基于ORC的内燃机余热回收工质选择及参数匹配

摘要

随着能源危机加剧和石油类燃料消耗的增加，如何最大化利用燃料已经成为我们迫切需要解决的问题。在发动机的能量分布中，通过排气散失的能量较多、品质也较高，若是能将其回收利用，便能减少能量的损失，从而提高燃油利用率，达到节能的目的。　　本课题以某汽油机的排气余热为研究对象，分析其回收潜力，并设计余热回收系统，进行工质的筛选和关键部件的选型及其工作参数的确定，然后在GT-Power软件中搭建发动机—回收系统联合模型，通过仿真模拟来研究该回收系统的性能并根据工况匹配工质质量流量。论文的主要工作和结论如下：　　1）在GT-Power软件中根据某汽油机结构参数搭建了发动机模型，并进行了发动机外特性试验，利用外特性试验数据校准了模型的精度。计算了排气能量和排气?，计算结果表明：发动机转速高于2800r/min时，排气能量均在30kW以上，排气中有46.2%的能量可以转化为有用功，排气能量回收潜力最大的转速范围是2800r/min—4800r/min。　　2）基于有机朗肯循环设计了双回路结构的余热回收系统，根据搭建的热力学模型进行理论计算，对比分析了四种结构回收系统的净输出功率、热效率、?损率，分析表明：双回路结构的回收系统与其他三种结构相比具有一定的优越性。　　3）利用工质选用原则为回收系统初步筛选工质，采用理论计算的方法考察了蒸发压力、过热度两个循环参数对系统性能的影响，对比分析了三种工质组合时的系统性能。计算结果表明：可以适当增大蒸发压力来提高系统热效率，过热度的增加对系统热效率提高较少；当系统采用水/R123工质组合时，系统的性能较优。　　4）在GT-Power中搭建了回收系统模型，利用理论计算结果对各部分的模型进行校准。模型耦合后在回收潜力最大的转速范围内对排气能量进行回收仿真分析。仿真结果表明：回收功率最高可达到6.12kW，功率提升率最大为8.25%，最高热效率为13.67%，与回收前相比，发动机排气温度下降了400℃左右。　　5）选定了6个工况点对工质质量流量进行匹配。仿真结果显示：同一工况下，净输出功率随工质泵转速先升高后平稳下降，由此确定了6个工况下的最优工质质量流量，采用匹配后的工质流量进行仿真计算后，回收功率和热效率提高了很多，排气温度下降了550℃左右。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 余热回收利用的方式

1.2.1 废气涡轮增压技术

1.2.2 温差发电技术

1.2.3 余热取暖、制冷技术

1.2.4 有机朗肯循环技术

1.3 有机朗肯循环余热回收研究现状

1.3.1 系统设计研究现状

1.3.2 工质选择研究现状

1.3.3 参数匹配研究现状

1.4 本文研究内容

2 汽油机排气余热回收潜力分析

2.1 发动机仿真模型搭建

2.1.1 GT-Suite软件简介

2.1.2 模型的搭建

2.1.3 模型的验证

2.2 内燃机的热平衡分析

2.3 排气能量计算方法

2.3.1 排气物性参数计算

2.3.2 排气能量及?计算

2.4 回收潜力分析

2.5 本章小结

3 余热梯级回收系统方案设计

3.1 不同结构的有机朗肯循环系统

3.1.1 基本有机朗肯循环系统

3.1.2 带回热的有机朗肯循环系统

3.1.3 再热式有机朗肯循环系统

3.2 双回路有机朗肯循环回收系统

3.2.1 系统描述

3.2.2 热力学模型

3.3 性能对比

3.4 本章小结

4 双回路有机朗肯循环工质选择

4.1 工质的分类

4.2 工质选用原则

4.3 常用工质热物性参数对比

4.4 理论计算分析

4.4.1 蒸发压力变化对系统性能的影响

4.4.2 过热度变化对系统性能的影响

4.5 本章小结

5 双回路有机朗肯循环模型及仿真分析

5.1 双回路有机朗肯循环模型构建

5.1.1 工质泵模型

5.1.2 换热器模型

5.1.3 膨胀机模型

5.1.4 工质罐模型搭建

5.2 回收系统模型验证

5.3 仿真分析

5.3.1 系统回收效果评价

5.3.2 工质流量匹配

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果