柴油机工况对中温有机朗肯循环性能影响的模拟研究

1、柴油机工况对中温有机朗肯循环性能影响的模拟研究论文导读:：图1为中温有机朗肯循环余热回收系统示意图。中温有机朗肯循环系统介绍。论文关键词：余热回收，有机朗肯循环，车用柴油机工况引言随着我国汽车行业的飞速开展，对汽车的节能与环保问题的关注程度不断提高。基于有机朗肯循环Tab.2 Characteristics of R123 (under 3.0MPa) 参数名称/单位 数值 压力/ MPa 3.0 饱和蒸汽液相密度/ kg/m3 884.41 气化潜热/ kJ/kg 63.8 最高稳定温度/ 326.8 沸点/ 171.3 饱和蒸汽气相密度/ kg/m3 56.25 摩尔质量/ g/mol 1

2、52.9 2.2确定最正确工质流量根据文献10中3.3节局部的计算方法，得到不同有机工质流量下的系统效率变化曲线，依据系统效率最高原那么分别确定两种排气温度下的最正确工质流量分别为0.37kg/s和0.274kg/s。由此确定两种设计方案的条件为：表3. 系统设计参数Tab.3 Known parameters for the system design 参数名称/单位 方案一 方案二 涡轮后排气温度/ 470 400 排气流量/ kg/s 0.418 0.418 排气压力/ MPa 0.1 0.1 最终排气温度/ 200 200 压缩泵后压力/ MPa 3 3 工质沸点/ 171.3 171

3、.3 工质流量/ kg/s 0.37 0.274 2.3换热器设计根据上述条件设计蒸发器和过热器，两种方案均采用管壳式换热器，光管，得到的换热器具体结构及参数如表4所示。表4.换热器参数Tab.4 Heat exchangers parameters 参数名称/单位 方案一 方案二 过热器 换热量/ kJ/kg 34.9 25 换热面积/ m2 0.68 0.69 232.7 222.2 传热对数温差/ 220.5 161.9 蒸发器 换热量/ kJ/kg 86.8 64.3 换热面积/ m2 2.07 1.84 211.7 205.1 传热对数温差/ 198.1 173.4 2.4发动机变排

4、气温度计算本节主要讨论在发动机排气流量一定条件下，改变排气温度对朗肯循环系统的影响。计算中，以有机工质R123的最高稳定温度为约束限制排气温度的范围。根据发动机实际运行工况，可分以下几种情况进行讨论。在此状况下，有机工质在蒸发器中将不能完全蒸发，设蒸发率为x，那么可列方程组1： (1) 其中：T:温度，；P:压力，MPa；:排气流量，kg/s；:工质流量，kg/s；:换热量，kW；:比焓，kJ/kg。下角标分别对应图2中的符号注释。此时，T5为蒸发器后工质温度，即30MPa压力下R123的沸点171.3机械论文，由上述方程组可解出。在此状况下，有机工质在蒸发器中将完全蒸发并到达过热状态，那么可

5、列方程组2： (2) 由上述方程可解出。2.5结果比照通过上述计算，得到两种方案的计算结果如下：图4.不同排气温度下蒸发率变化曲线Fig.4 Effect of exhaust temperature on evaporation rate图4为两种方案的蒸发率与排气温度变化曲线。从图中可以看出，当排气温度高于设计点对应的排气温度时，蒸发率均保持为1；当排气温度低于设计点对应排气温度时，蒸发率单调降低。5a.方案一5a. Program one5b.方案二5b. Program two图5.不同排气温度下各节点温度变化曲线Fig.5 Effectof exhaust temperature o

6、n node temperature图5a和5b分别为两种方案下，系统各节点温度随排气温度变化曲线论文怎么写。从图中可以看出，在两种方案下，当排气温度低于设计点对应温度时，蒸发器后工质温度T5均为有机工质的沸点温度，当排气温度高于设计点对应温度时，T5单调增加，即在蒸发器中已发生过热；过热器后工质温度T6在设计点处温度最低，这是因为当排气温度高于设计点时，排气可提供能量增加，但有机工质质量流量没变，因此有机工质的过热度升高，既表现为温度T6随着排气温度的升高单调升高。而当排气温度低于设计点时，由于蒸发器中的有机工质蒸发率逐渐降低，在过热器中过热的工质流量降低，且蒸发率降低的斜率高于排气温度降低

7、造成的过热器换热量降低的斜率，因此设计点以下时的温度T6随排气温度的降低而单调升高；对膨胀器后工质温度T7机械论文，由于计算中取膨胀器绝热效率为定值0.7，因此其变化规律与T6相似。图6.不同排气温度下朗肯循环效率变化曲线Fig.6 Effectof exhaust temperature on ORC efficiency图6为不同排气温度下的朗肯循环效率变化曲线。从图中可以看出，在两种方案下，当排气温度高于设计点对应排气温度时，其效率维持在15%附近；当排气温度降低后，循环效率单调下降，其中方案一在排气温度降到360时朗肯循环效率降为5%，方案二在排气温度320附近时循环效率降至5%。图7

8、.不同排气温度下中温朗肯循环输出功变化曲线Fig.7 Effectof exhaust temperature on ORCoutput power图7为不同排气温度下，中温朗肯循环输出功的变化曲线。从图中可以看出，当排气温度低于440时，相同排气流量下，方案二的输出功总是大于方案一；当排气温度高于440时，相同排气流量下，方案一输出功高于方案二；方案一的适用排气温度范围为，方案二的为，相比而言方案二的适用范围更广。之所以出现上述适用范围上的不同，是由工质的自身特性及系统效率综合造成的。由于R123工质存在最高稳定温度，在计算最高可适排气温度时，工质在蒸发器中都是完全蒸发过热，且方案二的工质流

9、量比方案一的小，因此方案二的可适最高排气温度低于方案一；最低排气温度那么受限于系统效率，当排气温度低到一定程度，工质蒸发率将接近与零机械论文，此时的余热回收系统将失去意义。结合图4-7可以看出，方案二的排气适用范围较方案一更为广阔，且在350-490的排气温度范围内朗肯循环效率均保持在10%以上，输出功的变化曲线较方案一更为平坦。因此在下面的计算中将采用方案二的换热器设计结果。3变工况计算与结果分析根据本文2节中的计算结果，确定了中温有机朗肯循环的蒸发器和过热器结构参数，本文据此对不同排气温度和排气流量下的朗肯循环余热回收系统变化规律进行了计算和分析，计算说明和具体计算结果如下。3.1计算说明

10、计算中，以有机工质R123允许到达的最高稳定温度327为约束限制排气温度和排气流量的上下限。3.2计算结果与说明图8.蒸发率随排气流量及排气温度变化曲线Fig.8 Effectof mass flow rates on evaporation rate with different exhaust temperature图8为不同排气温度下，有机工质在蒸发器中的蒸发率随排气流量变化曲线。如图可见，当排气温度高于400时，各排气温度下蒸发率为1时对应的最小排气流量随着排气温度的升高而不断降低；当排气温度低于400、高于300时，各排气温度下的蒸发率始终小于1，且在相同排气流量下，排气温度越低其对

11、应的工质蒸发率越小；当排气温度低于300时，全排气流量范围内的蒸发率接近于0，即由于排气能量过低从而不会有工质在蒸发器中蒸发。图9.温度T3随排气流量及排气温度变化曲线Fig.9 Effectof mass flow rates on T3 withdifferent exhaust temperature图9为不同排气温度下，最终排气温度T3随排气流量变化曲线。从图中可以看到，当排气温度高于400时，大排气流量区域对应的排气最终温度T3会高于200，且排气流量越大、T3越高。这是因为固定流量的有机工质其吸热能力有限，工质吸热后的最高温度T6不能超过327，因此排气的放热量存在一个极大值，从而

12、造成在某些工况下出现温度T3高于设计时要求的200的情况。此外机械论文，当排气温度T1低于400时，各排气温度下的T3总是随着排气流量的升高而升高。图10.朗肯循环效率随排气流量及排气温度变化曲线Fig.10 Effect of mass flow rates on ORC efficiency withdifferent exhaust temperature图10为不同排气温度下，中温有机朗肯循环效率随排气流量变化曲线。如下图，当排气温度高于400度时，循环效率先随着排气流量的增加而增大，在工质蒸发率到达1后，效率保持在15%附近；当排气温度小于等于400时，循环效率总是随着排气流量的升高

13、而单调增加论文怎么写。在相同排气流量下，排气温度越高那么朗肯循环效率越高。图11.朗肯循环输出功随排气温度及排气流量变化曲线Fig.11 Effect of mass flow rates on output power withdifferent exhaust temperature图11为不同排气温度下，朗肯循环输出功率与排气流量的变化关系曲线。其在各个排气温度下的变化规律一致，即循环输出功总是随着排气流量的增加而单调增加；在相同排气流量下，输出功随排气温度的升高而增加。此外，从图8-11中还可看出，在不同排气温度下的排气流量范围不同。排气温度最低可至300，此时排气流量需超过0.4kg

14、/s系统效率才不为零，可用排气流量范围最窄；排气温度最高可至480，假设排气温度超过480，有机工质在过热器后的温度将超过其最高稳定温度327此时可以通过放气阀降低排气流量来防止工质超温。480时的可用排气流量范围为0.240.418kg/s，可用排气范围最广。4结论通过本文的研究，可以得到如下结论：(1)在对中温有机朗肯循环进行设计计算时，选择中高工况而不选择标定点时的排气温度作为设计点进行设计可以拓宽系统适用范围，更好的顾及发动机中低工况。(2)不同排气温度下，适用于中温朗肯循环系统的排气流量范围不同。排气温度越高机械论文，该范围越广；排气温度越低，该范围越窄。在本文计算中，当排气温度低于

15、300时，朗肯循环系统无效。(3)通过合理选择设计点-优化设计换热器，可以使有机朗肯循环余热回收系统在发动机中高工况时的效率保持在10%以上，最高可达15%，余热回收效果明显。本文采用基于有机朗肯循环(ORC)的余热回收系统对重型车用柴油机排气余热进行回收，采用两种设计方案进行了换热器设计，并对变工况条件下的有机朗肯循环系统进行了计算，其结果证明采用有机朗肯循环系统对重型柴油机余热进行回收可以提高汽车的有效输出功，提高燃油经济性，同时降低排气排入大气时的温度，降低了汽车的热污染效应。参考文献：【1】Nelson C R. High engine efficiency at2021 emissi

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