郭丽华;覃峰;陈江平;刘杰
【摘 要】Eight kinds of cycle media in organic Rankine cycle (ORC) were compared during the thermodynamic process. Considering the systemic, reliable and environmental factors, R245fa was the optimum selection for ORC. For the application of Cummins heavy duty vehicle engine, the power generation system with the waste heat recovery was designed. Recovering the heat from charge air, tail pipe gas and exhaust gas, the power generation was realized. The efficiency of waste heat recovery in the system was 10. 4%.%通过比较8种循环工质在有机朗肯循环(ORC)系统中的热力过程,从系统性能、可靠性、环保等角度综合考虑,验证了R245fa用于ORC循环工质的优势.以康明斯某重型车用发动机为应用目标,设计了一套余热回收发电系统,通过回收增压空气、尾管废气、发动机废气的热量,用于发电.经过计算,该系统的余热回收效率为10.4％.
【期刊名称】《车用发动机》
【年(卷),期】2012(000)002
【总页数】5页(P30-34)
【关键词】有机朗肯循环;余热回收;循环工质;换热器;膨胀机
【作 者】郭丽华;覃峰;陈江平;刘杰
【作者单位】浙江银轮机械股份有限公司,浙江天台 317200;浙江银轮机械股份有限公司,浙江天台 317200;上海交通大学制冷与低温工程研究所,上海200240;上海交通大学制冷与低温工程研究所,上海200240
【正文语种】中 文
【中图分类】TK427
据统计［1］，化石燃料在内燃机中燃烧产生的能量仅有大约1／3转化为有用功，剩余部分都通过废气、冷却水等介质直接排向大气，在造成能源浪费的同时，也污染了环境。截至2010年底，全世界的汽车保有量已突破10亿辆，我国汽车保有量已达到7 802万辆［2］，这给化石燃料的供给带来相当大的压力。虽然国内外汽车公司已经致力于发展新能源汽车，如
纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车等，但由于技术、成本等多方面的因素，在未来很长一段时间内尚无法动摇传统内燃机汽车的统治地位。因此，在能源和环境的双重压力下，国内外汽车厂商纷纷将注意力转移到发动机余热回收领域上，积极开发相关技术。主要研究机构［3］有日本Honda公司、日本Mit—sui工程造船有限公司、美国康明斯公司［4－5］和德国宝马公司。
发动机废热的品位较低，如果采用常规余热回收技术，效率低，经济性差。朗肯循环（Rankine Cycle）广泛应用于蒸汽轮机发电领域，是余热回收领域的重要技术之一，而采用有机工质作为循环工质的有机朗肯循环（ORC）系统可有效回收品位较低的中低温热源，已经成功应用于生物能［6］、地热［7］等领域。此外，ORC系统机动性好，安全性高，对维护保养要求较低，故广受业内青睐。上述优点使得ORC系统适用于车辆发动机余热回收领域。
1 有机朗肯循环及其热力过程
常规朗肯循环以水蒸气为工质，循环系统由锅炉、汽轮机、冷凝器和给水泵等设备组成，而ORC系统则由蒸发器、汽轮机、冷凝器和循环泵等设备组成。与常规朗肯循环系统相比，O
RC系统有很多优点：（1）由于有机工质的沸点比水的沸点低，相同温度下的蒸发压力更高，故ORC系统对中低温热源的回收效率更高。在实际应用中，同一个ORC系统只要作较小的改动就可以应用于不同温度的热源。（2）与水蒸气不同，有机物制冷剂在膨胀做功过程中始终保持干燥状态，从而避免了液滴高速撞击、损坏膨胀机叶轮的可能性。ORC系统比水蒸气汽轮机更有效地适应部分负荷运行或大功率变动工况，且不需要装过热器。（3）与水蒸气相比，由于有机工质的声速低，在低叶片速度时能获得有利的空气动力配合，叶轮机在50Hz转速下即可获得较高的效率，不需要装变速箱。（4）有机工质冷凝压力高，整个系统在接近和稍高于大气压力的情况下工作，使得空气漏入系统的可能性大为降低。（5）有机工质凝点很低，在较低温度下仍能正常工作。在寒冷天气可增加输出功率，冷凝器也不需要增加防冻设施。此外，ORC系统的大部分部件来自成熟的制冷部件，从而降低了ORC系统的开发难度。
简单ORC循环的热力学过程见图1［8］，图中，T表示温度，S表示熵，1′和3′分别表示1点和3点对应的理论绝热等熵点。有机工质在蒸发器中吸收A—B侧热源的热量（过程1—2），工质汽化、压力升高；气体工质在膨胀机中膨胀做功，将内能转化为机械能（过程2—3），再由发电机将机械能转化为电能；膨胀后的工质在冷凝器中凝结为过冷状态（过程3—4）；
再经过循环泵增压（过程4—1）后进入蒸发器，进行下一个循环。理论循环中，上述过程分别对应等压加热（1′—2）、绝热等熵膨胀（2—3′）、等压放热（3′—4）和绝热等熵压缩（4—1′）4个过程。
图1 ORC系统部件示意及简单热力学循环
各部件的热力计算过程［9］如下。
膨胀机的输出功：
式中：为膨胀机输出功率；为循环工质质量流量；h2，h3分别是2点和3点（即制冷剂膨胀前和膨胀后）的比焓；ηm为机械效率；ηs为等熵效率。
冷凝器的放热量：
式中：为冷凝器放热量；h4为4点的比焓。
循环泵的输入功：
式中为循环泵的实际输入功率；h1为循环泵出口1点的比焓；ηp为循环泵的效率。
汽车预热器蒸发器的吸热量：
式中：为蒸发器吸热量。
根据热力学第一定律，系统的余热回收效率η1为
2 有机朗肯循环的工质选择
有机朗肯循环的工质是决定系统性能的关键要素之一。衡量工质的依据，取决于工质的临界温度、临界压力、蒸发潜热、气相线和液相线等参数，同时还需关注可燃性、环保等因素，如GWP与ODP值。Vijayraghavan［10］提出几个评判工质的标准，如稳定性、不可燃、无毒、腐蚀性等。另外，工质的传热效率和蒸发潜热越大，输出同样的功所需的流量就越小，因此系统尺寸也可以相应缩小。本研究选用7种有机工质进行热力学计算，并与水为工质的朗肯循环进行比较，旨在遴选出综合性能较好，适用于余热回收ORC循环的工质。各工质基本参数见表1。上述工质根据临界温度可分为两大类：一类是临界温度较 低 的 工 质，包 括 R134a，R245fa，R407C，RC318，R22；另一类是临界温度较高的工质，包括R123，R11和水。根据饱和蒸气曲线的斜率工质可分为三大类：1）斜率为负的湿流体，大多数为低
分子量工质，如水；2）斜率为正的干流体，如RC318；3）具有近乎垂直的饱和蒸气曲线的等熵流体，如R11。干流体和等熵流体在饱和蒸气状态下即可推动涡轮做功，且不会落在两相饱和区内，造成液滴侵蚀叶片。
在蒸发温度为80℃、过热度为5℃时，以1kW作为ORC系统运行的发电目标，进行热力计算得到的运行参数见表2。表中pmax表示工质进入膨胀机前的压力，pmin表示工质膨胀后压力，Pr表示普朗特数，V3表示工质膨胀后的体积流量。表2数据显示，以水为循环工质的朗肯循环中，压比达到178，且体积流量为188.5m3／h，所需设备的体积庞大。因此余热回收中采用有机工质作为循环工质更为可行。与此类似，R11，R123也具有较高的压比，不利于设备的小型化；同时R11，R22，R123，R134a，R407C的运行压力偏大，对设备的运行可靠性要求也高。从运行压力上考虑，RC318也是不错的选择，但其GWP值过高。综合比较，R245fa运行压力较低，有利于系统性能的提高；在不增加系统造价的前提下，R245fa循环系统可以提高膨胀机的进口压力，从而提高发电功率。此外，从安全性和环保性考虑，R245fa也是合适的选择。
表1 8种工质的基本参数工质 性质 ODP GWP 临界温度／℃ 临界压力／MPa 蒸发
潜热／kJ·kg－1 沸点／℃可燃性水 湿流体 — — 374.0 22.000 2 256.40 100.00不可燃R11 等熵流体 1.000 3.660 198.0 4.410 181.40 23.70不可燃R22 湿流体 0.034 1.710 96.2 4.990 233.80 －40.80不可燃R123 等熵流体 0.012 0.053 183.7 3.660 170.20 27.80不可燃R134a 湿流体 0 1.320 101.1 4.060 217.00 －26.10不可燃R245fa 等熵流体 0 1.020 154.1 3.640 196.70 14.90不可燃RC318 干流体 0 10.250 115.2 2.778 116.75 －5.98不可燃R407C 等熵流体 0 1.800 86.0 4.630 — －43.60不可燃
发布评论