h2015 No. 66Vol.66No.3 可变工况下车用柴油尾气热有机朗肯循环回收系统，宋松松1，2北京工业大学环境与能源工程学院，北京；承德石油学院汽车工程系，河北承德） 摘要：为回收车用柴油机余热，以纯工质为工质，设计了一套带蓄热器的有机朗肯循环系统。通过实验研究了车用柴油机在变工况下废气余热的变化规律，分析了带蓄热器的有机朗肯循环系统在不同工况下的运行性能，以及过热度对有机朗肯循环的影响。讨论了再生器。对系统性能的影响。根据车用柴油机与有机朗肯循环的组合系统，提出了余热回收效率、发动机热效率提高率、单位工质输出能量密度等三个评价指标。研究表明，带蓄热器的有机朗肯循环系统的净输出功率、余热回收效率和发动机热效率提升率分别可以达到43.74kW、14.93%、13.. @>58%。关键词：余热回收；有机朗肯循环；可变的工作条件；热力学过程；蒸发; 传热 DOI：10.11949/j.issn.0438-1157. 文献编号：A 货号：0438—1157 (2015）03—1097—,,,,China ; g,ege,,河北,中国): ..es,(WHRE),(ETEIR)(OEDWF),.

联系方式：**光。第一作者：**（1987-）柴油怎么算出密度来，男，博士研究生。基金项目：北京市自然科学基金项目（ ）；国家自然科学基金项目（ ）；北京市教委科技计划重点项目（KZ2)；教育部高等教育博士生专项科研基金项目（3C1).:2014-07-24.）： ,:(),(),(KZ2)(3C1)。内燃机不仅消耗大量石油资源，而且对环境造成严重污染。

内燃机气缸内燃料燃烧所释放的部分能量被废气和冷却介质带走浪费掉。因此，回收利用内燃机的余热能，可以提高内燃机的热效率，降低能耗，减少污染物排放[1-2]。有机朗肯循环（ORC）系统可以将中低温废热能转化为有用的功输出，在许多领域得到了广泛的研究和应用[3-9]。针对不同的应用领域，选择不同结构的有机朗肯循环系统或选择合适的有机工质，有助于提高能源利用效率[10-14]。最近几年，利用有机朗肯循环系统回收内燃机的余热能引起了研究人员的关注[15-18]虽然许多学者研究了利用有机朗肯循环系统回收内燃机的余热能。在内燃机方面，很少有学者考虑使用有机朗肯循环系统来回收内燃机的废热能。关于有机朗肯循环系统在内燃机变工况下的性能，很少有学者提出如何控制有机朗肯循环系统的运行参数，以实现余热能在全负荷范围内的高效回收利用。车辆内燃机的工作范围。车用柴油机-有机朗肯循环联合系统尚无有效的性能评价体系。本研究通过实验和理论计算分析了车用柴油机在变工况下的余热变化规律，并以余热为高温热源设计了带蓄热器的有机朗肯循环系统。根据车用柴油机与有机朗肯循环联合系统（以下简称联合系统），余热回收效率、发动机热效率提高率、单位工质输出能量密度等三个评价指标为建议的。讨论了朗肯循环系统运行性能的变化特点，

系统介绍1.1 系统描述为车用柴油机-有机朗肯循环联合系统的结构。组合系统主要由柴油机、蒸发器、膨胀机、再生器、冷凝器、储液罐和工质泵组成。有机工质储存在储液罐中。工质泵将有机工质加压后送至再生器。有机工质在蓄热器中预热后进入蒸发器。工质进行热交换，吸热后的有机工质变成高温高压气体，推动膨胀机做功。膨胀的有机工作流体进入再生器并将剩余的热量传递给液态有机工作流体。组合系统的结构 图 工质进入冷凝器，冷却成液态有机工质，回流至储存器。纯工作介质作为有机朗肯循环系统的工作介质[19-20]给出了纯工作介质的基本物理性质。该工作液被许多学者认为是一种理想的有机工作液。基本物理性质 表流体 /K CHF 427. /MPa ODP GWP () 3.651 9501.2 热力学模型是带有再生器的有机朗肯循环系统的温度熵图. 纯工作介质作为有机朗肯循环系统的工作介质[19-20]给出了纯工作介质的基本物理性质。该工作液被许多学者认为是一种理想的有机工作液。基本物理性质 表流体 /K CHF 427. /MPa ODP GWP () 3.651 9501.2 热力学模型是带有再生器的有机朗肯循环系统的温度熵图. 纯工作介质作为有机朗肯循环系统的工作介质[19-20]给出了纯工作介质的基本物理性质。该工作液被许多学者认为是一种理想的有机工作液。基本物理性质 表流体 /K CHF 427. /MPa ODP GWP () 3.651 9501.2 热力学模型是带有再生器的有机朗肯循环系统的温度熵图.

1-2为实际增压过程，1-2s为等熵增压过程，2-3为蓄热室工作液预热过程，3-4为等压吸热过程，4-5s为等熵膨胀过程柴油怎么算出密度来，4-5为实际膨胀过程，5-6为蓄热室有机工质放热过程，6-1为等压冷凝过程，T为蒸发器内柴油机排气放热过程。1、2s,2、3、4、5、5s,6为带式蓄热器有机朗肯循环系统的温度熵图 图2 Ts Yang Kai et al.：变工况下车用柴油机余热有机朗肯循环回收系统的各个状态点。带蓄热器的有机朗肯循环系统各过程的热交换和火用损失率计算公式如下。过程1-2 2s 过程2-3和过程5-6 蓄热器出气口工质温度，K；ε 是再生器的有效性。流程3-4高温热源温度，K。流程4-5膨胀机输出功率，kW；ηs 是膨胀机的等熵效率。过程 6-1 低温热源温度，K。 有机朗肯循环系统带蓄热器的净输出功率由公式 (12） (12)) 计算得出。联合系统的运行性能、余热回收效率（WHRE）、

低温热源温度等于300K，环境温度293℃。 柴油机排气热 车用柴油机通常在多变工况下运行，其排气热随工况而变化。为实现车用柴油机在变工况下余热的高效回收利用，有必要研究柴油机余热的变化规律。选择一个是该柴油机的基本技术参数。通过实验发现柴油机和柴油机的区别是不同的。工况下的排气温度、油耗率、进气量等，

当柴油机扭矩为1200 Nm，转速为2200 rmin时，最大可用排热可达293 kW。由表2可知，该柴油机额定功率为280kW，余热回收利用是有效的。有助于实现燃料的有效利用。图 3 柴油机最大可用排气热率 结果和分析研究表明，当柴油机扭矩大于 300 时，柴油机排气与有机工质之间的窄点温差通常出现在蒸发器的有机过程。在质量侧的入口，即T之间，如图2所示。当柴油机扭矩小于300时，柴油机排气与有机工质之间的窄点温差位置可能会发生变化，因此在下面的分析中不予讨论。柴油机扭矩小于300是具有蓄热器的有机朗肯循环系统在不同过热度柴油机不同工况下净输出功率的变化。

随着柴油机转速和扭矩的增加，带蓄热器的有机朗肯循环系统的净输出功率逐渐增加。这主要是因为随着柴油机转速和扭矩的增加，柴油机的最大可用排热增加。随着过热度的增加，带有再生器的有机朗肯循环系统的净输出功率增加。由于冷凝温度恒定，蒸发温度（膨胀机进口温度）随着过热度的增加而增加，因此净功率输出增加。当过热度为40 K，柴油机扭矩为1200 Nm，转速为2200 rmin时，带蓄热器的有机朗肯循环系统的净输出功率最大，约为43.74 kW。带蓄热器的有机朗肯循环系统的净输出功率 图4 净功率 废气余热随柴油机的运行条件而变化。为实现不同工况下废气余热的高效回收利用，应定期对有机朗肯循环系统的运行参数进行适当调整，即有机工质在不同工况下的质量流量变化。不同过热度的柴油机工况。当过热度相同时，随着柴油机转速和扭矩的增加，有机工质的质量流量逐渐增加。这主要受柴油机排气热量的影响。当柴油机在相同工况下运行时，随着过热度的增加，有机工质的质量流量逐渐减小。在此质量流量下，发动机在各工况下的排气热回收效率为最大值。

可以看出，当柴油机工况不变时，随着过热度的增加，带蓄热器的有机朗肯循环系统的净输出功率逐渐增大，而有机工质的质量流量逐渐减小。这说明随着过热度的增加，较小的有机工质质量流量可以输出较大的功率。图 6 显示了不同过热度下单位工质输出能量密度（OEDWF）的变化。随着过热度的增加，单位工质输出能量密度 杨凯等： law of cycle 1101 变工况下车用柴油机尾气余热有机工质流量 图 5 趋势率 单位工质 输出能量密度的变化规律 图6 趋势OEDWF 逐渐增大。较大的单位工质输出能量密度有助于减少有机朗肯循环系统中有机工质的充填量，可有效降低有机工质的潜在泄漏。由以上分析可知，当过热度为40时，蓄热器有机朗肯循环系统的单位工质净输出功率和输出能量密度均达到最大值，因此以下分析仅考虑过热度为40的情况。有机朗肯循环系统的热效率只能用来评价有机工质在蒸发器中吸收的热量的利用率，不能反映柴油机余热的回收利用。因此，提出了余热回收效率（WHRE）的评价指标。

图 7 为过热度为 40 时不同工况下柴油机余热回收效率的变化。柴油机转速相同时，随着柴油机扭矩的增加，余热回收效率提高。当柴油机输出功率小于185.6 kW时，随着柴油机转速的提高，余热回收效率的变化更为复杂；当柴油机输出功率大于185.6 kW时，随着柴油机转速的提高，余热回收效率逐渐提高。当柴油机扭矩为1200 Nm，转速为2200 rmin时，余热回收效率最大，约为14.93%。余热回收效率主要受柴油机尾气和带蓄热器的有机朗肯循环系统净输出功率的影响。为评价车用柴油机加装有机朗肯循环系统后热效率的提高程度，提出了发动机热效率提高率（ETEIR）的评价指标。图 8 显示了柴油机在过热度为 40 的可变工况下发动机热效率提高率的变化。当柴油机输出功率小于 185.6 kW 时，发动机热效率提高率的变化更为复杂；当柴油机输出功率大于185.6 kW时，随着柴油机扭矩和转速的增加，发动机热效率提高率逐渐提高。柴油机扭矩为 1200 Nm，转速为 2200 rmin 时，余热回收效率变化规律 图 7 趋势 发动机热效率提高率变化规律 图 8 趋势 1102 效率提高率为最大，约 13.58%。

发动机热效率的提高率主要受柴油机输出功率和带蓄热器的有机朗肯循环系统净输出功率的影响。是带有再生器的有机朗肯循环系统各组成部分的火用损失率在柴油机转速变化时的变化。随着柴油机扭矩的增大，各部分的火用损失率逐渐增大。柴油机扭矩相同时，各部件火用率降低的顺序为：蒸发器、膨胀器、冷凝器、蓄热器、工质泵。当柴油机扭矩较大时，蒸发器的火用损失率远大于其他四个部件。所以，蒸发器性能的提高有助于提高带有再生器的有机朗肯循环系统的性能。系统各组成部分的火用率变化 图9 趋势变化率(1） 在相同柴油机工况下，随着过热度的增加，有机朗肯循环系统的净输出功率和单位工质带蓄热器的输出能量密度逐渐增加；单位工质输出能量密度越大，有助于减少有机工质的潜在泄漏。(2）当柴油机扭矩为1200 Nm，转速为2200 rmin，将带回热量净输出功率，

(3）根据柴油机余热的变化规律，可调节有机工质的质量流量，实现全工况余热的高效回收利用（4）当柴油机的扭矩较大时，蒸发器的火用损失率远大于其他部件，因此蒸发器的设计和性能改进是影响有机朗肯循环系统性能的关键因素. 从使用壳, 2013, 61(2): 355-363 l, 2013, 102: 327-335 low-gas on cycle non of化学工业), 2013, 64(11): 3985-3991 es cycle , 2013, 59(1 /2): 435-444 ,2012, Off-solar-cycle ,2014, 80: 150 -157 气体, 2014, 65(1): 91-100 from - , 2014, 66: 461-467 [10] 刘强 on cycle ( of ), 2014, 65(2): 437-444 [11] Wang智奇多基循环（化工学报）, 2013, 64(5): 1710-1716 [12] - , power(CCHP) (ORCs), 2014, 16: 2433-2453 [13] 杨使用周期, 2014, 68: 25-34 [14] 张(陈清华). 周期(化工学报), 2013,64(3): 820-826 [15] 闫玉林(Yan Yulin) , 王(郭涛). 研究循环低/功率( of Solar ), 2013, 34(7): 1183-1189 [16] 谢下循环, 杨凯等: 有机朗肯循环回收系统变工况下车用柴油机尾气余热研究 1103, 2013, 112: 130-141 [17] 涂明（Tu Ming），李（李刚彦），胡健（Hu Jian）. y下的热量（农机学报） ,2014, 45(2): 1-5 [18] -l 循环热,2013, 63(15): 142-151 [19] 王循环 (ORC) 热, 2011, 36(< @5): 3406-2418 [20] Lakew low-, 2010, 30(10): 1262-1268@5): 142-151 [19] 王循环 (ORC) 热, 2011, 36 (5): 3406-2418 [20] Lakew low-, 2010, 30(10): 1262 -1268@5): 142-151 [19] 王循环 (ORC) 热, 2011 , 36(5): 3406-2418 [20] 莱克低-, 2010, 30(10): 1262 -1268@5): 3406-2418 [20] Lakew 低-, 2010, 30(10): 1262 -1268@5): 3406-2418 [20] Lakew 低-, 2010, 30(10): 1262 -1268