ORC系统换热器性能分析及蒸发器对发动机性能影响研究

发布时间：2017-08-21 14:24

  本文关键词：ORC系统换热器性能分析及蒸发器对发动机性能影响研究

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【摘要】：基于发动机的能量平衡,燃料燃烧总能量中有大约30%通过尾气排放到大气中。因此,将发动机尾气的余热能高效转化再利用是节能减排的有效途径。本研究利用有机朗肯循环(ORC)系统回收发动机的排气能量,蒸发器和冷凝器作为ORC系统的换热部件,对ORC系统的热功转换性能有重要影响。因此,分析蒸发器和冷凝器内流体的流动与传热特性、研究蒸发器对发动机性能的影响对合理设计换热器结构及提升整个余热回收系统的性能有十分重要的意义。基于ORC系统中的管翅式蒸发器,应用CFD方法建立了蒸发器壳侧和管侧的三维数值计算模型,利用计算结果分析了发动机排气在蒸发器壳侧、工质在蒸发器管侧的流动与传热特性,并利用场协同原理讨论了蒸发器的换热性能。研究了发动机转速、ORC系统的工质蒸发压力及工质入口速度对蒸发器管侧压降、出口处工质的气体体积分数和管壁平均表面传热系数的影响。研究结果表明:发动机运行在高转速下有利于ORC系统中工质的蒸发;提高ORC系统的工质蒸发压力可以降低工质在蒸发器管内的流动阻力,但同时也会影响工质的蒸发;增大工质入口速度可以提高蒸发器管侧平均表面传热系数,但同时也会增加工质在蒸发器管内的流动阻力并降低蒸发器出口处工质的气体体积分数。基于ORC系统中的人字波纹板型冷凝器,应用CFD方法建立了人字波纹板型冷凝器单流道的数值计算模型,研究了工质入口速度对冷凝器通道内压降及波纹板表面传热系数的影响。研究结果表明:当工质入口速度增加时,波纹板的传热性能改善,但此时工质在冷凝器内的流动阻力也增大。为研究ORC系统中蒸发器对发动机性能的影响,利用GT-Power软件建立发动机仿真模型,针对发动机多个工况点,得到了发动机功率、转矩及有效燃油消耗率(BSFC)的变化情况。通过理论计算,得到了发动机-ORC联合系统(即发动机与ORC系统相耦合)的功率提升率和BSFC改善度的变化情况。研究结果表明,加装ORC系统蒸发器后,由于排气背压增加,导致原发动机功率和转矩有所下降、BSFC有所上升。但与原发动机相比,发动机-ORC联合系统的功率有所提升,BSFC有所降低。
【关键词】：有机朗肯循环 蒸发器 冷凝器 数值模拟 流动与传热特性
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK403
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 物理量名称及符号表8-12
• 第1章 绪论12-24
• 1.1 课题研究背景及意义12-14
• 1.2 国内外研究现状14-21
• 1.2.1 ORC系统的应用现状14-15
• 1.2.2 换热器的研究现状15-21
• 1.3 本文的主要研究内容21-24
• 第2章 排气在蒸发器壳侧的流动与传热特性分析24-44
• 2.1 Fluent软件介绍24-25
• 2.2 蒸发器壳侧物理模型25-26
• 2.3 模型的边界条件及控制方程26-29
• 2.4 网格的建立及计算方法29-30
• 2.5 发动机-ORC联合系统实验及数值模拟结果验证30-31
• 2.5.1 发动机-ORC联合系统介绍30-31
• 2.5.2 数值模拟结果与实验结果的对比31
• 2.6 数值模拟结果分析31-41
• 2.6.1 排气温度分布31-34
• 2.6.2 排气压力分布34-36
• 2.6.3 排气流场分布36-37
• 2.6.4 场协同角分布37-41
• 2.7 本章小结41-44
• 第3章 工质在蒸发器管侧的流动与传热特性分析44-60
• 3.1 蒸发器管侧物理模型44-45
• 3.2 模型的边界条件45
• 3.3 两相流计算模型45-46
• 3.4 网格的建立及计算方法46-47
• 3.5 数值模拟结果与实验结果的对比47
• 3.6 数值模拟结果分析47-50
• 3.6.1 工质温度分布48
• 3.6.2 工质压力分布48-49
• 3.6.3 速度矢量分布49-50
• 3.7 不同条件下的数值模拟结果分析50-59
• 3.7.1 工质不同入口速度下的蒸发情况50-52
• 3.7.2 工质不同入口速度下的温度分布52-53
• 3.7.3 工质不同入口速度下的管侧压降53
• 3.7.4 不同蒸发压力下工质的流动及传热特性53-55
• 3.7.5 不同发动机转速下工质的流动及传热特性55-59
• 3.8 本章小结59-60
• 第4章 工质在冷凝器中的流动与传热特性分析60-72
• 4.1 冷凝器物理模型60-61
• 4.2 模型的边界条件61-62
• 4.3 网格的建立及计算方法62-63
• 4.4 数值模拟结果与实验结果对比63-64
• 4.5 数值模拟结果分析64-66
• 4.5.1 工质压力分布64
• 4.5.2 工质速度分布64-66
• 4.5.3 场协同角分布66
• 4.6 工质入口速度对通道压降和换热的影响66-71
• 4.6.1 工质入口速度对通道压降的影响67-69
• 4.6.2 工质入口速度对通道换热的影响69-71
• 4.7 本章小结71-72
• 第5章 发动机-ORC联合系统中蒸发器对发动机运行性能的影响72-84
• 5.1 GT-Power软件介绍72
• 5.2 发动机仿真模型72-76
• 5.2.1 发动机仿真模型的建立72-74
• 5.2.2 仿真结果与实验结果的对比74-76
• 5.3 蒸发器对发动机运行性能的影响76-78
• 5.4 ORC系统工作原理及热力学模型78-80
• 5.5 发动机-ORC联合系统的运行性能分析80-82
• 5.6 本章小结82-84
• 结论与展望84-86
• 参考文献86-90
• 攻读学位期间取得的学术成果90-92
• 攻读学位期间获奖情况92-94
• 致谢94

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1 贝晨;ORC系统换热器性能分析及蒸发器对发动机性能影响研究[D];北京工业大学;2016年

2 张可新;开放源码编译器ORC系统中若干优化技术[D];中国科学院研究生院（计算技术研究所）;2002年

3 陈紫微;ORC系统分液冷凝器性能对比评价及优化[D];广东工业大学;2015年

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本文编号：713414