利用超临界有机朗肯双循环系统回收重型车用柴油机余热的研究

本项目针对重型车用柴油机，提出了利用超临界有机朗肯双循环系统回收其余热的方案。系统分别采用中、低温朗肯循环回收柴油机排气和冷却系统的不同能量水平的余热；中、低温循环均采用沸点较低的有机流体作为工质以提高对中、低温余热的回收效果；循环中设置过热器，可以获得超临界蒸汽以提高系统效率，同时避免了蒸汽在膨胀器中冷凝；根据发动机的工况，选择适当的循环方式，即低转速低负荷时只采用低温循环，中高转速中高负荷时采用双循环，适应车用柴油机工况变动性大的特点，解决余热回收系统低工况时回收效率低的问题。本项目的主要研究目的是对利用超临界有机朗肯循环回收车用发动机余热的应用基础问题获得深入理解，探索出有机工质的重要属性参数对循环效率的影响规律，探索出循环运行参数如系统压力和流量对系统效率的影响规律，发展出有应用前景的循环方案。本项目对耗油量大的重型车用柴油机的节能与环保意义重大。

本项目的主要研究目的是对利用超临界有机朗肯循环回收车用发动机余热的应用基础问题获得深入理解，探索出有机工质的重要属性参数对循环效率的影响规律，探索出循环运行参数如系统压力和流量对系统效率的影响规律，发展出有应用前景的循环方案。本项目对耗油量大的重型车用柴油机的节能与环保意义重大。. 本项目为了提高重型车用柴油机的燃油经济性，提出利用超临界有机朗肯双循环系统回收柴油机的余热资源。系统分别采用中、低温朗肯循环回收柴油机排气和冷却系统的不同能量水平的余热；中、低温循环均采用沸点较低的有机流体作为工质以提高对中、低温余热的回收效果；根据发动机的工况，选择适当的循环方式，即低转速低负荷时只采用低温循环，中高转速中高负荷时采用双循环，适应车用柴油机工况变动性大的特点，解决余热回收系统低工况时回收效率低的问题。. 通过筛选多种有机工质，选定R123和R245fa作为循环工质，并开展大量循环模拟分析。计算模拟结果显示，随着蒸发压力的增大，两种工质对应系统的循环效率均增大。在相同的蒸发压力下，R123系统具有更高的系统循环效率。两种工质对应系统的循环流量范围，随着循环压力的增大先减小后增大，同时R123系统具有更宽的循环流量范围。对于两种工质而言，在相同的蒸发压力下，各自系统的循环效率随排气温度的变化并不明显。通过系统㶲分析表明，工质和尾气之间传热的不可逆损失和蒸发器出口较高的尾气温度使得蒸发器的㶲损失率最大，合理设计系统蒸发器是提高系统㶲效率的关键。. 本项目设计了一套有机朗肯循环余热回收试验系统用于回收重型车用柴油机的排气余热能量，采用涡旋膨胀机作为功率输出装置。对系统蒸发器进行了设计和分析，对涡旋式膨胀器进行了三维CFD模拟。通过系统试验验证了利用R123和R245fa作为循环工质的有机朗肯循环余热回收系统回收重型车用柴油机余热的可行性，目前系统能够输出600W的功率。试验结果显示：有机朗肯循环系统和发电机与膨胀器的匹配是制约系统功率输出的关键因素，系统循环效率随着蒸发压力的增大而增大。