內燃機余熱有機朗肯循環(huán)工質篩選研究?

戴曉業(yè)，安青松，史 琳，翟慧星

(1.清華大學，熱科學與動力工程教育部重點實驗室，清華大學熱能工程系，北京 100084；2.天津大學，中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室，天津大學機械工程學院，天津 300072)

內燃機余熱有機朗肯循環(huán)工質篩選研究?

戴曉業(yè)1，安青松2，史 琳1，翟慧星1

(1.清華大學，熱科學與動力工程教育部重點實驗室，清華大學熱能工程系，北京 100084；2.天津大學，中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室，天津大學機械工程學院，天津 300072)

汽車發(fā)動機余熱資源品位高、回收潛力大，適合使用有機朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle，ORC)進行回收利用。本文中針對內燃機余熱有機朗肯循環(huán)的特點提出工質篩選條件，并根據實際系統(tǒng)的性能和成本分析，提出以總凈功量、熱效率和膨脹機的膨脹比與尺寸參數等為評價指標的系統(tǒng)評價方法，對篩選出的備選工質進行評價。結果表明，工質的表現主要與臨界溫度和分子復雜度有關，ORC系統(tǒng)的性能與工質的臨界溫度呈正相關，系統(tǒng)成本則與工質的分子復雜度呈正相關。因此，臨界溫度較高而分子復雜度偏低的工質R1233zd(E)是7種備選工質中的最佳選擇。

內燃機余熱；有機朗肯循環(huán)；工質評價；臨界溫度；分子復雜度

前言

目前汽車內燃機余熱回收利用已成為節(jié)能減排的重要途徑之一。內燃機消耗燃料的能量只有20%～40%實際轉化為有效功，大部分的熱量被煙氣和冷卻介質帶走，造成很大的能源浪費[1]。特別是內燃機的煙氣，溫度往往能達到500℃以上，是品位很高的余熱資源。隨著汽車保有量的日益增加和燃料資源的供應緊張，內燃機余熱回收利用的重要性也日益突出。內燃機余熱主要包括內燃機煙氣和冷卻水兩部分，其中煙氣的溫度遠高于冷卻水，是主要的余熱熱源。目前對于內燃機余熱的利用方法，主要有廢氣渦輪增壓技術、燃料改良、車內采暖和制冷等[2]。但這些方法對于內燃機余熱資源利用率普遍偏低。有機朗肯循環(huán)(organic rankine cycle，ORC)是一種靈活高效的余熱利用方式，由于其可以用多品級能源且變工況能力較強，目前在內燃機余熱利用領域得到了廣泛的關注，包括研究機構和汽車廠家等都提出了多種內燃機余熱ORC的利用方案[3-4]。

工質篩選是ORC研究的重要內容之一。在內燃機余熱ORC工質篩選方面，已經有部分學者進行了研究。文獻[5]中選取R11，R134a和苯作為研究對象，比較了它們在不同條件下的表現，研究結果表明：相對于煙氣，冷卻水中的可利用能量非常?。煌瑫r相對于收益，在內燃機余熱ORC中使用回熱和預熱都是不經濟的；針對小型單級膨脹機，干流體的表現要優(yōu)于濕流體。但研究結果中涉及的工質種類太少，且沒有針對工質的性質提出進一步的篩選條件。文獻[6]中選擇烷烴類工質作為篩選對象，比較了熱效率、做功量和膨脹機參數等多項指標，認為環(huán)烷烴如環(huán)己烷等綜合性能最好。但烷烴類工質當含碳數較高時冷凝壓力會很低，在實際系統(tǒng)中很難實現冷凝。文獻[7]中對于R113，R123，R245fa，乙醇和水進行了比較，認為乙醇和R113綜合表現更為突出。但其篩選對象中R113和R123都屬于氟氯烴，并不符合環(huán)保要求。因此總的來說，在內燃機余熱ORC工質篩選方面，還須針對內燃機余熱ORC本身的特點，提出適合的工質篩選條件和評價方法。本文中主要工作為分析內燃機余熱ORC特點，并針對特點提出相應的內燃機余熱ORC工質篩選要求；針對實際系統(tǒng)的目的和需要，提出合適的工質評價指標；建立系統(tǒng)計算模型，對待選工質進行計算分析，明確與系統(tǒng)表現相關的工質參數，便于進行合適工質的主動篩選。

1 系統(tǒng)模型

內燃機余熱ORC系統(tǒng)如圖1所示。對于內燃機余熱ORC來說，由于要減小系統(tǒng)的體積和質量，應該盡量選擇簡單的系統(tǒng)，因此內燃機余熱ORC系統(tǒng)的循環(huán)構型選擇亞臨界飽和循環(huán)，并且不考慮回熱、再熱和過熱處理。由于冷卻水相對煙氣的能量較小，同樣出于系統(tǒng)簡化和減重的考慮，選擇內燃機煙氣作為單熱源，避免復合系統(tǒng)的使用。有機工質在蒸發(fā)器中吸收來自內燃機煙氣的熱量，經等壓吸熱過程成為高溫高壓的飽和氣體(4-1過程)；氣體進入膨脹機后膨脹做功，乏氣進入到冷凝器中(1-2過程)；乏氣在冷凝器中放熱冷凝成為液態(tài)(2-3過程)，隨后由工質泵加壓至蒸發(fā)壓力進入蒸發(fā)器(3-4過程)開始新的循環(huán)。

圖1 內燃機余熱ORC系統(tǒng)T-S圖

煙氣參數選擇典型內燃機煙氣工況，溫度為500℃，流量為1 000kg/h。典型煙氣組成包括二氧化碳、水、氮氣和氧氣，在計算時以空氣性質做為近似處理。系統(tǒng)的冷凝溫度設為60℃。膨脹機和工質泵的等熵效率設為0.8。另外為避免排氣中酸霧的形成，煙氣的排氣溫度應高于90℃。

蒸發(fā)器的換熱計算如圖2所示。蒸發(fā)器的最小換熱溫差設為30℃，對于亞臨界飽和循環(huán)，最小換熱溫差只可能發(fā)生在蒸發(fā)溫度處和排氣出口處。先假設最小換熱溫差發(fā)生在蒸發(fā)溫度處，則可由式(1)和式(2)計算出工質的流量和排氣溫度。若排氣溫度小于最低排氣溫度限制，則認為最小換熱溫差發(fā)生在排氣出口處。

式中：mf為工質質量流量；mg為排氣質量流量為排氣的平均定壓比熱容；Tgin為排氣入口溫度；Tgm為點5對應的排氣溫度；h1和h5為點1和點5的工質的焓值。

式中：Tgout為排氣出口溫度；h4為點4的工質的焓值。

圖2 蒸發(fā)器換熱T-Q圖

本文中計算過程中的物性取自NIST的REFPROP 9.0軟件，對于純工質和混合工質，該軟件采用改進的Helmholtz自由能方程和改進的Helmholtz混合法則進行計算。

2 工質篩選方法

2.1 內燃機余熱ORC特點和工質篩選要求

內燃機余熱ORC與其他工業(yè)余熱ORC相比有許多不同之處。第一，內燃機余熱ORC是布置在一個小型的移動空間當中。因此應盡量減小系統(tǒng)的體積與質量，這是內燃機余熱ORC系統(tǒng)設計和工質篩選最重要的準則。第二，內燃機余熱ORC的熱源情況與汽車運行狀態(tài)有關，因此其工況變化相當頻繁。第三，由于系統(tǒng)與汽車乘客處于同一空間，因此工質的安全性要求要高于其他工業(yè)余熱ORC。

根據內燃機余熱ORC特點，內燃機余熱ORC有機工質應該滿足以下的篩選條件。

(1)工質應為干流體。干流體由于膨脹后不會進入到工質的兩相區(qū)，所以不需要使用過熱器，既降低了系統(tǒng)的體積又減少了成本。同時針對小型系統(tǒng)的單機膨脹機，干流體的熱力表現也優(yōu)于濕流體[5]。

(2)安全性。由于與汽車乘客處于同一空間，所以對于工質毒性的要求要高，因此首先排除苯類等毒性較高的工質。同樣考慮到乘客的安全性，以及可燃性在系統(tǒng)的設計、生產、銷售和銷毀等環(huán)節(jié)帶來的諸多不便，只考慮不可燃工質。因此又排除了可燃的碳氫類工質和硅氧烷類工質等。

(3)環(huán)保性。根據蒙特利爾議定書的要求，氟氯烴類工質不符合環(huán)保要求，我國需要在2030年前徹底淘汰，因此排除了氟氯烴類工質。同時出于環(huán)?？紤]，只考慮GWP＜1500的有機工質。

(4)冷凝壓力不能太低。若工質的冷凝壓力低于大氣壓，則須對冷凝器進行抽真空處理而增加系統(tǒng)的復雜性和運行成本，因此備選工質在給定的冷凝溫度下冷凝壓力不能低于大氣壓。據此可排除部分高碳數烷烴和硅氧烷類等工質。

(5)其他要求。包括化學穩(wěn)定性和市場可獲得性等。

綜合以上條件，從常用工質中篩選出7種備選工質，分別為氫氟烴類的R152a，R236ea，R245fa和R245ca以及氫氟醚類的HFE7000、氫氟烯類的R1234ze(E)和R1233zd(E)。它們的性質如表1所示。其中R1233zd(E)雖然ODP不為0，但數值很小，只有0.000 34，且其GWP僅為7，其環(huán)保性是可接受的[8]，因此仍列入備選工質中。

表1 備選工質部分性質

2.2 工質篩選評價指標

內燃機余熱ORC的系統(tǒng)目標為更高的收益和更低的成本。對于收益來說，最直接的體現就是系統(tǒng)的總凈功量Wnet；同時對于能量的利用情況，采用系統(tǒng)的熱效率ηE來評價。其中總凈功量Wnet為總做功量與總泵功的差值，熱效率ηE為膨脹機做功量與ORC循環(huán)吸熱量的比值。

對于成本來說，膨脹機成本為內燃機余熱ORC中的主要成本。由于內燃機ORC在使用場所方面的限制，膨脹機設計只能使用單級膨脹機，且尺寸要盡量的小。對于膨脹機的評價參數，主要有膨脹比VFR(volumetric flow ratio)和膨脹機尺寸參數SP (size parameter)，它們的表達式如下：

式中：v·1和v·2分別為點1和點2的工質的比容為點2的體積流量；ΔHis為膨脹機理想做功量。

SP可以表征實際膨脹機的尺寸和成本，SP值越大，則膨脹機越復雜且成本越高。VFR即膨脹機進出口工質體積比，它決定膨脹機的尺寸和級別，故亦影響系統(tǒng)的成本。研究表明，當VFR＜50時單級膨脹機的效率才能達到0.8[9]。

總的來說，對于ORC系統(tǒng)的工質篩選，由總凈功量和熱效率ηE來評價系統(tǒng)的產出，以膨脹比VFR和膨脹機尺寸參數SP來評價系統(tǒng)的成本。

3 結果與討論

3.1 不同工質收益與成本指標比較

不同工質蒸發(fā)溫度范圍不同，為用同一尺度來比較變態(tài)工質，文中引入無量綱的蒸發(fā)溫度系數，定義為這里Tevap為工質的蒸發(fā)溫度，Tcond為工質的冷凝溫度，Tcrit為工質的臨界溫度。

待選工質的總凈功量計算結果如圖3所示。由圖可見：隨著θ的增大，系統(tǒng)的總凈功量增加，而增速逐漸減緩；從工質的組成來看，含碳數高的工質總凈功量更大；對于氫氟烴來說，在同碳數的情況下，含氟原子數量少的工質表現更好；但是含雙鍵的R1234ze(E)比碳數相同的氫氟烴表現要差得多，而以一個Cl原子替代R1234ze(E)上一個F原子的R1233zd(E)則表現良好，總凈功量為14.31kW，R245ca的總凈功量最高，達14.76kW。

圖3 待選工質的總凈功量

待選工質的熱效率計算結果如圖4所示?？梢钥闯鰺嵝实淖兓厔菖c總凈功量基本一致。主要原因為在熱效率的表達式中，不同工質ORC循環(huán)吸收的煙氣能量差別不大，差別主要在于循環(huán)做功量的大小，因此循環(huán)做功量成為熱效率的主要影響因素。

圖4 待選工質的熱效率

待選工質的膨脹比計算結果如圖5所示。可以看出，隨著θ的增大，系統(tǒng)的膨脹比增加，且增速逐漸加大。從工質的組成來看，膨脹比隨工質的變化關系與總凈功量的情況基本一致。雖然膨脹比的增長有加速的趨勢，但是在給定工況下膨脹比最大為R245ca的15.46，遠小于膨脹比50的限制要求，因此認為在給定工況下都是可以接受的。

圖5 待選工質的膨脹比

圖6 待選工質的SP值

待選工質的SP值計算結果如圖6所示。可以看出不同于膨脹比，SP值隨著θ的增加而減小。由于SP值的大小和膨脹機成本呈正相關關系，也就是說ORC系統(tǒng)在高蒸發(fā)溫度下達到較高輸出的同時，膨脹機成本會相對下降，因此這是一個非常有利的現象。從工質的組成上來看，HFE7000的SP值明顯要大于其他待選工質；氫氟烴類工質的SP值的相對大小關系基本上與總凈功量的相對大小趨勢基本相反，即總凈功量大的SP值也大，這說明對于氫氟烴類工質，輸出與成本之間存在著選擇的矛盾。

3.2 臨界溫度和分子復雜度的影響

工質的臨界溫度對工質在ORC系統(tǒng)中的表現有很大的影響。總凈功量和熱效率與臨界溫度的關系如圖7所示，這里的總凈功量和熱效率都選擇工質能達到的最高值?？梢钥闯鲭S著工質臨界溫度的升高，總凈功量和熱效率基本上呈上升趨勢，與臨界溫度基本呈正相關關系。這主要是由于隨著臨界溫度升高，對于亞臨界循環(huán)而言可以取得更高的蒸發(fā)溫度，因而獲得更高的單位質量做功量；雖然工質流量會相應減小，但總凈功量仍呈上升趨勢。因此對于內燃機余熱ORC要獲取更高的收益，應選擇臨界溫度更高的工質。

圖7 總凈功量和熱效率與臨界溫度的關系

膨脹比和SP值與臨界溫度的關系如圖8所示，這里膨脹比和SP值對應的蒸發(fā)溫度都選擇工質達到最大總凈功量時的蒸發(fā)溫度。這是由于在內燃機ORC中，成本是一次性投入，因此認為輸出參數是更為重要的選擇?？梢钥闯鲭S著工質臨界溫度的升高，膨脹比大致呈上升趨勢。對于內燃機余熱ORC，工質的臨界溫度有一定限制；不過由于此時VFR的值還遠小于50的限定值，因此VFR并不是成本控制中主要的限制條件。同時可以看出SP值與工質的組成有很大關系。對于氫氟烴類，SP值大致隨工質臨界溫度的升高而增大；其他幾種類型的工質與臨界溫度相近的氫氟烴相比，R1233zd(E)的SP值大致相同，而R1234ze(E)和HFE7000的SP值明顯偏大，特別是HFE7000的SP值明顯要大于其他待選工質。因此可見相對于其他種類的工質，使用氫氟醚類工質時膨脹機成本會明顯增加，因此氫氟醚類并不適合作為內燃機ORC工質。

圖8 膨脹比和SP值與臨界溫度的關系

由于臨界溫度與SP值并沒有統(tǒng)一的相關關系，這里引入分子復雜度作為另一個考察參數。分子復雜度是與分子本身性質相關的一個物性，研究表明，分子復雜度和工質在ORC系統(tǒng)中的表現有緊密關系[6，9-10]，其定義式為

其中Tr=T/Tcr

式中：Tcr為臨界溫度；SV為飽和蒸汽狀態(tài)。

各種待選工質的分子復雜度的計算結果也列入表1中。

總凈功量和熱效率與分子復雜度的關系如圖9所示?？梢钥闯龇肿訌碗s度與總凈功量和熱效率的相關程度并不是很高，不如臨界溫度對工質篩選更有指導意義。

圖9 總凈功量和熱效率與分子復雜度的關系

膨脹比和SP值與分子復雜度的關系如圖10所示?？梢钥闯雠蛎洷群蚐P值與分子復雜度基本呈正相關關系，特別是與臨界溫度相關性較差的SP值，與分子復雜度的正相關程度要高的多。由于SP值是成本控制的主要條件，固此要獲得更低的成本，應該優(yōu)先選擇分子復雜度較小的工質。

圖10 膨脹比和SP值與分子復雜度的關系

綜合來看，考慮系統(tǒng)輸出方面，須使用更高臨界溫度的工質；但高臨界溫度工質又受到成本方面膨脹比和SP值的限制；考慮成本方面，須使用分子復雜度較小的工質。因此，臨界溫度較高且分子復雜度較小的工質是合適的選擇。在待選工質中，R245ca和R1233zd(E)的綜合性能最為優(yōu)秀，考慮到R1233zd(E)在GWP方面的優(yōu)勢，因此可以認為R1233zd(E)是待選工質中的最佳選擇。

4 結論

(1)本文中根據內燃機余熱ORC的移動性、高安全性和高頻率變工況等特點，提出了適合內燃機余熱ORC的工質篩選條件，并針對實際系統(tǒng)的收益和成本，總結出包括總凈功量、熱效率、膨脹比和膨脹機尺寸參數SP等評價指標的系統(tǒng)評價方法。

(2)通過對待選工質評價指標的計算，發(fā)現總凈功量和熱效率等收益指標主要與工質的臨界溫度呈正相關關系；待選工質的膨脹比都在限制范圍內，但膨脹比隨蒸發(fā)溫度的變化率為正，因此在高蒸發(fā)溫度時會成為主要限制因素；膨脹機尺寸參數SP與工質組成有關，與分子復雜度呈正相關關系。這兩個關系的確定為內燃機余熱ORC工質的主動選擇提供了依據。在本文的考察工質范圍內，R1233zd (E)等臨界溫度適中且分子復雜度較小的工質是內燃機余熱ORC綜合性能最佳的選擇。

(3)臨界溫度和分子復雜度兩個選擇指標存在一定的矛盾性。使用混合工質和跨臨界循環(huán)可能會在提高系統(tǒng)的收益同時規(guī)避篩選限制，因此會是進一步提高內燃機余熱ORC收益的研究方向。

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A Study on Working Fluid Selection for Organic Rankine Cycle of Engine Waste Heat

Dai Xiaoye1，An Qingsong2，Shi Lin1＆Zhai Huixing1
1.Key Laboratory of Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education of China，Department of Thermal Engineering，Tsinghua University，Beijing100084； 2.Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy，MOE，School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin300072

The waste heat of automotive engine is a high quality resource with high potential of energy recovery，so is suitable for energy recovery by using organic Rankine cycle(ORC).In this paper，based on the features of ORC for the waste heat of internal combustion engine，the conditions for working fluid selection are proposed，and according to the performance and cost analyses of real system，a system evaluation scheme is put forward with the total net work done，thermal efficiency and the volumetric flow ratio and size parameter of expander as evaluation indicators to evaluate candidate working fluids.The results show that the behavior of working fluids mainly related with critical temperature and molecular complexity.The performance of ORC system is positively correlated to the critical temperature of working fluid while the cost of system is positively correlated to the molecular complexity of working fluid.As a result，the working fluid R1233zd(E)with a higher critical temperature and a relatively lower molecular complexity is the best choice among seven working fluid candidates.

engine waste heat；ORC；working fluid evaluation；critical temperature；molecular complexity

?國家自然科學基金重點項目(51236004)和國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體(51321002)資助。

原稿收到日期為2016年3月29日，修改稿收到日期為2016年5月11日。

史琳，教授，E-mail：rnxsl＠m(xù)ails.tsinghua.edu.cn。

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.02.001