柴油机变工况余热回收TEG-ORC联合系统的性能模拟

卫海桥，仇荣赓，舒歌群，田 华，李团兵，张承宇

(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

柴油机变工况余热回收TEG-ORC联合系统的性能模拟

卫海桥，仇荣赓，舒歌群，田 华，李团兵，张承宇

(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

对某车用柴油机进行热负荷实验，根据其不同工况下的排气特点，设计了一个用于余热回收的温差发电(thermoelectric generator，TEG)-有机朗肯循环(organic Rankine cycle，ORC)联合系统．通过模拟计算研究了柴油机不同工况下该联合系统性能的变化规律．研究结果表明：TEG-ORC联合循环实现了余热梯级利用，联合系统的输出功率最高可达30.36,kW，其中TEG系统为2.24,kW，ORC系统为28.12,kW；柴油机指示热效率最高可以提高5.52%，加装联合系统后其指示热效率最高值为47.1%．

温差发电；有机朗肯循环；柴油机工况；余热回收

随着能源短缺问题的日益严峻，内燃机余热能的回收研究成为重要研究课题．在柴油机燃料燃烧的总能量中，用于动力输出的有效功率不到45%，大部分能量以余热形式被排放到环境中．余热主要包括循环冷却水和尾气的热量[1]．目前有机朗肯循环(organic Rankine cycle，ORC)技术在回收中低温发动机余热能领域的研究发展较快[2-4]．但是ORC传统工质由于分解温度的限制不适应高温废气余热，而温差发电(thermoelectric generator，TEG)技术因为可以使用较高工作温度的热电材料使其在高温排气下有效地工作，所以可将TEG技术与ORC技术结合，用于柴油机的余热回收利用．Miller等[5-6]将TEG与ORC技术耦合计算，提出了采用TEG-ORC联合系统回收内燃机余热．Shu等[7-8]也提出了一个TEG-ORC联合系统并对其进行了相关建模研究．然而，上述TEG-ORC联合系统的研究都是针对柴油机标定工况下的余热能特性进行的余热回收分析，没有针对柴油机变工况下排气的余热特性进行研究．柴油机变工况下的排气存在温度变化范围大、流量随工况变化的特点，为此笔者使用TEG-ORC联合系统，对柴油机变工况下的排气余热回收进行了模拟研究，计算得出了TEG系统、ORC系统以及联合系统的输出功率以及加装联合系统后的柴油机指示热效率，探讨了变工况下联合系统回收内燃机余热的性能表现．

1 TEG-ORC系统介绍

图1为TEG-ORC余热回收系统示意及温熵(T-s)图，系统组成包括蒸发器、膨胀机、回热器、冷凝器、工质泵、TEG装置及高低温换热器．在TEGORC联合系统中，发动机排气先经过TEG高温端换热器与TEG高温端进行换热，排气从TEG高温端换热器流出后进入ORC蒸发器与ORC工质进行换热．ORC系统中，有机工质进入蒸发器前会被预热，预热过程采用的热源为TEG低温端换热器(TEG冷端冷却器)．预热后的有机工质经过蒸发器与排气换热后进入膨胀机做功，再经过膨胀机后进入回热器．回热器的作用是利用做功后的有机工质乏汽的余热与未被预热的有机工质进行换热，提高未预热的有机工质温度，进一步利用余热余温．回热器在工作时可进行判定：当2点温度低于5点温度时，回热器关闭，可保证工质能量始终可以被最大化利用．经过回热器后3点的乏汽进入冷凝器冷凝至常温状态，然后进入工质泵加压再经过回热器、TEG低温端换热器、蒸发器，完成ORC循环．

本文选择的有机工质为R123．R123为干工质，具有循环效率较高、导热性和热稳定性好、不腐蚀、不易燃等特点[9]，可较好地满足柴油机的余热回收需求．根据发动机排气温度的特点，TEG系统材料选择工作温度在300～600,℃范围的p型TAGS(碲锑锗银)/n型PbTe材料[10]．本文中设计的TEG系统是由TEG模块组成，1个模块包含71对即142条热电单偶．模块排列方式近似简化为方阵方式，布置M× N＝20×7共140个模块．每1行的热电模块并联，行与行间呈串联结构．

图1 TEG-ORC余热回收系统及温熵图Fig.1 Schematic and T-s diagram of TEG-ORC waste heat recovery system

2 变工况下柴油机热负荷实验

实验转速为1,200～2,200,r/min(从1,200,r/min开始，间隔为100,r/min，直到2,200,r/min)．在每个转速下，通过调整柴油机扭矩使其达到规定的负荷．每个转速下负荷分别为30%、50%、70%和90%，一共测得44个工况点，得到44组数据．以实验得到的44个工况点的排气特性数据作为模拟研究的基础．表1为某柴油机基本参数．

表1 柴油机基本参数Tab.1 Basic parameters of diesel engine

图2为柴油机排气温度MAP，图3为柴油机排气流量MAP．由图2和图3可以看出排气温度随负荷升高而升高，在柴油机30%、50%、70%负荷时，随转速升高排气温度呈下降的趋势，在90%负荷时排气温度先降低后升高再稍有下降．排气温度在1,800～2,000,r/min、90%负荷时最高，可达729,K．排气流量随转速和负荷增加而增加，最大值为0.401,kg/s．

图2 柴油机排气温度MAP(单位：K)Fig.2 Exhaust gas temperature map of diesel engine(unit：K)

图3 柴油机排气流量MAP(单位：kg/s)Fig.3 Exhaust gas mass flow rate map of diesel engine (unit：kg/s)

3 TEG-ORC联合系统热力学模型

本文根据TEG、ORC的工作机理和热力学原理，基于MATLAB软件编写模拟程序并计算TEG-ORC联合循环余热回收系统的性能变化规律．为使模型计算简便可靠，作出如下假设：①联合系统在稳定状态下运行，忽略管道内压力损失和热损失；②环境温度298,K，压力0.1,MPa；③对于TEG系统，布置在相同行里的热电模块有同样的工作状态、边界条件、性能表现以及热分布；④ORC系统朗肯循环状态为亚临界，工质蒸发压力为2,MPa，冷凝温度为308,K；⑤ORC系统中膨胀机与泵的等熵效率均为0.8．

3.1 TEG系统模型

TEG系统采用p型TAGS(碲锑锗银)/n型PbTe材料．热力学模型的建立主要根据热电材料TEG基本效应和开尔文关系式．

对于热电偶而言，能量流动方程为

式中：hQ为热源吸收的热量；cQ为向冷端释放的能量；Th、Tc、Texh和Torc分别为热端、冷端、排气和工质的温度；Rh和Rc分别为热端、冷端的热阻；α为热电材料的塞贝克系数；K为热导率；I为热电偶中的电流；Ri为热电偶电阻．

根据能量流动，有

式中：tegR为热电模块的总电阻；loadR为负载电阻．

未被转化利用的热量cQ经过TEG低温端进入预热器，对ORC系统中的过冷工质进行预热，以提高ORC系统的热效率，即有

式中：m˙为有机工质R123的质量流量；hi为对应状态点处的比焓，i＝1，2，…，7．

TEG系统的输出功率tegP为

根据电工学原理，当外部负载电阻loadR与TEG系统内部电阻相等时，输出功率最大，因此取负载电阻与内阻相等时为TEG系统输出状态．

3.2 模型验证

本文对实验室现有的TEP1-12656-0.6型TEG模块使用文中的建模方法进行模拟，对比了模拟值与厂家测试值，从而进行数学模型验证．此TEG模块由126对、截面面积为6.25,mm2的温差电单偶组成．如图4所示，在不同冷热端温度下，模拟结果与测试结果基本一致，最大相对误差低于5.46%，模型计算满足要求．

3.3 ORC系统模型

ORC工质蒸发压力为2,MPa．考虑到蒸发压力过大对系统稳定性、制造成本及密封的影响，故选用较低蒸发压力以保证系统安全正常运行．

如图1(b)所示，亚临界循环的热力学过程包括几个阶段：1—2为近似等熵膨胀过程(膨胀机)，2—3为等压放热过程(内部换热器)，3—4为等压冷凝过程，4—5为近似等熵压缩过程(升压泵)，5—6—7—1为吸热过程．系统中各个热力学过程的能量平衡方程如下所述．

1—2的等熵膨胀过程，膨胀机输出功率tP为

式中tη为膨胀机效率．

2—3等压放热(内部换热器)过程的温度为

式中：ε为内部换热器效率；condT为经过冷凝器后的温度．

3—4等压冷凝过程的放热cQ为

式中pη为泵效率．

6—7吸热过程吸收的热量1Q为

4—5加压过程(升压泵)中的泵功pP为

式中Cp,Tm为排气定性温度(TB-TC)/2下的比热容．

7—1吸热过程吸收的热量2Q为

综上，联合系统的净输出功率netP为

系统效率η为

指示热效率1η为

式中：Be为燃油消耗率；uH为柴油的低热值，取

4 变工况下联合系统计算结果与分析

柴油机工况变化范围为：转速1,200～2,200,r/ min，负荷分别为30%、50%、70%和90%．

图5为不同柴油机工况下联合系统中的TEG系统输出功率．可以看出，TEG系统的输出功率在相同转速下随柴油机负荷增大而增大．相同负荷时，中小负荷时由于排气温度随转速降低，所以TEG系统输出功率降低；90%负荷时，输出功率有先上升后下降的趋势并存在极值，这是因为在此负荷下柴油机的排气温度变化情况就是先上升后下降，TEG系统输出功率与排气温度变化趋势相同．TEG系统输出功率最高可达2.24,kW．

图6为不同柴油机工况下ORC系统的输出功率．ORC系统输出功率在转速不变时随负荷增加而增加．在30%～70%负荷时随转速变化不大，在90%负荷时随转速增加较快，因为此时的排气温度上升较快，排气温度在1,900,r/min、90%负荷时达到极值，而此时的ORC输出功率也达到最大值28.12,kW．

图5 不同柴油机工况下TEG系统的输出功率Fig.5 Output power of TEG in different engine conditions

图6 不同柴油机工况下ORC系统的输出功率Fig.6 Output power of ORC in different engine conditions

图7 为不同柴油机工况下TEG-ORC联合系统的总输出功率．联合系统总输出功率就是在各个工况点下TEG和ORC系统输出功率的总和．转速不变时，随负荷的增大，总输出功率逐渐增大．在柴油机30%、50%负荷下，总输出功率随转速的变化不大，比较平稳．在70%、90%负荷下，输出功率随转速的升高而增大，尤其在90%负荷下增大明显．最高总输出功率为30.36,kW(1,900,r/min，90%负荷)．

图7 不同柴油机工况下联合系统的总输出功率Fig.7Total output power of the combined system in different engine conditions

图8 显示了原机与加装联合系统后指示热效率的变化情况．不同工况下的原机指示热效率在40%左右，负荷不变时，转速升高指示热效率降低．转速不变时，负荷升高指示热效率升高．在发动机加装TEG-ORC联合循环系统回收排气余热后，发动机指示热效率有了明显提高．相同转速，柴油机负荷为30%、50%(中小负荷)情况下，指示热效率可以提高3%～4%，其值最高可以达到44.9%；负荷为70%、90%(中高负荷)情况下，指示热效率可以提高4%～5%，其值最高可以达到47.1%．

图8 不同柴油机工况下联合系统与原机指示热效率的对比Fig.8 Comparison of indicated thermal efficiency between the engine with the combined system and the original engine in different engine conditions

图9 发动机输出功率与TEG-ORC联合系统输出功率对比Fig.9Comparison of output power between the engine with combined system and the original engine

图9 所示为柴油机原输出功率与加上联合系统后输出功率的变化．可以看出在中小负荷时，联合系统所带来的功率提高也是可观的．联合系统中ORC输出功率占大部分，虽然TEG系统所带来的整体输出功率不高，但是也可以在低转速工况带来一定的功率输出，而且TEG系统有效地扩展了ORC系统可工作的排气温度范围，使其可以在更高的排气温度下工作，更好地发挥其效力，所以TEG系统是联合系统的重要组成部分．综合来看，联合系统的输出功率最高可占原机功率的13.67%，在柴油机中高负荷工况，联合系统的功率输出比较明显．

综合发动机输出功率和指示热效率的增益情况，可以看到1,700～1,900,r/min、70%～90%负荷这一工况范围为联合系统表现较好的工况点，此时系统输出功率最高，指示热效率也有较高的增加值(约5%)．这一工况范围联合系统回收余热性能最好，若柴油机常在中高负荷工况下运行，则使用此系统回收余热具有较大的经济价值．

5 结 论

(1) 研究结果表明，设计的联合系统基本可在柴油机全工况下运行．柴油机不同工况下的排气温度和排气流量不同，中高负荷时排气温度和流量相对较大，联合回收系统的输出功率较高．联合系统中的TEG系统可以有效地解决排气温度过高带来的ORC系统有机工质因高温分解的问题，这可以使有机工质R123在更高的温度下工作，扩展了其工作范围，也避免了因需要使用导热油循环而造成的能量损失，实现了能量梯级利用．

(2) 在ORC系统蒸发压力2,MPa、冷凝温度308,K时，联合系统在不同工况下的输出功率最高可达30.36,kW．其中TEG系统为2.24,kW，ORC系统为28.12,kW．发动机指示热效率最高可以提高5.52%，其指示热效率最高值为47.1%．

(3) 联合系统在1,700～1,900,r/min、70%～90%负荷这一工况范围下表现更好，输出功率较多且指示热效率的提升在5%左右，联合系统回收余热性能最好，若柴油机常在中高负荷工况下运行，则使用此系统回收余热具有较大的经济价值．

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(责任编辑：金顺爱)

Performance Simulation of Diesel Engine’s TEG-ORC Waste Heat Recovery System in Different Engine Conditions

Wei Haiqiao，Qiu Ronggeng，Shu Gequn，Tian Hua，Li Tuanbing，Zhang Chengyu
(State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

The characteristics of vehicle diesel engine gas exhaustion under various operating conditions were studied experimentally and a set of waste heat recovery system based on thermoelectric generator(TEG)and organic Rankine cycle(ORC)was designed. The performance of combined TEG-ORC system under various operating conditions was analyzed by simulation. The results indicate that combined TEG-ORC system achieved the graded use of waste energy，the performance of which is better than that of the single TEG or ORC system. The output power of combined system can reach as high as 30.36,kW，with TEG’s output power being 2.24,kW and ORC’s output power 28.12,kW. The indicated thermal efficiency of diesel engine increases by as much as 5.52%，and the maximum indicated thermal efficiency of the diesel engine with combined system is 47.1%.

thermoelectric generator；organic Rankine cycle；diesel engine conditions；waste heat recovery

TK421

A

0493-2137(2015)09-0791-06

10.11784/tdxbz201405008

2014-05-04；

2014-06-27.

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2011CB707201).

卫海桥（1974— ），男，博士，教授.

卫海桥，whq@tju.edu.cn.

时间：2014-07-04.

http://www.cnki.net/kcms/doi/10.11784/tdxbz201405008.html.