基于有机朗肯循环的废气发电技术的研究

图 5（b）为有机工质作为工作介质的温熵图，其中有机工质的做工 过程为 3-4，显然其做工膨胀过程趋向过热蒸汽区域，即：工质越膨 胀越干燥，在透平机械中膨胀做功而不会变为湿蒸汽。并且 3 状态点 是处于饱和蒸汽状态点，所以有机工质无需过热，这样有机工质就不 会对透平机械的叶片带来冲击或腐蚀的危害。
a) 有机工质沸点很低，极易产生高压蒸汽。
b) 有机工质的蒸发潜热比水小很多，因此中低温情况下热回收率高。
c) 有机工质的冷凝压力接近或稍大于大气压，工质泄露可能性小，无需复 真空系统。
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d) 有机工质凝固点很低(低于-73℃)，这就允许它在较中低温度下仍能释放 出能量。
这样做，在寒冷天气可增加出力，冷凝器也不需要增加防冻设施。 e) 由于有机工质本
有机工质和水作为工作介质的优势对比
虽然使用补汽轮机和闪蒸技术的以及优化整个系统用热方式，以水为工质的余热利用 系统效率可提高 20~30%左右，目前可达到 38~42kWh/，但基于水本身特性，在中低 温条件下，其余热回收效率不可能再有很大的提升。相比较水作为工质，使用有机工 质的主要优势可以归纳为：
第二章 朗肯循环热力学计算和理论分析
1.水和有机工质作为工作介质的比较 图 5（a）是水作为工作介质的温熵图，其中的 3-4s 为理想做功过程，3-4
为实际做功过程，可以看出水做工质时，膨胀过程是趋向湿蒸汽区域的，如 果余热温度不高的情况下，3 状态点温度很难提高，其做功曲线就会与干湿 蒸汽分界线相交而使得 4 状态点处于湿蒸汽区域内。这样就必须采取再热或 者抽气闪蒸等技术手段来防止做功完毕过热蒸汽变成湿蒸汽，使得发电的成 本和工艺的复杂性提高。
程与热源的配合紧密，换热平均温差小，而使其换热不可逆损失降低。
3.理想状态朗肯循环主要过程
理想状态朗肯循环主要包括以下 4 个过程：其中，3-4 过程表示工质在工质泵中的等 熵压缩过程；4-1 过程表示工质在蒸发器中的等压加热过程；1-2 过程表示工质在膨胀
机械中的等熵膨胀过程；2-3 过程表示工质在冷凝器中的等压放热过程。
1.目前主流的余热利用方法简介
①温差发电是基于热电材料的塞贝克效应发展起来的一种发电技术。塞贝克效应，指 当在半导体材料的两端存在温度差而产生电动势的现象，其原理表述如下：在 A、B 两种导体连接而成的闭合回路中，如果两个结点存在温度差(T1 ≠ T 2)，就有电动势产 生，这种电动势被称为赛贝克电动势或温差电动势。
身的特性，系统的工作压力低，约 1.5MPa，管道工艺要
求低。
f) 有机工质基本都是等熵工质或干流体，无需过热处理，不会在有水滴在高速情况下 对透平机械的叶片造成冲击损害，也不会腐蚀透平机械。
2.采用混合工质优点
为了使工质温度变化趋势更贴近余热源，减少换热不可逆损失，有机朗肯循环 还可以采用混合工，利用混合工质的非共沸特性：其相变时存在明显的温度滑 移，如图 6（b）中所示，蒸发曲线 3-4为向右上倾斜的斜线，而不是单一纯 工质状态下的斜率为 0 的水平线（图 6（a）），因此工质的等温蒸发吸热过
② 余热制冷空调即利用发动机排气废热作为车用制冷空调的驱动热源，是当前车用 制冷空调技术主要的发展方向，同时也具有很高的实用价值。其工作原理是：吸附剂 对某种制冷剂具有吸附作用。吸附能力随吸附温度的不同而不同。周期性地冷却和加 热吸附剂，使之交替吸附和解吸。吸附时，制冷剂液体蒸发，产生制冷作用；解吸时， 释放出制冷剂气体，并使之凝为液体。
4.理想状态下朗肯循环的具体运行过程如下：
（1）等压加热：过冷态工质在工质泵的作用下流入蒸发器，恒压条件下与废气热源进 行热量交换。在此过程中工质经历了预热，蒸发，过热三个阶段，对应图中 4-1 过程。 在蒸发器中，工质吸收热量最终成为过热蒸汽。

基本概念的介绍
熵：在热力学中是一个状态参数，是可逆过程中作为传热的的标志，有s表 示。具有下列性质：ds>0,表示热力系统吸热；ds<0 ，表示热力系统放热； ds=0，表示热力系统与外界无热量交换。
焓：是一个热力学系统中的能量参数。工质在循环中发生热量交换或做功， 那么工质在不同的位置所蕴含的能量是不同的，故用焓来衡量其蕴含的能量 多少。
㶲：热力系由任意状态下可逆变化到给定的环境相平衡的状态时所能做的最 大有用功，㶲代表了系统做功的能力。
火无：对立于㶲，表示能量中不能转化为机械能的部分。
第一章 绪论
从上表中可以看出，发动机对外输出的有用功只占燃料燃烧总能量的三分 之一左右；这就意味着三分之二的能量通过排气、冷却水、润滑油等途径 散失掉。其中排气散失的能量所占的比例较大，且研究表明高温排气能量 品质较高， 能将汽车尾气能量转换为机械能、电能并用于发动机的动力输 出，可以有效减少燃油消耗率，从而在一定程度上提高能源利用效率，达 到节约能源的目的。
③废气涡轮增压技术
④朗肯循环余热利用技术
2.目前几种主要的余热利用方式比较
3.余热利用实例
宝马双循环系统
双循环指的是由以水为工质的高温朗肯循环和以乙醇为工质的的低温朗肯循 环组成，这样可达到对废气余能实现极大化回收利用的目的。在系统的高温 循环中，工质水进入蒸发器然后通过过热器，工质水吸收废气余热最终变成 过热状态的蒸汽，高温高压的水蒸气再通过高温膨胀机械实现对外输出做功， 做功后的乏气进入高温冷凝器实现自身的冷凝的同时，将热量传递给低温循 环，冷凝后的工质水再通过工质泵返回高温蒸发器，开始下一次循环；低温 循环的工作过程与高温循环相类似。在该套系统中，在排气废热与双循环工 质的进行热量交换的同时，低温循环对高温循环的工质的潜热进行了回收利
用，有效地提高了废气余热的回收效率。
安装双循环系统的效果
图1.8是加装和不加装余热回收系统下发动机排气管各点处的排气温度：发动机初始排 气温度很高，可达到 700～800℃，相差不大；而加装余热回收系统使得发动机排到环 境中的废气温度发生了明显的变化，由 400℃左右下降为 100℃左右，这说明双循环余 热回收系统可以有效地回收发动机废气余热。