舒歌群，許曉菲，田 華，賈 琦，孫秀秀，劉麗娜

(天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072)

舒歌群，許曉菲，田 華，賈 琦，孫秀秀，劉麗娜

(天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072)

為了提高柴油機多品位、大溫差余熱的回收利用率，提出了一種低損跨臨界有機朗肯聯(lián)合循環(huán)，其中高溫級循環(huán)用于回收溫度較高的柴油機排氣余熱和廢氣再循環(huán)(EGR)余熱，低溫級循環(huán)回收柴油機冷卻水余熱、增壓空氣余熱、與高溫級循環(huán)換熱后的排氣余熱和EGR余熱．高溫級對比分析了3種硅氧烷工質(zhì)MM、MDM和D4，低溫級選用了R143a，模擬研究了高低溫級參數(shù)對循環(huán)性能的影響．結果表明：高低溫級均存在最優(yōu)的蒸發(fā)壓力，高溫級冷凝壓力在允許范圍內(nèi)越低越好；高溫級采用MM較MDM和D4循環(huán)性能更好，循環(huán)凈功最高可以達到36.36,kW，損只有4.5,kW；各部分余熱的利用率均在86%以上；增加高低溫級的回熱效能均可以提高循環(huán)性能．

柴油機；多品位余熱；低損；跨臨界有機朗肯循環(huán)；聯(lián)合循環(huán)

隨著石油資源使用量的大幅度增長，內(nèi)燃機的節(jié)能問題受到越來越多的關注．從柴油機的熱平衡來看，用于動力輸出的能量只占燃油燃燒總能量的30%左右，大部分通過排氣、冷卻系統(tǒng)等以熱量形式耗散到大氣中[1-2]，余熱回收利用潛力巨大，研究表明采用基于有機朗肯循環(huán)(organic Rankine cycle，ORC)的蒸汽動力裝置回收柴油機余熱能量是能量回收的一種有效途徑．

柴油機余熱能呈現(xiàn)多種形式分布，具有多品位、大跨度溫差的明顯特點，各部分余熱能量所占比例也不同．這個特點是目前各部分余熱綜合利用率不高的制約因素．

目前的研究和技術無法同時對柴油機各部分余熱能進行綜合、高效地回收利用，而是對高品位熱能進行降級利用，或者只能對其中某一兩項進行回收．Chammas等[1]建立了一套利用冷卻水余熱進行預熱、利用排氣余熱進行蒸發(fā)的單級有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)，排氣余熱得到充分回收，但冷卻水余熱只回收了其可利用熱量的10%．Arias等[3]也研究了類似的系統(tǒng)，結果表明在可回收的2,014,W余熱能中，只有20,W來自冷卻水余熱．Teng等[4-5]建立了一套單級回收EGR和增壓空氣余熱的有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)，在充分回收EGR余熱時，增壓空氣余熱只回收了可利用熱量的43%．

為了提高多品位余熱的綜合利用效率，德國寶馬公司在3系汽車發(fā)動機上利用雙級耦合的有機朗肯循環(huán)對排氣和冷卻水余熱進行回收，工質(zhì)分別是水和乙醇[6-7]，發(fā)動機的燃油效率提高了15%，其研究表明利用雙級聯(lián)合循環(huán)是一條具有潛力的技術路線．然而，目前采用的雙級循環(huán)使用蒸汽朗肯循環(huán)作為高溫級，這使得系統(tǒng)效率低、損失較高并且裝置龐大，這使得寶馬公司在無法實現(xiàn)高效和縮減系統(tǒng)尺寸后逐漸放棄了上述雙級系統(tǒng)．

為充分、高效地利用柴油機各部分余熱，提高柴油機的整體效率，筆者提出了一種低損跨臨界有機朗肯聯(lián)合循環(huán)，其中高溫級循環(huán)用于回收溫度較高的柴油機排氣余熱和廢氣再循環(huán)(EGR)余熱，低溫級循環(huán)回收柴油機冷卻水余熱、增壓空氣余熱以及在高溫級循環(huán)利用后的排氣余熱和EGR余熱．該系統(tǒng)中，高低溫級均采用跨臨界循環(huán)，使得超臨界工質(zhì)與熱源之間有更好的熱匹配性，降低了換熱過程中的損失，提高能源轉化效率[8]．

1 系統(tǒng)介紹

圖1為跨臨界有機朗肯聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)示意，圖2為高低溫級循環(huán)溫熵曲線．本系統(tǒng)由高溫級循環(huán)(Rh)和低溫級循環(huán)(Rl)構成，由柴油機的排氣余熱(A1)、增壓中冷余熱(A2)、EGR余熱(A3)和冷卻水余熱(A4)給聯(lián)合有機朗肯循環(huán)提供熱量，由外接冷卻水(B1)提供冷量．

圖1 跨臨界有機朗肯聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of supercritical organic Rankine cycle system

具體工作原理如下所述．

在高溫級循環(huán)中，由高溫級工質(zhì)泵h5出來的高壓低溫流體首先進入回熱器h1，吸收來自高溫級工質(zhì)乏氣的部分熱量(對應圖2(a)中過程2—1)，然后進入高溫級排氣加熱器h2中，吸收排氣余熱(1—3)，接著進入高溫級EGR加熱器h3，吸收EGR余熱，形成高溫高壓的超臨界流體(3—3′)，然后進入聯(lián)合膨脹機c1膨脹做功(3′—4)，從膨脹機出來的低壓乏氣進入高溫級回熱器h1(4—6)，釋放熱量后進入高溫級冷凝器h4(即l4)，將熱量傳遞給低溫級流體，作為低溫級流體的預熱熱源，釋放熱量后的高溫級有機工質(zhì)被冷卻到飽和液體狀態(tài)(6—5)，然后進入高溫級工質(zhì)泵h5升壓(5—2)，完成高溫級循環(huán)．

在低溫級循環(huán)中，由低溫級工質(zhì)泵18出來的高壓低溫流體進入低溫級低溫段增壓中冷器10，吸收經(jīng)過一次換熱后的低溫段增壓中冷余熱(c—e)，然后進入低溫級回熱器11(e—r)，接著進入低溫級冷卻水加熱器12中，吸收柴油機冷卻水余熱(r—f)，再進入低溫級高溫段增壓中冷器13，吸收高溫段的增壓中冷余熱(f—j)，接著有機工質(zhì)進入高溫級冷凝器14(即h4)，吸收來自高溫級乏氣的熱量(j—g)，然后進入低溫級排氣加熱器15，與經(jīng)過高溫級循環(huán)換熱后的排氣進行換熱(g—a)，最后進入低溫級EGR加熱器16，與經(jīng)過高溫級循環(huán)換熱后的EGR進行換熱，形成高溫高壓的超臨界流體(a—k)．低溫級流體同樣進入聯(lián)合膨脹機c1做功(k—b)，從膨脹機出來的低壓乏氣進入低溫級回熱器11(b—i)，釋放熱量后進入低溫級冷凝器17，用水冷卻至飽和液狀態(tài)(i—d)，然后進入低溫級工質(zhì)泵18升壓(d—c)，完成低溫級循環(huán)．

2 工質(zhì)選擇

選擇合適的工質(zhì)對有機朗肯循環(huán)非常重要．通過對比多種有機工質(zhì)，選定做功能力較好的R143a作為低溫級朗肯循環(huán)的工作流體．而高溫級由于熱源溫度較高，需要選擇分解溫度較高的工質(zhì)，同時滿足臨界壓力低、臨界溫度高，容易實現(xiàn)跨臨界循環(huán)．硅氧烷類工質(zhì)目前被認為是適合的高溫型ORC工質(zhì)[9-10]．本文選擇、對比分析3種硅氧烷工質(zhì)，包括2種線狀硅氧烷MM(六甲基二硅氧烷，C6H18OSi2)、MDM(八甲基三硅氧烷，C8H24O2Si3)和1種環(huán)狀硅氧烷D4(八甲基環(huán)四硅氧烷，C8H24O4Si4)．

表1給出了所選工質(zhì)的部分物性參數(shù)．

表1 工質(zhì)物性參數(shù)Tab.1 Physical property parameters of working fluids

圖3為3種硅氧烷溫熵曲線．為方便比較，橫縱坐標分別無量綱化，其中縱坐標取各點溫度與臨界溫度的比值，橫坐標取各點熵值與臨界點熵值的比值．

3 熱力學模型

本文為簡化模型，做出如下假設[11]：①所有的換熱過程均為等壓過程；②忽略每個部件和管道的散熱和摩擦損失；③忽略流體的動能和勢能．

3.1 熱力學第一定律模型

有機朗肯循環(huán)過程中，膨脹機做功為

工質(zhì)泵耗功為

換熱器吸熱量為

冷凝器放熱量為

回熱器換熱量為

式中：W為示功值，kW；Q為示熱量，kW；mf為工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s；h為工質(zhì)的比焓，kJ/kg；tη為膨脹機等熵效率；pη為工質(zhì)泵等熵效率；下標t、p、h、c、r分別代表膨脹機、工質(zhì)泵、換熱器、冷凝器、回熱器，in、out分別代表各部件的入口和出口，s代表等熵情況，rh、rl分別代表回熱器中的高溫側和低溫側工質(zhì)．

本文選取的熱力學第一定律指標如下所述．

循環(huán)凈功

式中Qtotal為從熱源吸收的所有熱量．

3.2 熱力學第二定律模型

式中：mi為i點處的質(zhì)量流量；T0取環(huán)境溫度25,℃；hi、si、h0、s0分別為i點處的焓值、熵值和環(huán)境條件(25,℃，0.1,MPa)下的焓值、熵值．

選取的熱力學第二定律指標如下所述．

式中：Ii為各部件的損；Etotal為所有熱源以及冷源的變化量．

另外，本文選取的回熱參數(shù)——回熱效能[12]的定義為

3.3 模型驗證

為了驗證熱力學模型的準確性，對文獻[13]中的結果進行了驗證，使用苯作為工質(zhì)，并采用與文獻[13]相同的已知條件，分別對文獻中3種模型的計算結果進行了驗證．驗證結果如表2所示，結果顯示計算誤差均在5%以內(nèi)．產(chǎn)生誤差的原因主要是所用模擬軟件不同，文獻[13]是用Matlab建模耦合REFPROP數(shù)據(jù)庫，而本文使用EES軟件中自帶的工質(zhì)物性數(shù)據(jù)庫．產(chǎn)生的誤差在允許的精度內(nèi)，從而驗證了所用熱力學模型的有效性．

表2 模擬結果同文獻[13]的比較Tab.2 Comparison of the verification results with those of Ref.[13]

4 結果分析與討論

4.1 發(fā)動機參數(shù)

本文根據(jù)某6缸直列柴油機的性能試驗結果，確定了柴油機各部分余熱的溫度、壓力和流量，使用EES(engineering equation solver)編程計算．表3給出了柴油機在額定轉速下某工況的一些參數(shù)．另外，本文中選取的工質(zhì)泵等熵效率取0.8，膨脹機等熵效率取0.7．

4.2 變高溫級蒸發(fā)壓力

在該循環(huán)計算中，低溫級均采用R143a，高溫級分別采用3種硅氧烷工質(zhì)MM、MDM和D4，僅改變高溫級蒸發(fā)壓力，其他參數(shù)均不變：高溫級冷凝壓力取0.1,MPa，回熱器低溫側工質(zhì)溫升100,℃；低溫級蒸發(fā)壓力取4.5,MPa，冷凝溫度為35,℃，回熱器低溫側工質(zhì)溫升7,℃．圖4和圖5所示分別為不同高溫級蒸發(fā)壓力pmaxh下得到的循環(huán)凈功Wnet、熱效率ηth以及損I和效率ηex．

表3 柴油機試驗測量結果Tab.3 Test results of the diesel engine

圖5 不同高溫級蒸發(fā)壓力下MM、MDM和D4的火用損和火用效率Fig.5Effect of high-temperature-stage evaporating pressure on the exergy destruction and exergy efficiency of MM，MDM and D4

圖4 不同高溫級蒸發(fā)壓力下MM、MDM和D4的循環(huán)凈功和熱效率Fig.4 Effect of high-temperature-stage evaporating pressure on the net power and thermal efficiency of MM，MDM and D4

從圖4可以看出，隨著高溫級蒸發(fā)壓力增加，凈功和熱效率變化趨勢類似，總是先迅速增加后緩慢降低，也就是有一個最優(yōu)的高溫級蒸發(fā)壓力，MM的最優(yōu)值出現(xiàn)在9.5,MPa，MDM出現(xiàn)在5.75,MPa，D4出現(xiàn)在4.5,MPa．比較3種工質(zhì)的循環(huán)凈功和熱效率可以發(fā)現(xiàn)，MM最高，其次是MDM，D4最低．從圖5可見，隨著高溫級蒸發(fā)壓力增加，損先迅速減小后緩慢增加，效率和損變化趨勢相反，也存在一個最優(yōu)的高溫級蒸發(fā)壓力，出現(xiàn)的位置同凈功和熱效率的高溫級蒸發(fā)壓力最優(yōu)值一致．比較3種工質(zhì)，MM的損最低，效率最高，因此性能最佳，其次是MDM，D4最差．從3種工質(zhì)的T-s圖可以看出，相同條件下的循環(huán)曲線包圍的面積MM最大，D4最小，因此，MM的性能最好，而D4最差．

為分析余熱回收利用情況，本文中余熱利用率定義為

式中：Ths,in和Ths,out分別為熱源進入循環(huán)系統(tǒng)和最終離開系統(tǒng)的溫度；Ths,min為柴油機余熱熱源在實際情況下所允許的最低溫度，本文排氣和EGR取相應壓力下的露點溫度，分別為111,℃和138,℃，增壓空氣取中冷后最低溫度50,℃，冷卻水取柴油機入水溫度70,℃．計算結果如表4所示，高溫級蒸發(fā)壓力分別取各工質(zhì)的最優(yōu)值．由表4可見，各部分余熱利用率均較高，在86%以上．

表4 3種硅氧烷的余熱利用率Tab.4 Waste heat ratio of three siloxanes

4.3 變高溫級冷凝壓力

在該循環(huán)計算中，低溫級均采用R143a，高溫級分別采用3種硅氧烷工質(zhì)MM、MDM和D4，僅改變高溫級冷凝壓力，其他參數(shù)均不變：高溫級蒸發(fā)壓力取最優(yōu)高壓(MM：9.5,MPa，MDM：5.75,MPa，D4：4.5,MPa)，回熱器低溫側工質(zhì)溫升100,℃；低溫級蒸發(fā)壓力取4.5,MPa，冷凝溫度為35,℃，回熱器低溫側工質(zhì)溫升7,℃．圖6和圖7所示分別為不同高溫級冷凝壓力pcondh下得到的循環(huán)凈功、熱效率以及損和效率．

從圖6可以看出，隨著高溫級冷凝壓力增加，凈功和熱效率變化趨勢基本一致，總是不斷降低，且降低的趨勢逐漸減緩．由圖7可知，隨著高溫級冷凝壓力增加，損逐漸增加，且增加趨勢不斷減??；效率與損變化趨勢相反．比較3種工質(zhì)，MM的循環(huán)凈功和熱效率最高，損最低，效率最高，因此性能最佳，其次是MDM，D4最差．這也是由3種工質(zhì)的物性決定的，同樣可以從T-s圖中看出．

圖6 不同高溫級冷凝壓力下MM、MDM和D4的循環(huán)凈功和熱效率Fig.6Effect of high-temperature-stage condensing pressure on the net power and thermal efficiency of MM，MDM and D4

圖7 不同高溫級冷凝壓力下MM、MDM和D4的損和效率Fig.7Effect of high-temperature-stage condensing pressure on the exergy destruction and exergy efficiency of MM，MDM and D4

4.4 變低溫級蒸發(fā)壓力

在該循環(huán)計算中，低溫級均采用R143a，高溫級分別采用3種硅氧烷工質(zhì)MM、MDM和D4，僅改變低溫級蒸發(fā)壓力，其他參數(shù)均不變：高溫級蒸發(fā)壓力取最優(yōu)高壓(MM：9.5,MPa，MDM：5.75,MPa，D4：4.5,MPa)，冷凝壓力取0.1,MPa，回熱器低溫側工質(zhì)溫升100,℃；低溫級冷凝溫度為35,℃，無回熱器(因為隨著低溫級高壓增加，膨脹機出口溫度下降，將無法采用回熱)．圖8和圖9所示分別為不同低溫級蒸發(fā)壓力pmaxl下得到的循環(huán)凈功、熱效率以及損和效率．

MM的低溫級蒸發(fā)壓力取值范圍較小，這是由于MM在0.1,MPa時溫度較MDM和D4低，而低溫級工質(zhì)在高溫級冷凝器入口的溫度隨著pmaxl的減小而增加，因此低溫級蒸發(fā)壓力不能過小，否則高溫級冷凝器窄點會過?。畯膱D8可看出，存在一個最優(yōu)的低溫級蒸發(fā)壓力，凈功峰值出現(xiàn)在4.5,MPa，熱效率峰值出現(xiàn)在4.4,MPa．由圖9可知，MDM和D4損峰值出現(xiàn)在4.2,MPa，效率峰值出現(xiàn)在4.4,MPa，而MM由于取值范圍的限制，呈單調(diào)變化趨勢．比較3種工質(zhì)，仍然是MM性能最佳，其次是MDM，D4最差．

圖8 不同低溫級蒸發(fā)壓力下MM、MDM和D4的循環(huán)凈功和熱效率Fig.8 Effect of low-temperature-stage evaporating pressure on the net power and thermal efficiency of MM，MDM and D4

圖9 不同低溫級蒸發(fā)壓力下MM、MDM和D4的損和效率Fig.9 Effect of low-temperature-stage evaporating pressure on the exergy destruction and exergy efficiency of MM，MDM and D4

4.5 變回熱效能

在該循環(huán)計算中，高溫級選擇MM作工質(zhì)，高溫級蒸發(fā)壓力取MM的最優(yōu)高壓9.5,MPa，冷凝壓力取0.1,MPa；低溫級采用R143a，低溫級蒸發(fā)壓力取4.5,MPa，冷凝溫度為35,℃．圖10和圖11分別為高低溫級回熱效能εh、εl與循環(huán)凈功、熱效率以及損和效率的關系．

從圖10和圖11可以看出，比較3種不同εh下的曲線，εh越高，循環(huán)凈功、熱效率和效率越高，損越低．比較同一條曲線可以看出，隨著εl的增加，循環(huán)凈功、熱效率和效率越高，損越低．說明增加回熱可以提高循環(huán)性能，不管是高溫級還是低溫級回熱效能都是越高越好，但是εl不可太高，要保證回熱器一定的窄點溫差，而高溫級回熱器由于高低溫側工質(zhì)溫度相差懸殊，εh可以取到較高的值．其中，在εh=0.836,7時，循環(huán)凈功最高可以達到36.36,kW．

圖10 高低溫級回熱效能與循環(huán)凈功和熱效率的關系Fig.10Effect of high/low-temperature-stage regenerator efficiency on the net power and thermal efficiency

圖11 高低溫級回熱效能與損和效率的關系Fig.11Effect of high/low-temperature-stage regenerator efficiency on the exergy destruction and exergy efficiency

5 結 論

(1) 高低溫級循環(huán)均存在一個最優(yōu)蒸發(fā)壓力，不同工質(zhì)存在不同的最優(yōu)蒸發(fā)壓力，高溫級工質(zhì)MM、MDM和 D4分別為9.5,MPa、5.75,MPa、4.5,MPa，低溫級工質(zhì)R143a為4.5,MPa左右．高溫級冷凝壓力在允許的范圍內(nèi)越低越好．高低溫級提高回熱效能均可以提高循環(huán)性能．

(2) 高溫級采用MM比MDM和D4性能更好，循環(huán)凈功最高可以達到36.36,kW，使得柴油機整體功率可以提高6%，同時損只有4.5,kW．

(3) 各部分余熱利用率均較高，其中EGR和冷卻水余熱利用率100%，排氣余熱利用率93%，增壓空氣余熱利用率86%．

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(責任編輯：金順愛)

Simulation of a Transcritical Combined Organic Rankine Cycle with Low Exergy Destruction Used for Multiple Grades Waste Heat Recovery of Diesel Engine

Shu Gequn，Xu Xiaofei，Tian Hua，Jia Qi，Sun Xiuxiu，Liu Lina
(State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Diesel engine has multiple grades waste heat with large temperature difference. In order to improve the efficiency of waste heat recovery，a transcritical combined organic Rankine cycle with low exergy destruction is presented. High-temperature stage cycle recovers high grades waste heat including exhaust and exhaust gas recirculation(EGR)，while low-temperature stage cycle recovers low grades waste heat including cooling water，supercharged air，exhaust and EGR after rejecting heat at high-temperature stage cycle. Considering MM，MDM and D4as the working fluid for high-temperature stage cycle，and R143a for low-temperature stage cycle，the effect of cycle parameters is simulated and analyzed. The results show that both high- and low-temperature stage cycles have an optimal evaporating pressure，and high-temperature stage condensing pressure should be smaller within its allowable range. MM system has better performance than that using MDM and D4with maximum net power being 36.36,kW and the exergy destruction being 4.5,kW. Each grade of waste heat recovery ratio is above 86%. Increasing the regenerator efficiency of both the high- and low-temperature stage can improve cycle performance.

diesel engine；multiple grades waste heat；low exergy destruction；transcritical organic Rankine cycle；combined cycle

TK422

A

0493-2137(2014)01-0001-08

10.11784/tdxbz201305074

2013-06-04；

2013-09-03.

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2011CB707201)；國家自然科學基金資助項目(51206117)；天津市自然科學基金資助項目(12JCQNJC04400).

舒歌群（1964— ），男，博士，教授，sgq@tju.edu.cn.

田 華，thtju@tju.edu.cn.