可变膨胀比朗肯循环余能回收系统研究

发布时间：2017-10-06 20:23

  本文关键词：可变膨胀比朗肯循环余能回收系统研究

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【摘要】：随着能源消费模式由煤炭向石油的转变，人类社会对石油能源依赖程度与消耗需求逐日增加。其中，作为工业发展重要支撑的汽车工业，对石油能源依赖更为严重，中国作为汽车生产和消费大国，汽车对石油能源巨大消耗或将成为制约我国经济社会、汽车工业发展的重要因素。因此，对汽车尾气余能的回收利用技术可提升车用燃油的有效利用率，因其节能特点已成为国内外研究热点。 根据上述情况，本文对比分析了国内外主流尾气余能利用技术，提出了可变膨胀比朗肯循环余能回收系统。提出了以可变膨胀比功能为核心、旨在充分利用工质汽化潜热的技术路线，明确了以自由活塞式膨胀机(FPE)和可变膨胀比的叶片式气动马达(VEPME)为研究重点的柴油机尾气余能利用方案的整体技术构架，本文首先对典型有机朗肯循环热力过程及关键敏感因素进行分析，进而对可实现变膨胀比功能的两膨胀机各自的运行原理进行详尽介绍，先后构建了试验台架及结合两膨胀机的有机朗肯循环（ORC-FPE与ORC-VEPME）的仿真模型，对两系统展开研究与评价。 ORC-FPE系统的研究与评价，前期以试验手段完成了系统可行性评价，并通过仿真手段对不同输出方式下的ORC-FPE系统的影响因素及回收效能进行探究： （1）ORC-FPE相似系统试验评价：搭建了完整的ORC-FPE相似系统，以变频工质泵改变工质进入蒸发器内的压力，实验探究ORC-FPE相似系统在不同工质压力下的功量转化效率、蒸发器换热效率及系统整体效率；试验结果表明，最佳系统性能在工质压力为0.6MPa附近取得，分别为蒸发器换热效率最大值为62%左右、功量最大转化效率可达12%左右、最高的整体效率可达6.5%左右。 （2）辅助压气ORC-FPE系统仿真研究与评价：首先构建基于GT-suite的辅助压气ORC-FPE系统的一维仿真模型，并从能量平衡及模型性能曲线两方面验证了模型的合理性；不同及输出压力下ORC-FPE系统性能评价与分析表明，在值为2.5时，系统呈现最佳性能，其中，,为50.7%、,为23.7%，在11-14bar目标输出压力范围内，11bar时系统性能最优，其中,为53.2%，,为26.5%；对不同热力状态及输入功率下ORC-FPE系统性能进行了评价与分析：最佳性能为为42.8%、为648.9mg/KJ，于高温高压工质压力为11.5bar、温度为383K、为1.2s/cycle、为332g/cycle下取得，折算到实际应用中，可实现9.04L/s输出能力。 （3）辅助做功ORC-FPE系统仿真研究与评价：构建基于GT-suite的辅助做功ORC-FPE系统一维仿真模型并从运行状况的性能曲线角度验证了构建模型的可用性；不同动力活塞与动力缸壁间隙下的系统性能表明，当间隙为0.3mm，与无间隙的初始状态相比，在相同阻尼系数的前提下损失为9.5%，但理论上存在间隙就会消除20%左右的摩擦损失，综合作用系统输出净功增加10%左右。因此，当间隙不大于0.3mm时均可提升系统输出性能。 ORC-VEPME系统的研究与评价，，通过仿真与试验结合的手段，对ORC-VEPME可变膨胀比实现效果及影响因素进行探究： （1）ORC-VEPME系统仿真研究与评价：构建了ORC-VEPME系统仿真模型，并从气动马达运行曲线及PID控制曲线两方面验证了模型的可用性；不同热力状态下系统性能评价与分析表明，从提升做功能力角度，提升工质温度、压力有利于系统性能输出；不同喷射角度及余隙容积下系统性能评价与分析表明，最佳喷射角度位于上止点后30度，且最佳余隙容积为0.03L。 （2）可变膨胀比气动马达特性试验研究：依据专利设计加工了可变膨胀比叶片式气动马达实物，并搭建了VEPME特性试验台架，以压缩空气为工质，探究了不同膨胀比、工作压力下马达的性能表现，试验验证了该马达具备可变膨胀比功能。 （3）ORC-VEPME系统试验评价：以仿真数据为参考，选配ORC循环主要部件，搭建了完整的ORC-VEPME相似系统试验台架，进行实际试验，不断根据试验现象及问题修正试验方案，为后续试验探究奠定基础。
【关键词】：朗肯循环 可变膨胀比式膨胀机 余能回收 GT-suite
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U464.134.4;TK115
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第1章 绪论13-25
• 1.1 研究背景13-15
• 1.2 国内外研究现状15-23
• 1.2.1 发动机尾气余热利用15-17
• 1.2.2 有机朗肯循环余热回收车企应用实例17-19
• 1.2.3 有机朗肯循环工质的选择19-20
• 1.2.4 有机朗肯循环膨胀机的选择20-23
• 1.3 本文研究的主要内容23-25
• 第2章 可变膨胀比朗肯循环余能回收系统介绍25-37
• 2.1 有机朗肯循环的介绍25-30
• 2.1.1 有机朗肯循环热力过程分析26-28
• 2.1.2 有机朗肯循环敏感因素分析28-30
• 2.2 可变膨胀比朗肯循环余能回收系统运行原理30-35
• 2.2.1 可变膨胀比朗肯循环余能回收系统概念提出30-31
• 2.2.2 ORC-FPE 系统运行原理31-33
• 2.2.3 ORC-VEPME 系统运行原理33-35
• 2.3 本章小结35-37
• 第3章 ORC-FPE 系统的研究与评价37-69
• 3.1 ORC-FPE 相似系统试验评价37-39
• 3.2 辅助压气 ORC-FPE 系统仿真研究与评价39-60
• 3.2.1 辅助压气 ORC-FPE 系统仿真模型可用性分析41-45
• 3.2.2 不同及输出压力下系统性能评价与分析45-52
• 3.2.3 不同热力状态及输入功率下系统性能评价与分析52-60
• 3.3 辅助做功 ORC-FPE 系统仿真研究与评价60-66
• 3.3.1 辅助做功 ORC-FPE 系统仿真模型可用性分析62-63
• 3.3.2 不同间隙状态系统性能评价与分析63-66
• 3.4 本章小结66-69
• 第4章 ORC-VEPME 系统的研究与评价69-93
• 4.1 ORC-VEPME 系统仿真研究与评价69-80
• 4.1.1 ORC-VEPME 系统仿真模型可用性分析70-72
• 4.1.2 不同热力状态下系统性能评价与分析72-76
• 4.1.3 不同喷射角度及余隙容积下系统性能评价与分析76-80
• 4.2 可变膨胀比气动马达特性试验研究80-85
• 4.2.1 VEPME 特性试验台架构建81-82
• 4.2.2 试验过程及结果分析82-85
• 4.3 ORC-VEPME 系统试验研究85-89
• 4.3.1 ORC-VEPME 台架构建85-87
• 4.3.2 ORC-VEPME 试验结果分析87-89
• 4.4 本章小结89-93
• 第5章 全文总结及工作展望93-97
• 5.1 全文总结93-95
• 5.2 工作展望95-97
• 参考文献97-103
• 作者简介及科研成果103-105
• 致谢105

【参考文献】

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本文编号：984848