车用有机朗肯循环余热回收系统方案及工质选择

阿云生， 马生元， 卢海涛， 崔丹丹， 张红光

(1.青海民族大学 交通学院，青海 西宁 810007； 2.北京工业大学 环境与能源工程学院，北京 100124)



车用有机朗肯循环余热回收系统方案及工质选择

阿云生1,2， 马生元1， 卢海涛2， 崔丹丹2， 张红光2

(1.青海民族大学 交通学院，青海 西宁 810007； 2.北京工业大学 环境与能源工程学院，北京 100124)

针对某车用柴油机的余热特性，分别采用简单有机朗肯循环、带回热器有机朗肯循环和抽气回热式有机朗肯循环对其排气余热能进行回收利用。根据3种有机朗肯循环系统的工作原理，分别建立了其热力学模型，选取R123、R141b、R245ca、R365mfc、R601、R601a作为系统工作介质，对比分析了3种有机朗肯循环系统的热力学性能。结果表明，工质R141b可作为简单有机朗肯循环和抽气回热式有机朗肯循环系统最优工质;工质R601a可作为带回热器有机朗肯循环系统最优工质。当采用R141b作为系统工质时，抽气回热式有机朗肯循环系统的最大热效率和净输出功率分别可以达到17.08%和14.41 kW，具有最优的热力学性能。因此，抽气回热式有机朗肯循环系统方案可作为最佳选择方案。

有机朗肯循环； 余热回收； 工质选择； 系统方案

0 引 言

自20世纪90年代以来，我国汽车工业发展迅速，年均增幅为10%～13%，伴随着国民经济和汽车保有量的增长，能源消耗急剧增加。从目前车用发动机的热平衡看，用于动力输出的能量一般只占燃料燃烧总能量的30%左右[1-2]，相当大一部分热量被浪费，这不仅降低了燃料利用率，还造成了环境污染。利用有机朗肯循环系统回收汽车排气余热能是降低汽车燃料消耗、减少污染物排放的一种有效途径，目前已经成为发动机余热利用领域研究的热点[3-6]。

有机工质的选择和有机朗肯循环系统方案的设计是影响有机朗肯循环系统性能的重要因素。Dai等[7]对比分析了9种纯工质的有机朗肯循环系统的工作性能，结果表明，R236ea的有机朗肯循环系统的(火用)效率最高。Badr等[8]比较了简单有机朗肯循环和带回热器有机朗肯循环的性能，结果表明，带回热器有机朗肯循环系统的性能较优。Mago等[9]对比研究了简单有机朗肯循环和抽气回热式有机朗肯循环的性能，结果表明，抽气回热式有机朗肯循环具有较高的热效率。

本文根据某车用柴油机的余热特性，建立了简单有机朗肯循环、带回热器有机朗肯循环和抽气回热式有机朗肯循环3种不同结构的热力学模型，分析了采用R123、R141b、R245ca、R365mfc、R601、R601a作为工作介质时，蒸发温度对3种有机朗肯循环系统热力学性能的影响。

1 有机朗肯循环系统工作原理

1.1 简单有机朗肯循环系统

图1是系统方案一(简单有机朗肯循环)的结构示意图。系统工作时，高温高压的气体在膨胀机中膨胀做功转变为低压气体；低压气体流入冷凝器中冷凝成饱和液体，再经工质泵输送到蒸发器中，在蒸发器中吸收发动机排气热量转变为高温高压气体进入膨胀机中膨胀做功，进行下一个循环。

图1 简单有机朗肯循环系统示意图

1.2 带回热器有机朗肯循环系统

图2是系统方案二(带回热器有机朗肯循环)的结构示意图。系统工作时，高温高压有机工质进入膨胀机膨胀做功，做功后的低压气体先进入回热器中将工质余热传递给下一循环的液态有机工质，放热后的低压气体进入冷凝器中被冷凝为液态有机工质，经工质泵加压后的高压低温液态有机工质，先进入回热器进行预热；预热后的有机工质被送到蒸发器中吸收发动机排气的余热能转变为高温高压气体进入膨胀机，进行下一个工作循环。

图2 带回热器有机朗肯循环系统示意图

1.3 抽气回热式有机朗肯循环系统

图3是系统方案三(抽气回热式有机朗肯循环)的结构示意图。系统工作时，高温高压有机工质在膨胀机中膨胀做功，当有机工质的压力降低到某一定值时，抽出部分工质送入回热器，剩余的工质继续在膨胀机中膨胀做功，做功后的低压气体进入冷凝器冷凝为饱和液态，工质泵1将液态有机工质加压后送入回热器，与回热器中的气态有机工质进行混合，工质泵2将混合后的有机工质加压送入蒸发器，吸收发动机的排气余热能进而转变为高温高压气体进入膨胀机，进行下一工作循环。

图3 抽气回热式有机朗肯循环系统示意图

2 有机朗肯循环系统热力学模型

2.1 系统方案一热力学模型

图4是系统方案一的温熵图。

1-2加压过程，工质泵消耗的功率:

(1)

2-3蒸发过程，工质吸收的热量：

(2)

3-4膨胀过程，膨胀机的输出功率：

图4 简单有机朗肯循环系统温熵图

(3)

4-1冷凝过程，工质释放的热量：

(4)

简单有机朗肯循环系统的净输出功率：

(5)

简单有机朗肯循环系统热效率：

(6)

简单有机朗肯循环系统(火用)效率：

(7)

2.2 系统方案二热力学模型

图5是系统方案二的温熵图。

图5 带回热器有机朗肯循环系统温熵图

1-2加压过程，工质泵消耗的功率同式(1)；采用有效度方法建立回热器模型[10]，具体方程如下：

(8)

(9)

3-4蒸发过程，工质吸收的热量：

(10)

4-5膨胀过程，膨胀机的输出功率：

(11)

6-1冷凝过程，工质释放的热量：

(12)

带回热器有机朗肯循环系统的净输出功率同式(5)；带回热器有机朗肯循环系统热效率同式(6)； 带回热器有机朗肯循环系统(火用)效率同式(7)。

2.3 系统方案三热力学模型

图6是系统方案三的温熵图。

1-2加压过程1，工质泵1消耗的功率:

图6 抽气回热式有机朗肯循环系统温熵图

(13)

回热器计算方程如下：

(14)

3-4加压过程2，工质泵2消耗的功率:

(15)

4-5蒸发过程，工质吸收的热量：

(16)

5-7膨胀过程，膨胀机的输出功率：

(17)

7-1冷凝过程，工质释放的热量：

(18)

抽气回热式有机朗肯循环系统的净输出功率：

(19)

抽气回热式有机朗肯循环系统热效率同式(6)；抽气回热式有机朗肯循环系统(火用)效率同式(7)。

3 有机工质的选择

有机工质的选用是影响有机朗肯循环性能的一个重要因素，选取时应遵循以下原则[11]：①工质安全性；②工质环保性；③化学稳定性；④工质的临界参数及正常沸点；⑤工质经济性。根据工质的饱和蒸汽曲线的形状，可将有机工质分为3种类型[12]：湿工质、等熵工质、干工质。因湿流体在膨胀机中膨胀做功后，可能处于含液滴的湿蒸汽状态区，对膨胀机叶片有液击作用，因此，选取有机工质时尽可能选取等熵或干工质。

根据上述原则，选取R123、R141b、R245ca、R365mfc、R601、R601a6种工质作为系统的工作介质。表1中给出了6种工质的基本物性参数。各状态点的物性参数可由REFPROP软件计算获得。

表1 6种工质的基本物性参数

4 排气能量的确定

柴油机在不同的运行工况下，其排气能量不同，所以在设计分析有机朗肯循环系统之前，必须首先研究不同柴油机工况下排气能量的变化规律。本文以一台六缸四冲程柴油机作为研究对象，表2为此台柴油机的部分实验数据。

表2 柴油机部分实验数据

利用下述公式计算排气能量[13]。

(20)

cp=0.000 25Texh-1+0.99

(21)

选取柴油机转速2 100 r/min、排气温度502.95 K、排气质量流量0.378 kg/s时的工况为研究对象。在此工况下，柴油机的排气余热能约为84.35 kW。

在分析上述3种有机朗肯循环系统的热力学性能时作出了如下假设：有机工质蒸发温度在375～430 K之间变化；膨胀机的膨胀比为6；系统的高温热源温度为502.95 K，低温热源温度比冷凝温度低10 K[14]；环境温度为290 K；回热器的有效度为0.9；抽气压力与蒸发压力比值为0.4；工质泵的等熵效率为0.85；膨胀机的等熵效率为0.8；工质在蒸发器中吸热变为饱和蒸气；工质在冷凝器中放热变为饱和液体。

5 计算结果与分析

图7是工质蒸发压力随蒸发温度的变化情况。由于在研究过程中，有机工质蒸发温度在给定温度范围内变化，并且有机工质的蒸发压力与蒸发温度是一一对应的关系，因此，同一工质的蒸发压力在不同的系统方案中随蒸发温度的变化情况相同。如图7所示，随着蒸发温度的增加，各工质的蒸发压力随之增加。在同一蒸发温度下，工质R245ca具有最高的蒸发压力，工质R123次之，工质R601a的蒸发压力最低。蒸发压力过高将会导致机械承压问题，因此，从运行安全角度考虑，在同样蒸发温度下，优先选择蒸发压力较低的工质[15]。

图7 工质蒸发压力随蒸发温度的变化情况

如图8所示，随着蒸发温度的增加，系统热效率和净输出功率的变化趋势一致。系统热效率是系统净输出功率与工质在蒸发器中吸收热量的比值，由于工质吸收的热量是确定的，即为柴油机排气的余热能，因此，系统热效率和净输出功率随蒸发温度的变化一致。从图中可知，在同一工质和相同蒸发温度下，系统方案三具有较高的热效率和净输出功率，系统方案二次之，系统方案一的热效率和净输出功率最低。在系统方案一和系统方案三中，工质R141b、R123具有较高的热效率和净输出功率，工质R601a、R601次之，工质R365mfc的系统热效率和净输出功率最低。系统方案一的最大热效率和净输出功率分别为12.48%和10.53 kW；系统方案三的最大热效率和净输出功率分别为17.08%和14.41 kW；在系统方案二中，工质R601a、R601具有较高的热效率和净输出功率，工质R141b、R123次之。其最大热效率和净输出功率分别为13.58%和11.46 kW。

为了进一步评价工质的做功能力，定义了单位工质净功量，其为系统净输出功率与工质质量流量的比值:

(a) 方案一

(b) 方案二

(c) 方案三

(d) 方案一

(e) 方案二

(f) 方案三

如图9所示，在系统方案一和系统方案二中，工质R245ca的单位工质净功量随着蒸发温度的增加而降低，其余5种工质的单位工质净功量随着蒸发温度的增加先增加后降低。在系统方案三中，工质R141b、R601的单位工质净功量随着蒸发温度的增加先增加后降低，其余4种工质的单位工质净功量随着蒸发温度的增加而降低。从图中可以看出，在同一蒸发温度下，工质R601、R601a的单位工质净功量明显高于其他4种工质，工质R141b的单位工质净功量相对于工质R123、R245ca、R245mfc较高，工质R123的单位工质净功量最低。说明工质R601、R601a的做功能力明显较高，工质R141b的做功能力高于工质R123、R245ca、R245mfc，工质R123的做功能力最低。在同一工质和相同蒸发温度下,当采用系统方案一和系统方案二时，工质的做功能力基本相同；当采用系统方案三时，工质具有较高的做功能力。

(b) 方案二

(c) 方案三

(a) 方案一

(b) 方案二

(c) 方案三

6 结 论

(1) 当采用简单有机朗肯循环和抽气回热式有机朗肯循环系统时，工质R141b具有最高的系统热效率、净输出功率和效率，而且具有较低的蒸发压力和较高的做功能力，可作为最优工质。当采用带回热器有机朗肯循环系统时，工质R601a具有最高的系统热效率、净输出功率和效率，而且具有最低的蒸发压力和较高的做功能力，可作为最优工质。

(2) 通过对比分析，抽气回热式有机朗肯循环系统热力学性能优于带回热器有机朗肯循环和简单有机朗肯循环系统热力学性能。当采用R141b作为系统工质时，其最大热效率和净输出功率可以达到17.08%和14.41 kW。因此，抽气回热式有机朗肯循环系统方案可作为最佳选择方案。

(3) 当工质蒸发温度在375 K-430 K范围内变化时，3种有机朗肯循环系统的效率随着蒸发温度的增加而增加。

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The Selections of Organic Rankine Cycle System Schemes and Working Fluids for Automotive Engine

AYun-sheng1,2,MASheng-yuan1,LUHai-tao2,CUIDan-dan2,ZHANGHong-guang2

(1. Department of Traffic and Engineering, Qinghai University for Nationalities, Xining 810007, China；2. College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Based on the waste heat characteristics of the diesel engine, a simple organic Rankine cycle (ORC) system, an ORC system with a internal heat exchanger and the regenerative ORC system are adopted to recover the exhaust waste heat of the diesel engine. According to the working principles of these three ORC systems, their thermodynamic models are established, respectively. The working fluids R123, R141b, R245ca, R365mfc, R601 and R601a are selected for the three ORC systems, and the thermodynamic performances are compared for these three ORC systems. The results show that the working fluid R141b is the optimum working fluid for simple ORC and regenerative ORC, whereas the working fluid R601a is optimum working fluid for ORC with internal heat exchanger. When using R141b as working fluid, the maximum thermal efficiency and net power output of the regenerative ORC system can reach up to 17.08% and 14.41 kW, respectively, this is the optimal thermodynamic performance. Therefore, the thermodynamic performance of the regenerative ORC is better than that of the others.

organic Rankine cycle; waste heat recovery; working fluid selection; system scheme

2015-01-22

国家自然科学基金资助项目(51376011)；北京市自然科学基金资助项目(3152005)；北京市教育委员会科技计划重点项目(KZ201410005003)

阿云生(1990-)，男,蒙古族，青海大通人，本科生，现主

张红光(1970-)，男，山东乳山人，教授，博士生导师，主要从事内燃机余热利用研究。

Tel.: 010-67392469；E-mail：zhanghongguang@bjut.edu.cn

TK 11+5

A

1006-7167(2015)10-0018-06

要从事内燃机余热利用研究。

Tel.: 15501044909；E-mail：15509786478@163.com