發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱回收的熱力循環(huán)優(yōu)化

李凡彬，趙金國(guó)

（西京學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710123）

現(xiàn)階段如何提高燃油效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能是內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱題。在內(nèi)燃機(jī)效率方面，直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和高壓共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的引入，這使得提高燃油效率更具挑戰(zhàn)性。發(fā)動(dòng)機(jī)余熱回收研究和利用對(duì)汽車工業(yè)發(fā)展中的節(jié)能效果具有重要意義。研究統(tǒng)計(jì)在燃料燃燒產(chǎn)生的熱量中，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出有功功率約為 25%～35%，排氣熱約為22%～46%。

本文在已有研究基礎(chǔ)上選擇水作為工質(zhì)，因?yàn)樗哪芰抠|(zhì)量不高，但流量大熱值高。 根據(jù)郎肯循環(huán)原理，利用蒸發(fā)器過(guò)熱度控制對(duì)廢熱回收系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，增加了電磁閥控制，用于控制工質(zhì)泵的轉(zhuǎn)速和蒸發(fā)器的壓力，提高廢熱循環(huán)效率，為發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱回收利用技術(shù)提供參考。

1 郎肯循環(huán)工作原理

根據(jù)理想郎肯循環(huán)結(jié)構(gòu)和郎肯循環(huán)（-），如圖1、圖2所示。圖2中下標(biāo)對(duì)應(yīng)圖1中的工質(zhì)狀態(tài)。

圖1 理想郎肯循環(huán)

圖2 T-S圖

發(fā)動(dòng)機(jī)余熱回收系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換是通過(guò)工質(zhì)流動(dòng)和相變來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于工質(zhì)是流動(dòng)的載體，其熱工性能、環(huán)境性能和整體性能隨著不同工質(zhì)的環(huán)境變化都有很大差異，使得非熱回收效率也有不同的差異。從不同廢熱回收系統(tǒng)熱源特點(diǎn)出發(fā)，選則經(jīng)濟(jì)價(jià)值好的工質(zhì)非常必要。所選的工質(zhì)要能保證三相點(diǎn)最低溫度循環(huán)環(huán)境，避免堵塞或凝結(jié)造成的損失，同時(shí)還具有安全、環(huán)保、較高的化學(xué)穩(wěn)定性和性價(jià)比的特性。從發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境的限制上考慮，臨界點(diǎn)參數(shù)不宜過(guò)低，在冷凝范圍條件內(nèi)，避免低溫造成的冷凝困難。

通過(guò)研究表明，在不同工質(zhì)廢熱回收系統(tǒng)中，熱源溫度不同所選擇循環(huán)工質(zhì)亦不同，且蒸發(fā)溫度對(duì)循環(huán)有很大影響，因而選擇水可作為熱源溫度在500 ℃～ 800 ℃之間時(shí)的最佳工質(zhì)。發(fā)動(dòng)機(jī)絕大部分余熱位于中溫區(qū)，利用朗肯循環(huán)回收低溫余熱的方法，無(wú)需過(guò)熱處理即可獲得可觀的輸出功率。具有化學(xué)性質(zhì)的有機(jī)工質(zhì)性能不穩(wěn)定、易分解，是不能在高溫高壓環(huán)境下長(zhǎng)期工作的。水作為濕工質(zhì)具有成本低、環(huán)境性好等優(yōu)點(diǎn)，與其它工質(zhì)的臨界壓力、溫度、相變焓等物理性質(zhì)都有所不同。由于水是典型的濕流體，因此選擇水作為余熱回收系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì)。為了避免后期濕液的液化、沖擊和腐蝕，可采用過(guò)熱控制策略。

2 過(guò)熱控制原理

液體推進(jìn)劑氣體被絕熱壓縮后，工作液泵進(jìn)入蒸發(fā)器吸收和蒸發(fā)熱量。蒸發(fā)器中的蒸汽壓力隨著蒸汽分子數(shù)增加而增加，到達(dá)一定量便不再增加，此時(shí)蒸汽達(dá)到飽和狀態(tài)。飽和壓力和飽和溫度非相互獨(dú)立，當(dāng)溫度變化時(shí)，壓強(qiáng)也隨之變化。工質(zhì)的臨界溫度即飽和溫度，若工質(zhì)飽和溫度過(guò)高時(shí)，就會(huì)由液體變?yōu)檎羝礊檫^(guò)熱蒸汽。

提高朗肯循環(huán)效率的有效途徑就是以水作為工質(zhì)，提高蒸發(fā)器的出口溫度和壓力，降低膨脹機(jī)出口壓力。在濕液體膨脹過(guò)程中，為了避免液滴對(duì)膨脹葉片的腐蝕和沖擊，需要一定的過(guò)熱度。在蒸發(fā)器循環(huán)工質(zhì)過(guò)熱控制過(guò)程中熱源發(fā)生變化時(shí)，余熱回收系統(tǒng)的-關(guān)系圖，如圖 3所示。工作液體恒壓進(jìn)入蒸發(fā)器吸收熱量，溫度逐漸升高。當(dāng)液體達(dá)到飽和溫度時(shí)，由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。工作介質(zhì)繼續(xù)吸收熱量，工作介質(zhì)變成過(guò)熱蒸汽，運(yùn)行狀態(tài)為1－2－3－4－5－6。此時(shí)，如果的出口溫度過(guò)熱，那么Δ＞Δ。若外熱源溫度較低，蒸發(fā)器內(nèi)的工質(zhì)不能達(dá)到過(guò)熱，工質(zhì)液體進(jìn)入膨脹機(jī)，液滴將會(huì)腐蝕并沖擊膨脹機(jī)。由此可見(jiàn)，余熱回收系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定運(yùn)行受蒸發(fā)器過(guò)熱度直接影響。要達(dá)到必須的過(guò)熱度，只有改變工質(zhì)的飽和壓力，并需遵循 1－2－3－4－5'－6'的工作循環(huán)狀態(tài)。

圖3 T-S關(guān)系曲線

工質(zhì)泵在余熱回收系統(tǒng)中的作用為循環(huán)工質(zhì)的流動(dòng)提供調(diào)節(jié)壓力，這樣它就能進(jìn)入蒸發(fā)器。通過(guò)變頻器控制普通質(zhì)量工質(zhì)泵的轉(zhuǎn)速，充分利用蒸發(fā)器的換熱面積，提高系統(tǒng)余熱換熱效率，實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器過(guò)熱度的控制策略，防止液滴在擴(kuò)張的葉片上碰撞。通過(guò)建立控制模型對(duì)離心泵的分析。離心泵頭徑按式（1）計(jì)算。

式中，離心泵的軸功率P，軸效率，額定流量，工質(zhì)密度。揚(yáng)程與泵額定工況下的關(guān)系如下：

蒸發(fā)器在額定工況下的排放壓力為

式中，離心泵入口壓力。任意轉(zhuǎn)速下的蒸發(fā)器出口壓力為

根據(jù)=60/計(jì)算結(jié)果，得到了蒸發(fā)器出口壓力與頻率的關(guān)系式為

式中，額定頻率對(duì)應(yīng)的；電動(dòng)機(jī)極數(shù)；與任何速度對(duì)應(yīng)頻率。從而，通過(guò)變頻器頻率改變過(guò)熱度，充分利用蒸發(fā)器的換熱面積和熱效率，將蒸發(fā)器出口過(guò)熱度控制在額定值，示意框圖如圖4所示。

圖4 過(guò)熱度控制圖

當(dāng)熱源的溫度變化引起過(guò)熱度變化時(shí)（即控制參數(shù)過(guò)熱度），從而產(chǎn)生信號(hào)偏差。通過(guò)過(guò)熱度控制器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出給泵，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)控制。當(dāng)泵工作時(shí)所輸出流量以一定的速度運(yùn)行，同時(shí)改變工質(zhì)壓力，使工質(zhì)在蒸發(fā)器中保持恒定壓力和飽和溫度才能達(dá)到過(guò)熱度控制效果，使過(guò)熱溫度控制在預(yù)定值。為使蒸發(fā)器的過(guò)熱度恢復(fù)到額定水平，提高蒸發(fā)器的換熱效率，可通過(guò)工質(zhì)泵流量和飽和壓力來(lái)改變。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱回收系統(tǒng)

經(jīng)對(duì)余熱發(fā)電技術(shù)的研究和分析，提出了后續(xù)朗肯循環(huán)如何提高發(fā)動(dòng)機(jī)余熱回收系統(tǒng)的效率。余熱回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 5所示。發(fā)動(dòng)機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)主要部件包括儲(chǔ)液箱、膨脹機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、電磁閥和工質(zhì)泵。

圖5 余熱回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

廢熱回收系統(tǒng)的工作原理：打開(kāi)電磁閥 d’，工質(zhì)液從第二儲(chǔ)液罐流出，隨工質(zhì)泵進(jìn)入蒸發(fā)器升壓吸熱轉(zhuǎn)化為高溫高壓蒸汽。蒸發(fā)器將工質(zhì)加熱到干飽和狀態(tài)，避免氣液共存對(duì)膨脹機(jī)產(chǎn)生腐蝕和沖擊。關(guān)閉電磁閥e，打開(kāi)電磁閥c，蒸汽從蒸發(fā)器出口回流至第一儲(chǔ)液箱。再由控制循環(huán)泵來(lái)減少流體的流量，增加并保持穩(wěn)定蒸發(fā)器出口蒸汽過(guò)熱度，有效的保護(hù)了膨脹機(jī)，避免撞液現(xiàn)象。若出口過(guò)熱度太高則換熱效果差，還會(huì)造成浪費(fèi)熱源，需關(guān)閉電磁閥c，控制循環(huán)泵，恢復(fù)工質(zhì)流量和過(guò)熱度值。這是因?yàn)榛亓鞴軓叫〉南拗?，可利用蒸氣壓力?duì)第一儲(chǔ)液罐增壓來(lái)減小壓差。

在過(guò)熱度穩(wěn)定后，蒸汽進(jìn)入膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)做功發(fā)電。膨脹機(jī)出口的乏氣經(jīng)冷凝器冷卻為液體，打開(kāi)電磁閥a，從第一個(gè)儲(chǔ)液箱排氣。當(dāng)壓力穩(wěn)定后，打開(kāi)電磁閥b，冷卻后的液體進(jìn)入第一儲(chǔ)液箱，完成一個(gè)循環(huán)。系統(tǒng)中的液位傳感器檢測(cè)到液體在第二儲(chǔ)液箱的為下限或液體在第一儲(chǔ)液罐為上限時(shí)，由第一儲(chǔ)液箱提供液體，首先打開(kāi)電磁閥 d和 b’，再關(guān)閉電磁閥 d’和 b；其次打開(kāi)電磁閥 a’，關(guān)閉電磁閥 c’，將冷凝后的工作液儲(chǔ)存在第二儲(chǔ)液箱中。實(shí)現(xiàn)余熱回收發(fā)電可根據(jù)過(guò)熱度情況控制電磁閥c的開(kāi)關(guān)即可。

4 結(jié)論

通過(guò)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)余熱潛能分析，提出了利用發(fā)動(dòng)機(jī)作為熱源進(jìn)行余熱回收系統(tǒng)的研究。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱高溫能源的特點(diǎn)，結(jié)合郎肯循環(huán)原理，廢熱回收以水作為工質(zhì)，建立了蒸發(fā)器過(guò)熱度控制模型，優(yōu)化了余熱回收系統(tǒng)蒸發(fā)器過(guò)熱度控制，避免了膨脹機(jī)液體碰撞，過(guò)熱穩(wěn)定性得到有效控制，提高循環(huán)效率，達(dá)到延長(zhǎng)膨脹機(jī)使用壽命，實(shí)現(xiàn)廢熱再回收的目的。