基于双有机朗肯循环的CNG发动机余热回收系统参数优化及工质选择

崔雁清， 尤琦， 汤传琦， 杨富斌,2， 张红光,2

(1. 北京工业大学环境与能源工程学院， 北京　100124； 2. 北京电动车辆协同创新中心， 北京　100124)



基于双有机朗肯循环的CNG发动机余热回收系统参数优化及工质选择

崔雁清1， 尤琦1， 汤传琦1， 杨富斌1,2， 张红光1,2

(1. 北京工业大学环境与能源工程学院， 北京100124； 2. 北京电动车辆协同创新中心， 北京100124)

为了充分利用CNG发动机的余热能量，根据CNG发动机的余热能分布特性设计了双有机朗肯循环系统，用来回收CNG发动机的排气能量、进气中冷能量以及冷却系统具有的能量。该双有机朗肯循环系统包括高温循环和低温循环，高温循环采用R245fa作为工质，用于回收CNG发动机排气能量；低温循环分别采用R245fa，R1234ze和R1234yf作为工质，用于回收进气中冷能量、高温循环冷凝过程中释放的能量以及发动机冷却系统的能量。在CNG发动机标定工况下，对双有机朗肯循环系统的参数敏感度进行了分析。结果表明：较高的高温循环蒸发压力和低温循环蒸发温度，较低的高温循环冷凝温度和低温循环冷凝温度可以提升双ORC系统的净输出功率和热效率；高、低温循环均选择R245fa的方案可以使系统具有较优的热力学性能。

天然气发动机； 有机朗肯循环系统； 余热回收； 参数优化

随着汽车工业的快速发展，汽车保有量越来越大，汽车所消耗的能源也随之增加。从目前车用内燃机的热平衡来看，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]，这不仅会造成能源的浪费，其排出的燃烧产物还会对环境产生严重的污染。因此，开展针对传统内燃机的余热利用研究是提高内燃机的总能利用率以及减少污染物排放的有效途径[2-4]。有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，ORC)技术被认为是实现低品位能量回收的有效途径之一，并且在内燃机余热回收领域得到了广泛的研究与应用[5-7]。

简单ORC系统仅能用于回收单一余热源能量，因此其净输出功率通常较低。双有机朗肯循环系统由于其结构上的优势，能够实现余热能量的梯级利用[8-9]。运行参数的设置和有机工质的选择对ORC系统的性能有着重要影响，尤其是对于双有机朗肯循环系统，其涉及到的运行参数更多，并且高、低温循环可以选取不同的有机工质[10-11]，因此，有必要从这两方面对双有机朗肯循环系统的性能进行分析。

本研究针对1台车用CNG发动机在标定工况点的余热能分布特性，设计了双有机朗肯循环系统用于回收CNG发动机排气能量、进气中冷能量及冷却液能量，分析了双有机朗肯循环系统主要运行参数和工质选择对系统性能的影响。

1　双有机朗肯循环系统工作原理

图1示出车用CNG发动机双有机朗肯循环余热回收系统结构。该系统主要由高温循环和低温循环两部分组成，高温循环用于回收CNG发动机排气能量，低温循环用于回收进气中冷能量、高温循环冷凝过程中释放的能量以及冷却系统具有的能量。

高温循环中，工质泵将有机工质加压后送入蒸发器，有机工质在蒸发器中吸收CNG发动机排气能量后变为蒸气状态。随后，工质蒸气进入膨胀机并推动膨胀机做功，做功后的乏气在热交换器中与低温循环工质换热后变为饱和液体，最后回到储液罐中。低温循环中，有机工质经工质泵加压后首先被送到中冷器中，在吸收CNG发动机进气能量后变为过冷状态。随后，在热交换器中吸热后变为气液两相状态。之后，在蒸发器中吸收CNG发动机冷却液能量后变为饱和蒸气，饱和蒸气推动膨胀机对外做功。膨胀后的乏气经冷凝器放热后变为饱和液体并流回到储液罐中。至此，低温回路完成一个工作循环。

图1　双有机朗肯循环余热回收系统结构

2　双有机朗肯循环系统热力学模型

图2　双有机朗肯循环系统温熵图

2.1高温循环

吸热过程(H5—H2)：

(1)

(2)

式中：TH,HH为高温循环的高温热源温度，设定TH,HH=TH2+5 K。

膨胀过程(H2—H3)：

(3)

(4)

预热过程(H3—H4)：

(5)

加压过程(H4—H5)：

(6)

(7)

高温循环净输出功率：

(8)

2.2低温循环

中冷过程(L4—L5)：

(9)

(10)

式中，Tint,HH为中冷器换热过程中高温热源温度，设定Tint,HH=TL5+5 K。

预热过程(L5—L6)：

(11)

(12)

吸热过程(L6—L1)：

(13)

(14)

式中：TL,HH为低温循环的高温热源温度，设定TL,HH=TL1+5 K。

膨胀过程(L1—L2)：

(15)

(16)

冷凝过程(L2—L3)：

(17)

(18)

式中：TL,LT为低温循环的低温热源温度，设定TL,LT=TL3-5 K。

加压过程(L3—L4)：

(19)

(20)

低温循环净输出功率：

(21)

2.3双有机朗肯循环系统性能参数

双有机朗肯循环系统总净输出功率为

(22)

(23)

(24)

(25)

双有机朗肯循环系统热效率为

(26)

加装双ORC系统后，与原CNG发动机相比，功率提升率为

(27)

2.4有机工质的选择

在有机朗肯循环系统结构确定以后，有机工质的物性参数会对系统性能产生较大影响。在当前的研究中，大部分学者都采用干工质作为循环工质以避免膨胀后产生液击现象。同时，工质的临界温度应该略高于循环中的最高温度，以避免跨临界循环可能带来的诸多问题。此外，针对双有机朗肯循环系统的特点，高温循环应尽量选择临界参数较高的工质。在保证系统热力学性能的同时，应该兼具环境友好性，即具有较低的全球变暖潜值(GWP)和臭氧层破坏潜值(ODP)。

制冷剂R245fa由于其综合性能较优在有机朗肯循环领域得到了广泛的应用。近年来，R1234yf和R1234ze作为新一代的绿色环保替代制冷剂，因其环保特性及良好的热力学性能，具有广阔的发展前景。因此，本研究选取R245fa作为高温循环工质，选取R245fa，R1234yf和R1234ze作为低温循环工质。表1给出了3种工质的基本物性参数。

表1　有机工质基本物性参数

3　计算结果及分析

本研究选取了1台车用CNG发动机作为余热回收对象。CNG发动机运行在标定工况时具有最大的余热能量，因此，选择该工况点进行余热回收潜力分析。CNG发动机的基本技术参数见表2。表3示出了CNG发动机在标定工况点的余热特性参数。

表2　CNG发动机基本技术参数

表3　CNG发动机余热特性参数

在对双有机朗肯循环系统的性能进行分析之前，假设膨胀机等熵效率为0.7，工质泵等熵效率为0.65，环境温度为291.15 K。

图5　高温循环冷凝温度对双ORC系统性能的影响

图6　低温循环蒸发温度对双ORC系统性能的影响

图7　低温循环冷凝温度对双ORC系统性能的影响

本研究所采用的CNG发动机主要应用于客车和卡车领域，考虑到其通常运行在高扭矩区域，因此，有必要对ORC系统在CNG发动机常用工况下的性能进行分析。表4示出了CNG发动机处于最大扭矩工况时的性能参数。

表4　CNG发动机最大扭矩工况时性能参数

在CNG发动机最大扭矩工况下，以双ORC系统热力学性能最优为目标，分析并确定了双ORC系统的最佳运行参数。其分析结果见表5。

表5　CNG发动机最大扭矩工况时双ORC系统性能参数

由表5可知，在CNG发动机最大扭矩工况下，双ORC系统仍然表现出了较好的热力学性能，并且其运行参数的分析结果与标定工况点时一致。这说明CNG发动机仅仅作为双ORC系统的余热源，其工况的变化对双ORC系统的运行参数影响较小。在CNG发动机最大扭矩工况下，双ORC系统净输出功率和热效率分别为23.78 kW和10.53%。同时，可以使原CNG发动机功率提升11.33%。由此可知，在CNG 发动机的常用工况下，双ORC系统仍然表现出了较优的热力学性能。

4　结论

a) 较高的高温循环蒸发压力、低温循环蒸发温度，以及较低的高温循环冷凝温度和低温循环冷凝温度可以提升双ORC系统的热力学性能；

b) 将高温循环工质加热至过热状态并不能显著提升双ORC系统的热力学性能，反而会增加系统的不可逆损失；

c) 对于双ORC系统，在系统其他条件相同的情况下，高、低温循环均选择R245fa的方案可以使系统具有较优的热力学性能，以及较低的不可逆损失。

[1]周龙保. 内燃机学[M]. 3版. 北京:机械工业出版社,2010.

[2]Tian H, Shu G Q, Wei H Q, et al. Fluids and parameters optimization for the organic Rankine cycles (ORCs) used in exhaust heat recovery of Internal Combustion Engine (ICE)[J]. Energy,2012,47:125-136.

[3]He Y L, Mei D H, Tao W Q, et al. Simulation of the parabolic trough solar energy generation system with Organic Rankine Cycle[J]. Applied Energy,2012,97:630-641.

[4]Wang J F, Yan Z Q, Wang M, et al. Thermodynamic analysis and optimization of an (organic Rankine cycle) ORC using low grade heat source[J]. Energy,2013,49:356-365.

[5]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.

[6]Yue C, Han D, Pu W H. Analysis of the integrated characteristics of the CPS (combined power system) of a bottoming organic Rankine cycle and a diesel engine[J]. Energy,2014,72:739-751.

[7]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.

[8]Yang F B, Dong X R, Zhang H G, et al. Performance analysis of waste heat recovery with a dual loop organic Rankine cycle (ORC) system for diesel engine under various operating conditions[J]. Energy Conversion and Management,2014,80:243-255.

[9]Zhang H G, Wang E H, Fan B Y. A performance analysis of a novel system of a dual loop bottoming organic Rankine cycle (ORC) with a light-duty diesel engine[J]. Applied Energy,2013,102:1504-1513.

[10]Shu G Q, Yu G P, Tian H, et al. Multi-approach evaluations of a cascade-Organic Rankine Cycle (C-ORC) system driven by diesel engine waste heat: Part A-Thermodynamic evaluations[J]. Energy Conversion and Management,2016,108:579-595.

[11]Shu G Q, Liu L N, Tian H, et al. Performance comparison and working fluid analysis of subcritical and transcritical dual-loop organic Rankine cycle (DORC) used in engine waste heat recovery[J]. Energy Conversion and Management,2013,74:35-43.

[编辑：潘丽丽]

Parameter Optimization and Working Fluid Selection of Waste Heat Recovery System for CNG Engine Based on Dual Organic Rankine Cycle

CUI Yanqing1, YOU Qi1, TANG Chuanqi1, YANG Fubin1,2, ZHANG Hongguang1,2

(1. College of Environmental and Energy Engineering，Beijing University of Technology, Beijing100124, China;2. Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles in Beijing, Beijing100124, China)

In order to utilize the waste heat of CNG engine efficiently, a dual organic Rankine cycle (ORC) system was designed to recover the waste heat of exhaust gas, intake air and cooling system. The dual ORC system included a high temperature (HT) cycle and a low temperature (LT) cycle. R245fa was used as working fluid to recover the exhaust energy at HT cycle. And R245fa, R1234ze and R1234yf were selected as working fluids to recover the waste heat of intake air, condensation process of HT cycle and cooling system at LT cycle. At rated condition of CNG engine, the parameter sensitivity of the dual ORC system was further analyzed. The results show that the higher evaporation pressure of HT cycle and evaporation temperature of LT cycle and the lower condensation temperature of both cycles can improve the net power output and thermal efficiency of dual ORC system. The optimal thermodynamic performance can be achieved by choosing R245fa as working fluid for both cycles.

CNG engine； organic Rankine cycle； waste heat recovery； parameter optimization

2016-04-18；

2016-06-09

2016年度国家自然科学基金委员会与英国皇家学会合作交流项目(5151101376)；国家自然科学基金(51376011)

崔雁清(1994—)，男，本科，主要研究方向为内燃机余热利用技术；1193240469@qq.com。

张红光(1970—)，男，教授，主要研究方向为车用内燃机余热利用技术；zhanghongguang@bjut.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.05.012

TK406

B

1001-2222(2016)05-0061-08