谷 操, 李源浩, 張 敏
(中國北方車輛研究所,北京 100072)
坦克裝甲車輛的動力及電力能源都來自發(fā)動機,目前,發(fā)動機轉(zhuǎn)變?yōu)橛行ЧΦ臒岙斄空既剂先紵l(fā)熱量(輸入熱量)的30%~40%,排氣帶走的熱量也要占30%~40%[1].如何實現(xiàn)對高溫尾氣余熱的利用以提高發(fā)動機的熱效率,一直是各國都在努力研究的一個課題,特別是對于混合動力車輛,對于該方面的研究需求尤為迫切.目前對于發(fā)動機的余熱發(fā)電技術(shù)的研究,主要集中在應用熱電材料進行發(fā)電[2]和傳統(tǒng)的內(nèi)能—動能—電能的熱電轉(zhuǎn)換模式等方面,并取得了一定的進展.筆者也在利用有機朗肯循環(huán)進行發(fā)動機排氣余熱發(fā)電方面進行了一定的研究,通過研究發(fā)現(xiàn)存在一系列問題不好解決,這些問題直接制約了在車輛上的應用,主要表現(xiàn)在:系統(tǒng)中壓縮機、冷凝器均需要耗能,直接影響了能量回收效率,系統(tǒng)部件多、占用的空間大,工質(zhì)側(cè)是封閉式循環(huán),其工作壓力高、對流動阻力匹配的要求苛刻等方面.結(jié)合對坦克裝甲車輛實際情況的分析,并在前期研究的基礎(chǔ)上,提出了利用布雷頓循環(huán)[3]在坦克裝甲車輛上實現(xiàn)發(fā)動機排氣余熱發(fā)電的技術(shù)方案.
布雷頓循環(huán)的發(fā)動機排氣發(fā)電系統(tǒng)原理如圖1所示.由壓氣機壓縮空氣達到一定的溫度、壓力并驅(qū)動空氣單向流動,壓縮空氣經(jīng)過熱交換器,通過吸收發(fā)動機排氣的熱能進一步提高空氣的溫度和體積流速,高溫高速壓縮空氣驅(qū)動渦(氣)輪發(fā)電機旋轉(zhuǎn)進行發(fā)電.
圖1 布雷頓循環(huán)的發(fā)動機排氣發(fā)電系統(tǒng)原理圖
如圖2所示,空氣在壓氣機壓縮是絕熱壓縮(定熵壓縮)過程(1→2),在此過程中空氣的溫度壓力升高,體積流速增加,需要消耗外界的輸入功;通過換熱器吸收發(fā)動機排氣熱量是定壓加熱過程(2→3),在此過程空氣的溫度升高,體積流速增大;高溫高速空氣驅(qū)動渦(氣)輪機旋轉(zhuǎn)的過程是定熵膨脹過程(3→4),空氣的溫度、壓力均下降,并帶動發(fā)電機發(fā)電對外做功;空氣排到大氣中的過程是定壓放熱過程(4→1).
圖2 循環(huán)過程熱力學狀態(tài)參數(shù)圖
按照理想循環(huán)[3-5]進行分析(設(shè)定空氣流量為1 kg/s),定熵壓縮過程(1→2)方程如式(1)式(2)所示,定壓加熱過程(2→3)方程如式(3)所示,定熵膨脹過程(3→4)方程如式(4)所示,定壓放熱過程(4→1)方程如式(5)所示。
dQ=0,dS=0;Wc=Cp(T2-T1);
(1)
(2)
Q=Cp(T3-T2),
(3)
dQ=0,dS=0;WT=Cp(T3-T4);
(4)
Q=-Cp(T4-T1).
(5)
式中:Q為熱量;S為熵;WC為壓氣機內(nèi)消耗功;WT為輸出功;CP為氣體比熱;T1、T2、T3、T4為溫度;P1、P2為壓力;k為換熱系數(shù).
由式(1)~式(5)可得:
(6)
當且僅當式(6)的結(jié)果大于零時,系統(tǒng)運行是有效的,即對外輸出功大于系統(tǒng)消耗功.
換熱器串聯(lián)在發(fā)動機的渦輪的出口管路中.排氣經(jīng)過換熱器將部分熱量傳遞給壓縮空氣,是定容放熱過程.排氣經(jīng)過換熱器后排放到大氣中,溫度、壓力均降低,另一方面排氣進入換熱器時會有擴壓過程以及流過換熱器時會增加流動阻力,而定容放熱過程引起的壓力降低可以起到一定抵消擴壓和流動阻力所帶來的影響,因此只要在換熱器設(shè)計時合理考慮好二者的平衡關(guān)系,就可以保證不會對發(fā)動機的性能帶來不利的影響.同時,排氣的溫度、壓力降低,會有效減小排氣噪聲的能量,有益于降低排放噪音,可以起到消音器的作用,如原設(shè)計考慮安裝有消音器,此時則可以取消消音器.
利用發(fā)動機排氣的余熱進行發(fā)電,能夠提高發(fā)動機的燃料能量利用率進而提高發(fā)動機的性能以及整車的性能,并且會起到降低排氣噪音、降低排氣溫度的效果,也有利于提高坦克裝甲車輛的降噪、降低紅外特性等性能.
分析評估該技術(shù)能否在坦克裝甲車輛上應用,關(guān)鍵就在于其效能和安裝空間是否合適.下面基于某發(fā)動機進行評估分析.
發(fā)動機基本參數(shù):額定功率400 kW的增壓中冷柴油機,額定工況下的進氣量0.6 kg/s,渦輪增壓后排氣溫度550 ℃.
發(fā)電系統(tǒng)按照壓氣機流量0.2 kg/s、壓比2.5、經(jīng)過換熱器后溫度升高到500 ℃.環(huán)境按標準工況核算.
此時溫度比
τ=2.59.
按照式(6)計算可得,WT=17.8 kW.
考慮系統(tǒng)的綜合效率為0.6,則實際收益為10.68 kW.即發(fā)電系統(tǒng)可以獲得10 kW左右的效能收益.
該系統(tǒng)構(gòu)成簡單,只有壓氣機、渦輪發(fā)電機、換熱器和少量連接管路,其中體積較大的是換熱器部分,因此本研究僅就換熱器的體積進行分析評估.
將0.2 kg/s的空氣由環(huán)境溫度升高到500 ℃時需要吸收的熱量:
Q=mCpΔt.
經(jīng)計算,Q=0.2×1.005×(500-25)=95 kW
在壓氣機中空氣被壓縮時也要升溫,故實際的換熱能力不需要95 kW.按此指標設(shè)計換熱器可以保證足夠的換熱能力.
采用板翅式換熱器,空-空換熱系數(shù)按照60 W/m2算,采用對數(shù)平均溫差法計算需要換熱面積10 m2.
板翅式換熱器基于冷側(cè)換熱面積的緊湊系數(shù)按照500 m2/m3估算,需要的換熱器芯體體積為0.02 m3,這與卡車的消音器相當.因此該體積需求在坦克裝甲車輛上是可以接受的,而壓氣機、渦輪發(fā)電機的體積不會大于同樣出力的輔機的體積.
綜上分析該系統(tǒng)用在坦克裝甲車輛上是可行的.
提出一種利用布雷頓循環(huán)的坦克裝甲車輛發(fā)動機排氣發(fā)電技術(shù)方案.該方案涉及的部件少結(jié)構(gòu)簡單占用空間小.通過對循環(huán)過程進行熱力學分析,并基于某發(fā)動機進行了具體的效能評估分析計算,分析研究表明該技術(shù)方案可以用于坦克裝甲車輛的發(fā)動機排氣發(fā)電,能夠提高發(fā)動機的燃料能量利用率進而提高了發(fā)動機的性能以及整車的性能.系統(tǒng)還可以發(fā)揮降低排氣噪音、降低排氣溫度的效果,有利于提高坦克裝甲車輛的降噪、降低紅外特性等性能.