（动力机械及工程专业论文）内燃机废气余热利用有机朗肯循环系统工质的分析研究.pdf

摘要 内燃机运行时所排出的废气带走了约3 5 的燃料完全燃烧热量，而目前这部 分热量均以废热的形式散失掉了，如何有效的利用这部分热量成为目前提高发动 机效率的重要课题。有机朗肯循环( o r c ) 是一种将传统的蒸汽朗肯循环中的水工 质用有机工质来代替的循环，主要包括等熵压缩、等压冷凝、等熵膨胀以及一个 等压吸热过程，循环具有结构简单、适用性强及小型化优势明显等特点，非常适 合于内燃机废气余热的回收。同时，作为一种有效的余热利用方式，它产生额外 功率输出的同时不产生任何的污染物。前有机朗肯循环作为一种重要的余热回 收方式在内燃机行业日益受到重视。 当采用有机朗肯循环的余热回收方式时，采用何种工质作为将热能转化回收 利用的介质以达到最大的热量回收效果是研究的一个重要课题。本文对常用的有 机工质进行了总结，建立了相应的工质物性数据库，并建立了工质热物性的计算 模型用以推导非常用工质的热物性。通过将常用工质的热物性计算结果同美国的 n i s t r e f p r o p 软件及文献中的热物性结果进行了比较分析，验证了模型的准确性。 基本物性常数是研究工质热力学性质的基础数据，该数据缺乏是对硅氧烷类 物质的有机朗肯循环利用情况进行全面分析和研究的瓶颈。本文通过广泛的数据 搜集，根据基团贡献法对硅氧烷类物质中的硅基团的比热容贡献系数进行了推导， 为硅氧烷类物质的有机朗肯循环利用提供了物性计算的保证。 根据不同的物理及化学性质，将工质分为常用有机工质、硅氧烷类高温工质 及混合工质三类，在e e s 软件及a s p e np l u s 软件中建立内燃机废气余热利用 有机朗肯循环系统的数学模型，并将不同的工质在模型中进行性能的计算分析及 比较。通过性能分析的比较结果，并针对内燃机废气余热利用有机朗肯循环系统 的具体情况，总结了不同有机工质的特性和规律，也给出了一套适宜于内燃机废 气余热利用有机朗肯循环系统的工质优化选择的流程，为今后内燃机废气余热利 用有机朗肯循环系统工质的快速选择提供了一套原则及方法。 关键词：有机朗肯循环热物性硅氧烷工质 a b s t r a c t 珊l e l lt h ei n t e m a lc o m b u s t i o n a b o u t3 5 o ft h eo i lh e a t b u tn o w e n g i n ei sr u n n i n g ，t h ee x h a u s tg a st a k ea w a y t h i sp a r to fh e a ti so n l ys c a t t e r e da sw a s t eh e a t ， s oh o wt or e u s et h i sp a r to fw a s t eh e a te f f e c t i v e l yb e c o m e sav e r yi m p o r t a n ti s s u e t h eo r g a n i cr a n k i n ec y c l e ( o r c ) i sak i n do fr a n k i n ec y c l et h a tu s i n go r g a n i c w o r k i n gf l u i di n s t e a do fw a t e r t h ec y c l ew h i c hi sw i d e l yu s e dh a sav e r ys i m p l e s t r u c t u r ea n do b v i o u sa d v a n t a g e so fd o w n s i z i n g ，s oi ti sv e r ys u i t a b l ef o rl o w t e m p e r a t u r ew a s t eh e a tr e c o v e r y b e c a u s ei tp r o d u c e se x t r ap o w e ro u t p u tw i t h o u t a n yp o l l u t a n t ，o r g a n i cr a n k i n ec y c l e ( o r c ) a saw a yo fr e c o v e r i n gt h el o w g r a d e h e a te n e r g yi sd r a w i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t h ew o r k i n gf l u i d ss e l e c t i o ni sa ni m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i cw h e nu s i n go r c r e c o v e r ym o d e i nt h i sp a p e rw es u m m a r i z e dt h ec o m m o n l yu s e do r g a n i cf l u i d sa n d e s t a b l i s h e dt h ew o r k i n gf l u i dd a t a b a s e w ea l s oe s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c a lm o d e lt o d e r i v et h et h e r m o p h y s i c a lp r o p e r t i e so fu n c o m m o n l yu s e dw o r k i n gf l u i da n dt h e n v e r i f i e dt h ea c c u r a c yb yc o m p a r i n gt h er e s u l t sw i t hn i s t r e f p r o p8 0 t h er e s e a r c ho fo r c u s i n gs i l o x a n ea sw o r k i n gf l u i di sd i f ! 丘c u l tf o rt h el a c ko f b a s i ct h e r m a lp r o p e r t i e s t h i sp a p e rd e r i v e dt h ec o n t r i b u t i o n - c o e f f i c i e n tt os p e c i f i c h e a to fs i l i c o n g r o u pb yt h eg r o u pc o n t r i b u t i o nm e t h o d t h i sp r o v i d e dag u a r a n t e e f o rt h ea n a l y s i so fo r c u s i n gs i o x a n ea sw o r k i n gf u l i d t h ew o r k i n gf l u i di sd i v i d e di n t ot h r e ec a t e g o r i e s ：c o m m o n l yu s e d f l u i d ， s i l o x a n ea n dz e o t r o p i cf l u i d a l lk i n d so ff l u i da r ea n a l y s e da n dc o m p a r e di nt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lb a s e do ne e sa n da s p e np l u s ap r o c e d u r es u m m a r i z e dt o s e l e c tt h ew o r k i n gf l u i df o rt h eo r g a n i cr a n k i n ec y c l ew h i c hi su s e df o rr e c o v e r y t h ew a s t eh e a to fi c e t h i sp r o v i d e sas e to fp r i n c i p l ea n dm e t h o df o rt h ef u t u r e w o r ko fh e a tr e c o v e r y k e yw o r d s ：o r c ，t h e r m a l p r o p e r t i e s ，s i l o x a n e ，w o r k i n gf l u i d s 第一章绪论 第一章绪论 有机朗肯循环( o r g a n i cr a n k i n ec y c l e ，o r c ) 是一种将传统的蒸汽朗肯循环中 的水工质用有机工质来代替的朗肯循环，主要包括等熵压缩、等压冷凝、等熵膨 胀以及一个等压吸热过程，循环中有机工质在蒸发器中吸收外界热源的热量后 经过循环的热功转化将热能转化成机械功进行利用。由于结构简单并且适用性较 强，这种循环目前在地热及太阳能等能源回收利用领域已经获得了广泛的应用。 同时，在内燃机余热能回收利用的研究中也日益受到重视。 1 1 课题提出的背景 1 1 1 内燃机有机朗肯循环余热回收的国际背景 石油能源在当今世界的能源体系中发挥着举足轻重的作用。但目前世界能源 形势严峻，石油资源也变得越来越宝贵。导致石油资源目益紧缺的一个重要原 因是石油资源的利用率仍然较低，石油中所蕴含的能量没有得到充分而有效的利 用，主要体现在石油资源的过度消耗及浪费上。经济学家和能源领域的专家学者 普遍认为：如果不采用有效的措施来控制能源的过度消耗及浪费现象，能源危机 将席卷全球，而这尤以欧美等高度依赖于石油资源的发达国家受影响最重【2 1 。因 此，近年来采用有效的技术手段合理而充分的利用石油资源日益受到重视。 内燃机作为石油资源的最主要消耗设备，是交通运输、工程机械、农用机械 等装置的主要动力来源，从石油中提炼的汽、柴油是其主要燃料。但是随着能源 紧缺问题的日益加剧，燃油价格持续飙升，严重影响到国民经济的发展和腾飞； 并且消耗的大量燃油在燃烧过程中导致了严重的环境污染。近年来内燃机的节能 减排工作已经成为保护石油资源和生态环境的最重要环节。 然而，目前内燃机的设计制造技术已经相当成熟，单纯的通过改善内燃机缸 内燃烧或者改进内燃机的结构型式来提高内燃机燃料利用率的方法，已经变得越 来越困难。因此，通过其它途径来寻求内燃机效率的提升成为近年来内燃机研究 领域的热点。 第一章绪论 图1 1 内燃机能量流动状况及余热利用潜力分析 图1 - 1 为典型的内燃机能流分配图1 。从图中可以看出，内燃机的热效率为 3 8 ，却有约5 7 的能量通过排气和冷却水散失掉了。内燃机输出的有效功仅占 燃料燃烧完全释放的热量的一小部分，而内燃机排气及冷却水作为一种废热却饱 含大量的能量。可以预见，如果通过余热回收技术将内燃机废气及冷却水的余热 进行回收，那么内燃机的效率将会得到大幅提升。而这部分能量的回收并不消耗 额外的燃料，同时对环境也不会造成危害，反而可以降低单位功率排放量，因此 近年来内燃机余热回收利用也逐渐引起各国政府和研究机构的重视。 基于对内燃机余热能回收利用对节能和减排重要性的认识，国际上各工业发 达国家纷纷将内燃机余热能高效利用作为未来提高内燃机效率的重要技术途径 而列入科技计划，以抢占内燃机节能新技术挑战的先机。 ( 1 ) 各主要发达国家的余热利用规划主要有：日本文部省2 0 0 5 年发布的第 八次技术预见调查报告中，将余热能的利用列为未来3 0 年技术发展的1 0 0 个重 要课题之一n 1 ，这也促使日本丰田、本田等公司都将余热能利用作为汽车发动机 未来技术而投入重金加以研究 5 1 ；在欧洲，欧盟在第七框架行动计划中启动了 “h e a t r e c a r ”( 2 0 0 8 2 0 11 ) 的汽车发动机余热能利用的计划，由德国、法国、 意大利、瑞典等国家的大学、研究机构和企业共同参与1 ；英国帝国理工学院对 内燃机的发展趋势进行了展望，将内燃机余热能的利用定位为2 0 5 0 年前的关键 技术挑战1 73 ；美国能源部已将内燃机余热进行利用以提高内燃机热效率列入了 2 0 0 5 到2 0 1 0 年的研究计划旧1 ，包括美国国防部高级研究计划署、美国航空宇航 研究局、美国海军研究局和美国国家自然基金会等部门都给以了大力支持；2 0 1 0 美国能源部长朱棣文宣布启动总金额3 7 5 亿美元的提高重型卡车和乘用车效率 的研究计划，其中发动机余热能回收利用是5 大关键技术之一，并提出了仅利用 发动机技术进步，到2 0 1 5 年提高燃油经济性2 5 - 4 0 ，到2 0 3 0 年实现每天节约 汽、柴油1 亿加仑，道路车辆减少c 0 2 排放2 0 的目标【8 。 第一章绪论 ( 2 ) 使用o r c 技术对内燃机余热进行回收，近年来也取得了大量的科研成果。 最有代表性的如2 0 0 5 年宝马公司为使用1 8 升汽油机的宝马3 系列汽车上加装 的双朗肯循环废热回收系统( 即t u r b os t e a m e r 系统) 0 | ，在提升了发动机的输出 功率及扭矩的基础上使发动机的燃油效率提高了1 5 ，其采用的双循环回收系统 分别采用水和乙醇作为工质，水作为高温循环工质，乙醇作为低温循环工质，具 体的循环回收系统配置如图1 2 所示。 蒸汽发生器篷莜温冷却器 图1 - 2 宝马公司t u r b os t e a m e r 系统 环 美国康明斯发动机公司将有机朗肯循环工质用作发动机的冷却介质，即发动 机本体作为有机朗肯循环的热源，烟1 3 及1 4 。这是一种较新颖的结构方式， 康明斯的目标是使燃油的热效率提高1 0 左右，其中6 来自发动机废气再循环 ( e g r ) 系统，2 来自废气，2 来自发动机热电回收设备。康明斯公司希望实现 每年在此型发动机上节油1 8 0 0 加仑，借此降低发动机单位功率上的燃烧排放产 物的目标。经过相应的实验验证，内燃机热效率提升9 4 左右，基本达成了目 标。 第一章绪论 广 r 3 r pa j r f l o * 一 uv 图1 3 康明斯发动机余热回收系统图 过热器 亍受热器 胀机冷凝器 增压泵 图1 _ 4 康明斯公司废热利用系统三维模型 1 1 2 内燃机有机朗肯循环余热回收研究的国内背景 飞轮 中国是当今世界的石油消耗大国之一，石油资源的对外依存度在迅速增大， 2 0 1 0 年我国原油产量2 0 2 亿吨，进口2 3 9 亿吨，对外依存度已达5 4 2 1 。我 国能源供应面临着严峻挑战，由能源危机引发的结构性矛盾日益成为我国能源安 全所面临的重大难题。假设通过余热能的回收利用，提高内燃机的总能转化效率 1 5 ，我国每年可从内燃机消耗的石油中节约7 5 0 0 万吨左右( 以2 0 1 0 年石油消 耗量计) ，减少c 0 2 排放2 2 亿吨左右，可以看出余热利用对中国能源可持续发 展的重要意义。 4 第一章绪论 目前，国内对有机朗肯循环的研究主要用于太阳能、地热能以及工业余热等 低温余热的利用| 12 两1 ，目前有机朗肯循环对国内内燃机行业及汽车行业来说还是 一个新兴的课题，采用有机朗肯循环的余热回收方式对内燃机余热能进行利用也 仅限于一些基础计算及模拟实验工作，还没有任何成型的实际应用。国内针对内 燃机余热进行的研究例如北京理工大学方金莉等设计的中温有机朗肯循环对重 型柴油机排气余热进行的模拟计算【1 引、天津大学吕登科针对发动机排气能量进行 的模拟计算7 1 等。本文的研究内容是基于国家重点基础研究计划( 9 7 3 ) 项目： 高效、节能、低碳内燃机余热能梯级利用基础研究来开展的。 1 2 有机朗肯循环工质的研究现状 1 2 1 不同热源形式的有机朗肯循环利用工质 有机朗肯循环的工质研究可以从不同热源形式进行细分，目前采用有机朗肯 循环余热回收的领域主要有：地热能、太阳能、生物质能以及内燃机余热能等。 1 、地热能按温度高低可分为三类：高温( 2 2 0 ) 、韫( 1 0 0 2 2 0 ) 、 低温( 7 0 1 0 0 ) n ，对不同地热源的适用工质国际上进行了大量的研究：美国伊 利诺斯州大学h e t t i a r a c h c h i ”圳等对正戊烷、r 1 2 3 、氨水及p f 5 0 5 0 几种工质的地 热有机朗肯循环的研究发现r 1 2 3 和正戊烷比p f 5 0 5 0 的效率高：奥地利维也纳 农业大学的b a h a as a l e h 等1 20 | 在对苯、烷烃、醚及氟化物在内的3 1 种工质的地 热有机朗肯循环利用情况进行了设计及对比后认为应选择r 1 3 4 a 及r 1 5 2 a 等临 界温度较低的工质。此外国外地热朗肯循环选择的工质还有 n p e r f l u o r o p e m a n e 陋1 22 | 、r 1 1 4 、异丁烷| 2 3 】、氨或氨水混合物| 2 引和r 2 4 5 f a 【2 引等。 2 、对太阳能有机朗肯循环工质的研究很多，希腊科学家d m a n o l a k o s 等f 2 6 1 人调研了以r 1 3 4 a 为工质的有机朗肯循环太阳能海水脱盐系统；西班牙学者 d e l g a d ot o r r e s 选择了异戊烷、甲苯或六甲基二硅氧烷作为研究工质；奥地利维 也纳农业大学的b a h a as a l e h 等【2 别人提出r 2 3 6 e a 、r 2 4 5 c a 、r 2 4 5 f a 、r 6 0 0 、r 6 0 1 a 、 r e l 3 4 和r e 2 4 5 都适宜作为太阳能有机朗肯循环的工质；中国天津大学的马一太、 龚文瑾等i 2 7 】对c o ，、r 1 2 3 、r 1 3 4 a 、n h ，和r 2 9 0 五种常用制冷剂进行了研究；东 南大学的乔卫来等乜对r 1 1 等1 9 种有机工质的动力循环参数的研究发现r 1 4 2 b 、 r c 3 1 8 一与r 6 0 0 适合于低温朗肯循环；此外上海交通大学、西安交通大学等| 2 州 高校也进行了这方面大量的研究工作。 3 、生物质能的优点在于资源丰富、对环境友好并且其热品位一般也较高。 在大多数的生物质能利用装置中主要选择八甲基三硅氧烷作为循环工质，但是这 第一章绪论 种工质的热回收效率相应的较低；德国的u l l i d r e s c h e r 等【2 刚对烷基苯族工质进行了 研究发现在最高温度为3 0 0 。c 左右时，系统的最高压力在0 9 1 5 m p a 为佳，表现出 了最佳的性能；奥地利学者i n g w a l do b e m b e r g e r l 3 研究了硅油作为循环工质的有 机朗肯循环热电机组。 4 、工业余热是一种余热量非常丰富的高品位余热，国内外针对工业余热有 机朗肯循环工质的研究也进行了大量工作。例如美国雕j g a r y i z 等”1 人通过研究认 为当废热的温度在1 5 0 2 0 0 。c 时r 2 4 5 f a 的性能要优于r 1 2 3 ；台湾义守大学的h u n g t c 等人圳研究了笨、甲苯、对二甲苯、r 1 2 3 币i r 11 3 等五种工质余热回收分别适 用的情况等。 1 2 2 内燃机余热利用有机朗肯循环工质的研究现状 基于对内燃机余热能转化利用迫切性的认识，国内外众多高校、科研院所相 继开展了内燃机有机朗肯循环相关理论和方法以及技术的研究，对不同工质在内 燃机余热有机朗肯循环系统中的利用情况也进行了大量的分析及实验工作，并取 得重要进展。 意大利帕尔马大学的i a c o p ov a j a 和a g o s t i n og a m b a r o t t b 副以苯、r 1 1 和r 1 3 4 a 三种干湿性不同的工质对发动机相同工况下的余热回收进行了研究，选择了三种 不同的o r c 结构配置进行比较：1 、仅回收废气；2 、废气+ 冷却水；3 、再热循环。 结果显示作为干工质的苯在再热和预热两种工况下可使柴油机- o r c 联合系统效 率较无底循环的内燃机提升达1 2 5 ，内燃机效率达4 7 ，而等熵工质r 1 3 4 a 在几 种不同的配置下效率提升较小( 6 5 左右) ，r 1 1 采用预热时的效率提升较为明 显。 意大利的p a o l ab o m b a r d a ，c o s t a n t em i n v e m i z z i 等人【= 川比较了k a l i n a 循环和 o r c 循环两种余热回收技术，以六甲基二硅醚为工质在两台发电功率为8 9 0 0 k w 的柴油机上比较了两种循环的热动性能。 a v l 公司f l , j h o t e n g 幂l g e r h a r dr e g n e r ”玛1 利用i 匕4 5 f a 和e t l l a n o l 两种工质对一 台8 缸车用柴油机的e g r 余热进行的回收后发现，在e s c 1 3 工况条件下可节省燃 油5 ，他们对两种工质的利用情况进行了对比，此外还采用了单向流动的往复 式膨胀机对一套重型柴油机约6 5 0 的废气余热在跨临界循环工况下进行了回收， 将工质同时作为中冷器和e g r 冷却器的冷却液，结果显示o r c 回收了高达5 5 k w 的能量，这使得发动机的功率输出提升了2 0 。 美国密西西比州立大学机械工程学院的k a l y a n k 等”! 研究分析了双燃料低 温内燃机采用o r c 对废气余热进行回收的情况，o r c 循环选用了r 11 3 作为工质， 研究结果显示r 1 1 3 的饱和温度随着e g r 率的增大而增大，这也代表着e g r 率越大 第一章绪论 热传递的潜力越大。不考虑相应的发动机负荷，燃油喷射定时及e g r 率等均会导 致蒸发器可用能效率的降低及较大的可用能损失。 e h w a n g ，h g z h a n g 等旧7 1 建立t m a t l a b 耦合i 也f p r o p 的数学模型，根据 工质的热物性选用了9 种有机工质进行研究，分析的设定条件包括1 0 k w 的功率输 出、安全指标以及环境影响因素等。结果显示r 11 ，r 1 4 1 b ，r 11 3 及r 1 2 3 干1 1 对其它 工质显示了较好的热动性能，但是r 2 4 5 f a 矛t l r 2 4 5 c a 是回收内燃机余热时最具备环 境友好性的工质。 西安交通大学的t a oh a n 等人引以h c c i 发动机废气为高温热源采用四种工 质r 1 4 1 b 、r 1 2 3 、r 2 4 5 c a 及r 2 4 5 f a 在不同的发动机转速以及透平进口压力下进行 比较，研究发现发动机转速的升高会使o r c 净功、质量流量、系统效率均升高， 发动机转速固定时，透平进口压力越大贝j j o r c 输出净功越大，其中r 1 4 1 b 显示了 最好的性能；在相同的发动机工作条件下将r 1 4 1 b 币i 甲苯两种工质比较发现甲苯 输出等量功率时的效率高并且质量流量较小。他们同时研究了发动机进气压力对 o r c 系统以及整个h c c i o r c 系统效率的影响，低速高进口压力的工况效率较 高，自然吸气发动机在发动机转速较高时的性能较好。 西安交通大学张新欣等b 鲫针对汽油发动机余热温度的特点，采用有机朗肯 循环回收发动机的排气和冷却水废热。利用计算机程序对循环中各主要状态点的 热力参数和热力性能进行了理论计算，确定了最佳参数值，从而进行了有机工质 的筛选。最终选定环戊烷和r 11 3 作为发动机余热回收利用有机朗肯循环系统的工 质。 北京理工大学的方金莉等酬以r 1 2 3 为工质对中温有机朗肯循环系统进行了 研究，针对不同的循环压力和工质流量以及不同的柴油机排气温度进行了o r c 余热回收的模拟计算，得出了循环压力、流量、排气温度等对循环余热回收性能 的影响。 此外，天津大学的吕登科“、冯黎明【4 刚以及哈尔滨理工大学的杨智博等 对内燃机上的有机朗肯循环工质利用情况也进行了大量的研究工作，这些前期对 工质利用所进行的大量工作都将为今后进行o r c i 质的研究工作提供借鉴。 1 3 本文研究课题的确定 有机朗肯循环的余热回收方式目前得到了国内外大部分专家学者的广泛重 视，被认为是适宜作为内燃机余热回收的主要形式之一，因此本文以有机朗肯循 环技术为主要的研究对象。 第一章绪论 内燃机的余热主要由废气余热、冷却水余热、e g r 余热及润滑油余热等组 成。从热源温度来看，内燃机冷却水余热源温度有一般小于1 0 0 。c ，属于低温余 热；废气温度一般在3 0 0 7 0 0 。c ，属于高温余热。目前对于热源温度较低的液态 热源的有机朗肯循环余热回收技术的研究已经较为成熟，例如地热能回收利用等。 而e g r 余热及润滑油余热的余热量相对较小，利用代价较高，因此本文只针对 内燃机废气余热进行研究。而内燃机的废气属于温度相对较高的余热源，在对此 类高温热源进行o r c 循环回收时，考虑到常用的制冷剂类工质的分解温度较低、 临界温度及临界压力均较低的情况，在具体对不同工质进行余热回收时，应根据 具体情况进行分析。 内燃机废气余热利用有机朗肯循环系统主要由废气换热器、膨胀机、冷凝器 及增压泵几个主要部件及循环工质组成，在余热回收系统机构及工作条件已经选 定的前提下，循环工质的选择就成了最迫切的问题。这主要是由以下几个方面的 原因决定的： 1 、传统的r 1 1 ，r 2 2 ，r 1 2 及r c 3 1 8 等制冷剂类工质由于对臭氧层的破坏或 者温室效应等对环境破坏的因素已经逐渐的被禁用，采用何种替代工质来对o r c 系统进行研究及利用成为当前迫切需要解决的问题。 2 、内燃机的排气温度较高，而常用的制冷剂类工质的最高分解温度较低( 一 般小于6 0 0 k ) ，当采用强化换热以及换热效果较好的换热器进行换热时，工质的 最高温度很容易超过其分解温度从而使其物化性质发生改变，进而影响整个循环 系统的性能。至今对高温型有机工质的研究仍然较少，针对高温热源更多的是采 用导热油换热或者是人为地将热源温度不d i ：i 禾u 用的降低以适应工质的物化性能， 而这本身就降低了能源的利用率。缺乏适宜的高温型循环工质，这也成为制约对 内燃机废气余热进行o r c 回收的因素之一。 3 、目前对有机朗肯循环工质的研究仍然缺乏一套合理的、程序化的优化选 择程序，选择工质主要是根据经验判断。 鉴于目前内燃机废气余热有机朗肯循环利用中存在的工质问题，本文主要研 究分析了各种常用的制冷剂类工质、苯类工质、硅氧烷类工质以及混合工质的特 性，对这些工质在o r c 循环中的利用情况进行了分析。 本文的研究目标为：对各种工质的热物性进行探索，从热力学循环的性能角 度分析内燃机废气余热利用有机朗肯循环系统，分析讨论工质的分类方法和工质 的选择标准，并根据工质的热物性特征及循环利用结果总结工质选择的原则及方 法，为内燃机废气余热利用有机朗肯循环系统的实际应用奠定基础。 第一章绪论 1 4 本文的思路及主要研究内容 从当前有机朗肯循环余热能回收领域的发展情况来看，国外很多机构在这方 面投入了很大的人力物力并且已经取得了很多的科研成果，然而国内近年来在这 方面的研究还处于起步阶段，对于内燃机废气余热回收利用的工质研究至今仍处 于概念和简单的理论分析阶段，尚无系统的分析方法及计算流程，但是工质的热 物性是影响o r c 余热回收效能的重要因素，选择工质不仅要依据工质的临界温 度、临界压力、溶点及沸点等物理性质，也要考虑到工质的化学稳定性、与工程 材料的兼容性及经济性等多种因素。在一定的循环方式下，选择一种合适的工质 不仅能极大的提高热能回收的效率，更能提高系统的经济性和适用性，因此对内 燃机余热能有机朗肯循环的工质进行系统的研究分析具有很重要的意义。 本文旨在对基于有机朗肯循环的内燃机废气余热回收适用工质进行热物性 及循环利用情况的分析计算，并设计合理的工质优化选择的程序及方法，以期为 今后的研究工作提供便利，本文的主要研究工作有： 1 对常用工质及非常用工质进行总结，对相应的物性软件及物性查询网站提供 的工质信息及其来源进行汇总。 2 建立内燃机废气余热利用有机朗肯循环系统的e e s 及a s p e np l u s 计算模型，将 常用工质、硅氧烷类高温工质及混合工质在有机朗肯循环系统中的效能情况 进行分析和讨论，分析膨胀机进口温度、蒸发压力及冷凝温度等参数在使用 不同工质时对膨胀机输出功及废热回收系统总效率的影响。 3 编写相应的热物性软件，能够根据分子量、比热容、临界温度、临界压力、 标准大气压下的沸点等基本参数计算出相应状态的热物性参数值，为工质优 选提供热物性方面的基础。 4 针对目前高温硅氧烷类物质热物性数据的缺乏，总结文献中出现过的高温硅 氧烷类物质，根据这些工质的热物性，采用基团贡献法推导硅基团的比热容 基团贡献系数，并推算硅氧烷类物质的热物性。 5 结合不同工质的效能分析情况及内燃机余热回收工质利用的现状总结分析工 质优化选择的方法。 本文各部分研究内容的关系见图1 5 ： 第一章绪论 图1 - 5 本文的主要研究内容及其相互关系 1 0 第二章0 r c 基础及内燃机废气余热利用有机朗肯循环系统建模 第二章o r c 基础及内燃机废气余热利用有机朗肯循环系统建模 2 1 有机朗肯循环余热利用基础 2 1 1 有机朗肯循环系统基本原理 有机朗肯循环( o r c ) 是一种将传统的蒸汽朗肯循环中的水工质用有机工质 来代替的循环，其基本结构如图2 1 所示。循环系统主要由四大部件组成：蒸发 器、膨胀机、冷凝器及增压泵，具体到实际应用中用到的附件还有各种压力调节 阀及储液器等。余热流体在蒸发器中将有机工质加热蒸发使之汽化成为膨胀机入 口3 点的过热蒸汽或饱和蒸汽状态( 1 3 工质定压吸热) ，有机工质蒸汽进入膨胀 机中膨胀做功( 3 - 4 工质等熵膨胀) 同时带动发电机发电，膨胀后的乏汽4 进入冷 凝器中，被冷却介质( 冷却水或冷却空气) 冷凝为饱和压力下的液体5 ( 4 5 等压 冷凝) ，然后液态工质在增压泵中加压到蒸发压力下的过冷液态点1 ( 1 - 2 等熵压 缩，最后工质回到蒸发器中完成一个循环，从而实现了对余热能的回收及利用。 图2 2 为有机朗肯循环的p v 图及t s 图。 ，卜 蒸发器 增 3 图2 1 有机朗肯循环系统简图 第二章0 r c 基础及内燃机废气余热利用有机朗肯循环系统建模 图2 2 有机朗肯循环热力循环图 2 1 2 有机朗肯循环的基本型式 l 、带回热器的o r c 循环h 2 i 当膨胀机排气温度较高时，为了有效的利用这部分排气的热量，系统中可以 设置回热器( i h e ) 。如图2 - 3 所示，在回热器中，膨胀机出口处的乏汽4 将从增 压泵来的液态工质l 加热到余热蒸发器的进口状态2 a 状态点。这种循环型式充 分的利用了工质膨胀后乏汽的热量，同时降低了蒸发器的热负荷和冷凝器的冷却 负荷，有利于提高循环的热效率。 a 1 蒸发器 增 3 图2 3 带回热器的有机朗肯循环系统简图 2 、 再热循环 有机朗肯循环中提高最高压力p 3 可以提高循环热效率t 1 。，但如不相应的提高 温度t 3 ，将引起膨胀机出口乏汽干度x 4 的减小，甚至出现湿蒸汽，这会对膨胀机 产生不利影响。为此将有机朗肯循环做适当的改进：将工质蒸汽在膨胀机内膨胀 到某一中问压力后引出膨胀机，导入蒸发器中特设的再热器r 或其他换热设备中 使之再加热，然后再导入膨胀机继续膨胀到背压p 。，这种循环即为再热循环。 第二章o r c 基础及内燃机废气余热利用有机朗肯循环系统建模 图2 _ 4 有机朗肯循环再热循环系统图 从图2 - 4 中可以看出，由于饱和蒸汽线的斜率为负，呈现了典型的湿工质特 性，如不进行再热，有机工质蒸汽膨胀到背压p 5 状态时的状态为4 ，可能进入湿 蒸汽区，而再热后膨胀到相同的背压时的状态为4 ，干度增加，这样可避免由于 提高p 3 而带来的不利影响。这种循环型式对于太阳能热力发电、地热发电及压力 堆发电等利用湿工质的装置很重要。 3 、带喷射器的有机朗肯循环h 引 图2 - 5 带喷射器的有机朗肯循环系统简图 s 朗肯循环系统中膨胀机的出口处工质作为被引射流体进入喷射器，冷凝器出 口的工质一部分返回增压泵继续循环做功，另一部分工质经增压泵加压，进a - - 级蒸发器换热变为过热蒸汽，作为喷射器的工作蒸汽。在常规朗肯循环o r c 系 统上增设喷射器，膨胀机排气作为被引射工质进入喷射器吸入口，降低了膨胀机 背压，使其工作压差增大，可以提高o r c 系统的做功能力。 第二章o r c 基础及内燃机废气余热利用有机朗肯循环系统建模 2 1 3 有机朗肯循环系统效率的影响因素 1 、最高温度t 3 对热效率的影响 在相同的蒸发压力及冷凝压力下，提高循环工质的最高温度可使有机朗肯循 环的效率增大，从图2 - 6 中可以看到，最高温度从3 提高到3 a 时增加了循环的高温 加热段，而这必然会使循环温差增大。 根据卡诺循环定律，在高温热源t 1 和低温热源t 2 之间工作的所有可逆机的热 效率均为 删一鲁( 2 - 1 ) 高温热源t - 温度的升高、高低温热源温差的增大，必然导致卡诺循环效率增 大。同样，对有机朗肯循环来说，当提高有机朗肯循环的最高温度t 3 时，有机朗 肯循环的热效率必然提高。 图2 6 最高温度对o r c 循环热效率的影响 提高最高温度t 3 的同时，还可使系统膨胀机前后的干度增大，这对提高膨胀 机的相对内效率和延长其使用寿命非常有利。但是提高循环的最高温度受材料耐 热性能的限制。一般蒸汽过热器外面是高温燃气，里面是蒸汽，所以过热器壁面 的温度必定高于蒸汽温度，温度过高会导致材料变形等多种不利情况的发生，一 般朗肯循环的最高温度应不超过6 2 0 。ch 引。 2 、蒸发压力对热效率的影响 有机朗肯循环在相同的最高温度和冷凝压力下，当蒸发压力提高时，循环的 当量蒸发温度增大，所以循环的热效率提高。蒸发压力的大小受制于设备的强度， 一般压力均不可太高。从图2 7 中可见，蒸发压力的增加会引起膨胀机前蒸汽的 过热度的降低以及乏汽中液态成分增加，这容易引起膨胀机内部效率降低，增大 膨胀机液击损坏的可能性，缩短膨胀机的使用寿命。 1 4 第二章0 r c 基础及内燃机废气余热利用有机朗肯循环系统建模 图2 7 蒸发压力对o r c 系统热效率的影响 3 、冷凝压力对热效率的影响 由图2 8 可见，冷凝温度降低时由于当量冷凝温度下降，循环过程中膨胀功 3 4 增大，而循环吸热量q l 不变，系统热效率增大，所以降低背压即降低冷凝压 力可以显著提高循环热效率。 图2 8 冷凝温度对o r c 循环热效率的影响 一般冷凝温度必须高于外界环境温度，此外，降低冷凝压力也会引起乏汽干 度的降低，其后果与单独提高蒸发压力相类似。在对有机朗肯循环进行系统的分 析及设计时，应当考虑多种因素的影响，平衡多种影响因素之间的关系。 2 2 有机朗肯循环热力学第一定律基本数学模型 在对有机朗肯循环进行模拟计算时，需要建立有机朗肯循环的各个部件的理 论模型。如图2 1 和2 2 所示，理想的有机朗肯循环中，热力过程的分析和能量 关系h4 1 如下： 第二章o r c 基础及内燃机废气余热利用有机朗肯循环系统建模 ( 1 ) 蒸发器：1 3 过程为在蒸发器中的定压吸热过程，吸热量可表示为 9 = m f ( ，毛一历) 亍柚，融 ( 卉n - t 。埘)( 2 - 2 ) ( 2 ) 膨胀机：3 4 过程为工质在膨胀机中的等熵膨胀过程，工质在膨胀机中对 外做功，其中： 彤= m f ( h 3 一h 4 )( 2 3 ) ( 3 ) 冷凝器：4 - 5 过程为工质离开膨胀机后在冷凝器中的定压放热过程，工质经 冷却将自身潜热量释放到冷却水或者环境当中，工质放热量为 q = 研，( 肠一h s ) f 2 - 4 1 ( 4 ) 增压泵：5 1 过程为在工质泵中的等熵压缩过程，增压泵耗功： b = m s ( h h 5 )f 2 5 1 总之，朗肯循环的热效率为 彤一尼 纷髓2 1 广 ( 2 - 6 ) 其中：竹为工质在循环中的质量流量( k g s ) ，为废气的质量流量( k g s ) ，h 为比焓( k j k g ) ，为废气的定压比热容( k j k g k ) 。在实际的循环计算过程 中，膨胀机及增压泵一般为非等熵过程，还应考虑相应的膨胀机等熵效率卵，及增 压泵等熵效率枷。 2 3 内燃机废气余热利用有机朗肯循环系统建模及编程原理及方法 图2 - 9 内燃机废气余热利用有机朗肯循环系统简图 本文的主要目标是对内燃机废气余热进行有机朗肯循环回收工质的研究。典 型的内燃机废气余热利用有机朗肯循环系统简图如图2 - 9 。其中的蒸发器热源流 体取自内燃机的排气，其余系统与简单的有机朗肯循环类似。对内燃机废气余热 第二章o r c 基础及内燃机废气余热利用有机朗肯循环系统建模 利用有机朗肯循环系统的建模及编程计算均以内燃机废气余热的实际状态参数 为基础。本文三、四章的计算研究均以此循环系统为对象，以使得对各类工质的 比较分析有相同的基础。 2 3 1 模拟计算软件简介 内燃机废气余热利用有机朗肯循环系统采用e e s 编程软件及a s p e np l u s 化 工流程软件进行建模及模拟计算。 压翳i 互i f r m 币n 蜀1 只几矗曙f 啊_ 1 | j i 岸* t = 羽i t i n 可曙疆d _ a _ * ：；掰i n l e t “l i e ：er mn a t l3 r ；o 。t h en u t l j ls t a t eo ta nh 1 ：j 4 a ：hr o t t t e “ r r l l = m 2 m | = a 1 “v ej | i v l a ，= a 1 m 1 ( h l - + v e l l 2 2 c o r , v e r t ( m * 2 s * 2k j k g ) ) = n 2 ( h 2 + e 1 2 2 2 c o n 、e n f r _ v 1 一u l uri u ( r 1 3 4 dt - 一1p p 1 h l = j n t h a l p y r 13 4 aj _ t = t 1p = p 1 ) 。 、开“，d 伯n t - - 。m 彳一 l 彳_ h d ws 2 ec 3 n t r | i s 图2 一1 0e e s 软件编程及求解界面 n t r c l c o t & t 0 1 o n t r 0 1 e e s 是工程方程解答器的英文字母的首字母缩写词，软件的基本功能是解代 数方程组。e e s 也能解差分方程、解有复杂变量的方程、做工程优化、提供线性 和非线性回归并可绘出良好的二维图形。软件中内置有蒸汽性质表，根据任意两 个物性参数就可通过调用一个内置函数而获得其它的物性参数。对于大多数制冷 剂( 包括一些新的混合制冷剂) 、氨、甲烷、二氧化碳和很多其它流体，也提供了 类似的功能。内置于e e s 软件中的庞大的关于热物性和迁移性质的数据库对于 解决关于热力学、流体力学和传热学问题非常有用。同时，对于需要确定一个或 更多参数的设计问题，e e s 也显得特别有用。此外e e s 程序提供了物性参数表， 用户确定独立变量并在表格里输入其数值，e e s 将计算出表格中其他物性参数的 数值。表格内的参数的关系可以显示在e e s 内置的平面图上。e e s 也提供了实 验数据误差引起计算变量误差的估计。一般来讲，利用e e s 设计问题并不比求 解一个具有固定自变量的问题难，它可以用于很多工程问题，尤其适用于工程1 ：3 热 力学和解决实际工程问题的需要，图2 1 0 为e e s 软件编程及求解界面。 第二章o r e 基础及内燃机废气余热利用有机朗肯循环系统建模 2 、a s p e np l u s 化工流程模拟软件 a s p e np l u s 是大型通用流程模拟系统，源于美国能源部七十年代后期在麻省 理工学院( m i t ) 为开发新型第三代流程模拟软件所组织的会战，它所具有的特 点为： 1 ) 它几乎内建了所有化工过程涉及的原理公式，包括本文所主要考虑的有 机朗肯循环的循环过程； 2 ) 它附带了完善的数据库，囊括了几乎所有化工手册上可查找的数据，比 如纯物质的比热容，临界点温度，压力等等： 3 ) 强大的附属分析工具，例如输入变量对输出变量的影响分析等，可以很 方便的计算出大的复杂的流程。 4 ) a s p e np l u s 可以计算得到任意计算物流的几乎所有的物理性质，比如： 密度、比热容、湿度等等工艺工程师所关心的数据。 5 ) 内置了各种设备的计算模型，可以方便的利用这些模型建立系统并对系 统整体及各部分进行分析。 2 - 11 图为a s p e np l u s 软件的界面 l 、“u 毋文 f t 箐1 = ：意 声如舟 一 一+ 厂建富卜。、i 、耸萱掣jj 目i 一t 画一 一1 、 毫变：一1 。u 一! k h _ t ， r t p h ”i r l 。* 一 f r f rr - 、“，i ，”1 n “ 一一司一即， ” w 二! “- 舅巴“e 一，” 。 -。 。- 图2 1 1a s p e n p l u s 软件界面及o r c 模型图 2 3 2 内燃机废气余热利用有机朗肯循环系统模型建立 内燃机废气余热利用有机朗肯循环系统模型的建立采用了一种稳态的简化 计算方法，模型建