基于有機(jī)朗肯循環(huán)的廢氣發(fā)電技術(shù)的研究

基本概念的介紹熵：在熱力學(xué)中是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，是可逆過(guò)程中作為傳熱的的標(biāo)志，有s表示。具有下列性質(zhì)：ds>0,表示熱力系統(tǒng)吸熱；ds<0，表示熱力系統(tǒng)放熱；ds=0，表示熱力系統(tǒng)與外界無(wú)熱量交換。焓：是一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)中的能量參數(shù)。工質(zhì)在循環(huán)中發(fā)生熱量交換或做功，那么工質(zhì)在不同的位置所蘊(yùn)含的能量是不同的，故用焓來(lái)衡量其蘊(yùn)含的能量多少。?：熱力系由任意狀態(tài)下可逆變化到給定的環(huán)境相平衡的狀態(tài)時(shí)所能做的最大有用功，?代表了系統(tǒng)做功的能力?；馃o(wú)：對(duì)立于?，表示能量中不能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的部分。當(dāng)前第1頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)第一章緒論從上表中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)外輸出的有用功只占燃料燃燒總能量的三分之一左右；這就意味著三分之二的能量通過(guò)排氣、冷卻水、潤(rùn)滑油等途徑散失掉。其中排氣散失的能量所占的比例較大，且研究表明高溫排氣能量品質(zhì)較高，能將汽車(chē)尾氣能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能、電能并用于發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出，可以有效減少燃油消耗率，從而在一定程度上提高能源利用效率，達(dá)到節(jié)約能源的目的。當(dāng)前第2頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)1.目前主流的余熱利用方法簡(jiǎn)介①溫差發(fā)電是基于熱電材料的塞貝克效應(yīng)發(fā)展起來(lái)的一種發(fā)電技術(shù)。塞貝克效應(yīng)，指當(dāng)在半導(dǎo)體材料的兩端存在溫度差而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，其原理表述如下：在A、B兩種導(dǎo)體連接而成的閉合回路中，如果兩個(gè)結(jié)點(diǎn)存在溫度差(T1≠T2)，就有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，這種電動(dòng)勢(shì)被稱(chēng)為賽貝克電動(dòng)勢(shì)或溫差電動(dòng)勢(shì)。②

余熱制冷空調(diào)即利用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣廢熱作為車(chē)用制冷空調(diào)的驅(qū)動(dòng)熱源，是當(dāng)前車(chē)用制冷空調(diào)技術(shù)主要的發(fā)展方向，同時(shí)也具有很高的實(shí)用價(jià)值。其工作原理是：吸附劑對(duì)某種制冷劑具有吸附作用。吸附能力隨吸附溫度的不同而不同。周期性地冷卻和加熱吸附劑，使之交替吸附和解吸。吸附時(shí)，制冷劑液體蒸發(fā)，產(chǎn)生制冷作用；解吸時(shí)，釋放出制冷劑氣體，并使之凝為液體。③廢氣渦輪增壓技術(shù)④朗肯循環(huán)余熱利用技術(shù)當(dāng)前第3頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)2.目前幾種主要的余熱利用方式比較當(dāng)前第4頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)3.余熱利用實(shí)例寶馬雙循環(huán)系統(tǒng)雙循環(huán)指的是由以水為工質(zhì)的高溫朗肯循環(huán)和以乙醇為工質(zhì)的的低溫朗肯循環(huán)組成，這樣可達(dá)到對(duì)廢氣余能實(shí)現(xiàn)極大化回收利用的目的。在系統(tǒng)的高溫循環(huán)中，工質(zhì)水進(jìn)入蒸發(fā)器然后通過(guò)過(guò)熱器，工質(zhì)水吸收廢氣余熱最終變成過(guò)熱狀態(tài)的蒸汽，高溫高壓的水蒸氣再通過(guò)高溫膨脹機(jī)械實(shí)現(xiàn)對(duì)外輸出做功，做功后的乏氣進(jìn)入高溫冷凝器實(shí)現(xiàn)自身的冷凝的同時(shí)，將熱量傳遞給低溫循環(huán)，冷凝后的工質(zhì)水再通過(guò)工質(zhì)泵返回高溫蒸發(fā)器，開(kāi)始下一次循環(huán)；低溫循環(huán)的工作過(guò)程與高溫循環(huán)相類(lèi)似。在該套系統(tǒng)中，在排氣廢熱與雙循環(huán)工質(zhì)的進(jìn)行熱量交換的同時(shí)，低溫循環(huán)對(duì)高溫循環(huán)的工質(zhì)的潛熱進(jìn)行了回收利用，有效地提高了廢氣余熱的回收效率。

當(dāng)前第5頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)安裝雙循環(huán)系統(tǒng)的效果圖1.8是加裝和不加裝余熱回收系統(tǒng)下發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管各點(diǎn)處的排氣溫度：發(fā)動(dòng)機(jī)初始排氣溫度很高，可達(dá)到700～800℃，相差不大；而加裝余熱回收系統(tǒng)使得發(fā)動(dòng)機(jī)排到環(huán)境中的廢氣溫度發(fā)生了明顯的變化，由400℃左右下降為100℃左右，這說(shuō)明雙循環(huán)余熱回收系統(tǒng)可以有效地回收發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣余熱。當(dāng)前第6頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)第二章朗肯循環(huán)熱力學(xué)計(jì)算和理論分析1.水和有機(jī)工質(zhì)作為工作介質(zhì)的比較圖5（a）是水作為工作介質(zhì)的溫熵圖，其中的3-4s為理想做功過(guò)程，3-4為實(shí)際做功過(guò)程，可以看出水做工質(zhì)時(shí)，膨脹過(guò)程是趨向濕蒸汽區(qū)域的，如果余熱溫度不高的情況下，3狀態(tài)點(diǎn)溫度很難提高，其做功曲線就會(huì)與干濕蒸汽分界線相交而使得4狀態(tài)點(diǎn)處于濕蒸汽區(qū)域內(nèi)。這樣就必須采取再熱或者抽氣閃蒸等技術(shù)手段來(lái)防止做功完畢過(guò)熱蒸汽變成濕蒸汽，使得發(fā)電的成本和工藝的復(fù)雜性提高。當(dāng)前第7頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)圖5（b）為有機(jī)工質(zhì)作為工作介質(zhì)的溫熵圖，其中有機(jī)工質(zhì)的做工過(guò)程為3-4，顯然其做工膨脹過(guò)程趨向過(guò)熱蒸汽區(qū)域，即：工質(zhì)越膨脹越干燥，在透平機(jī)械中膨脹做功而不會(huì)變?yōu)闈裾羝?。并?狀態(tài)點(diǎn)是處于飽和蒸汽狀態(tài)點(diǎn)，所以有機(jī)工質(zhì)無(wú)需過(guò)熱，這樣有機(jī)工質(zhì)就不會(huì)對(duì)透平機(jī)械的葉片帶來(lái)沖擊或腐蝕的危害。當(dāng)前第8頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)和水作為工作介質(zhì)的優(yōu)勢(shì)對(duì)比雖然使用補(bǔ)汽輪機(jī)和閃蒸技術(shù)的以及優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)用熱方式，以水為工質(zhì)的余熱利用系統(tǒng)效率可提高20~30%左右，目前可達(dá)到38~42kWh/，但基于水本身特性，在中低溫條件下，其余熱回收效率不可能再有很大的提升。相比較水作為工質(zhì)，使用有機(jī)工質(zhì)的主要優(yōu)勢(shì)可以歸納為：a)有機(jī)工質(zhì)沸點(diǎn)很低，極易產(chǎn)生高壓蒸汽。b)有機(jī)工質(zhì)的蒸發(fā)潛熱比水小很多，因此中低溫情況下熱回收率高。c)有機(jī)工質(zhì)的冷凝壓力接近或稍大于大氣壓，工質(zhì)泄露可能性小，無(wú)需復(fù)雜的真空系統(tǒng)。d)有機(jī)工質(zhì)凝固點(diǎn)很低(低于-73℃)，這就允許它在較中低溫度下仍能釋放出能量。這樣做，在寒冷天氣可增加出力，冷凝器也不需要增加防凍設(shè)施。e)由于有機(jī)工質(zhì)本身的特性，系統(tǒng)的工作壓力低，約1.5MPa，管道工藝要求低。f)有機(jī)工質(zhì)基本都是等熵工質(zhì)或干流體，無(wú)需過(guò)熱處理，不會(huì)在有水滴在高速情況下對(duì)透平機(jī)械的葉片造成沖擊損害，也不會(huì)腐蝕透平機(jī)械。當(dāng)前第9頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)2.采用混合工質(zhì)優(yōu)點(diǎn)為了使工質(zhì)溫度變化趨勢(shì)更貼近余熱源，減少換熱不可逆損失，有機(jī)朗肯循環(huán)還可以采用混合工，利用混合工質(zhì)的非共沸特性：其相變時(shí)存在明顯的溫度滑移，如圖6（b）中所示，蒸發(fā)曲線3-4為向右上傾斜的斜線，而不是單一純工質(zhì)狀態(tài)下的斜率為0的水平線（圖6（a）），因此工質(zhì)的等溫蒸發(fā)吸熱過(guò)程與熱源的配合緊密，換熱平均溫差小，而使其換熱不可逆損失降低。

當(dāng)前第10頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)3.理想狀態(tài)朗肯循環(huán)主要過(guò)程理想狀態(tài)朗肯循環(huán)主要包括以下4個(gè)過(guò)程：其中，3-4過(guò)程表示工質(zhì)在工質(zhì)泵中的等熵壓縮過(guò)程；4-1過(guò)程表示工質(zhì)在蒸發(fā)器中的等壓加熱過(guò)程；1-2過(guò)程表示工質(zhì)在膨脹機(jī)械中的等熵膨脹過(guò)程；2-3過(guò)程表示工質(zhì)在冷凝器中的等壓放熱過(guò)程。

當(dāng)前第11頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)4.理想狀態(tài)下朗肯循環(huán)的具體運(yùn)行過(guò)程如下：

（1）等壓加熱：過(guò)冷態(tài)工質(zhì)在工質(zhì)泵的作用下流入蒸發(fā)器，恒壓條件下與廢氣熱源進(jìn)行熱量交換。在此過(guò)程中工質(zhì)經(jīng)歷了預(yù)熱，蒸發(fā)，過(guò)熱三個(gè)階段，對(duì)應(yīng)圖中4-1過(guò)程。在蒸發(fā)器中，工質(zhì)吸收熱量最終成為過(guò)熱蒸汽。（2）等熵膨脹：過(guò)熱蒸汽進(jìn)入膨脹機(jī)械膨脹對(duì)外輸出做功。相對(duì)于對(duì)外輸出功量，工質(zhì)的散熱損失可忽略不計(jì)，故可將該膨脹過(guò)程視為絕熱過(guò)程，對(duì)應(yīng)圖中1-2過(guò)程。在膨脹機(jī)械中，工質(zhì)蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。（3）等壓放熱：流出膨脹機(jī)械的工質(zhì)乏氣的溫度與壓力均有所下降，接著流入冷凝器進(jìn)行定壓冷凝，對(duì)應(yīng)圖中2-3過(guò)程。在冷凝器中，工質(zhì)蒸汽對(duì)外放熱冷凝成為飽和液態(tài)。（4）等熵壓縮：冷凝后的液態(tài)工質(zhì)在工質(zhì)泵中進(jìn)行加壓，同樣地可以忽略散熱損失，故也可認(rèn)為此壓縮過(guò)程為絕熱過(guò)程，對(duì)應(yīng)圖中的3-4過(guò)程。工質(zhì)泵將工質(zhì)增壓至蒸發(fā)壓力，將其并送入蒸發(fā)器，自此完成一次完整的朗肯循環(huán)。當(dāng)前第12頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)5.朗肯循環(huán)的熱力分析計(jì)算

當(dāng)前第13頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)6.實(shí)際朗肯循環(huán)熱力學(xué)分析由于不可逆因素的存在，使得朗肯循環(huán)過(guò)程存在著各種火用損失，其中火用損失主要包括：廢熱源向工質(zhì)傳熱過(guò)程中產(chǎn)生的火用損，熱量散失到環(huán)境中產(chǎn)生的火用損，以及膨脹機(jī)械的摩擦損失產(chǎn)生的火用損。當(dāng)前第14頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)7.朗肯循環(huán)熱力學(xué)計(jì)算總計(jì)小結(jié)通過(guò)對(duì)朗肯循環(huán)進(jìn)行火用分析，我們可以看出朗肯循環(huán)系統(tǒng)的四個(gè)過(guò)程均為不可逆過(guò)程。在上述不可逆過(guò)程中，摩擦損失與溫差傳熱損失是主要的不可逆因素。特別是過(guò)熱蒸汽在渦輪機(jī)中絕熱膨脹做功與理想可逆過(guò)程具有較為明顯的差別；同時(shí)工質(zhì)泵與膨脹機(jī)械工作時(shí)所產(chǎn)生的機(jī)械損失也會(huì)損耗一部分有用能。因此實(shí)際系統(tǒng)熱效率會(huì)低于理想條件下的熱效率。為降低系統(tǒng)火用損失，提高其作功能力，可從以下兩個(gè)方面考慮：一方面選用高效傳熱的蒸發(fā)器和冷凝器；另一方面設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)適合工質(zhì)的膨脹機(jī)械。當(dāng)前第15頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)8.工作運(yùn)行參數(shù)對(duì)朗肯循環(huán)效率的影響（1）蒸發(fā)器出口溫度對(duì)熱效率的影響由圖2.5可知，在蒸發(fā)與冷凝壓力一定時(shí)，提高工質(zhì)的蒸發(fā)器出口溫度可使系統(tǒng)熱效率增大。這是由于當(dāng)蒸發(fā)溫度由1提高到1‘點(diǎn)時(shí)，平均吸熱溫度隨之提高，使得循環(huán)溫差增大，從而提高循環(huán)熱效率。另外，循環(huán)工質(zhì)在膨脹終點(diǎn)的干度隨著蒸發(fā)溫度的提高而增大，而干度的增大有利于提高膨脹機(jī)械的性能，并延長(zhǎng)其使用壽命。但蒸發(fā)溫度的提高是有限的：一方面受到設(shè)備材料的耐熱性能的限制。另一方面，提高蒸發(fā)溫度可能使工質(zhì)在膨脹終點(diǎn)處于過(guò)熱狀態(tài)，此時(shí)膨脹后的工質(zhì)蒸汽仍具有較高的能量未被充分利用，反而會(huì)增加冷凝器的熱負(fù)荷。當(dāng)前第16頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)（2）蒸發(fā)壓力對(duì)熱效率的影響圖2.6可看出，在蒸發(fā)溫度和冷凝壓力一定時(shí)，系統(tǒng)效率隨著蒸發(fā)壓力升高而增大。當(dāng)蒸發(fā)壓力由P升高P‘時(shí)，平均吸熱溫度升高，從而使得朗肯循環(huán)的平均溫差增大。根據(jù)等效卡諾效率的概念可知，平均溫差越大，系統(tǒng)效率就越高。所以循環(huán)的熱效率隨著蒸發(fā)壓力的提高而提高。過(guò)度地提高蒸發(fā)壓力也會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生一些不利影響。例如膨脹機(jī)械的機(jī)械強(qiáng)度問(wèn)題。而在蒸發(fā)壓力提高的同時(shí)，乏汽的干度會(huì)相應(yīng)降低，乏汽中所含液態(tài)相工質(zhì)的增加，不但會(huì)使膨脹機(jī)械的工作性能降低，而且由于液滴的沖擊，會(huì)使膨脹機(jī)械的使用壽命大大減少。所以在保證乏氣干度滿足安全要求的前提下應(yīng)盡可能提高蒸發(fā)壓力，使得系統(tǒng)在安全穩(wěn)定運(yùn)行條件下得到更高的循環(huán)熱效率。

當(dāng)前第17頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)(3)冷凝壓力對(duì)熱效率的影響由圖2.7所示，在相同的蒸發(fā)溫度與蒸發(fā)壓力下，系統(tǒng)熱效率隨著冷凝壓力的降低而增大。當(dāng)冷凝壓力由P降低為P‘時(shí)，平均放熱溫度隨之降低，從而使得循環(huán)溫差增大，從而使得系統(tǒng)熱效率增大。同樣考慮到實(shí)際運(yùn)用，不能通過(guò)一味地降低冷凝壓力來(lái)獲得更高的熱效率。這是因?yàn)楣べ|(zhì)飽和溫度與飽和壓力是一一對(duì)應(yīng)的，降低冷凝壓力勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致冷凝器中的飽和溫度降低，而飽和溫度需要高于環(huán)境溫度，才能保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行；其次，為了防止管路產(chǎn)生負(fù)壓、滲入雜質(zhì)系統(tǒng)管路中的壓力一般高于環(huán)境壓力，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。此外，冷凝壓力的降低同樣會(huì)使乏氣的干度減小，所以應(yīng)適當(dāng)降低冷凝壓力獲得較高的熱效率同時(shí)避免液滴沖擊的產(chǎn)生。

當(dāng)前第18頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)9.小結(jié)綜上所述適當(dāng)?shù)?，①提高初態(tài)參數(shù)蒸發(fā)器出口溫度，②增加蒸發(fā)壓力③降低冷凝壓力，可以有效提高系統(tǒng)循環(huán)熱效率，改善循環(huán)的性能。當(dāng)前第19頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)10.帶回?zé)岬睦士涎h(huán)介紹當(dāng)前第20頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)在朗肯循環(huán)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，過(guò)熱蒸汽經(jīng)過(guò)不可逆的絕熱膨脹作功后，熵值將會(huì)增大，使得從膨脹機(jī)械中流出的乏氣仍處于過(guò)熱狀態(tài)，這說(shuō)明乏氣中仍有一部分能量未被完全利用。若使其直接進(jìn)入冷凝器中冷凝，不僅會(huì)白白浪費(fèi)這部分能量，還會(huì)增大冷凝器的熱負(fù)荷，同時(shí)由于過(guò)熱狀態(tài)的乏氣溫度遠(yuǎn)高于冷凝溫度，使得冷凝器內(nèi)由傳熱溫差引起的不可逆損失增加。這種現(xiàn)象在有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)更為明顯。圖2.9為有回?zé)岬挠袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的溫熵圖。相對(duì)于未加回?zé)岬睦士涎h(huán)的溫熵圖，增加了回?zé)崞髦械膬蓚€(gè)過(guò)程：過(guò)冷工質(zhì)等壓吸熱4-b過(guò)程與過(guò)熱乏氣的等壓放熱2-a過(guò)程，此外工質(zhì)在蒸發(fā)器中的吸熱過(guò)程為b-1，在冷凝器中放熱過(guò)程為a-3。當(dāng)前第21頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)當(dāng)前第22頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)11.帶回?zé)岬睦士涎h(huán)優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):通過(guò)設(shè)置回?zé)崞骰厥者^(guò)熱乏氣的熱量，用來(lái)加熱進(jìn)入蒸發(fā)器的過(guò)冷工質(zhì)，從而在工質(zhì)膨脹對(duì)外作相同功的條件下，使得工質(zhì)在蒸發(fā)器吸收的熱量減少，由熱效率公式可知，Wt不變，Q1減少，系統(tǒng)熱效率增加；同時(shí)考慮到工質(zhì)進(jìn)入冷凝器溫度的降低，冷凝器的傳熱溫差和火用損失也隨之減少，這也會(huì)使系統(tǒng)熱效率有所提高。缺點(diǎn)：設(shè)置回?zé)崞魇瓜到y(tǒng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，增加了成本。當(dāng)前第23頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)第三章廢氣能量回收潛力分析與朗肯循環(huán)工質(zhì)選擇1.發(fā)動(dòng)機(jī)的熱平衡分析

發(fā)動(dòng)機(jī)的熱平衡，是指發(fā)動(dòng)機(jī)在具體工作過(guò)程中進(jìn)入氣缸的燃料完全燃燒時(shí)所能放出的能量流向。依據(jù)質(zhì)量與能量守恒定律可知，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的能量應(yīng)等于流出發(fā)動(dòng)機(jī)的能量，即發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的能量流動(dòng)不會(huì)影響到能量平衡。

當(dāng)前第24頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)2.廢棄成分分析發(fā)動(dòng)機(jī)的主要排氣污染物包括，氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）、未燃碳?xì)洌℉C）以及排氣微粒（PM）四種發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣成分的計(jì)算；柴油作為一種包含碳、氫、氧的化石燃料，其平均分子式可以表示為。分析可知，柴油中的C、H、O三種元素的質(zhì)量比為0.870：0.126：0.004。假設(shè)柴油完全燃燒時(shí)只有水和二氧化碳生成，故柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣由二氧化碳，水，未參加反應(yīng)的氮?dú)夂褪Ｓ嗟难鯕饨M成。由反應(yīng)物和生成物的原子守恒，可以寫(xiě)出柴油在完全燃燒反應(yīng)時(shí)的化學(xué)方程式3-8，可得出生成物中二氧化碳和水蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72.4%和27.6%。根據(jù)上述方程式，可求出單位質(zhì)量的燃料完全燃燒時(shí)的所需空氣量L0為：當(dāng)前第25頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)從進(jìn)氣量方面考慮，已知柴油機(jī)的理論空燃比α0約為14.3，假定實(shí)際的空燃比為α，此時(shí)柴油機(jī)排放物的質(zhì)量百分比分別根據(jù)以下計(jì)算公式求得。當(dāng)前第26頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)3.發(fā)動(dòng)機(jī)排氣熱物性參數(shù)計(jì)算（1）定壓比熱（2）比焓與比熵（3）密度（4）粘度（5）導(dǎo)熱系數(shù)（6）普朗特?cái)?shù)當(dāng)前第27頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)4.廢氣能量回收潛力分析燃料燃燒所產(chǎn)生的能量包括：發(fā)動(dòng)機(jī)輸出有效功、隨尾氣排放掉的能量、被冷卻水或冷卻液吸收的能量等。雖然冷卻液或冷卻水帶走了很大部分熱量，但系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境溫差小，這部分熱量所能轉(zhuǎn)化成有用功的的品質(zhì)很低，因而很難被利用。當(dāng)前第28頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)當(dāng)前第29頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)在中高轉(zhuǎn)速工況運(yùn)行時(shí)，排氣溫度與排氣流量均有所增加。在這兩種因素的共同作用下，排氣火用值隨轉(zhuǎn)速升高而增大，也就意味著由排氣能量可以轉(zhuǎn)化更多的有用能。排氣能量約占燃料總能量的1/3。而排氣的有用能占排氣總能量的40%左右，只有這部分可以轉(zhuǎn)化為對(duì)外輸出的有用功。相對(duì)于溫度較低的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水，廢氣能量的品質(zhì)較高，具有很高的利用價(jià)值。當(dāng)前第30頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)5.工質(zhì)的分類(lèi)與選擇原則

一套系統(tǒng)必須選擇合適的工質(zhì)，而且隨著選擇的工質(zhì)不同，計(jì)算時(shí)熱力學(xué)參數(shù)的選擇會(huì)不同，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選擇以及最終的轉(zhuǎn)化效率也會(huì)不同。工質(zhì)的干濕性是由工質(zhì)在溫熵圖上的飽和蒸汽線（臨界點(diǎn)右側(cè)飽和曲線）的斜率（dT/ds）大小所決定。由此可定義飽和蒸汽線的斜率的倒數(shù)（ξ=ds/dT）為工質(zhì)的干濕性。根據(jù)不同的ξ值，可將工質(zhì)分為以下三種類(lèi)型：濕工質(zhì)、干工質(zhì)以及等熵工質(zhì)。若ξ>0，則為干工質(zhì)；若ξ<0，則為濕工質(zhì)；若ξ=0，則為等熵工質(zhì)。三種工質(zhì)的溫熵圖如圖3.5～3.7所示，圖中CP點(diǎn)表示工質(zhì)的臨界點(diǎn)；L和V分別表示工質(zhì)的液態(tài)和氣態(tài)。當(dāng)前第31頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)工質(zhì)的選擇原則通常包括以下七個(gè)方面：（1）無(wú)毒，不易燃易爆并與熱力設(shè)備良好兼容性。（2）工質(zhì)對(duì)環(huán)境的危害較小。要求消耗臭氧潛能值ODP（OzoneDepletionPotential）＝0，全球變暖潛能值GWP（GlobalWarmingPotential）＜150。此外，要求在大氣中的壽命應(yīng)盡可能短。（3）熱穩(wěn)定性好，即高溫高壓條件下不易分解變質(zhì)。（4）三相點(diǎn)應(yīng)低于系統(tǒng)運(yùn)行的最低溫度，以防止系統(tǒng)發(fā)生堵塞現(xiàn)象。（5）沸點(diǎn)溫度適中。避免蒸發(fā)時(shí)壓力過(guò)高，冷凝時(shí)壓力過(guò)低。（6）定壓比熱小，密度大，導(dǎo)熱系數(shù)大；（7）價(jià)格低廉，容易獲取。當(dāng)前第32頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)6.循環(huán)工質(zhì)熱物性參數(shù)的對(duì)比

（1）循環(huán)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)熱效率的影響①渦輪進(jìn)口溫度：由圖3.8可知，對(duì)于工質(zhì)水來(lái)說(shuō)，其系統(tǒng)熱效率隨著渦輪進(jìn)口溫度的上升而呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，并遠(yuǎn)高于其它有機(jī)工質(zhì)。但水蒸氣膨脹做功會(huì)有液滴產(chǎn)生，使渦輪機(jī)械葉片損壞。對(duì)于有機(jī)工質(zhì)來(lái)說(shuō)，隨著渦輪進(jìn)口溫度的升高，系統(tǒng)的熱效率變化不大或略微下降。分析可知，有機(jī)工質(zhì)的飽和蒸汽狀態(tài)點(diǎn)為其最高循環(huán)效率點(diǎn)。這樣就無(wú)需設(shè)置過(guò)熱器，可以簡(jiǎn)化換熱器的設(shè)計(jì)；與之相反，以水作為工質(zhì)的系統(tǒng)可以通過(guò)提高過(guò)熱度使系統(tǒng)熱效率得到提高。需要注意的是過(guò)分追求過(guò)熱度會(huì)帶來(lái)?yè)Q熱器選材、設(shè)計(jì)困難，冷凝器熱負(fù)荷過(guò)大等諸多問(wèn)題。此外，工質(zhì)的工作溫度須控制在特定范圍之內(nèi)，以防止發(fā)生分解變質(zhì)。當(dāng)前第33頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)②蒸發(fā)壓力：隨著蒸發(fā)壓力的提高，水和R123的系統(tǒng)熱效率均有不同程度的提高。對(duì)于水來(lái)說(shuō)，當(dāng)蒸發(fā)壓力由1MPa增至8MPa時(shí)，系統(tǒng)熱效率幾乎提高了一倍，可達(dá)到30%左右；而對(duì)于R123，系統(tǒng)熱效率隨蒸發(fā)壓力變化也呈現(xiàn)相似的趨勢(shì)，當(dāng)蒸發(fā)壓力為3MPa時(shí)可達(dá)到20%。這是因?yàn)殡S著工質(zhì)蒸發(fā)壓力的升高，雖然工質(zhì)會(huì)吸收更多熱量，同時(shí)輸出功量也會(huì)增加，因此系統(tǒng)的熱效率增加。然而，提高蒸發(fā)壓力也是有限度的：一方面受到工質(zhì)的熱穩(wěn)定性的限制；另一方面受到選材、熱力設(shè)備設(shè)計(jì)等限制。當(dāng)前第34頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)③冷凝溫度：水和R123的理想朗肯循環(huán)熱效率與工質(zhì)的冷凝溫度的變化情況：由圖可知，水和R123兩種工質(zhì)的熱效率呈現(xiàn)線性負(fù)相關(guān)。當(dāng)工質(zhì)的蒸發(fā)壓力與冷凝溫度相同時(shí)，前者系統(tǒng)熱效率高于后者，這是由水的沸點(diǎn)較高所決定的。此外，環(huán)境溫度一定程度上限制并影響著冷凝溫所以環(huán)境溫度的變化也會(huì)對(duì)系統(tǒng)熱效率造成影響。冬季時(shí)環(huán)境溫度較低，系統(tǒng)具有較高的熱效率，這是由于平均循環(huán)溫差增大的緣故。當(dāng)前第35頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)（2）循環(huán)參數(shù)對(duì)火用損失的影響：影響系統(tǒng)火用損失的因素主要包括：工質(zhì)蒸發(fā)和冷凝過(guò)程中的焓變，廢氣的平均溫度以及環(huán)境溫度。由圖3.13可知，當(dāng)渦輪機(jī)進(jìn)口溫度升高時(shí)，有機(jī)工質(zhì)的系統(tǒng)熱效率基本保持不變；但系統(tǒng)的火用損失隨之增大，表明了過(guò)熱會(huì)對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的性能造成不利影響。雖然水的熱效率高與R123，但是其火用損失也相對(duì)較高，這是由于水的汽化潛熱要高于有機(jī)工質(zhì)。當(dāng)前第36頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)（3）循環(huán)參數(shù)對(duì)質(zhì)量流量的影響

圖3.14與3.15為當(dāng)系統(tǒng)輸出1kW凈功時(shí)，兩種工質(zhì)的質(zhì)量流量隨渦輪進(jìn)口溫度和蒸發(fā)壓力的變化規(guī)律。在過(guò)熱度、冷凝溫度一定條件下，提高蒸發(fā)壓力或渦輪機(jī)進(jìn)口溫度，可使工質(zhì)膨脹過(guò)程的比焓降變大，則回收1kW所需的工質(zhì)質(zhì)量流量變小。而水膨脹過(guò)程的比焓降較大，蒸發(fā)壓力與渦輪進(jìn)口溫度的變化對(duì)其比焓降影響較小，因此水的質(zhì)量流量變化不明顯。由圖3.14與3.15還可以看出，相對(duì)于水，使用R123的系統(tǒng)輸出1kW凈功時(shí)需要更大的流量，因而必須采用較大尺寸的熱力設(shè)備來(lái)減小壓降；而工質(zhì)的質(zhì)量流量過(guò)小，則面臨著熱力設(shè)備制造方面的困難。當(dāng)前第37頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)第4章朗肯循環(huán)熱力設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算

以R123作為循環(huán)工質(zhì)為例，考慮到系統(tǒng)熱效率和各熱力設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度和成本等問(wèn)題，按照以下原則選取朗肯循環(huán)的運(yùn)行參數(shù)：（1）換熱器可承受最大工作壓力為2.5MPa，為使循環(huán)效率最大去蒸發(fā)壓力為2.4MPa。R123對(duì)應(yīng)蒸發(fā)壓力的飽和溫度為157.7℃，為保證工質(zhì)能夠完全汽化成為飽和氣態(tài)，取蒸發(fā)溫度為160℃，使得工質(zhì)有適度的過(guò)熱。（2）保證工質(zhì)冷凝溫度高于環(huán)境溫度，并使低壓管路中不產(chǎn)生負(fù)壓，確定冷凝壓力為0.3MPa，對(duì)應(yīng)工質(zhì)的冷凝溫度為60℃（3）渦輪機(jī)的膨脹比按最佳膨脹比8：1選取。當(dāng)前第38頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)1.蒸發(fā)器設(shè)計(jì)

蒸發(fā)器的作用是為循環(huán)工質(zhì)與發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣提供熱量交換的場(chǎng)所，根據(jù)傳熱表面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為：管式換熱器（管殼式換熱器）板式換熱器等其中，管殼式換熱器通過(guò)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)讓兩種流體分別從管程與殼程流過(guò)進(jìn)行熱量交換。管殼式換熱器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性好以及可承受較高的工作溫度與壓力等優(yōu)點(diǎn)得到了最為廣泛的應(yīng)用。在朗肯循環(huán)中，工質(zhì)的工作壓力通常較高，故使其在管程流動(dòng)；而發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣的壓力不高且較清潔，適合在殼程中流動(dòng)。當(dāng)氣體在殼程中流動(dòng)，氣體側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)成為制約著換熱器總傳熱系數(shù)的提高主要因素。為提高總傳熱系數(shù)，通常通過(guò)在氣體側(cè)加裝不同形式的肋片來(lái)提高總傳熱系數(shù)。因此，本文采用管殼式換熱器作為蒸發(fā)器，并采用加裝環(huán)形肋片的方法來(lái)強(qiáng)化傳熱。熱管效率更高當(dāng)前第39頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)2.蒸發(fā)器傳熱計(jì)算：蒸發(fā)器的傳熱計(jì)算內(nèi)容主要包括對(duì)換熱量和工質(zhì)流量、定性溫度、平均溫差等參數(shù)的計(jì)算。當(dāng)前第40頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期日\(chéng)20點(diǎn)利用相關(guān)公式和參數(shù)分別計(jì)算（1）預(yù)熱段吸熱量（2）蒸發(fā)段吸熱量（3）過(guò)熱段吸熱量。主要計(jì)算步驟如下：1.由廢氣熱源狀態(tài)參數(shù)確定廢氣的定性溫度2.確定該定性溫度下廢氣的熱物性參數(shù)3.（以工質(zhì)R123為例）確定在蒸發(fā)器中的吸熱量4.通過(guò)物性參數(shù)（蒸發(fā)壓力為2.4MPa）的條件下，確定工質(zhì)R123各個(gè)狀態(tài)點(diǎn)處的比焓（h1.h2,h3….）5.求出R123的質(zhì)量流量6.分別對(duì)工質(zhì)在各個(gè)階段所吸熱量進(jìn)行計(jì)算Q=m（h-h’）（預(yù)熱段吸熱量、蒸發(fā)段吸熱量、過(guò)熱段吸熱量）7.工質(zhì)在吸熱過(guò)程中，預(yù)熱段和蒸發(fā)段占了相當(dāng)大的比例，而過(guò)熱段所占比例很小。在保證精度前提下簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略過(guò)熱段的影響，確定工質(zhì)R123的定性溫度8.通過(guò)查表確定工質(zhì)R123對(duì)應(yīng)定性溫度下的熱物性參數(shù)9.各段分界處的廢氣溫度進(jìn)行求解由于工質(zhì)R123同時(shí)存在單相對(duì)