论文部分内容阅读
车用内燃机对燃油的利用率较低,大量的热量通过尾气消散至大气中,回收尾气余热具有提高整车热效率的潜力,而有机朗肯循环(ORC)余能回收系统是车用内燃机尾气余热回收最具优势的技术之一。为了提高ORC系统的性能,本文提出一种新型空间回热ORC(NRORC)系统,该系统具有做功完全和结构简单等优点。本文提出了以空间回热为核心,旨在回收做功后过热乏气工质汽化显热和潜热的技术路线,明确了以NRORC系统为研究重点的柴油机尾气余热回收利用方案。详细介绍了ORC系统、预热有机朗肯循环(PORC)余能回收系统、NRORC系统的结构和运行原理,并对以上三种系统的主要热力过程进行了热力学分析,验证了采用预热和空间回热等热力过程来提高ORC系统的性能具有理论可行性。分别探究了蒸发压力和蒸发温度对ORC系统及其组成部件性能的影响,并研究了6DL柴油机运转工况对ORC系统性能的影响。研究结果表明,提高蒸发压力能够明显的提高ORC系统及其组成部件的性能;蒸发温度对ORC系统及其组成部件的性能影响较小,但ORC系统在换热量一定的前提下,提高蒸发温度可以降低ORC系统所需工质的质量流量;ORC系统在中等负荷和大负荷工况下回收尾气余热的性能较好,在小负荷工况下的性能较差,在A25和C100工况下,ORC系统的发动机功率回收率最差和最优,分别为6.67%和14.78%。基于校企合作项目搭建了ORC原型系统,该原型系统由燃烧系统、换热系统、工质回路系统、冷却系统、负载系统、数据采集和显示系统等部分组成。介绍了ORC原型系统的运行原理及其组成部件的选型和参数。通过仿真手段探究了蒸发压力、工质质量流量、循环工质种类、柴油机运转工况等影响因素对NRORC系统性能的影响。研究结果表明,提高蒸发压力能够显著提高NRORC系统的性能,当蒸发压力由20bar提升到36bar时,NRORC系统的净输出功率、热效率、?效率和发动机功率回收率分别增加2.6kW、2.39%、5.48%和1.44%;当工质的质量流量为1740kg/h时,NRORC系统的净输出功率和热效率分别为18.58kW和17.04%,相比净输出功率和热效率最大值时分别减少0.053kW和0.05%,但质量流量较最大值时减少140kg/h;相较于采用R245ca、R134a和R152a为工质时,采用R245fa为工质时NRORC系统的性能最优;NRORC系统的净输出功率与柴油机尾气的温度和质量流量正相关,热效率受柴油机运转工况的影响较小,?效率随着蒸发器尾气入口端和出口端温差的增大而降低,发动机功率回收率随发动机热效率的提高而降低。在不同工况下,对ORC、PORC、NRORC系统的性能进行了对比分析。研究结果表明,采用空间回热的热力过程比采用预热更能够有效的提高ORC系统的性能,以B75工况为例,PORC系统的净输出功率、热效率、?效率和发动机功率回收率比ORC系统分别提高了7.39%、1.14%、2.6%和0.69%,NRORC系统的净输出功率、热效率、?效率和发动机功率回收率比ORC系统分别提高了35.82%、5.18%、11.6%和3.11%;相比于ORC和PORC系统,NRORC系统输出单位功所需工质的质量流量也最少。在B75工况下,探究了采用预热和空间回热等热力过程提升ORC系统性能的机理。研究结果表明,在冷凝过程中,ORC、PORC、NRORC系统向外界散发的热量分别为88.8kW、82.77 kW和80.05 kW,PORC系统在预热过程中回收13.7 kW的热量,NRORC系统在空间回热的过程中回收24.8 kW的热量。采用预热的热力过程仅可以回收过热乏气工质的汽化显热,而采用空间回热的热力过程可以回收过热乏气工质的汽化显热和潜热。