基于内燃机废热回收的车辆供能系统热力性能分析

摘要

现有常规内燃机车的热功转换效率为30％-40%，其余主要以废热形式排至环境，而冷却液废热占20%-30%，排气废热占30%-40%。利用底循环回收内燃机废热不仅能有效提高发动机燃料利用率，而且在相同交通能力条件下，还能减少环境污染。
　　本文以内燃机废热回收为背景，同时考虑发动机变工况下废热特点以及不同运行工况条件下车辆能量需求，提出了三种不同形式的内燃机废热回收供能系统，并分析了其节能潜力。
　　首先，仅考虑内燃机高品位烟气废热，提出了一种基于有机朗肯循环（ORC）烟气废热回收的车辆供能系统。对基于ORC烟气废热回收的车辆供能系统进行数学建模和模拟计算，分析了其最大节能潜力，并对蒸发器进行定结构尺寸设计，分析了其实际节能潜力。结果表明：发动机旋转速度在1500-6000r/min之间，考虑最大节能潜力，ORC底循环净功和总体热效率改善率最大值都出现在旋转速度最大时；考虑实际节能潜力，底循环净功最大值仍出现在旋转速度最大时，但总体热效率改善率最大值出现在旋转速度为2000r/min时。在供热季，考虑最大节能潜力，底循环净功和总体热效率改善率最大值分别为6.08kW和9.6%；考虑实际节能潜力，底循环净功和总体热效率改善率最大值分别为3.32kW和8.5%。
　　其次，同时考虑回收内燃机烟气废热和冷却液废热，提出了一种基于ORC内燃机废热回收的车辆供能系统和一种基于Kalina循环内燃机废热回收的车辆供能系统，并对其进行数学建模、模拟计算和热力性能对比分析。结果表明：ORC底循环和Kalina底循环净功最大值都出现在发动机旋转速度最大时，但ORC底循环和Kalina底循环总体热效率改善率最大值分别出现在旋转速度为4000r/min和3000r/min时。在供热季，ORC底循环净功和总体热效率改善率的最大值分别为10.36kW和18.3%；Kalina底循环净功和总体热效率改善率的最大值分别为14.8kW和25.7%。
　　最后，对基于ORC烟气废热回收的车辆供能系统进行关键参数影响分析和分析，探究ORC底循环运行中关键参数对系统热力性能的影响以及能量在转移、转化过程中存在的薄弱环节，为系统的改进提供了指导方向。

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注释表

第一章 绪论

1. 1课题研究的背景及意义

1. 2研究现状及分析

1. 3本文的研究内容及组织结构

第二章 系统设计及计算基础

2. 1现有的车辆供能系统

2. 2基于ORC烟气废热回收的车辆供能系统设计

2. 3基于底循环内燃机废热回收的车辆供能系统设计

2. 4发动机热转功子系统

2. 5车辆空调子系统冷/热需求

2. 6本章小结

第三章 基于ORC烟气废热回收的车辆供能系统热力性能分析

3. 1考虑最大节能潜力的ORC烟气废热回收车辆供能系统

3. 2考虑实际节能潜力的ORC烟气废热回收车辆供能系统

3. 3考虑最大节能潜力和实际节能潜力的车辆供能系统热力性能对比

3. 4本章小结

第四章 基于底循环内燃机废热回收的车辆供能系统热力性能分析

4. 1基于ORC内燃机废热回收的车辆供能系统

4. 2基于Kalina循环内燃机废热回收的车辆供能系统

4. 3两种基于内燃机废热回收车辆供能系统热力性能对比

4. 4本章小结

第五章 ORC关键参数影响分析和?分析

5. 1关键参数影响分析

5. 2?分析

5. 3本章小结

第六章 总结与展望

6. 1研究工作与结论

6. 2工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间取得的成果和科研情况说明