用于內(nèi)燃機(jī)廢熱回收的有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）的優(yōu)化研究

本文研究主要對(duì)用于從內(nèi)燃機(jī)（ICE）中廢熱回收的有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）進(jìn)行了有效能分析。首先介紹了一種可以同時(shí)從發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液和廢氣中回收廢熱的新型配置系統(tǒng)(見文中Fig.1)。該系統(tǒng)的工作流體是R-123、R-134a和水。本文還對(duì)系統(tǒng)的循環(huán)過(guò)程進(jìn)行了全面的熱力學(xué)模擬，并將凈輸出功率和有效能效率作為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。本文研究的設(shè)計(jì)變量是循環(huán)過(guò)程中第一步和第二步壓力值、泵和膨脹機(jī)等的熵效率以及廢熱回收后的廢氣溫度。

Fig.1.Schematic of the pursued two-parallel-step organic Rankine cycle for wasteheat recovery from ICE

研究結(jié)果顯示，在所有考慮的條件下，即使水具有最高的液態(tài)氣相變焓值，但R-123在三種工作流體中的性能最好，其能夠產(chǎn)生468千瓦的凈輸出功率，有效能效率為21%。一般而言，從熱力學(xué)角度來(lái)看，干燥流體（R123的蒸汽熵隨著溫度的升高而增加）作為工作流體可能具有實(shí)現(xiàn)最大有用功率和（有效能）效率的潛力。從實(shí)用角度來(lái)看，R-123具有可接受的物理性能，可防止膨脹機(jī)出口液滴的形成，并具有環(huán)境特性，如低臭氧消耗潛能、不可燃性和無(wú)毒性等。此外，還對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了靈敏度分析，以了解改善膨脹機(jī)和泵效率對(duì)性能的影響。這一分析表明，追求提高泵的等熵效率并不值得。但是從結(jié)果中可以看出，雙膨脹機(jī)等熵效率提高30%可能導(dǎo)致凈產(chǎn)出增加53%功率和循環(huán)（有效能）效率增加8%。這意味著今后ORC的設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮使用高效的擴(kuò)展器。