ORC活塞膨胀机 - 天津大学
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第 44 卷 第 8 期 2011 年 8 月
▋
天 津 大 学 学 报 Journal of Tianjin University
Vol.44 No.8 Aug. 2011
用于发动机余热回收的往复活塞式膨胀机热力学分析
冯黎明，高文志，秦 浩，谢必鲜
(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072) 摘 要：膨胀机是朗肯循环的核心做功部件，相对于涡轮膨胀机，往复活塞式膨胀机更适合于回收发动机废气余
收稿日期：2010-02-01；修回日期：2010-06-02.
技的进步使得利用朗肯循环回收发动机废气热量、 有 效地改善汽车运行总效率成为可能． 法国能源研究 [6] 中心的 Chammas 等 提出利用朗肯循环回收发动 机排气和冷却系统的废热推动涡轮机工作， 并与发动 机实现动力混合的设想， 同时开展了大量的理论与试 验研究工作， 对多种工质的工作效率进行了分析和评 价， 获得了一些具有理论参考价值的结论． AVL 动力 [1] 工程公司的 Teng 等 设计了一个回收大负荷柴油机 废热的超临界有机朗肯循环系统， 通过选取合适的工 作介质， 实现大功率柴油机与朗肯循环发动机的最佳 动力组合， 在改善燃料经济性和动力性方面发挥了巨 大潜力． 另外， Stobart 等[7]也对发动机废热利用的理 论和回收策略进行了深入的研究工作．
（a）结构示意
Fig.2
（b）温-熵图
图 2 往复活塞式膨胀机 p-V 曲线 p-V curves of reciprocating piston expander
Fig.1 Fig.1
图 1 理想朗肯循环系统结构示意和温-熵图 Structure of ideal Rankine cycle system and its T-s diagram
热，研究活塞式膨胀机的热力过程对于优化朗肯循环的效率有重要的参考价值．为此，建立了往复活塞式膨胀机的 热力过程计算模型，并计算分析了主要技术参数对膨胀机的性能影响规律．结果表明，进气压力和转速增大以及进 气门关闭时刻的推迟都会导致往复活塞式膨胀机输出功和质量流量的增大，但会导致卡诺循环完成效率的降低． 关键词：往复活塞式膨胀机；发动机；余热回收；朗肯循环 中图分类号：TK115 文献标志码：A 文章编号：0493-2137(2011)08-0665-06
′ − mout ′ m′ = min
(4) (5)
状态方程为
pV = mRT
式中 p 为缸内压力． 瞬时汽缸工作容积随曲轴转角的变化规律为
V= πD 2 ⎧ S S⎡ 1 π + ⎢(1 + ) − cos( ϕ) − ⎨ λ 4 ⎩ε −1 2 ⎣ 180
⎤⎫ π ⎪ 1 − λ 2 sin 2 ( ϕ) ⎥⎬ 180 ⎦ ⎭ λ ⎪ 1
1 朗肯循环
简单 的理想朗肯循环的结构如图 1(a) 所示 ， 图 1(b)是理想朗肯循环的 温-熵图． 朗肯循环包括如下 4 个工作过程： 定熵膨胀过程 1-2， 也是工质膨胀做功 过程； 定压冷凝过程 2-3， 工质经过冷凝器定压质的 冷凝到液态； 定熵压缩过程 3-4， 工质被泵定熵压缩； 工质通过加热器吸热由液态到饱 定压吸热过程 4-1， 和态再到过热态． 朗肯循环 根据 循环工质的 不 同分为使用有机工 质的有机朗肯循环和使用水的 蒸 汽朗肯循环． 有机
reciprocating piston expander is more suitable for waste heat recovery of engine. Studying the thermodynamic process of piston expander is helpful for optimizing the efficiency of Rankine cycle. The calculation model of the working process of reciprocating piston expander was established，and the impact of technical parameters on the performance of the expander was then analyzed. The results show that the increase of inlet pressure，rotational speed and valve opening degree can lead to increased power and mass flow rate of reciprocating piston expander，but meanwhile，the achievable Carnot efficiency will be reduced.
与理想循环相比， 活塞式膨胀机实际循环存在以 下 3 方面的损失． (1)不完全膨胀损失． 主要是由于膨胀结束时缸 内压力高于排气背压， 使得膨胀做功潜力不能充分发
2011 年 8 月
冯黎明等：用于发动机余热回收的往复活塞式膨胀机热力学分析
·667·
挥， 做功过程没有完全进行． (2) 进排气 损 失． 由于进排气过程存在 阻 力， 进 气过程活塞下行， 因此， 进排气过程都不可能在等压 状态下进行， 会存在一定损失． (3) 传 热 损 失． 在进气、 做功、 排气和 压缩 过程 中， 当工质通过汽缸时， 由于汽缸与环境之间存在温 差， 会产生传热损失． 图 2 中的实线为活塞式膨胀机实际工作循环 pV 图， 循环进气质量为 M， 排气后的残余蒸汽质量为 m， 则进气结束时汽缸内的质量为 M＋m． 将 活塞式膨胀机理想工作循环与实 际 工作循环 的 p-V 图放在一起(图 2 所示)， 是为了通过比较二者 的差别， 更好地分析活塞式膨胀机实际工作循环各部 分的损失， 其前提是理想循环与实际循环的工质循环 质量相等． 理想循环 BEFG 的循环进气量为 E 点工 质质量 M ＋ m ， 大于膨胀机实 际 循环的循环进气量 M， 因此通过比较二者之间的差别不能反映活塞式膨 胀机实际工作循环各部分的损失． 现考 虑 循环 CEFD ， C-E 为等 压 进气过程， E- F 为绝热等熵膨胀过程， F-D 为等压排气过程， D 时刻 排气门关， 缸内残余工质质量 m， 这样循环 CEFD 的 循环进气量与实际循环(图 2 实线所示)的循环进气 量相等． 下面分析循环 CEFD 是否为理想循环． 循环 CEFD 的输出功为
WCEFD = WC - E + WE - F − WF - D − WD -C =
焓． 将 式 (2) 分 解 ， 可以得到关于汽 缸 内 温 度 微 分的 能量方程为 1 RT ∂u ′ − hout mout ′ − um′) − (3) T ′ = [(Q′ + hin min V ′]/ m V ∂T 式中： T 为缸内温度； hin 和 hout 分别为流入汽缸和流 出汽缸工质的比焓； min 和 mout 分别为流入汽缸和流 出汽缸的工质质量； m 为缸内工质质量； R 为气体常 数； V 为缸内容积． 质量守恒方程为
Thermodynamic Analysis of Reciprocating Piston Expander Used to Recover Waste Heat of Engine
FENG Li-ming，GAO Wen-zhi，QIN Hao，XIE Bi-xian
(State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China) Abstract ： Expander is a key work component of Rankine cycle system. Compared with turbine expander ，
(6)
汽缸工作容积随曲轴转角的变化率为
dV π2 D 2 S = ⋅ dϕ 180
pC (VE − VC ) + ∫ pdV − pD (VF − VD ) − ∫ pdV =
E C
F
D
⎛ ⎞ π sin( 2ϕ ) ⎜ ⎟ π ⎞ λ 180 ⎜ sin ⎛ ⎟ (7) ϕ⎟+ ⎜ ⎜ ⎝ 180 ⎠ 2 ⎟ π 2 2 ϕ) ⎟ 1 − λ sin ( ⎜ 180 ⎠ ⎝
工质沸点低， 能够回收低温热源的热量， 但是采用有 机工质作为循环工质， 循环工质质量流量较大并且需 要的冷凝器也更大[7]； 水作为循环工质有更好的传热 性质， 而 且 成本 低廉 ， 补充 方 便 ， 有 很好 的热 稳 定 性． 发动机排气温度相对较高， 因此本文的研究采用 水作为循环工质．
2 活塞式膨胀机工作过程分析
Keywords：reciprocating piston expander；engine；waste heat recovery；Rankine cycle
汽车燃料燃烧所产生的能量中， 大约有 1/3 左右 被有效利用， 其余的能量被散失到大气中， 其中排气 散失的能量占 1/3 左右． 因此， 有效利用汽车废气能 量已成为实现汽车节能的一个有效途径， 并受到高度 重视． 世界几个著名的汽车公司和科研部门(如卡特 皮勒、 康明斯和 AVL 研究所等)纷纷开展了多种针对 发动机废热利用方面的研究工作[1-3]． 基于朗肯循环的发动机废气能量回收利用始于 20 世纪 70 年代第 1 次能源危机时期． 当时主要是以 水为工质通过涡轮回收废气能量， 可使发动机的总效 [4-5] 率提高 13.2% ． 但是， 由于控制系统的复杂性及发 动机、 冷凝器和换热器的结构体积问题， 有关发动机 废气能量利用技术的研究一度停止． 近年来， 随着科
膨胀机作为朗肯循环的核心做功部件， 对发动机 废热回收利用效率 影响很 大． 在大 型蒸 汽动力循环 中， 由于蒸汽流量大， 涡轮机可以有很高的热效 率． 但是， 当 蒸 汽流量 很 小时， 涡轮机的热效率 会非 常小， 设计制造小型高效的涡轮机也存在很大难度， 并 且 当 蒸 汽过热度 不足 时还 会 发生 蒸 汽中的 雾滴伤 害 涡轮机 叶片 的现 象 ． 通过回收发动机排气热量所 产生的蒸汽量较小， 往复活塞式膨胀机对小蒸汽流量 有较高的热效率， 且设计和结构比较简单[9]， 因此， 采 用往复式活塞膨胀机作为发动机排气废热回收膨胀 机 更 合适 [10] ． 因此本文 将 对往复式活塞 蒸 汽机的工 作过程进行较系统的计算与分析． 2.1 往复活塞式膨胀机的热力循环 理想朗肯循环所做的功可以 表示 为 图 1(b) 中 1、 2 两点的焓差． 理想的往复活塞式膨胀机是以 绝 热和 没 有余 隙 容积为假设条件的， 其理想工作循环通常表示为图 2 [5] 中的 BEFG 过程 ， B-E 为等压进气过程， 从 B 点开 始进气， B 点汽缸容积 VB 为 0， E 点进气终了． E-F 为绝热等熵膨胀过程， F-G 为定压排气过程， G 点为 排气终止点， 汽缸容积 VG 为 0．
基金项目：国家高技术研究发展计划(863 计划)资助项目(2009AA045103). 作者简介：冯黎明（1982— ） ，男，博士研究生，flm_2001@126.com. 通讯作者：高文志，gaowenzhi@tju.edu.cn.
·Байду номын сангаас66·
天
津
大
学
学
报
第 44 卷 第 8 期
涡轮膨胀机作为核心做功部件， 回收内燃机排气 废热能量时， 由于受到工质流量小的制约， 设计制造 上存在一定困难； 而往复活塞式膨胀机却适合小流 [8] 量、 小功率的情况 ． 我国关于活塞式膨胀机的研究 主要集中在空分和制冷领域， 对采用活塞式膨胀机回 收内燃机余热的研究还鲜见报道． 因此， 本文在对发 动机热平衡和朗肯循环进行简要介绍之后， 重点研究 用于内燃机排气热量回收的活塞式膨胀机的热力循 环过程， 分析主要技术参数对膨胀机的功率及效率的 影响规律， 并探讨活塞式膨胀机的控制策略， 得出的 结论对活塞式膨胀机的设计 乃至整 个朗肯循环系统 的设计具有一定的理论参考价值．
▋
天 津 大 学 学 报 Journal of Tianjin University
Vol.44 No.8 Aug. 2011
用于发动机余热回收的往复活塞式膨胀机热力学分析
冯黎明，高文志，秦 浩，谢必鲜
(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072) 摘 要：膨胀机是朗肯循环的核心做功部件，相对于涡轮膨胀机，往复活塞式膨胀机更适合于回收发动机废气余
收稿日期：2010-02-01；修回日期：2010-06-02.
技的进步使得利用朗肯循环回收发动机废气热量、 有 效地改善汽车运行总效率成为可能． 法国能源研究 [6] 中心的 Chammas 等 提出利用朗肯循环回收发动 机排气和冷却系统的废热推动涡轮机工作， 并与发动 机实现动力混合的设想， 同时开展了大量的理论与试 验研究工作， 对多种工质的工作效率进行了分析和评 价， 获得了一些具有理论参考价值的结论． AVL 动力 [1] 工程公司的 Teng 等 设计了一个回收大负荷柴油机 废热的超临界有机朗肯循环系统， 通过选取合适的工 作介质， 实现大功率柴油机与朗肯循环发动机的最佳 动力组合， 在改善燃料经济性和动力性方面发挥了巨 大潜力． 另外， Stobart 等[7]也对发动机废热利用的理 论和回收策略进行了深入的研究工作．
（a）结构示意
Fig.2
（b）温-熵图
图 2 往复活塞式膨胀机 p-V 曲线 p-V curves of reciprocating piston expander
Fig.1 Fig.1
图 1 理想朗肯循环系统结构示意和温-熵图 Structure of ideal Rankine cycle system and its T-s diagram
热，研究活塞式膨胀机的热力过程对于优化朗肯循环的效率有重要的参考价值．为此，建立了往复活塞式膨胀机的 热力过程计算模型，并计算分析了主要技术参数对膨胀机的性能影响规律．结果表明，进气压力和转速增大以及进 气门关闭时刻的推迟都会导致往复活塞式膨胀机输出功和质量流量的增大，但会导致卡诺循环完成效率的降低． 关键词：往复活塞式膨胀机；发动机；余热回收；朗肯循环 中图分类号：TK115 文献标志码：A 文章编号：0493-2137(2011)08-0665-06
′ − mout ′ m′ = min
(4) (5)
状态方程为
pV = mRT
式中 p 为缸内压力． 瞬时汽缸工作容积随曲轴转角的变化规律为
V= πD 2 ⎧ S S⎡ 1 π + ⎢(1 + ) − cos( ϕ) − ⎨ λ 4 ⎩ε −1 2 ⎣ 180
⎤⎫ π ⎪ 1 − λ 2 sin 2 ( ϕ) ⎥⎬ 180 ⎦ ⎭ λ ⎪ 1
1 朗肯循环
简单 的理想朗肯循环的结构如图 1(a) 所示 ， 图 1(b)是理想朗肯循环的 温-熵图． 朗肯循环包括如下 4 个工作过程： 定熵膨胀过程 1-2， 也是工质膨胀做功 过程； 定压冷凝过程 2-3， 工质经过冷凝器定压质的 冷凝到液态； 定熵压缩过程 3-4， 工质被泵定熵压缩； 工质通过加热器吸热由液态到饱 定压吸热过程 4-1， 和态再到过热态． 朗肯循环 根据 循环工质的 不 同分为使用有机工 质的有机朗肯循环和使用水的 蒸 汽朗肯循环． 有机
reciprocating piston expander is more suitable for waste heat recovery of engine. Studying the thermodynamic process of piston expander is helpful for optimizing the efficiency of Rankine cycle. The calculation model of the working process of reciprocating piston expander was established，and the impact of technical parameters on the performance of the expander was then analyzed. The results show that the increase of inlet pressure，rotational speed and valve opening degree can lead to increased power and mass flow rate of reciprocating piston expander，but meanwhile，the achievable Carnot efficiency will be reduced.
与理想循环相比， 活塞式膨胀机实际循环存在以 下 3 方面的损失． (1)不完全膨胀损失． 主要是由于膨胀结束时缸 内压力高于排气背压， 使得膨胀做功潜力不能充分发
2011 年 8 月
冯黎明等：用于发动机余热回收的往复活塞式膨胀机热力学分析
·667·
挥， 做功过程没有完全进行． (2) 进排气 损 失． 由于进排气过程存在 阻 力， 进 气过程活塞下行， 因此， 进排气过程都不可能在等压 状态下进行， 会存在一定损失． (3) 传 热 损 失． 在进气、 做功、 排气和 压缩 过程 中， 当工质通过汽缸时， 由于汽缸与环境之间存在温 差， 会产生传热损失． 图 2 中的实线为活塞式膨胀机实际工作循环 pV 图， 循环进气质量为 M， 排气后的残余蒸汽质量为 m， 则进气结束时汽缸内的质量为 M＋m． 将 活塞式膨胀机理想工作循环与实 际 工作循环 的 p-V 图放在一起(图 2 所示)， 是为了通过比较二者 的差别， 更好地分析活塞式膨胀机实际工作循环各部 分的损失， 其前提是理想循环与实际循环的工质循环 质量相等． 理想循环 BEFG 的循环进气量为 E 点工 质质量 M ＋ m ， 大于膨胀机实 际 循环的循环进气量 M， 因此通过比较二者之间的差别不能反映活塞式膨 胀机实际工作循环各部分的损失． 现考 虑 循环 CEFD ， C-E 为等 压 进气过程， E- F 为绝热等熵膨胀过程， F-D 为等压排气过程， D 时刻 排气门关， 缸内残余工质质量 m， 这样循环 CEFD 的 循环进气量与实际循环(图 2 实线所示)的循环进气 量相等． 下面分析循环 CEFD 是否为理想循环． 循环 CEFD 的输出功为
WCEFD = WC - E + WE - F − WF - D − WD -C =
焓． 将 式 (2) 分 解 ， 可以得到关于汽 缸 内 温 度 微 分的 能量方程为 1 RT ∂u ′ − hout mout ′ − um′) − (3) T ′ = [(Q′ + hin min V ′]/ m V ∂T 式中： T 为缸内温度； hin 和 hout 分别为流入汽缸和流 出汽缸工质的比焓； min 和 mout 分别为流入汽缸和流 出汽缸的工质质量； m 为缸内工质质量； R 为气体常 数； V 为缸内容积． 质量守恒方程为
Thermodynamic Analysis of Reciprocating Piston Expander Used to Recover Waste Heat of Engine
FENG Li-ming，GAO Wen-zhi，QIN Hao，XIE Bi-xian
(State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China) Abstract ： Expander is a key work component of Rankine cycle system. Compared with turbine expander ，
(6)
汽缸工作容积随曲轴转角的变化率为
dV π2 D 2 S = ⋅ dϕ 180
pC (VE − VC ) + ∫ pdV − pD (VF − VD ) − ∫ pdV =
E C
F
D
⎛ ⎞ π sin( 2ϕ ) ⎜ ⎟ π ⎞ λ 180 ⎜ sin ⎛ ⎟ (7) ϕ⎟+ ⎜ ⎜ ⎝ 180 ⎠ 2 ⎟ π 2 2 ϕ) ⎟ 1 − λ sin ( ⎜ 180 ⎠ ⎝
工质沸点低， 能够回收低温热源的热量， 但是采用有 机工质作为循环工质， 循环工质质量流量较大并且需 要的冷凝器也更大[7]； 水作为循环工质有更好的传热 性质， 而 且 成本 低廉 ， 补充 方 便 ， 有 很好 的热 稳 定 性． 发动机排气温度相对较高， 因此本文的研究采用 水作为循环工质．
2 活塞式膨胀机工作过程分析
Keywords：reciprocating piston expander；engine；waste heat recovery；Rankine cycle
汽车燃料燃烧所产生的能量中， 大约有 1/3 左右 被有效利用， 其余的能量被散失到大气中， 其中排气 散失的能量占 1/3 左右． 因此， 有效利用汽车废气能 量已成为实现汽车节能的一个有效途径， 并受到高度 重视． 世界几个著名的汽车公司和科研部门(如卡特 皮勒、 康明斯和 AVL 研究所等)纷纷开展了多种针对 发动机废热利用方面的研究工作[1-3]． 基于朗肯循环的发动机废气能量回收利用始于 20 世纪 70 年代第 1 次能源危机时期． 当时主要是以 水为工质通过涡轮回收废气能量， 可使发动机的总效 [4-5] 率提高 13.2% ． 但是， 由于控制系统的复杂性及发 动机、 冷凝器和换热器的结构体积问题， 有关发动机 废气能量利用技术的研究一度停止． 近年来， 随着科
膨胀机作为朗肯循环的核心做功部件， 对发动机 废热回收利用效率 影响很 大． 在大 型蒸 汽动力循环 中， 由于蒸汽流量大， 涡轮机可以有很高的热效 率． 但是， 当 蒸 汽流量 很 小时， 涡轮机的热效率 会非 常小， 设计制造小型高效的涡轮机也存在很大难度， 并 且 当 蒸 汽过热度 不足 时还 会 发生 蒸 汽中的 雾滴伤 害 涡轮机 叶片 的现 象 ． 通过回收发动机排气热量所 产生的蒸汽量较小， 往复活塞式膨胀机对小蒸汽流量 有较高的热效率， 且设计和结构比较简单[9]， 因此， 采 用往复式活塞膨胀机作为发动机排气废热回收膨胀 机 更 合适 [10] ． 因此本文 将 对往复式活塞 蒸 汽机的工 作过程进行较系统的计算与分析． 2.1 往复活塞式膨胀机的热力循环 理想朗肯循环所做的功可以 表示 为 图 1(b) 中 1、 2 两点的焓差． 理想的往复活塞式膨胀机是以 绝 热和 没 有余 隙 容积为假设条件的， 其理想工作循环通常表示为图 2 [5] 中的 BEFG 过程 ， B-E 为等压进气过程， 从 B 点开 始进气， B 点汽缸容积 VB 为 0， E 点进气终了． E-F 为绝热等熵膨胀过程， F-G 为定压排气过程， G 点为 排气终止点， 汽缸容积 VG 为 0．
基金项目：国家高技术研究发展计划(863 计划)资助项目(2009AA045103). 作者简介：冯黎明（1982— ） ，男，博士研究生，flm_2001@126.com. 通讯作者：高文志，gaowenzhi@tju.edu.cn.
·Байду номын сангаас66·
天
津
大
学
学
报
第 44 卷 第 8 期
涡轮膨胀机作为核心做功部件， 回收内燃机排气 废热能量时， 由于受到工质流量小的制约， 设计制造 上存在一定困难； 而往复活塞式膨胀机却适合小流 [8] 量、 小功率的情况 ． 我国关于活塞式膨胀机的研究 主要集中在空分和制冷领域， 对采用活塞式膨胀机回 收内燃机余热的研究还鲜见报道． 因此， 本文在对发 动机热平衡和朗肯循环进行简要介绍之后， 重点研究 用于内燃机排气热量回收的活塞式膨胀机的热力循 环过程， 分析主要技术参数对膨胀机的功率及效率的 影响规律， 并探讨活塞式膨胀机的控制策略， 得出的 结论对活塞式膨胀机的设计 乃至整 个朗肯循环系统 的设计具有一定的理论参考价值．