用于柴油机尾气余热回收的ORC-HP联合系统及自由活塞膨胀机的性能研究

发布时间：2020-04-24 13:21

【摘要】：利用有机朗肯循环-热泵联合系统(ORC-HP)回收车用发动机余热,在提高内燃机总效率、降低燃油消耗量的同时,还可以通过制冷或制热,达到调节车内温度的目的。因此,研究联合系统的性能对节约能源和回收发动机余热具有重要的价值与意义。本文在ORC-HP联合系统和自由活塞膨胀机方面做了一些相关工作,并取得了一些阶段性成果。本文基于能量守恒定律,给出了联合系统的热力学模型,并根据热力学模型计算了联合系统中每个部件的能量变化和?损率,研究了在环境温度,ORC系统中的冷凝温度和蒸发压力,以及热泵系统中冷凝压力、冷凝温度和蒸发温度变化时对联合系统性能的影响。结果表明,基于已有的柴油机数据,联合系统在较高尾气温度和柴油机转速下,能够满足目标客车的制冷和制热需求。在联合系统制热模式的参考工况下,联合系统的总效率为43.14%,COP_h为3.76。只改变ORC系统中的相关参数,不会影响热泵系统的制热功率;当柴油机转速和尾气温度分别为2200r/min和818K时,热泵系统的最大制热功率为108.0kW;改变热泵系统中的相关参数,对热泵系统的COP_h和联合系统的总效率都有影响,但二者呈相反的变化趋势;当热泵系统中的相关参数增大时,热泵系统的制热功率和联合系统总?损率的变化趋势与联合系统的总效率的变化趋势相同,净发电功率的变化趋势与COP_h的变化趋势相同;联合系统的总效率在40.0%-47.06%之间变化;COP_h在热泵系统冷凝温度为323K时达到最大,其值为4.78。改变热泵系统的相关参数可以看出,与蒸发温度相比,冷凝压力和冷凝温度的变化对联合系统的净发电功率和总?损率的影响更为明显;当冷凝温度为303K时,联合系统的净发电功率最大,其值为6.58kW;当冷凝压力为8MPa时,联合系统的最大?损率为222.84kW。在联合系统制冷模式下,联合系统的总效率随着柴油机转速的增高和柴油机尾气温度的升高而降低。ORC系统中冷凝温度和蒸发压力变化时,联合系统的制冷性能系数保持不变,两种工况下热泵系统的COP_c均为3.34;当柴油机转速和尾气温度较高时,联合系统的净发电功率在满足制冷功率(15kW)的基础上,随着柴油机转速和尾气温度的升高而增大。热泵系统中冷凝温度、冷凝压力和蒸发温度的变化对COP_c影响较大;当冷凝压力逐渐增大时,COP_c呈先增大后减小的趋势,最大值出现在冷凝压力为8.5MPa的工况点,其值为3.89;COP_c随着冷凝温度的升高而明显降低,当冷凝温度为308K和318K时,COP_c分别为3.34和1.89;COP_c随着蒸发温度的升高而增大,当蒸发温度为273K时,COP_c为2.18,当蒸发温度升高为287K时,COP_c最大,其值为3.98。膨胀机作为ORC系统中的关键部件之一,其性能对整个ORC系统有着重要影响。本文基于自由活塞膨胀机-直线发电机(FPE-LG)试验样机,采用压缩空气作为工质,对FPE-LG样机的运动特性进行了试验研究。研究结果表明,在进气压力较高的工况下,FPE-LG能够稳定运行,基准位置处活塞速度和运行止点位置的循环变动较小。当进气压力为0.2MPa,工作频率为2.5Hz时,活塞最大速度接近1.2m/s;进气角、排气角和进气压力对活塞运动的对称性和直线发电机输出功率有重要影响,减小排气角或增大进气角,有利于提高活塞运动的对称性、减小活塞运动的循环变动、明显改善直线发电机的输出功率。当进气压力为0.19MPa,工作频率为2.5Hz时,直线发电机输出功率的峰值最大约为19.0W。根据FPE-LG试验样机,利用GT-Suite软件搭建了自由活塞膨胀机仿真模型,并进行了初步研究,得到了一些相关结论。
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汽车保有量

第 1 章绪论景经济大国向经济强国迈进的特殊历史时期内，环境问要阻碍之一，，其中，较为典型的污染是城市的雾霾。占比最大的机动车尾气，占比为 22%，其次是扬尘和17%[1]。是国民经济发展中最重要的支柱性产业之一，我国作费大国，每年内燃机的产销量都在千万台以上，截止保有量已经突破 3.8 亿台，消耗各类原油和液化油总年石油进口总量相当。2016 年，我国汽车年产量超过有量达到 2.9 亿辆，其中汽车保有量为 1.94 亿辆，如

机动车保有量,城市汽车,汽车

图 1-2 2012-2017 年中国机动车保有量Fig.1-2 China's vehicle ownership from 2012 to 2017国有 49 个城市汽车保有量超过 100 万辆，19 个城市的汽车超过 20京、成都、重庆、上海、苏州、深圳 6 个城市的汽车超过 300 万辆示。图 1-3 汽车保有量超过 200 万的城市Fig.1-3 Cities with more than 2 million vehicles
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK115

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