内燃机排气余热回收朗肯循环系统的工作界限与应用评价

发布时间：2017-08-17 00:04

  本文关键词：内燃机排气余热回收朗肯循环系统的工作界限与应用评价

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【摘要】：基于朗肯循环的内燃机排气余热回收与传统低温余热回收存在较大的差异,具有高温、大温差、变工况等特点。因此,本课题开展了内燃机排气余热回收朗肯循环系统的回收潜能、工作特性、工作界限、应用评估等方面的研究。本文的主要结论如下:通过内燃机排气余热回收系统试验平台,获得了排气温度及其显热比例在中等乘用车发动机常用工况范围内整体上呈梯级递增、大温差的的分布规律,同时系统模型的预测结果表明,该回收系统的效率约为3%-8%。不同工质的换热器性能试验结果表明,增加工质流量可改善蒸发器效率,但不同发动机工况与工质压力下均存在实现工质过热的流量界限,压力越大,可过热的流量越小;负荷越大,可过热的压力界限越宽。在工质过热情况下,增加冷却水流量可强化蒸发器效率。相反,如果冷凝器冷却能力不足,则会造成系统运行的不稳定,并在发动机低负荷工况恶化蒸发器效率。压力的微小波动会引起流量的较大脉动,进而影响蒸发器出口工质温度的反向变化,压力趋于稳定后,流量与温度也随之稳定。分析了工质的物性参数与工作参数对系统性能的综合影响,特定工质的Ja数随蒸发与冷凝温度比的增大而升高,且在循环压比高的条件下更显著;相同循环条件下,Ja数小的工质可产出更高的功率。高沸点(低Ja数)的工质在不同压力下的膨胀比数值都比较小,透平功率密度和嗾效率都更高,但低沸点工质的尺寸参数更适中,且膨胀机适应的压力范围更大。蒸发器与膨胀机的不可逆损失是系统不可逆损失的主要来源,且两者的比例随着压力的升高会发生改变。预热段在蒸发器总面积中占据了绝对高的比例,此时需要提高高潜热工质侧的湍流强度,对于蒸发段则需强化排气侧的换热。工质吸收的热量大部分都通过冷凝器散失掉,导致冷凝器换热面积远大于蒸发器面积,显著增加了系统的空间尺寸与运行成本,采用高沸点工质将在一定程度上改善这种状况。高、低沸点工质在系统收益方面几乎没有差异,但前者的热经济性能更优,其中水是唯一可以在基准投资回收期内实现净利润的工质。发动机转速越高,系统总的功率提升越明显,但同时也会产生更多的泵气功损耗,系统?效率下降,膨胀机的尺寸参数线性增大。讨论了排气余热回收系统在不同功率等级的内燃机及其工况范围的应用可行性。比较发现,重型柴油机系统的经济区域要宽很多,且其通过优化系统工作参数拓展到经济区的潜能更大。当系统的收益与经济性均处于合理范围内,通过朗肯循环回收内燃机排气余热具有较大的回收潜能。
【关键词】：内燃机 排气余热回收 朗肯循环 工质 热物性 工作界限 应用评估
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK115;TK40
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-14
• 字母注释表14-17
• 第一章 绪论17-38
• 1.1 引言17-19
• 1.2 基于朗肯循环的内燃机排气余热回收技术19-22
• 1.3 朗肯循环的工质研究22-29
• 1.3.1 工质类型的应用区别23-26
• 1.3.2 工质热物性的影响26-29
• 1.4 内燃机排气余热回收朗肯循环系统的特殊性29-35
• 1.5 不同类型内燃机的余热回收系统35-36
• 1.6 本课题的主要目的与研究内容36-38
• 第二章 内燃机排气余热回收朗肯循环系统的试验装置与数学模型38-54
• 2.1 内燃机排气余热回收朗肯循环系统的工作原理38-39
• 2.2 回收系统试验平台与误差分析39-43
• 2.3 回收系统的数学模型43-51
• 2.3.1 热力学模型43-46
• 2.3.2 换热器模型46-49
• 2.3.3 热经济学模型49-51
• 2.4 系统模型的验证51-53
• 2.5 本章小结53-54
• 第三章 内燃机排气余热回收朗肯循环系统的试验研究与性能预测54-68
• 3.1 内燃机排气能量特性分析54-56
• 3.1.1 排气物性与能量计算54-55
• 3.1.2 排气能量分布特性55-56
• 3.2 排气余热回收系统的换热试验56-65
• 3.2.1 工质换热界限56-61
• 3.2.2 冷凝能力对蒸发器效率的影响61-64
• 3.2.3 工质参数波动64-65
• 3.3 系统性能预测65-66
• 3.4 本章小结66-68
• 第四章 内燃机排气余热回收朗肯循环系统的工作界限分析68-92
• 4.1 高低沸点工质在高温排气余热回收系统中的性能分析68-89
• 4.1.1 计算条件68-69
• 4.1.2 工质种类对回收系统性能的影响69-85
• 4.1.3 热源工况对回收系统性能的影响85-89
• 4.2 边界条件对工质工作界限的影响89
• 4.3 本章小结89-92
• 第五章 内燃机排气余热回收朗肯循环系统的应用评估92-103
• 5.1 计算条件92-94
• 5.1.1 热源条件92-93
• 5.1.2 工质及其循环条件93-94
• 5.2 朗肯循环系统在不同类型内燃机中的应用评估94-100
• 5.2.1 蒸发压力的影响94-96
• 5.2.2 发动机类型与负荷的影响96-100
• 5.3 不同功率等级下的系统性能MAP100-101
• 5.4 本章小结101-103
• 第六章 全文总结与展望103-106
• 6.1 全文总结103-105
• 6.2 未来工作展望105-106
• 参考文献106-116
• 发表论文和参加科研情况说明116-118
• 致谢118-120

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本文编号：686147