新型廢熱回收技術(shù)在汽車中的應(yīng)用

隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，近三分之一的燃料能源是通過汽車尾氣浪費(fèi)的。有效的廢熱回收過程無疑將提高燃料效率并減少溫室氣體排放。目前，汽車行業(yè)正在研究多種廢熱回收技術(shù)。熱回收系統(tǒng)不僅可以提高發(fā)動機(jī)的效率和節(jié)省燃料，而且可以快速和可持續(xù)地減少尾氣排放，這被認(rèn)為是一重要的環(huán)保舉措。

1 利用熱聲轉(zhuǎn)換器技術(shù)回收輕型卡車的廢熱[1]

一種創(chuàng)新的余熱回收方法使用熱聲轉(zhuǎn)換器(TAC)技術(shù)。熱聲學(xué)是與聲波(聲功率)與熱流相互作用有關(guān)的物理領(lǐng)域。與熱機(jī)一樣，TAC在存在溫差的地方產(chǎn)生電能，這種溫差可以通過發(fā)動機(jī)排氣(熱側(cè))和冷卻劑(冷側(cè))產(chǎn)生。從本質(zhì)上講，TAC將廢氣余熱轉(zhuǎn)化為電能的過程分為兩個步驟:

(1)將廢氣余熱轉(zhuǎn)化為聲能(機(jī)械能);

(2)將聲能轉(zhuǎn)化為電能。轉(zhuǎn)換后的電能可以用來卸載交流發(fā)電機(jī)，為輔助負(fù)載和電池充電提供電力。

如果電能過剩，它可以通過連接到前端附件驅(qū)動器(FEAD)的電機(jī)返回到傳動系統(tǒng)。隨著對清潔能源需求的增加，TAC可能成為減少燃料消耗和二氧化碳排放的一種有吸引力的替代方案。隨著混合動力技術(shù)以及信息娛樂系統(tǒng)、媒體和聯(lián)網(wǎng)車輛的使用的增加，這種技術(shù)將變得更具吸引力。

1.1 熱聲發(fā)動機(jī)原理

熱聲學(xué)是發(fā)動機(jī)和冰箱的科學(xué)和工程，它依賴于熱力學(xué)和聲學(xué)的結(jié)合。氣體中的聲波通常被認(rèn)為是壓力和運(yùn)動的耦合振蕩，但振蕩溫度也會發(fā)生。在小通道中，振蕩溫度存在陡峭的側(cè)向梯度，因?yàn)橥ǖ辣诘墓腆w熱容量使氣體的邊界條件為等溫，從而導(dǎo)致較大的振蕩側(cè)向熱流。總之，這些振蕩的熱力學(xué)現(xiàn)象可以被用來創(chuàng)造密封、加壓的熱機(jī)，其效率可以與冰的效率相媲美。此外，熱聲發(fā)動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)包括不摩擦或移動部件和無外來材料的可能性。

熱聲發(fā)動機(jī)分為駐波或行波兩種方式。在這兩種發(fā)動機(jī)中，功的產(chǎn)生都發(fā)生在多孔介質(zhì)中，在多孔介質(zhì)中，氣體在氣孔內(nèi)溫度梯度的振蕩運(yùn)動導(dǎo)致了氣體進(jìn)出的熱流振蕩，進(jìn)而導(dǎo)致了振蕩熱膨脹和收縮。如果在壓力高時發(fā)生熱膨脹，在壓力低時發(fā)生熱收縮，那么在振蕩的每個周期內(nèi)，氣體對周圍的波做功。然后，聲波攜帶聲波能量到其他地方，在那里它可以強(qiáng)迫活塞振動，產(chǎn)生電力，或用于其他有益的用途。這就是熱聲發(fā)動機(jī)的原理。

1.1.2 行波發(fā)動機(jī)

行波發(fā)動機(jī)的熱動力核心，即熱模塊，由一系列冷換熱器、回?zé)崞?、熱換熱器和熱緩沖管組成，如圖1所示。該熱模塊在熱交換器上接收穩(wěn)定的熱量，在冷交換器上接收聲功率，產(chǎn)生從熱緩沖管流出的大聲功率和在冷交換器上的余熱。

圖1 熱聲發(fā)動機(jī)工作原理[1]

Etalim設(shè)計(jì)并建造了一個1 kW的熱聲轉(zhuǎn)換器，由兩個部件組成，一個熱模塊和一個發(fā)電機(jī)模塊通過聲學(xué)管道連接在一起。熱模塊包括冷熱換熱器之間的蓄熱器，與熱交換器相鄰的熱緩沖管，作為從冷側(cè)流向熱側(cè)的聲功率放大器。發(fā)電機(jī)模塊由一對背對背線性交流發(fā)電機(jī)組成，它們連接到彎曲處，形成了一對很大的平面壓縮室和一個共享膨脹室之間的隔墻。發(fā)電機(jī)模塊將振蕩的直線運(yùn)動直接轉(zhuǎn)化為電能，而不首先將往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。發(fā)電機(jī)模塊不包含滑動部件或密封件，因此不需要任何潤滑，也不存在任何磨損。在TAC內(nèi)部密封的加壓氦氣(工作流體)中產(chǎn)生高強(qiáng)度聲波。這種聲功率從壓縮室通過調(diào)諧的聲管傳輸?shù)綗崮K的冷端，在冷端通過熱端被放大。然后，這種放大的功率通過第二個調(diào)諧聲學(xué)管道返回到發(fā)電機(jī)模塊的共享膨脹室，在移動彎曲的另一邊。通過附加的一對電磁線性交流發(fā)電機(jī)的運(yùn)動，將額外的功率轉(zhuǎn)化為電能。為了在極有限的彎曲行程下達(dá)到合理的輸出功率密度，并與無限疲勞壽命兼容，TAC工作在一個相對較高的壓力和頻率。這種高頻還有一個額外的優(yōu)點(diǎn)，即連接熱模塊和發(fā)電機(jī)模塊的調(diào)諧聲學(xué)管道相對較短，允許緊湊的安排。必須選擇管道的長度以匹配其工作頻率，并在兩個模塊上提供正確的聲功率相位。聲波管道熱交換器模塊如圖2所示。

圖2 聲波管道熱交換器模塊[1]

2 新型蘭金循環(huán)在混合動力汽車的應(yīng)用[2]

2.1 新型的有機(jī)蘭金循環(huán)

理想循環(huán)的原理圖如圖3所示，對于經(jīng)典的汽車蘭金循環(huán)應(yīng)用，排氣系統(tǒng)中的熱交換器(由預(yù)熱器、蒸發(fā)器和必要的過熱器組成)將沸點(diǎn)較低的工作流體轉(zhuǎn)化為恒壓蒸汽，通過流體泵產(chǎn)生。加壓的蒸汽被用來驅(qū)動膨脹裝置。與發(fā)動機(jī)曲軸或發(fā)電機(jī)相連的渦輪或往復(fù)式機(jī)械。在一個封閉循環(huán)中，蒸汽必須在另一個熱交換器(冷凝器)中重新冷凝，然后過程才能重新開始。因此，這個過程需要一個較低的散熱器。在汽車應(yīng)用中，最合理實(shí)用的解決方案是使用汽車/發(fā)動機(jī)冷卻環(huán)路。但是，必須確?，F(xiàn)有的冷卻環(huán)路能夠容納冷凝循環(huán)相產(chǎn)生的額外熱流。根據(jù)車輛運(yùn)行周期的不同，冷凝器需要從發(fā)動機(jī)冷卻回路獲得額外的冷卻能力來壓縮工作流體。因此，冷卻風(fēng)扇、冷卻液泵或更大的散熱器容量的額外功率可能導(dǎo)致更高的空氣阻力而且須考慮到燃油經(jīng)濟(jì)性評估。

圖3 理想有機(jī)蘭金循環(huán)圖[2]

2.2 新型的有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)工作原理

新型的有機(jī)金蘭循環(huán)系統(tǒng)如圖4所示，它有一個蓄水池，一個蒸汽蓄水池(a)，它是一種在壓力下含有熱工作液(液體)和蒸汽(蒸汽)的絕緣鋼壓力容器。容器充滿了來自于換熱器(b)的(超)加熱工質(zhì)，該換熱器位于封閉耦合三元催化劑下游的排氣管中。在循環(huán)中泵入工質(zhì)(c)時，廢氣中的熱量通過換熱器(b)傳遞給工質(zhì)，最后將工質(zhì)反饋給蒸汽蓄能器，根據(jù)熱力學(xué)平衡，其內(nèi)能上升。因此，蒸汽蓄能器系統(tǒng)的溫度和壓力都增加了。換熱器(b)不一定要具備鍋爐各自過熱器的功能。膨脹裝置(d)的工作原理類似于傳統(tǒng)的蒸汽膨脹器，使用蓄能器內(nèi)液相邊界以上的高壓蒸汽。當(dāng)蒸汽被送入膨脹裝置時，油箱內(nèi)的壓力下降，液體工質(zhì)蒸發(fā)。因此，在這種熱力學(xué)狀態(tài)下，液相根據(jù)平衡而產(chǎn)生蒸汽。膨脹機(jī)以這種方式工作，直到壓力降至最低可用水平或工作液用完為止。在那之后，Ruths儲罐必須重新充滿。通過第二泵(g)從含有來自冷凝器(e)中的液化工質(zhì)冷凝罐(f)完成接收再次充滿工作，將冷凝器(e)集成到發(fā)動機(jī)冷卻環(huán)路和內(nèi)燃機(jī)的熱管理戰(zhàn)略中。在工作流體到達(dá)儲罐之前，它流過第二個熱交換器，即預(yù)熱器(h)。這個預(yù)熱過程可以進(jìn)一步冷卻廢氣，并更好地利用熱源。系統(tǒng)中的兩個泵都是電動的。蘭金循環(huán)系統(tǒng)的膨脹器驅(qū)動一個發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，再將電能輸入車輛上的電力系統(tǒng)。從內(nèi)燃機(jī)中間斷可用的廢氣余熱以顯熱的形式儲存在所述蒸汽蓄能器的加壓工質(zhì)中。這樣，蒸汽產(chǎn)生過程就與瞬態(tài)發(fā)動機(jī)的工作條件暫時解耦，使膨脹機(jī)能夠在最優(yōu)效率附近工作。此外，膨脹器的能量需求也與來自熱發(fā)動機(jī)瞬態(tài)廢氣熱流分離開來。

圖4 新型的有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)工作原理[2]

2.3 配備蘭金系統(tǒng)的輕度混合動力車輛

新的蘭金廢熱回收循環(huán)使用的是來自內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的廢氣熱量，并且需要一個電氣化的動力系統(tǒng)，有助于有效地從汽車需求中分離回收的膨脹能量。蘭金廢熱回收循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過使用蒸汽儲能器以便實(shí)現(xiàn)整個冷啟動形式循環(huán)期間燃油經(jīng)濟(jì)效益。圖5顯示了與蘭金循環(huán)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的輕度混合動力系統(tǒng)配置示意圖。蘭金系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對電力牽引元件的額外支持。該系統(tǒng)能夠在較低的車速下回收部分制動能量、啟-停、發(fā)動機(jī)增壓和電力驅(qū)動。系統(tǒng)中的泵是電動的，膨脹器驅(qū)動發(fā)電機(jī)支持電機(jī)或?yàn)闋恳姵亟M充電。由于能量轉(zhuǎn)換鏈的損耗，蘭金機(jī)組的主要功能是支持電機(jī)。所設(shè)計(jì)的蒸汽蓄能器還能較長時間儲存部分余熱。因此，只有當(dāng)蒸汽蓄能器滿載而電磁閥未使用時，電池才能通過蘭金系統(tǒng)充電。提出的蘭金循環(huán)系統(tǒng)的另一個優(yōu)點(diǎn)是，在發(fā)動機(jī)冷啟動過程中，通過冷凝器將蒸汽蓄能器中的熱量釋放到發(fā)動機(jī)冷卻回路中。車輛的凈重重量已經(jīng)改變，以便說明電驅(qū)動和蘭金系統(tǒng)額外的質(zhì)量。

圖5 配備了新的蘭金廢熱回收系統(tǒng)的廢熱輕混動力系統(tǒng)的示意圖[2]

3 利用熱電原理對內(nèi)燃機(jī)廢氣熱回收[3]

3.1 內(nèi)燃機(jī)廢氣余熱

汽車動力單元長期以來一直是研究的焦點(diǎn)。在我們考慮開發(fā)內(nèi)燃機(jī)的各種動力組件中，有大量的機(jī)會能夠充分利用與汽車發(fā)動機(jī)相關(guān)的所有能量流。在這方面，內(nèi)燃機(jī)廢氣余熱利用和環(huán)境污染已成為近期研究的焦點(diǎn)。大約35%的汽車輸入燃料能量轉(zhuǎn)換為有用的曲軸功，并且約30%的能量與廢氣一起排出。這留下了大約三分之一（35%）的總能量，這些能量必須從封閉的氣缸通過氣缸壁和缸蓋傳遞到周圍。發(fā)動機(jī)廢能量導(dǎo)致熵升高和嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此，希望盡可能地利用廢熱。廢熱的回收和利用不僅可以節(jié)省燃料，還可以減少廢棄的熱量和排放到環(huán)境中的溫室氣體。本研究的目的是建議使用熱電發(fā)電機(jī)的廢熱回收方法，該方法可用于為汽車系統(tǒng)的各種低能耗附件供電。熱電發(fā)電機(jī)能夠提高發(fā)動機(jī)的熱效率，并且可以有效地利用35%的廢氣流能量。文中圖6是IC發(fā)動機(jī)能量平衡的典型示意圖。

3.2 熱電發(fā)電機(jī)的原理

當(dāng)由兩種不同材料導(dǎo)線制成的電路在任一接點(diǎn)受熱時，就會產(chǎn)生電位差。電位差或產(chǎn)生的電動勢大小和兩個接點(diǎn)之間的溫差成正比。熱電發(fā)電機(jī)就是借助這一個原理進(jìn)行發(fā)電的裝置，當(dāng)電流在沿著溫度梯度下流過導(dǎo)線時，可以看到，有時熱量被釋放，有時在導(dǎo)線中被吸收。熱量大小取決于電流流向和導(dǎo)線材料。當(dāng)電流流過兩根不同導(dǎo)線之間的接點(diǎn)時，為了保持導(dǎo)線的溫度恒定，在接點(diǎn)處要么應(yīng)連續(xù)提供或拒絕熱量。當(dāng)電流方向改變時，應(yīng)與電流成正比，標(biāo)記相應(yīng)的改變。熱電冷卻器是一種通過電流流過冷卻空間，它的工作原理如文中圖7所示。

圖7 IC發(fā)動機(jī)能量平衡的典型示意圖[3]

圖7 熱電發(fā)電機(jī)的原理[3]

3.3 目前熱電材料及先進(jìn)方法

文中圖8是熱電材料的品質(zhì)因數(shù)和當(dāng)前熱電材料關(guān)于年份的關(guān)系曲線。曲線共有三部份。左側(cè)為90年代前熱電材料的品質(zhì)因數(shù)＜1.0的常規(guī)熱電系統(tǒng)、Bi2Te3、PbTe和SiGe。中間部分通過納米結(jié)構(gòu)(Ag-PbmSbTem+2、納米bi2te3、納米+非晶比 2Te3、納米SiGe、納米結(jié)構(gòu)PbS)和電子結(jié)構(gòu)工程(摻雜PbTe、PbTe1-xSex)、調(diào)制摻雜(SiGe)等手段將熱電材料的品質(zhì)因數(shù)增強(qiáng)到1.7左右。右邊部分顯示了高性能實(shí)現(xiàn)層次PbTe和最近研發(fā)的熱電材料，具有低成本、地球上充足，和較低的導(dǎo)熱系數(shù)，包括硒化鉛，BiCuSeO，Cu2Se系統(tǒng)，Half-Heusler和SnSe一些材料顯示ZTs＞2.0。

3.4 熱電回收的先進(jìn)方法

1、修改熱電的帶結(jié)構(gòu)

2、納米結(jié)構(gòu)和所有尺度分層結(jié)構(gòu)降低晶格導(dǎo)熱系數(shù)

3、量子限制效應(yīng)和電子能壘濾波增強(qiáng)塞貝克系數(shù)

圖8 熱電材料的品質(zhì)因數(shù)和當(dāng)前熱電材料關(guān)于年份的關(guān)系曲線[3]

其中大多數(shù)方法的目標(biāo)是保持高功率因數(shù)或減少晶格導(dǎo)熱系數(shù)?；蛘?，我們可以在本質(zhì)上導(dǎo)熱系數(shù)低的熱電材料中尋求高性能，這可能來自于大分子量的、復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)、諧波;各向異性鍵合;弱化學(xué)鍵合;或者類似離子液體的運(yùn)輸行為。

4 基于有機(jī)蘭金循環(huán)的傳統(tǒng)柴油機(jī)余熱回收[4]

4.1 柴油機(jī)余熱源

在柴油發(fā)動機(jī)的各種熱源中，排放廢氣顯示出很高的熱回收潛力。取決于發(fā)動機(jī)負(fù)載的發(fā)動機(jī)排放廢氣的質(zhì)量流量和溫度在余熱回收能力中所起到關(guān)鍵作用。如果廢氣溫度低于露點(diǎn)，蒸汽和SOX、NOX進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，在約為90-120°C形成氮氧化物和硫酸，從而腐蝕鋼/金屬設(shè)備。另外，由于WH回收設(shè)備安裝不合理，使得EG質(zhì)量流量小(導(dǎo)致EG壓力小)成為排氣管中產(chǎn)生阻力現(xiàn)象的主要原因。因此，廢熱回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化點(diǎn)是預(yù)設(shè)在發(fā)動機(jī)大部分工作時間。通常情況下，從燃料-空氣混合燃燒釋放的能量中約有40-45%轉(zhuǎn)化為推進(jìn)有用功率(這相當(dāng)于發(fā)動機(jī)效率的0.4-0.45)。其余的能量由于冷卻、缸-活塞傳熱、潤滑油、摩擦和廢氣而損失。用于回收的主要廢熱源可以分為兩類，即高溫(HT)源和低溫(LT)源。柴油機(jī)余熱源的溫度如表1所示。

表一：柴油機(jī)余熱源溫度[4]

4.1.2 蘭金循環(huán)

有機(jī)蘭金循環(huán)(ORC)是基于蘭金循環(huán)(Rankine Cycle，ORC)來啟動和工作的，該循環(huán)用于回收熱能系統(tǒng)/設(shè)備/發(fā)動機(jī)，如內(nèi)燃機(jī)(ICE)(主要是柴油發(fā)動機(jī))，地?zé)岷吞柲芟到y(tǒng)，以及工業(yè)工廠。有機(jī)蘭金循環(huán)的工作液種類繁多，沸點(diǎn)低，分子量高，比典型性質(zhì)的水蒸汽具有更多的分子量，使得廢熱源在從低到高的不同溫度下的工作能力不同。發(fā)動機(jī)-有機(jī)蘭金循環(huán)(ORC)系統(tǒng)的主要部件包括蒸發(fā)器、泵、儲罐、膨脹器、冷凝器等，如圖9所示。能量管理見圖10。

圖9 基于有機(jī)金蘭循環(huán)原理的柴油機(jī)余熱回收系統(tǒng)[4]

圖10 能量管理系統(tǒng)[4]

4.2.1 發(fā)動機(jī)工作液的選擇-有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)

由于廢熱回收的可能性，工作液體在有機(jī)金蘭循環(huán)中起到重要的作用，物理化學(xué)和熱性能，如蒸發(fā)和冷凝、可燃性、可用性、冷凍溫度(車輛在寒冷條件下的興趣)、毒性、化學(xué)不穩(wěn)定性、腐蝕、傳熱系數(shù)、流動性、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)方面，如全球變暖(GWP)、臭氧損耗潛力(OPD)和成本。此外，在設(shè)計(jì)基于發(fā)動機(jī)廢熱源的有機(jī)金蘭循環(huán)系統(tǒng)時，還需要提到熱源的溫度和壓力、部件尺寸以及安裝的可行性。有機(jī)金蘭循環(huán)系統(tǒng)中使用的工作液體一般可分為:

第一種是純工作液體

“完成黨的十九大提出的目標(biāo)任務(wù)，必須充分發(fā)揮工人階級主力軍作用。”10月29日，習(xí)近平總書記在同中華全國總工會新一屆領(lǐng)導(dǎo)班子成員集體談話并發(fā)表重要講話時指出，我國廣大職工要牢牢把握為實(shí)現(xiàn)中國夢而奮斗的時代主題，把自身前途命運(yùn)同國家和民族前途命運(yùn)緊緊聯(lián)系在一起，把個人夢同中國夢緊密聯(lián)系在一起，把實(shí)現(xiàn)黨和國家確立的發(fā)展目標(biāo)變成自己的自覺行動，愛崗敬業(yè)、爭創(chuàng)一流，以不懈奮斗書寫新時代華章，共同創(chuàng)造幸福生活和美好未來。

純工作液體:純工作液體包括氫氟碳化物(HFCs)、氫氯氟烴(HCFCs)、全氟碳化物(PFCs)、碳?xì)浠衔?HCs)、硅氧烷、氫氟碳化物(HFOs)、氯氟碳化物(CFCs)和氫氟醚(HFEs)。

第二種工作液體為混合工作液體

各組分工作液體在不同沸點(diǎn)下的混合物被認(rèn)為是具有不同沸點(diǎn)的混合物。由苯、乙醇、甲苯和異丁烷組成的共融混合物。在相同的溫度下，單個物質(zhì)不會蒸發(fā)或凝結(jié)。

由于熱源的熱力學(xué)參數(shù)是可變的，有機(jī)金蘭循環(huán)系統(tǒng)的性能特性在很大程度上取決于工作液體的選擇。有機(jī)金蘭循環(huán)系統(tǒng)的工作液體可以按照T-s圖中考慮的飽和蒸汽曲線的傾斜程度進(jìn)行分類如圖11所示。

圖11 不同工質(zhì)的T-S圖[4]

5 CO2以及烴混合物作為發(fā)動機(jī)余熱回收模型[5]

5.1 基于發(fā)動機(jī)余熱回收的蘭金循環(huán)系統(tǒng)描述

具有蓄熱器的超臨界的有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)的示意圖如圖12所示。首先，工作流體通過泵（1-2）泵入跨臨界壓力。然后通過再生器（2-3）和氣體加熱器（3-4）將流體加熱至高溫。接下來，熱氣體旋轉(zhuǎn)渦輪機(jī)（4-5），渦輪機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)并產(chǎn)生電力。膨脹后，常壓氣體進(jìn)入再生器，為工作流體提供熱量（5-6）。最后，工作流體進(jìn)入冷凝器，在那里通過冷卻水（6-1）冷卻成飽和液體。因此完成了配有再生器的跨臨界朗肯循環(huán)。相應(yīng)的T-s圖是如圖1所示。

圖12 超臨界余熱回收循環(huán)系統(tǒng)[5]

5.2 余熱回收循環(huán)系統(tǒng)類型轉(zhuǎn)換

圖13 以各向異性混合物為參數(shù)的T-s圖工作流體

不同的循環(huán)類型也會導(dǎo)致蓄熱器中不同的夾點(diǎn)（飽和蒸氣與冷卻劑最小溫差點(diǎn)）位置。c1周期，夾點(diǎn)位于之間的回?zé)崞鞯臒崃黧w出口和冷流體入口(6點(diǎn))。由于相變蓄熱器的c2周期，夾點(diǎn)位于冷凝的位置(7點(diǎn))開始。冷凝器，自從混合物沿冷凝器的溫度滑移是非線性如圖13所示，夾點(diǎn)位置位于中間冷凝器，不管它是什么樣的循環(huán)。無論如何，在冷凝過程中，各向異性混合物的溫度滑移會使溫度與散熱器有更好的匹配。

6 柴油發(fā)電機(jī)組余熱回收系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究[6]

6.1 實(shí)驗(yàn)布置

本研究采用的是一種附在發(fā)電機(jī)上的四缸四沖程柴油機(jī)(日野W04D型)。實(shí)驗(yàn)布置如圖1所示。精度±2%的流跡空氣流量計(jì)安裝在空氣進(jìn)氣歧管上游來計(jì)算發(fā)動機(jī)空氣消耗。為測量的燃料，采用秒表和精度±1 g的秤。采用精度±1°C的K型熱電偶收集各個點(diǎn)的溫度。利用波登管式壓力表測量了換熱器內(nèi)部流體的壓力。壓力表的準(zhǔn)確度±5 kPa。記錄了熱交換器各點(diǎn)的水/蒸汽質(zhì)量流量、水/蒸汽進(jìn)出口溫度和壓力。完成了非確定性實(shí)驗(yàn)分析見表2。

6.2 基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

最初，在沒有安裝熱交換器的情況下對發(fā)動機(jī)進(jìn)行了一些基線測試。發(fā)動機(jī)性能參數(shù)如制動比油耗和各發(fā)動機(jī)功率熱效率等，如圖15所示，是其它相關(guān)研究工作的典型示例。在額定功率26.6 kW時，bsfc最小值為250.4 g/kWh，效率最高值為31.3%。發(fā)動機(jī)廢氣的熱量將被用來回收熱量，因此，對任何熱回收系統(tǒng)來說，較高的廢氣溫度是理想的。圖3表示不同發(fā)動機(jī)負(fù)載下排氣溫度。從圖中可以看出溫度與功率呈近似指數(shù)關(guān)系。隨著發(fā)動機(jī)功率的增加，燃料燃燒量增加，產(chǎn)生較高的廢氣溫度。Ramadhas等人在他們的研究中報(bào)告了類似的趨勢。當(dāng)額定功率26.6千瓦時，燃料質(zhì)量流率為6.48公斤/小時，此時產(chǎn)生479°C的廢氣溫度。額定功率適合發(fā)動機(jī)連續(xù)運(yùn)行。因此，選擇這個工作點(diǎn)進(jìn)行分析。

圖14 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖[6]

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不確定度分析[6]

圖15 發(fā)動機(jī)的性能曲線

6.3 用制造的熱交換器做實(shí)驗(yàn)

在這項(xiàng)研究中，制造所需要的熱交換器，連接到發(fā)動機(jī)的排氣系統(tǒng)并進(jìn)行測試。發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生過熱蒸汽時間在312-5小時左右。在發(fā)動機(jī)的任何功率下，工作液的壓力越高，附加功率就越高。然而，較高的壓力會導(dǎo)致水的沸點(diǎn)升高，這受到可用廢氣溫度的限制，也需要更多的時間使水達(dá)到這個溫度。因此，在較高的功率下，由于工作壓力的增加，沸騰溫度較高，達(dá)到所需的過熱溫度所需的時間較長。在此期間，在進(jìn)入渦輪前工作流體旁通而過。