基于天然气发动机排气余热回收系统的非共沸混合工质性能分析.pdf

第 3 期 总第 2 1 8期 2 0 1 5年 6月 车用发动机 VEH I CLE ENGI NE No． 3 Se r i a l No． 21 8 J u n ． 2 0 1 5 基 于天然气发 动机排气 余热 回收 系统 的 非共沸混合工质 性能分析 娄 宗勇 ，郭珍 。 ，宋松松 。 ，张 红光。 1 ．承德石 油高等专科学校汽车工程 系，河北 承德0 6 7 0 0 0 ； 2 ．中国北方发动机研 究所 天津 ，天津3 0 0 4 0 0 ； 3 ．北京 工业大学环境 与能源工程学院，北京 1 0 0 1 2 4 摘要 针对一 台车用天然气发动机排 气能量的 变化规律 ， 建立 了带回热 器有机 朗肯循环 系统 ， 对比分析 了采用 纯工质 R 2 4 5 f a 和非 共沸混合 工质 R 4 1 6 A时 ， 带回热器有机 朗肯循环 系统的净输 出功率 、 热效率 、 炯效率和 单位 工 质能量输 出密度 。结果表明， 采 用非共 沸混合 工质 R 4 1 6 A时上述各项性能指标均优 于采用纯工质 R 2 4 5 f a 。最后 ， 构建 了天 然气发动机一 带回热器有机朗肯循环联合 系统 ， 采 用非共沸 混合 工质 R 4 1 6 A， 分析 了联 合 系统的热效 率。 结果表 明， 加装带回热器有机 朗肯循环 系统后 ， 发动机热效 率最大可提 高 7 。 关键词 天然气发动机 ；余热回收 ； 有 机朗肯循 环 ； 非共沸混合工质 D O1 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 O O l _ 2 2 2 2 ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 1 0 中图分类 号 T K4 0 6 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 1 2 2 2 2 2 0 1 5 0 3 0 0 4 5 0 6 由于受 到 工作 原 理 和 结 构 的制 约 ， 天 然气 发 动 机的有效热效率都较低 ， 为 3 0 左右 ， 大部分燃料 燃烧 能 量通 过排 气 和 冷 却 水 释放 到大 气 中 ， 而其 中 排气余热能量品位较高 。因此 ， 如何有效 回收利用 这 部分 热量 ， 成 为节 能领 域研 究 的重要课 题 l l 。 目前 ， 采用有机朗肯循环装置回收 内燃机余热 成为研究热点l 3 。 。在工质选择方面 ， 非共沸混合 工 质在 蒸 发 和 冷 凝 相 变 时存 在 一 定 程 度 的 温 度 滑 移 ， 与 冷热 源间 有较好 的热 匹配 ， 因此 降低 了可用 能 的损 耗 ， 减小 了系 统 的 不 可逆 损 失 。但 是 国 内外 非 共沸混合工质的应用主要集 中在太 阳能 、 地热等领 域 l_ 】 ” ] ， 在 内燃 机余 热利 用方 面 的应用 研究 还很 少 。 本 研究 根 据发 动机试 验分 析 了 1台 6缸天 然气 发动机全工况范围内的排气余热能特性， 设计了一 套带 回热器 的有 机朗肯循 环系统 ， 对 比分 析 了非共沸 混 合工质 R 4 1 6 A 和纯 工 质 R 2 4 5 f a对 系 统 性 能 的 影 响。最终建 立 了车用 天然气 发动 机一 带 内部 回热器有 机朗肯循环联合系统 ， 并分析了联合系统的热效率。 1 天然气发动机排气余热 能特 性分析 研究对象为 1台增压中冷直列 6缸车用天然气 收稿 日期 基 金 项 目 作者简介 发动 机 ， 其 主 要 性 能 参 数 见 表 1 。通 过设 计 内燃 机 性 能试 验 ， 分析 天然 气 发 动 机 在 整个 工 况 范 围 内的 性能以及排气能量 的变化情况 。在试验测试 过程 中， 发 动机转 速 范 围为 8 0 0 2 2 0 0 r ／ mi n ， 转速 间 隔 为 2 0 0 r ／ mi n ， 在 每个 转 速 下测 试 1 1 个 不 同负 荷 工 况 点 。 表 1 天然气发动机 主要技术 参数 标定 功率／ k W 2 0 6 缸径／ ram 1 1 4 定功率转 2 2 O O 压缩 比 1 0 ．5 1 速／rmi n 排量 ／ I 8 ． 3 最大扭矩／ N r f l 1 0 5 0 行程 ／ ram 1 3 5 图 1示出天然气发动机的万有特性 。从 图 1可 以看 出 ， 随着转 速 和负荷 的增 大 ， 发 动 机的输 出功 率 逐渐增大 。在标定工况点处， 发动机功率达到最大 值 2 0 6 ． 9 k w 。在 发动 机 中转 速 、 中高 负 荷 区域 ， 发 动机 的有 效燃 气消 耗率 6 较 低 ， 燃 油 经 济性 较好 。 当发 动机 转速 为 1 4 0 0 r ／ mi n 、 扭 矩 为 1 0 5 0 N m 时 ， b 达到 最小 值 ， 为 1 9 9 g ／ k W h ， 在 发 动机 低 负荷区域 ， 燃气消耗率普遍 较高 ， 燃油经济性较差， 高转 速 时尤为 严重 。 2 O 1 4 1 2 - 2 4 ； 修 回 日期 2 0 1 5 - 0 3 2 0 国家 自然科学 基金资助项 目 5 1 3 7 6 0 1 1 ； 北京市教育委员会科技计划重点项 目 KZ 2 0 1 4 1 0 0 0 5 0 0 3 ； 承德市科学技术 研究与发 展计划科技支撑项 目 2 0 1 4 2 2 1 1 3 娄宗勇 1 9 8 1 一 ， 男 ， 硕 士， 主要研究方 向为内燃机排气余热利用技术 ； l o u z o n g y o n g l 1 2 1 2 6 ． c o rn。 2 0 1 5年 6月 娄宗勇 ，等 基于天然气发动机排气余 热回收系统的非共沸混合工质性能分析 ‘4 7 ’ 环 系统 见 图 5 。蒸 发 器 中 的有机 工 质 吸 收排 气 能 量后变成高温高压气体， 随后进入膨胀机做功， 做功 后 的乏气 进 入 回热器 与下 一循 环进 入 回热器 的有机 工 质进行 换 热 ， 换 热 后 的乏 气 经 过 冷 凝器 后 流 回储 液罐 ， 工质泵将有机工质从储液罐 中抽 出， 压缩成高 压液体 ， 高压液态有 机工质通过 回热器吸收上一循 环 乏气 的废 热后 进 入蒸 发器 吸收 天然 气发 动机 的排 气 能量 ， 至 此完 成一 个 工作循 环 。 图 5 天 然气 发动机排气余热 回收系统模 型 2 ． 2 工质 选择 通 过对 常 见 有 机纯 工 质 用 于 朗肯 循 环 的研 究 ， 发现 R 2 4 5 f a循 环 性 能 较 优 。 。 因 此 ， 本 研 究 以 R 2 4 5 f a为参 考 ， 从 现 有编 号 的制 冷 剂 中选 取 安 全性 和环境友好性较好的 R 4 1 6 A作为有机工质 ， 以此分 析天然气发动机余热回收系统 的性能。表 2和表 3 分别列 出非共沸混合工质 R 4 1 6 A 和纯工质 R 2 4 5 f a 的性 能参 数 。 表 2非共沸混合工质 R 4 1 6 A性能参数 组分 R1 3 4 a ／ R1 2 4 ／ R6 0 0 滑移温度／ K 1 ． 8 6 釜 质 o ． 5 9 ／ 0 ． 3 9 5 ／ 0 ． o 1 5 安 全 性 A l 量 分 数 ⋯⋯⋯⋯～ 临界温度／ K 3 8 0 ． 2 3 性 是 是 ／ 否 ～ 临界压力／ MP a 3 ． 9 8 流体类型 湿工质 表 3纯 工 质 R2 4 5 f a性 能 参 数 化学分子式 C HF 2 CH2 CF 。 安全性 B 1 临界温度／ K 4 2 7 ． 1 6 性 是 是 ／ 否 ～ 临界压力／ MP a 3 ． 6 5 1 流体类型 干工质 2 ． 3 带回热器有机朗肯循环系统热力学模型 图 6示 出两种 工 质 的温 熵 图。 图 中 ， 1 2过 程 表示 工质 泵 的实 际加 压过 程 ， 1 ～2 s 表 示 对 应 于 二1 2等熵加压过程 ， 2 3过程表示低温液态工质在 回 热器 内的预热过程 ， 3 4过程表示工质在蒸发器 内 的吸热蒸发过程 ， 4 5 过程表示气态工质在膨胀机 内的膨胀 过程 ， 4 5 s 表 示 对应 于 4 5等 熵 膨 胀 过 程 ， 5 6表示低压 过热气体 在 回热 器 内的放热 过 程 ， 6 1过程 表示 工质 在冷凝 器 内 的冷 凝 过程 。 a非共沸混合工质 R 4 1 6 A b纯工质 R 2 4 5 f a 图 6工质温熵 图 对应每一个工作过程 ， 基于热力学第一定律 和 热力学第二定律 ， 推导带回热器有机朗肯循环性能 参数的计算公式。 对应 1 2 ， 工质 泵 的耗功 为 。一 m h 。一 h 一 。 4 式中 为有机工质质量流量； 为工质泵等熵效率。 对应 2 3和 5 6 ， 回热器 中的换热量 由下式 计算 Q 一 m 3一 h 2 一 m 5一h 6 ， 5 e一 T 一 T ／ T 一 T 。 6 式 中 s 为 回热器 的有 效度 。 对应 3 4 ， 蒸发器吸收的热量 由下式计算 Q 一 m 4 一 h 3 。 7 对应 4 5 ， 膨胀机的输出功率 由下式计算 Ws m 4一 h 5 m 4一 h 5 。 8 式中 为膨胀机等熵效率 。 对应 6 1 ， 冷凝 器释 放 的热量 由下式 计算 Q 一 研 6 一 h 。 9 上述 公 式 中 h为 有 机 工 质 对 应 各 状 态 点 的 焓值 。 综 上 分 析 ， 可 以推 导 出带 回热 器 有 机 朗肯 循 环 系统的净输出功率、 系统热效率、 炯效率 W n W s W 。， 1 0 孙 ， 1 1 7 k x一 一 鬲 一。 1 2 Q 1 一 』 H 式 1 2 中的高温热源温度 T H由式 1 3 计算得到； TH T x h - ． 一 Te 札。 ／ I n T x h _ i ／ To 札。 。 1 3 式 中 T x h I i 为排气 在蒸发器进 口处 的温度 ， 可以通 过天然气发动机试验获得。 此外 ， 本研究还定义了单位工质能量输出密度 ， 5 O 车用发动机 2 0 1 5年第 3 期 [ 1 0 ] [ 1 1 ] [ 1 2 2 [ 1 3 ] Z 7 53 2 ／ 6 4． Tc h a n c h e B F， L a mb r i n o s G， F r a n g o u d a k i s A ， e t a 1 ． Lo w g r a d e he a t c o nv e r s i on i n t o po we r us i ng or g an i c R a n k i n e c y c l e s A r e v i e w o f v a r i o u s a p p l i c a t i o n s [ J ] ． Re ne wa bl e a nd Sus t a i n ab l e En e r g y Re vi e ws。 2 01 1， 1 5 8 3 96 3 397 9 ． 翟慧星， 安青松 ， 史琳． 低温地热有机 朗肯循 环混合 工 质设 计 初 探 [ J ] ．工程 热 物 理 学 报 ， 2 0 1 4 ， 3 5 8 1 49 8 1 5 02 ． 赵 力， 王晓 东， 张启． 非共沸工质 用于太阳能低 温 朗肯 循环 的 理 论 研 究 [ J ] ．太 阳 能 学 报 ， 2 0 0 9 ， 3 0 6 7 38 7 43． Yu G P， S h u G Q， Ti a n H， e t a 1 ． S i mu l a t i o n a n d t h e r 一 [ 1 4 ] [ 1 5 ] [ 1 6 ] mod yn a m i c a n a l y s i s o f a Cy c l e ORC o f d i e s e l 2 01 3， 5 1 2 81 29 0． b ot t o mi n g Or g a ni c Ra nki ne e n g i n e D E [ J ] ．E n e r g y ， 储 静 娴 ． 低 温 地 热 发 电 ORC 工质 与 系统 经 济 性 优 化 研 究[ D ] ． 天 津 天津大学 ， 2 0 0 9 ． W a n g E H ， Z h a n g H G， Fa n B Y， e t a 1 ．S t u d y o f wo r k i n g f l u i d s e l e c t i o n of or ga ni c Ran ki ne c yc l e O R C f o r e n g i n e w a s t e h e a t r e c o v e r y [ J ] ． E n e r g y ， 2O 11， 36 3 40 6 - 3 41 8． W a n g J L， Z h a o I ， W a n g X D． An e x p e r i me n t a l s t u d y o n t he r e c up e r a t i ve l ow t e mp e r a t u r e s o l a r Ra nk i n e c y c l e u s i n g R 2 4 5 f a [ J ] ． A p p l E n e r g ， 2 0 1 2 ， 9 4 3 4 4 o ． Pe r f o r ma n c e An a l y s i s o f No n a z e o t r o p i c M i x t u r e Ba s e d o n CNG Eng i ne W a s t e He a t Re c o v e r y S y s t e m I OU Zo ng y on g ，GU O Zhe n ，S ONG So ngs o ng ～，ZH ANG Hon g gu a ng 。 1 ．Aut omo t i v e En gi ne e r i ng De pa r t me nt ，Che n gde Pe t r ol e um Col l e g e，Che n gde 067 0 0 0，Chi na； 2 ．Ch i n a No r t h E n g i n e Re s e a r c h I n s t i t u t e Ti a n i i n ，Ti a n j i n 3 0 0 4 0 0，Ch i n a ； 3 ．Co l l e g e o f En v i r o n me n t a l a n d En e r g y En g i n e e r i n g，Be ij i n g Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ，B e i j i n g 1 0 0 1 2 4，Ch i n a Abs t r a c t A s e t o f o r g a n i c Ra n k i n e c y c l e ORCs y s t e m wi t h i n t e r n a l h e a t e x c h a n g e r I HEwa s d e s i g n e d t O r e c o v e r e x h a u s t e n e r g y o f a c o mp r e s s e d n a t u r a l g a s CNGe n g i n e ．Th e n e t o u t p u t p o we r ，h e a t r e l e a s e e f f i c i e n c y ，e x e r g y e f f i c i e n c y a n d e n e r g y O U t p u t d e n s i t y o f ORC s y s t e m f o r R2 4 5 f a a n d R4 1 6 A o r g a n i c wo r k i n g f l u i d s we r e c o mp a r e d a n d a n a l y z e d ． Th e r e s u l t s s h o w t h at t h e D e r f or ma nc e of R41 6A z e ot r op i c mi xt ur e s ur pa s s e s t ha t o f R2 45 f a ．Fi na l l y，t he CNG e n gi ne a n d ORC c omb i n e d s ys t e m wi t h I H E i s b u i l t a n d t h e t he r ma 1 e f f i c i e n c y o f R4 1 6 A n o n a z e o t r o p i c mi x t u r e i s a n a l y z e d ．I t i s f o u n d t h a t t h e t h e r ma l e f f i c i e n c y o f e n g i n e c a n i n c r e a s e b y 7 ％ a t mo s t ． Ke y wo r ds c o mp r e s s e d n a t u r a l g a s e n g i n e ；wa s t e h e a t r e c o v e r y；o r g a n i c Ra n k i n e c y c l e ；n o n - a z e o t r o p i c mi x t u r e r 编辑 袁 晓燕]