内燃机排气余热回收朗肯循环系统的工作界限与应用评价

摘要

基于朗肯循环的内燃机排气余热回收与传统低温余热回收存在较大的差异，具有高温、大温差、变工况等特点。因此，本课题开展了内燃机排气余热回收朗肯循环系统的回收潜能、工作特性、工作界限、应用评估等方面的研究。
　　本文的主要结论如下：
　　通过内燃机排气余热回收系统试验平台，获得了排气温度及其显热比例在中等乘用车发动机常用工况范围内整体上呈梯级递增、大温差的的分布规律，同时系统模型的预测结果表明，该回收系统的效率约为3％-8%。不同工质的换热器性能试验结果表明，增加工质流量可改善蒸发器效率，但不同发动机工况与工质压力下均存在实现工质过热的流量界限，压力越大，可过热的流量越小；负荷越大，可过热的压力界限越宽。在工质过热情况下，增加冷却水流量可强化蒸发器效率。相反，如果冷凝器冷却能力不足，则会造成系统运行的不稳定，并在发动机低负荷工况恶化蒸发器效率。压力的微小波动会引起流量的较大脉动，进而影响蒸发器出口工质温度的反向变化，压力趋于稳定后，流量与温度也随之稳定。
　　分析了工质的物性参数与工作参数对系统性能的综合影响，特定工质的Ja数随蒸发与冷凝温度比的增大而升高，且在循环压比高的条件下更显著；相同循环条件下，Ja数小的工质可产出更高的功率。高沸点（低Ja数）的工质在不同压力下的膨胀比数值都比较小，透平功率密度和效率都更高，但低沸点工质的尺寸参数更适中，且膨胀机适应的压力范围更大。蒸发器与膨胀机的不可逆损失是系统不可逆损失的主要来源，且两者的比例随着压力的升高会发生改变。预热段在蒸发器总面积中占据了绝对高的比例，此时需要提高高潜热工质侧的湍流强度，对于蒸发段则需强化排气侧的换热。工质吸收的热量大部分都通过冷凝器散失掉，导致冷凝器换热面积远大于蒸发器面积，显著增加了系统的空间尺寸与运行成本，采用高沸点工质将在一定程度上改善这种状况。
　　高、低沸点工质在系统收益方面几乎没有差异，但前者的热经济性能更优，其中水是唯一可以在基准投资回收期内实现净利润的工质。发动机转速越高，系统总的功率提升越明显，但同时也会产生更多的泵气功损耗，系统效率下降，膨胀机的尺寸参数线性增大。
　　讨论了排气余热回收系统在不同功率等级的内燃机及其工况范围的应用可行性。比较发现，重型柴油机系统的经济区域要宽很多，且其通过优化系统工作参数拓展到经济区的潜能更大。当系统的收益与经济性均处于合理范围内，通过朗肯循环回收内燃机排气余热具有较大的回收潜能。

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字母注释表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 基于朗肯循环的内燃机排气余热回收技术

1.3朗肯循环的工质研究

1.4 内燃机排气余热回收朗肯循环系统的特殊性

1.5 不同类型内燃机的余热回收系统

1.6本课题的主要目的与研究内容

第二章 内燃机排气余热回收朗肯循环系统的试验装置与数学模型

2.1 内燃机排气余热回收朗肯循环系统的工作原理

2.2回收系统试验平台与误差分析

2.3回收系统的数学模型

2.4系统模型的验证

2.5本章小结

第三章 内燃机排气余热回收朗肯循环系统的试验研究与性能预测

3.1 内燃机排气能量特性分析

3.2排气余热回收系统的换热试验

3.3系统性能预测

3.4本章小结

第四章 内燃机排气余热回收朗肯循环系统的工作界限分析

4.1 高低沸点工质在高温排气余热回收系统中的性能分析

4.2边界条件对工质工作界限的影响

4.3本章小结

第五章 内燃机排气余热回收朗肯循环系统的应用评估

5.1计算条件

5.2朗肯循环系统在不同类型内燃机中的应用评估

5.3 不同功率等级下的系统性能MAP

5.4本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2未来工作展望

参考文献

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