内燃机排气余热利用有机朗肯循环混合工质的分析研究

摘要

当今世界，石油资源短缺造成了前所未有的能源危机。作为石油资源的主要消耗设备，大部分内燃机在运行时仅将1/3的燃油能量转化为有用功，其他的能量以废热的形式释放到环境中。其中，排气所占的废热比例最多，且其能量品位高，如果能有效利用这部分热量，将会大幅增加内燃机效率，产生巨大的经济效益和环境效益。有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle, ORC）可将余热能转化为电能，提高能源利用效率，在内燃机行业受到广泛关注。针对内燃机高温排气ORC，采用何种工质是非常关键的。碳氢和硅氧烷工质的循环性能通常较好，但可燃性限制了实际应用。考虑到阻燃剂的阻燃性，本文提出将高温可燃工质与阻燃剂混合，形成混合物在一定程度上抑制可燃性，并且充分发挥混合物的循环特性。此外，混合物在相变时存在着一定程度的温度滑移，可以减小传热温差，降低不可逆损失，提高循环性能。
　　本文以玉柴某型号大功率柴油机为研究对象，结合热力学第一定律与第二定律，利用Matlab软件建立了内燃机—ORC联合循环系统的理论模型，并与前人工作进行了验证。针对不同混合物形成的滑移量大小，设计了不同的循环方式加以匹配。利用热效率和?效率优化理论，针对不同循环方式，分析各种混合工质在不同质量分数下，蒸发温度、蒸发压力等相关运行参数对输出功、热效率、?效率和?损失等性能参数的影响，优选出不同循环方式下性能相对较优的混合物。
　　研究发现，亚临界饱和循环下，非共沸混合物相比纯工质，热效率更高，?损失更小，存在最佳混合比，而且最佳混合比随着蒸发温度的增加逐渐向阻燃剂比例减小的方向靠拢。加入回热器，混合物性能提升明显，回热效率越高，性能越好，且工质的性能曲线存在拐点，拐点之前热效率增长较慢，拐点之后增幅很大。二级循环中，存在最优的高温级蒸发压力和R123质量分数使混合物获得最大的净功和热源利用率。硅氧烷混合物性能优于烷烃类混合物。D4/R123(0.4/0.6)性能较优，热效率为21.19％，?效率高达47.56%，?损失为20.43 kW。基于该工质的循环系统，?损失最大的部件是回热器 IHE和高温级涡轮，它们是改善系统不可逆性能的关键。跨临界循环下，在一定压力下，温度滑移量越大的工质，并没有体现出滑移量的优势，而滑移量越小的工质，净功反倒较大。
　　研究表明，对内燃机余热回收ORC联合系统混合工质的研究具有明显的意义，可以在一定程度上实现内燃机的节能减排。

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字母注释表

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 内燃机余热利用有机朗肯循环的研究现状

1.3 本文研究课题的确定

1.4 本文的思路及主要研究内容

第二章 内燃机余热回收有机朗肯循环工质选择

2.1 工质分类及选择标准

2.2 混合工质组分选择

2.3 混合物与循环方式的匹配设计

2.4 本章小结

第三章 内燃机余热回收有机朗肯循环系统建模

3.1 柴油机顶循环

3.2 底循环-有机朗肯循环建模

3.3 模型验证

3.4 本章小结

第四章 基于碳氢类混合工质的循环热力性能分析

4.1 基于大分子碳氢的A类混合工质亚临界循环

4.2 基于大分子碳氢的B类混合工质二级循环

4.3 基于小分子碳氢类混合工质跨临界循环

4.4 本章小结

第五章 基于硅氧烷类混合工质的循环热力性能分析

5.1 基于小分子硅氧烷类混合工质亚临界循环

5.2 基于大分子硅氧烷类混合工质二级循环

5.3 本章小结

第六章 工质与循环的优化设计指导

第七章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢