婁宗勇， 郭珍， 宋松松,， 張紅光

(1. 承德石油高等專科學校汽車工程系， 河北 承德 067000；2. 中國北方發(fā)動機研究所(天津)， 天津 300400； 3. 北京工業(yè)大學環(huán)境與能源工程學院， 北京 100124)

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基于天然氣發(fā)動機排氣余熱回收系統(tǒng)的非共沸混合工質(zhì)性能分析

婁宗勇1， 郭珍2， 宋松松1,3， 張紅光3

(1. 承德石油高等?？茖W校汽車工程系， 河北 承德 067000；2. 中國北方發(fā)動機研究所(天津)， 天津 300400； 3. 北京工業(yè)大學環(huán)境與能源工程學院， 北京 100124)

天然氣發(fā)動機； 余熱回收； 有機朗肯循環(huán)； 非共沸混合工質(zhì)

由于受到工作原理和結(jié)構(gòu)的制約，天然氣發(fā)動機的有效熱效率都較低，為30%左右，大部分燃料燃燒能量通過排氣和冷卻水釋放到大氣中，而其中排氣余熱能量品位較高。因此，如何有效回收利用這部分熱量，成為節(jié)能領(lǐng)域研究的重要課題[1-2]。

目前，采用有機朗肯循環(huán)裝置回收內(nèi)燃機余熱成為研究熱點[3-10]。在工質(zhì)選擇方面，非共沸混合工質(zhì)在蒸發(fā)和冷凝相變時存在一定程度的溫度滑移，與冷熱源間有較好的熱匹配，因此降低了可用能的損耗，減小了系統(tǒng)的不可逆損失。但是國內(nèi)外非共沸混合工質(zhì)的應(yīng)用主要集中在太陽能、地熱等領(lǐng)域[11-12]，在內(nèi)燃機余熱利用方面的應(yīng)用研究還很少。

本研究根據(jù)發(fā)動機試驗分析了1臺6缸天然氣發(fā)動機全工況范圍內(nèi)的排氣余熱能特性，設(shè)計了一套帶回熱器的有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)，對比分析了非共沸混合工質(zhì)R416A和純工質(zhì)R245fa對系統(tǒng)性能的影響。最終建立了車用天然氣發(fā)動機-帶內(nèi)部回熱器有機朗肯循環(huán)聯(lián)合系統(tǒng)，并分析了聯(lián)合系統(tǒng)的熱效率。

1 天然氣發(fā)動機排氣余熱能特性分析

研究對象為1臺增壓中冷直列6缸車用天然氣發(fā)動機，其主要性能參數(shù)見表1。通過設(shè)計內(nèi)燃機性能試驗，分析天然氣發(fā)動機在整個工況范圍內(nèi)的性能以及排氣能量的變化情況。在試驗測試過程中，發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍為800～2 200 r/min，轉(zhuǎn)速間隔為200 r/min，在每個轉(zhuǎn)速下測試11個不同負荷工況點。

表1 天然氣發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

圖1示出天然氣發(fā)動機的萬有特性。從圖1可以看出，隨著轉(zhuǎn)速和負荷的增大，發(fā)動機的輸出功率逐漸增大。在標定工況點處，發(fā)動機功率達到最大值206.9 kW。在發(fā)動機中轉(zhuǎn)速、中高負荷區(qū)域，發(fā)動機的有效燃氣消耗率(be)較低，燃油經(jīng)濟性較好。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 400 r/min、扭矩為1 050 N·m時，be達到最小值，為199 g/(kW·h)，在發(fā)動機低負荷區(qū)域，燃氣消耗率普遍較高，燃油經(jīng)濟性較差，高轉(zhuǎn)速時尤為嚴重。

圖2示出天然氣發(fā)動機熱效率的變化。發(fā)動機熱效率的計算公式如下：

(1)

從圖2可以看出，隨著發(fā)動機負荷的增加，發(fā)動機熱效率逐漸增大。而隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加，發(fā)動機熱效率出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且在低負荷區(qū)域變化趨勢不明顯。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，扭矩達到最大時，發(fā)動機熱效率最大，為36.14%。

圖3示出天然氣發(fā)動機排氣溫度的變化。從圖3可以看出，排氣溫度主要集中在730～900 K范圍內(nèi)。發(fā)動機在低速低負荷區(qū)域排氣溫度較低，而在中高轉(zhuǎn)速中高負荷區(qū)域排氣溫度較高。

(2)

式中：hexh為排氣焓值。

圖4示出天然氣發(fā)動機排氣能量的MAP圖。從圖4可以看出，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷的增加，發(fā)動機排氣能量逐漸增加。在發(fā)動機標定工況點處，排氣能量最大，為303.5 kW。與圖1對比分析可以看出，在發(fā)動機全工況范圍內(nèi)，排氣能量始終大于發(fā)動機的有效輸出功率。因此，對該天然氣發(fā)動機排氣余熱能進行回收利用具有重要的意義。

蒸發(fā)器作為排氣與有機工質(zhì)進行熱交換的場所，在有機朗肯循環(huán)的實際運行過程中，并不能使有機工質(zhì)完全吸收發(fā)動機釋放出的排氣能量[13]。因此，在本研究中，排氣在蒸發(fā)器出口處的溫度Texh_out設(shè)定為378 K，排氣壓力為97.8 kPa，利用Refprop9.0軟件計算得到在該排氣溫度和壓力下的排氣焓值，然后根據(jù)式(3)即可計算得出可用排氣能量。

(3)

式中：hin為排氣在蒸發(fā)器進口處的焓值；hout為排氣在蒸發(fā)器出口處的焓值。

2 有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)

2.1 帶回熱器有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)

為了更好地實現(xiàn)對車用天然氣發(fā)動機排氣余熱能的高效利用，本研究設(shè)計了帶回熱器有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)(見圖5)。蒸發(fā)器中的有機工質(zhì)吸收排氣能量后變成高溫高壓氣體，隨后進入膨脹機做功，做功后的乏氣進入回熱器與下一循環(huán)進入回熱器的有機工質(zhì)進行換熱，換熱后的乏氣經(jīng)過冷凝器后流回儲液罐，工質(zhì)泵將有機工質(zhì)從儲液罐中抽出，壓縮成高壓液體，高壓液態(tài)有機工質(zhì)通過回熱器吸收上一循環(huán)乏氣的廢熱后進入蒸發(fā)器吸收天然氣發(fā)動機的排氣能量，至此完成一個工作循環(huán)。

2.2 工質(zhì)選擇

通過對常見有機純工質(zhì)用于朗肯循環(huán)的研究，發(fā)現(xiàn)R245fa循環(huán)性能較優(yōu)[14-16]。因此，本研究以R245fa為參考，從現(xiàn)有編號的制冷劑中選取安全性和環(huán)境友好性較好的R416A作為有機工質(zhì)，以此分析天然氣發(fā)動機余熱回收系統(tǒng)的性能。表2和表3分別列出非共沸混合工質(zhì)R416A和純工質(zhì)R245fa的性能參數(shù)。

表2 非共沸混合工質(zhì)R416A性能參數(shù)

表3 純工質(zhì)R245fa性能參數(shù)

2.3 帶回熱器有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)熱力學模型

圖6示出兩種工質(zhì)的溫熵圖。圖中，1—2過程表示工質(zhì)泵的實際加壓過程，1—2s表示對應(yīng)于1—2等熵加壓過程，2—3過程表示低溫液態(tài)工質(zhì)在回熱器內(nèi)的預(yù)熱過程，3—4過程表示工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)的吸熱蒸發(fā)過程，4—5過程表示氣態(tài)工質(zhì)在膨脹機內(nèi)的膨脹過程，4—5s表示對應(yīng)于4—5等熵膨脹過程，5—6表示低壓過熱氣體在回熱器內(nèi)的放熱過程，6—1過程表示工質(zhì)在冷凝器內(nèi)的冷凝過程。

對應(yīng)每一個工作過程，基于熱力學第一定律和熱力學第二定律，推導(dǎo)帶回熱器有機朗肯循環(huán)性能參數(shù)的計算公式。

對應(yīng)1—2，工質(zhì)泵的耗功為

(4)

對應(yīng)2—3和5—6，回熱器中的換熱量由下式計算：

(5)

ε=(T5-T6)/(T5-T2)。

(6)

式中：ε為回熱器的有效度。

對應(yīng)3—4，蒸發(fā)器吸收的熱量由下式計算：

為適應(yīng)改革后的執(zhí)業(yè)醫(yī)師考試，我國的高等醫(yī)學院校需進行相應(yīng)的教學改革，例如：藥理學、病理學及一些臨床學科已經(jīng)進行了相應(yīng)的教學改革[4-7]。組織學是一門重要的醫(yī)學基礎(chǔ)課程，與生理學、病理學等基礎(chǔ)課程有著千絲萬縷的聯(lián)系，雖然執(zhí)業(yè)醫(yī)師考試中沒有單列組織學，但執(zhí)業(yè)醫(yī)師考試題中卻有諸多與組織學密切相關(guān)的知識點，為了適應(yīng)執(zhí)業(yè)醫(yī)師考試改革的需要，在組織學教學中也進行了相應(yīng)的探索式改革，具體總結(jié)如下。

(7)

對應(yīng)4—5，膨脹機的輸出功率由下式計算：

(8)

式中：ηs為膨脹機等熵效率。

對應(yīng)6—1，冷凝器釋放的熱量由下式計算：

(9)

上述公式中h為有機工質(zhì)對應(yīng)各狀態(tài)點的焓值。

(10)

(11)

(12)

式(12)中的高溫熱源溫度TH由式(13)計算得到：

TH=(Texh_in-Texh_out)/ln(Texh_in/Texh_out)。

(13)

式中：Texh_in為排氣在蒸發(fā)器進口處的溫度，可以通過天然氣發(fā)動機試驗獲得。

此外，本研究還定義了單位工質(zhì)能量輸出密度，用于反映單位有機工質(zhì)的做功能力，計算公式如下：

(14)

3 結(jié)果與分析

3.1 邊界條件

為了對比分析兩種不同類型有機工質(zhì)對有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)性能的影響，本研究設(shè)定的計算邊界條件如下：

1) 蒸發(fā)器壓力設(shè)定為2.5 MPa；

2) 過熱度取30 K；低溫熱源溫度TL取293 K；

3) 工質(zhì)在冷凝器中放出熱量后變?yōu)轱柡鸵簯B(tài)；回熱器有效度取0.85；

4) 膨脹機和工質(zhì)泵的等熵效率取0.8；膨脹機膨脹比取4；

5) 在研究分析時，忽略各部件和管路中的壓力損失和熱損失。

3.2 結(jié)果分析

圖7示出采用兩種有機工質(zhì)時，帶回熱器有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)凈輸出功率隨天然氣發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷的變化。從圖7可以看出，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷的升高，兩種工質(zhì)的凈輸出功率均呈現(xiàn)增大的趨勢。在標定工況點處，非共沸混合工質(zhì)R416A和純工質(zhì)R245fa對應(yīng)的凈輸出功率分別為16.6 kW和16.0 kW。

此外，通過對比圖7a和圖7b可知，采用R416A的系統(tǒng)凈輸出功率均比相同等高線位置下采用R245fa的系統(tǒng)凈輸出功率大。這一結(jié)果表明在天然氣發(fā)動機相同工況下，采用非共沸混合工質(zhì)R416A的帶回熱器有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)具有更好的功率輸出特性。

表4列出兩種有機工質(zhì)在帶回熱器有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)中的計算結(jié)果。從表4可以看出：非共沸混合工質(zhì)R416A的系統(tǒng)熱效率和單位工質(zhì)能量輸出密度都高于純工質(zhì)R245fa。單位工質(zhì)能量輸出密度越高，表示當凈輸出功率相同時，系統(tǒng)所需有機工質(zhì)質(zhì)量流量越小，從而系統(tǒng)中有機工質(zhì)的充裝量也會減小，這樣不僅可以減小整個系統(tǒng)的質(zhì)量，還可以減小有機工質(zhì)的泄漏量。

表4 兩種有機工質(zhì)計算結(jié)果

另一方面，通過計算得出非共沸混合工質(zhì)R416A對應(yīng)的冷凝溫度要低于純工質(zhì)R245fa。冷凝溫度是影響有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)運行性能的關(guān)鍵因素之一，冷凝溫度較小有利于有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)運行性能的提升，但在實際工程中，冷凝溫度越低，對冷卻系統(tǒng)的要求越高。

通過上述對比分析可以看出，在天然氣發(fā)動機全工況范圍內(nèi)，非共沸混合工質(zhì)R416A的各項熱力學性能指標均優(yōu)于純工質(zhì)R245fa。因此，本研究采用R416A作為有機工質(zhì)，進一步評價天然氣發(fā)動機-帶回熱器有機朗肯循環(huán)聯(lián)合系統(tǒng)的熱效率，其計算公式如下：

(15)

圖9示出聯(lián)合系統(tǒng)熱效率變化情況。對比分析圖9和圖2可以看出，聯(lián)合系統(tǒng)熱效率和發(fā)動機熱效率的變化趨勢一致。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，扭矩達到最大值(1 050 N·m)時，非共沸混合工質(zhì)R416A對應(yīng)的聯(lián)合系統(tǒng)熱效率最大為38.67%，比原天然氣發(fā)動機熱效率提高7%。

4 結(jié)論

b) 當帶回熱器有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)采用非共沸混合工質(zhì)R416A時，其對應(yīng)的冷凝溫度低于純工質(zhì)R245fa的冷凝溫度；

c) 隨著天然氣發(fā)動機負荷的增加，天然氣發(fā)動機-帶回熱器有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)聯(lián)合系統(tǒng)熱效率逐漸增加，相比原天然氣發(fā)動機，熱效率最大可提高7%，因此有機朗肯循環(huán)在回收天然氣發(fā)動機排氣余熱方面潛力較大。

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[編輯： 袁曉燕]

Performance Analysis of Non-azeotropic Mixture Based on CNG Engine Waste Heat Recovery System

LOU Zongyong1, GUO Zhen2, SONG Songsong1,3, ZHANG Hongguang3

(1. Automotive Engineering Department, Chengde Petroleum College, Chengde 067000, China;2. China North Engine Research Institute(Tianjin), Tianjin 300400, China;3. College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

A set of organic Rankine cycle (ORC) system with internal heat exchanger (IHE) was designed to recover exhaust energy of a compressed natural gas (CNG) engine. The net output power, heat release efficiency, exergy efficiency and energy output density of ORC system for R245fa and R416A organic working fluids were compared and analyzed. The results show that the performance of R416A zeotropic mixture surpasses that of R245fa. Finally, the CNG engine and ORC combined system with IHE is built and the thermal efficiency of R416A non-azeotropic mixture is analyzed. It is found that the thermal efficiency of engine can increase by 7% at most.

compressed natural gas engine; waste heat recovery; organic Rankine cycle; non-azeotropic mixture

2014-12-24；

2015-03-20

國家自然科學基金資助項目(51376011)；北京市教育委員會科技計劃重點項目(KZ201410005003)；承德市科學技術(shù)研究與發(fā)展計劃科技支撐項目(201422113)

婁宗勇(1981—)，男，碩士，主要研究方向為內(nèi)燃機排氣余熱利用技術(shù)；louzongyong112@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.03.010

TK406

B

1001-2222(2015)03-0045-06