基于天然气发动机排气余热回收系统的非共沸混合工质性能分析

娄宗勇， 郭珍， 宋松松,， 张红光

(1. 承德石油高等专科学校汽车工程系， 河北 承德 067000；2. 中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400； 3. 北京工业大学环境与能源工程学院， 北京 100124)



基于天然气发动机排气余热回收系统的非共沸混合工质性能分析

娄宗勇1， 郭珍2， 宋松松1,3， 张红光3

(1. 承德石油高等专科学校汽车工程系， 河北 承德 067000；2. 中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400； 3. 北京工业大学环境与能源工程学院， 北京 100124)

天然气发动机； 余热回收； 有机朗肯循环； 非共沸混合工质

由于受到工作原理和结构的制约，天然气发动机的有效热效率都较低，为30%左右，大部分燃料燃烧能量通过排气和冷却水释放到大气中，而其中排气余热能量品位较高。因此，如何有效回收利用这部分热量，成为节能领域研究的重要课题[1-2]。

目前，采用有机朗肯循环装置回收内燃机余热成为研究热点[3-10]。在工质选择方面，非共沸混合工质在蒸发和冷凝相变时存在一定程度的温度滑移，与冷热源间有较好的热匹配，因此降低了可用能的损耗，减小了系统的不可逆损失。但是国内外非共沸混合工质的应用主要集中在太阳能、地热等领域[11-12]，在内燃机余热利用方面的应用研究还很少。

本研究根据发动机试验分析了1台6缸天然气发动机全工况范围内的排气余热能特性，设计了一套带回热器的有机朗肯循环系统，对比分析了非共沸混合工质R416A和纯工质R245fa对系统性能的影响。最终建立了车用天然气发动机-带内部回热器有机朗肯循环联合系统，并分析了联合系统的热效率。

1 天然气发动机排气余热能特性分析

研究对象为1台增压中冷直列6缸车用天然气发动机，其主要性能参数见表1。通过设计内燃机性能试验，分析天然气发动机在整个工况范围内的性能以及排气能量的变化情况。在试验测试过程中，发动机转速范围为800～2 200 r/min，转速间隔为200 r/min，在每个转速下测试11个不同负荷工况点。

表1 天然气发动机主要技术参数

图1示出天然气发动机的万有特性。从图1可以看出，随着转速和负荷的增大，发动机的输出功率逐渐增大。在标定工况点处，发动机功率达到最大值206.9 kW。在发动机中转速、中高负荷区域，发动机的有效燃气消耗率(be)较低，燃油经济性较好。当发动机转速为1 400 r/min、扭矩为1 050 N·m时，be达到最小值，为199 g/(kW·h)，在发动机低负荷区域，燃气消耗率普遍较高，燃油经济性较差，高转速时尤为严重。

图2示出天然气发动机热效率的变化。发动机热效率的计算公式如下：

(1)

从图2可以看出，随着发动机负荷的增加，发动机热效率逐渐增大。而随着发动机转速的增加，发动机热效率出现先增大后减小的趋势，且在低负荷区域变化趋势不明显。当发动机转速为1 400 r/min，扭矩达到最大时，发动机热效率最大，为36.14%。

图3示出天然气发动机排气温度的变化。从图3可以看出，排气温度主要集中在730～900 K范围内。发动机在低速低负荷区域排气温度较低，而在中高转速中高负荷区域排气温度较高。

(2)

式中：hexh为排气焓值。

图4示出天然气发动机排气能量的MAP图。从图4可以看出，随着发动机转速和负荷的增加，发动机排气能量逐渐增加。在发动机标定工况点处，排气能量最大，为303.5 kW。与图1对比分析可以看出，在发动机全工况范围内，排气能量始终大于发动机的有效输出功率。因此，对该天然气发动机排气余热能进行回收利用具有重要的意义。

蒸发器作为排气与有机工质进行热交换的场所，在有机朗肯循环的实际运行过程中，并不能使有机工质完全吸收发动机释放出的排气能量[13]。因此，在本研究中，排气在蒸发器出口处的温度Texh_out设定为378 K，排气压力为97.8 kPa，利用Refprop9.0软件计算得到在该排气温度和压力下的排气焓值，然后根据式(3)即可计算得出可用排气能量。

(3)

式中：hin为排气在蒸发器进口处的焓值；hout为排气在蒸发器出口处的焓值。

2 有机朗肯循环系统

2.1 带回热器有机朗肯循环系统

为了更好地实现对车用天然气发动机排气余热能的高效利用，本研究设计了带回热器有机朗肯循环系统(见图5)。蒸发器中的有机工质吸收排气能量后变成高温高压气体，随后进入膨胀机做功，做功后的乏气进入回热器与下一循环进入回热器的有机工质进行换热，换热后的乏气经过冷凝器后流回储液罐，工质泵将有机工质从储液罐中抽出，压缩成高压液体，高压液态有机工质通过回热器吸收上一循环乏气的废热后进入蒸发器吸收天然气发动机的排气能量，至此完成一个工作循环。

2.2 工质选择

通过对常见有机纯工质用于朗肯循环的研究，发现R245fa循环性能较优[14-16]。因此，本研究以R245fa为参考，从现有编号的制冷剂中选取安全性和环境友好性较好的R416A作为有机工质，以此分析天然气发动机余热回收系统的性能。表2和表3分别列出非共沸混合工质R416A和纯工质R245fa的性能参数。

表2 非共沸混合工质R416A性能参数

表3 纯工质R245fa性能参数

2.3 带回热器有机朗肯循环系统热力学模型

图6示出两种工质的温熵图。图中，1—2过程表示工质泵的实际加压过程，1—2s表示对应于1—2等熵加压过程，2—3过程表示低温液态工质在回热器内的预热过程，3—4过程表示工质在蒸发器内的吸热蒸发过程，4—5过程表示气态工质在膨胀机内的膨胀过程，4—5s表示对应于4—5等熵膨胀过程，5—6表示低压过热气体在回热器内的放热过程，6—1过程表示工质在冷凝器内的冷凝过程。

对应每一个工作过程，基于热力学第一定律和热力学第二定律，推导带回热器有机朗肯循环性能参数的计算公式。

对应1—2，工质泵的耗功为

(4)

对应2—3和5—6，回热器中的换热量由下式计算：

(5)

ε=(T5-T6)/(T5-T2)。

(6)

式中：ε为回热器的有效度。

对应3—4，蒸发器吸收的热量由下式计算：

为适应改革后的执业医师考试，我国的高等医学院校需进行相应的教学改革，例如：药理学、病理学及一些临床学科已经进行了相应的教学改革[4-7]。组织学是一门重要的医学基础课程，与生理学、病理学等基础课程有着千丝万缕的联系，虽然执业医师考试中没有单列组织学，但执业医师考试题中却有诸多与组织学密切相关的知识点，为了适应执业医师考试改革的需要，在组织学教学中也进行了相应的探索式改革，具体总结如下。

(7)

对应4—5，膨胀机的输出功率由下式计算：

(8)

式中：ηs为膨胀机等熵效率。

对应6—1，冷凝器释放的热量由下式计算：

(9)

上述公式中h为有机工质对应各状态点的焓值。

(10)

(11)

(12)

式(12)中的高温热源温度TH由式(13)计算得到：

TH=(Texh_in-Texh_out)/ln(Texh_in/Texh_out)。

(13)

式中：Texh_in为排气在蒸发器进口处的温度，可以通过天然气发动机试验获得。

此外，本研究还定义了单位工质能量输出密度，用于反映单位有机工质的做功能力，计算公式如下：

(14)

3 结果与分析

3.1 边界条件

为了对比分析两种不同类型有机工质对有机朗肯循环系统性能的影响，本研究设定的计算边界条件如下：

1) 蒸发器压力设定为2.5 MPa；

2) 过热度取30 K；低温热源温度TL取293 K；

3) 工质在冷凝器中放出热量后变为饱和液态；回热器有效度取0.85；

4) 膨胀机和工质泵的等熵效率取0.8；膨胀机膨胀比取4；

5) 在研究分析时，忽略各部件和管路中的压力损失和热损失。

3.2 结果分析

图7示出采用两种有机工质时，带回热器有机朗肯循环系统净输出功率随天然气发动机转速和负荷的变化。从图7可以看出，随着发动机转速和负荷的升高，两种工质的净输出功率均呈现增大的趋势。在标定工况点处，非共沸混合工质R416A和纯工质R245fa对应的净输出功率分别为16.6 kW和16.0 kW。

此外，通过对比图7a和图7b可知，采用R416A的系统净输出功率均比相同等高线位置下采用R245fa的系统净输出功率大。这一结果表明在天然气发动机相同工况下，采用非共沸混合工质R416A的带回热器有机朗肯循环系统具有更好的功率输出特性。

表4列出两种有机工质在带回热器有机朗肯循环系统中的计算结果。从表4可以看出：非共沸混合工质R416A的系统热效率和单位工质能量输出密度都高于纯工质R245fa。单位工质能量输出密度越高，表示当净输出功率相同时，系统所需有机工质质量流量越小，从而系统中有机工质的充装量也会减小，这样不仅可以减小整个系统的质量，还可以减小有机工质的泄漏量。

表4 两种有机工质计算结果

另一方面，通过计算得出非共沸混合工质R416A对应的冷凝温度要低于纯工质R245fa。冷凝温度是影响有机朗肯循环系统运行性能的关键因素之一，冷凝温度较小有利于有机朗肯循环系统运行性能的提升，但在实际工程中，冷凝温度越低，对冷却系统的要求越高。

通过上述对比分析可以看出，在天然气发动机全工况范围内，非共沸混合工质R416A的各项热力学性能指标均优于纯工质R245fa。因此，本研究采用R416A作为有机工质，进一步评价天然气发动机-带回热器有机朗肯循环联合系统的热效率，其计算公式如下：

(15)

图9示出联合系统热效率变化情况。对比分析图9和图2可以看出，联合系统热效率和发动机热效率的变化趋势一致。当发动机转速为1 400 r/min，扭矩达到最大值(1 050 N·m)时，非共沸混合工质R416A对应的联合系统热效率最大为38.67%，比原天然气发动机热效率提高7%。

4 结论

b) 当带回热器有机朗肯循环系统采用非共沸混合工质R416A时，其对应的冷凝温度低于纯工质R245fa的冷凝温度；

c) 随着天然气发动机负荷的增加，天然气发动机-带回热器有机朗肯循环系统联合系统热效率逐渐增加，相比原天然气发动机，热效率最大可提高7%，因此有机朗肯循环在回收天然气发动机排气余热方面潜力较大。

[1] 俞小莉，李婷.发动机热平衡仿真研究现状与发展趋势[J]．车用发动机，2005(5)：1-5.

[2] 赵智博.内燃机废气余热利用有机朗肯循环工质的研究[D]．天津：天津大学，2011.

[3] 郭丽华，覃峰，陈江平，等.基于有机朗肯循环的发动机余热回收技术[J]．车用发动机，2012(2)：30-34.

[4] Zhang J,Zhang H G,Yang K,et al.Performance analysis of regenerative organic Rankine cycle (RORC) using the pure working fluid and the zeotropic mixture over the whole operating range of a diesel engine[J]．Energy Convers Manage,2014,84:282-294.

[5] 方金莉，魏名山，王瑞君，等.采用中温有机朗肯循环回收重型柴油机排气余热的模拟[J]．内燃机学报，2010，28(4)：362-367.

[6] 冯驯，徐建，王墨南，等.有机朗肯循环系统回收低温余热的优势[J]．节能技术，2010，28(5): 387-391.

[7] Stoppato A.Energetic and economic investigation of the operation management of an Organic Rankine Cycle cogeneration plant[J]．Energy,2012,41(1):3-9.

[8] 杨富斌，董小瑞，王震，等.发动机两级有机朗肯循环尾气余热回收系统的研究[J]．车用发动机，2013(5)：27-32.

[9] Sharaf M A,Nafey A S,Garcia-Rodriguez L.Thermo-economic analysis of solar thermal power cycles assisted MED-VC (multi effect distillation-vapor compression) desalination processes[J]．Energy,2011,36(5):2753-2764.

[10] Tchanche B F,Lambrinos G,Frangoudakis A,et al.Low-grade heat conversion into power using organic Rankine cycles-A review of various applications[J]．Renewable and Sustainable Energy Reviews,2011,15(8):3963-3979.

[11] 翟慧星，安青松，史琳.低温地热有机朗肯循环混合工质设计初探[J]．工程热物理学报，2014,35(8)：1498-1502.

[12] 赵力，王晓东，张启.非共沸工质用于太阳能低温朗肯循环的理论研究[J]．太阳能学报，2009,30(6)：738-743.

[13] Yu G P,Shu G Q,Tian H,et al.Simulation and thermodynamic analysis of a bottoming Organic Rankine Cycle (ORC) of diesel engine (DE)[J]．Energy,2013,51:281-290.

[14] 储静娴.低温地热发电ORC工质与系统经济性优化研究[D]．天津：天津大学，2009.

[15] Wang E H,Zhang H G,Fan B Y,et al.Study of working fluid selection of organic Rankine cycle (ORC) for engine waste heat recovery[J]．Energy,2011,36:3406-3418.

[16] Wang J L,Zhao L,Wang X D.An experimental study on the recuperative low temperature solar Rankine cycle using R245fa[J]．Appl Energ,2012,94:34-40.

[编辑： 袁晓燕]

Performance Analysis of Non-azeotropic Mixture Based on CNG Engine Waste Heat Recovery System

LOU Zongyong1, GUO Zhen2, SONG Songsong1,3, ZHANG Hongguang3

(1. Automotive Engineering Department, Chengde Petroleum College, Chengde 067000, China;2. China North Engine Research Institute(Tianjin), Tianjin 300400, China;3. College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

A set of organic Rankine cycle (ORC) system with internal heat exchanger (IHE) was designed to recover exhaust energy of a compressed natural gas (CNG) engine. The net output power, heat release efficiency, exergy efficiency and energy output density of ORC system for R245fa and R416A organic working fluids were compared and analyzed. The results show that the performance of R416A zeotropic mixture surpasses that of R245fa. Finally, the CNG engine and ORC combined system with IHE is built and the thermal efficiency of R416A non-azeotropic mixture is analyzed. It is found that the thermal efficiency of engine can increase by 7% at most.

compressed natural gas engine; waste heat recovery; organic Rankine cycle; non-azeotropic mixture

2014-12-24；

2015-03-20

国家自然科学基金资助项目(51376011)；北京市教育委员会科技计划重点项目(KZ201410005003)；承德市科学技术研究与发展计划科技支撑项目(201422113)

娄宗勇(1981—)，男，硕士，主要研究方向为内燃机排气余热利用技术；louzongyong112@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.03.010

TK406

B

1001-2222(2015)03-0045-06