发动机两级有机朗肯循环尾气余热回收系统的研究_杨富斌

（ ） １ ６
）工质在蒸发器中等压加热过程 （ ） ６—１ １ 液态有机工质在蒸发器中被发动机尾气余热加 热成饱和蒸气 ， 忽略蒸发器的换热损失 ， 有机工质吸 收的热量与发动机尾气释放的热量相等 。 换热量 ： ｐ ） Ｑｚ ｍｇ（ ｃ ｔ ｔ ｈ １ ０ ＝ １ ＝ｍ ｗ １－ ｗ ２） １ －ｈ ６ ）。 （ ｐ（ 式中 ： ｃ ｍｐ 为发动机尾气质量流量 ； ｐ 为发动机尾气 比定压热容 ； ｔ ｗ １ 为发机尾气在蒸发器进口处温 度； ｔ ｍｇ 为循 ｗ ２ 为发动机尾气在蒸发器出口处温度 ； 环工质质量流 量 ； ｈ １ 为 工 质 在 蒸 发 器 出 口 处 焓 值；
［］ ２］ 。Ｍ 的研究热点 ［ ａ ｏ等 ３ 对 内 燃 机—有 机 朗 肯 循 ｇ
环联合动力系统进 行 了 研 究 ， 认为通过有机朗肯循 环系统 可 使 内 燃 机 的 热 效 率 和 究， 西安交通大学的何茂刚等
［ ４］
效率提高１ ０％ 左 针对汽车发动机排
图 １ 基本有机朗肯循环系统示意
第 ５期（ 总第 ２ ０ ８期） ２ ０ １ ３年１ ０月
车 用 发 动 机 Ｖ ＥＨ Ｉ Ｃ Ｌ Ｅ Ｅ ＮＧ Ｉ Ｎ Ｅ
（ ） Ｓ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ Ｎ ｏ ． ２ ０ ８ Ｎ ｏ ． ５ Ｏ ｃ ｔ ． ２ ０ １ ３
发动机两级有机朗肯循环尾气余热回收系统的研究
杨富斌１ ，董小瑞１ ，王 震１ ，杨 凯２ ，张 健２ ，张红光２
ηⅡ ＝
Ｗｎ
（
）
损失 ， 则换热量为 ｐ ） Ｑｚ ｍｇ（ ｃ ｔ ｔ ｈ １ ３ ＝ ２ ＝ｍ ｗ ２－ ｗ ３） ３ －ｈ ２ ）。 （ ｐ（ 式中 ： ｔ ｈ ｗ ３ 为发动机尾气在再热器出口处温度 ； ３ 为 工质在再热器出口处焓值 。 ）过热蒸气 在 单 螺 杆 膨 胀 机 Ⅱ 中 实 际 膨 胀 过 ４ ） 程（ ３—４ 单螺杆膨胀机 Ⅱ 等熵效率 ：
ｍ ２ 为单螺杆膨胀机 Ⅱ 机械效率 。 η ）等压冷凝过程 （ ） ５ ４—５ 忽略 冷 凝 器 的 换 热 损 失 ， 有机工质释放热量与
则换热量为 冷却水吸收热量相等 ， Ｑｎ ＝ ｍｇ（ ｈ ４ －ｈ ５ ）。 式中 ： ｈ ５ 为工质在冷凝器出口处焓值 。
图 ４ 两级有机朗肯循环系统温熵图
图 ２ 两级有机朗肯循环系统示意
１． ３ 循环系统膨胀机和有机工质的选择 系统中的动力输出装置采用自行研制的单螺杆
６］ 。 单螺杆膨胀机克服了传统蒸汽轮机和燃 膨胀机 ［
气轮机功率不能太小的缺陷 ， 对进气要求不高 ， 可以 饱 和 蒸 气、 气 液 两 相 和 热 液。因 此， 单 是过 热 蒸 气 、 螺杆膨胀机在低品位热能回收中具有独特的优势 。 有机工质的选取对于循环系统的热力学性能起 着重要作用 。 在满 足 环 保 要 求 的 条 件 下 ， 还应使系
７］ 。本 研 究 所 选 择 的 统 效 率 更 高、 工 作 更 稳 定［
ｈ ４ 为工质在蒸发器进口处焓值 。 ）实际膨胀过程 （ ） ２ １—２
单螺杆膨胀机等熵效率为
ｈ １ －ｈ ２ ； ｓ ＝ η ｈ １ －ｈ ２ ｓ
（ ） ２
Ｒ ２ ４ ５ ｆ ａ能够很好 地 满 足 这 些 要 求 。Ｒ ２ ４ ５ ｆ ａ部 分 特 性见表 １。
图 ３ 基本有机朗肯循环温熵图
）等压吸热过程 （ ） ４—１ １ 液态有机工质在蒸发器中被发动机尾气余热加 热成饱和蒸气 ， 忽略蒸发器的换热损失 ， 有机工质吸 收的热量与发动机尾气释放的热量相等 。 换热量的 计算公式为 （ ） Ｑｚ ＝ ｍｐ ｃ ｔ ｔ ｍｇ（ ｈ １ ＝ ｗ １－ ｗ ２） １ －ｈ ４ ）。 ｐ（ 式中 ： ｃ ｍｐ 为发动机尾气质量流量 ； ｐ 为发动机尾气 比定压热容 ； ｔ ｗ １ 为发动机尾气在蒸发器进口处温 度； ｍｇ 为循 ｔ ｗ ２ 为发动机尾气在蒸发器出口处温度 ； 环工质质量流 量 ； ｈ １ 为 工 质 在 蒸 发 器 出 口 处 焓 值；
因此 ， 对发动机尾气 余 热 进 行 回 收 利 用 是 提 高 汽 车 节约能源的有效途径 。 发动机燃油利用率 、 发动机尾气 余 热 品 位 较 低 ， 能 量 回 收 困 难。 采 用低沸点的有机工质作为循环工质的有机朗肯循环 （ 可有效回收 低 品 位 的 中 低 温 热 源 ， 利用发动 Ｏ Ｒ Ｃ） 机尾气中的余热做功已成为发动机余热利用领域新
表 １ Ｒ ２ ４ ５ ｆ ａ特性
分子式 ·ｋ 分子质量／ ｋ ｍ ｏ ｌ ｇ 沸点／ Ｋ 临界温度／ Ｋ 临界压力／ＭＰ ａ 可燃性 毒性 臭氧层破坏潜能值 流体类型
－１
单螺杆膨胀机输出功率为 （ ） Ｗｐ ＝ ｍｇ（ ｈ ３ １ －ｈ ２） ｍ 。 η 式中 ： ｈ ２ 为工质 在 单 螺 杆 膨 胀 机 出 口 处 实 际 焓 值 ； ｈ ２ ｓ 为工质在单 螺 杆 膨 胀 机 出 口 处 理 论 焓 值 ； ｍ 为 η 单螺杆膨胀机机械效率 。 ）等压冷凝过程 （ ） ３ ２—３ 在这个过程中 ， 忽略冷凝器的换热损失 ， 有机工 质释放热量与冷却水吸收热量相等 ， 换热量为 Ｑｎ ＝ ｍｇ（ ｈ ２ －ｈ ３ ）。 式中 ： ｈ ３ 为工质在冷凝器出口处焓值 。 ）等熵压缩过程 （ ） ４ ３—４ 工质泵消耗功率为 ／ （ ） Ｗｂ ＝ ｍｇ（ ｈ ５ ４ －ｈ ３） ｂ 。 η 式中 ： ｈ ４ 为工质在工质泵出口处焓值 ； ｂ 为工质泵 η 机械效率 。 系统净输出功率 ： Ｗｎ ＝ Ｗｐ － Ｗｂ ； 系统热效率 ： （ ） ６ （ ） ４
［ ５］
被送到 低沸点液态有 机 工 质 经 工 质 泵 加 压 后 ， 。 蒸发器中 工质在蒸发器中吸收发动机尾气的热量 转变为高温高压蒸 气 ， 高温高压蒸气在单螺杆膨胀 机中膨胀并推动单 螺 杆 膨 胀 机 做 功 ， 做功后的乏气 经冷凝器冷凝为液体后 ， 被送回到泵中 ， 开始新一轮 的循环 。 １． ２ 两级有机朗肯循环系统 两级单螺杆膨胀机有机朗肯循环系统是在基本 有机朗肯循环系统的基础上增加了一级单螺杆膨胀 其系统结构见图 ２。 机和一个中间再热器 ， 经 工 质泵 加 压 后的 有 机工 质 被 送到 蒸 发 器 中， 在蒸发器中和发动机尾气进行热量交换后的有机工 质转变为饱和蒸气态 。 饱和蒸气在第 Ⅰ 级单螺杆膨
（ ） 中北大学机电工程学院 ，山西 太原 ０ 北京工业大学环境与能源工程学院 ，北京 １ １． ３ ０ ０ ５ １； ２． ０ ０ １ ２ ４ 设计了两级有机朗肯循环（ 尾 气 余 热 回 收 系 统， 采用单螺 Ｏ Ｒ Ｃ） 摘要 ：针对汽车发动机排出尾气余热的 特 点 ， 杆膨胀机输出动力 。 以 Ｒ 在不同的蒸发温度和膨胀 比 条 件 下 ， 对两级有机朗肯循环系统和基 ２ ４ ５ ｆ ａ作为循环工质 ， 本有机朗肯循环系统的热力性能进行了分析和比较 。 研 究结果表明 ， 两级有机朗 肯 循 环 系 统 具 有 更 高 的 热 效 率 和 效率 ， 且 损率更低 ， 对 于 发动机尾气余热的回收 效果更好 。 关键词 ：发动机 ；余热回收 ；单螺杆膨胀机 ；有机朗肯循环 ： ／ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０． ３ ９ ６ ９ ２ ２ ２ ２． ２ ０ １ ３． ０ ５． ０ ０ ６ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ － ｊ （ ） 中图分类号 ： Ｔ Ｋ ４ ２ ７ 文献标志码 ： Ｂ 文章编号 ： １ ０ ０ １ ２ ２ ２ ２ ２ ０ １ ３ ０ ５ ０ ０ ２ ７ ０ ６ － － －
。本 研 究 通 过 建 立 系 统 热 力 学 模 型， 采用
在不同 的 工 质 蒸 发 温 度 和 膨 Ｒ ２ ４ ５ ｆ ａ作为循环工质 ， 胀机膨胀比条件下 ， 对两级有机朗肯循环系统和基 本有机朗肯循环系统的热力性能进行了分析和比较。
１ 有机朗肯循环系统
１． １ 基本有机朗肯循环系统 基本 有 机 朗 肯 循 环 系 统 主 要 由 蒸 发 器 、 单螺杆
（ ） ７
·２ ９· ２ ０ １ ３年１ ０ 月 杨富斌 ，等 ：发动机两级有机朗肯循环尾气余热回收系统的研究
系统
效率 ：
气经再热器加热变为过热蒸气 。 忽略再热器的换热
（ ） ０ ０％ 。 ８ ×１ Ｔ ｌ Ｑｚ １－ Ｔｈ 式中 ： Ｔ Ｔｈ 为高温热源温度 。 ｌ 为低温热源温度 ； 系统总不可逆损失 ：
右 。 国内对 发 动 机 尾 气 余 热 利 用 也 进 行 了 相 关 研 气余热 、 冷却水 余 热 和 润 滑 油 余 热 的 特 点 ，提 出 了 一种新型的适用于车用发动机余热回收的热力循环 系统 。 北京工业 大 学 对 采 用 Ｒ ２ ４ ５ ｆ ａ作 为 循 环 工 质 回收柴油 机 尾 气 余 热 的 系 统 进 行 了 理 论 和 试 验 研 究
Ｃ Ｆ ＣＨ２ＣＨＦ ３ ２ １ ３ ４． ０ ５ ２ ８ ８． ２ ９ ４ ２ ７． １ ６ ３． ６ ５ １ 不可燃 低毒 ０ 干流体
２ 系统热力学模型
２． １ 基本有机朗肯循环系统热力学模型 图３ 示出基本有机朗肯循环系统温熵图， 循环 过程计算公式如下 。
Ｗｎ ０ ０％ ； ×１ ηⅠ ＝ Ｑｚ
·２ 车 用 发 动 机 ２ ８· ０ １ ３ 年第 ５ 期
胀机中膨胀做功 ， 膨胀至某一中间压力的乏气被全 部引出 ， 送入中间再 热 器 中 进 一 步 吸 收 由 蒸 发 器 出 来的发动机尾气的热量 。 乏气吸热后变为高温高压 蒸气推动第 Ⅱ 级单螺杆膨胀机做功 。 经过两级单螺 杆膨胀机后 ， 乏气进入冷凝器中冷凝为液体 。 之后 ， 回到工质泵中开始新一轮的循环 。
）等熵压缩过程 （ ） ６ ５—６ 工质泵消耗功率 ： ／ （ ） Ｗｂ ＝ ｍｇ（ ｈ １ ７ ６ －ｈ ５） ｂ ； η 式中 ： ｈ ６ 为工质在工质泵出口处焓值 ； ｂ 为工质泵 η 机械效率 。 系统净输出功率 ： ２ － Ｗｎ ＝ Ｗｐ Ｗｂ ； １ ＋ Ｗｐ 系统热效率 ： （ ） １ ８
ｈ ｈ １ －ｈ ４ ３ －ｈ ２ 。 Ｉ ＝ Ｔｅ ｍｇ － － Ｔｈ Ｔ ｌ 式中 ： Ｔｅ 为环境温度 。
（
）
（ ） ９
２． ２ 两级有机朗肯循环系统热力学模型 图４ 示出两级有机朗肯循环系统温熵图， 循环 过程计算公式如下 。
ｈ ３ －ｈ ４ ； （ ） １ ４ ｓ ２ ＝ η ｈ ３ －ｈ ４ ｓ 单螺杆膨胀机 Ⅱ 输出功率 ： ｇ（ （ ） Ｗｐ ｈ １ ５ ２ ＝ｍ ３ －ｈ ４） ｍ ２ 。 η 式中 ： ｈ ４ 为工质在单螺杆膨胀机Ⅱ出口处实际焓 值； ｈ ４ ｓ 为工质在单螺杆 膨 胀 机 Ⅱ 出 口 处 理 论 焓 值 ；
汽车的保有量越来 随着汽车工业 的 高 速 发 展 ， 汽车所消耗的能源也不断增加 。 同时 ， 由于汽 越大 ， 车发动机的能量利 用 率 很 低 ， 燃料燃烧所产生的热 量只有 ３ 其余的热量被排放到 ０％ 左右被有效利用 ，
１］ 。 在破坏环境的同时也造成了能源的浪费 ［ 大气中 ，
膨胀机 、 冷凝器 和 工 质 泵 四 部 分 组 成 。 本 研 究 所 提 出的基本有机朗肯循环系统见图 １。
；修回日期 ： ２ ０ １ ２ １ １ ３ ０ ２ ０ １ ３ ０ ３ ０ ４ 收稿日期 ： － － － －
） ；国家 “ ） 基金项目 ：国家 “ 八六三 ” 计划项目 （ 九七三 ” 计划项目 （ ２ ０ ０ ９ ＡＡ ０ ５ Ｚ ２ ０ ６ ２ ０ １ １ Ｃ Ｂ ７ ０ ７ ２ ０ ２ ， 作者简介 ：杨富斌 （ 男， 硕士 ， 主要研究方向为内燃机尾气余热利用技术 ； １ ９ ８ ８—） ａ ｎ ｆ ｕ ｂ ｉ ｎ ｎ ｕ ｃ ６ ３． ｃ ｏ ｍ。 ＠１ ｙ ｇ