基于有机朗肯循环的废气发电技术的研究

基本概念的介绍熵：在热力学中是一个状态参数，是可逆过程中作为传热的的标志，有s表示。具有下列性质：ds>0,表示热力系统吸热；ds<0，表示热力系统放热；ds=0，表示热力系统与外界无热量交换。焓：是一个热力学系统中的能量参数。工质在循环中发生热量交换或做功，那么工质在不同的位置所蕴含的能量是不同的，故用焓来衡量其蕴含的能量多少。㶲：热力系由任意状态下可逆变化到给定的环境相平衡的状态时所能做的最大有用功，㶲代表了系统做功的能力。火无：对立于㶲，表示能量中不能转化为机械能的部分。当前第1页\共有46页\编于星期日\20点第一章绪论从上表中可以看出，发动机对外输出的有用功只占燃料燃烧总能量的三分之一左右；这就意味着三分之二的能量通过排气、冷却水、润滑油等途径散失掉。其中排气散失的能量所占的比例较大，且研究表明高温排气能量品质较高，能将汽车尾气能量转换为机械能、电能并用于发动机的动力输出，可以有效减少燃油消耗率，从而在一定程度上提高能源利用效率，达到节约能源的目的。当前第2页\共有46页\编于星期日\20点1.目前主流的余热利用方法简介①温差发电是基于热电材料的塞贝克效应发展起来的一种发电技术。塞贝克效应，指当在半导体材料的两端存在温度差而产生电动势的现象，其原理表述如下：在A、B两种导体连接而成的闭合回路中，如果两个结点存在温度差(T1≠T2)，就有电动势产生，这种电动势被称为赛贝克电动势或温差电动势。②

余热制冷空调即利用发动机排气废热作为车用制冷空调的驱动热源，是当前车用制冷空调技术主要的发展方向，同时也具有很高的实用价值。其工作原理是：吸附剂对某种制冷剂具有吸附作用。吸附能力随吸附温度的不同而不同。周期性地冷却和加热吸附剂，使之交替吸附和解吸。吸附时，制冷剂液体蒸发，产生制冷作用；解吸时，释放出制冷剂气体，并使之凝为液体。③废气涡轮增压技术④朗肯循环余热利用技术当前第3页\共有46页\编于星期日\20点2.目前几种主要的余热利用方式比较当前第4页\共有46页\编于星期日\20点3.余热利用实例宝马双循环系统双循环指的是由以水为工质的高温朗肯循环和以乙醇为工质的的低温朗肯循环组成，这样可达到对废气余能实现极大化回收利用的目的。在系统的高温循环中，工质水进入蒸发器然后通过过热器，工质水吸收废气余热最终变成过热状态的蒸汽，高温高压的水蒸气再通过高温膨胀机械实现对外输出做功，做功后的乏气进入高温冷凝器实现自身的冷凝的同时，将热量传递给低温循环，冷凝后的工质水再通过工质泵返回高温蒸发器，开始下一次循环；低温循环的工作过程与高温循环相类似。在该套系统中，在排气废热与双循环工质的进行热量交换的同时，低温循环对高温循环的工质的潜热进行了回收利用，有效地提高了废气余热的回收效率。

当前第5页\共有46页\编于星期日\20点安装双循环系统的效果图1.8是加装和不加装余热回收系统下发动机排气管各点处的排气温度：发动机初始排气温度很高，可达到700～800℃，相差不大；而加装余热回收系统使得发动机排到环境中的废气温度发生了明显的变化，由400℃左右下降为100℃左右，这说明双循环余热回收系统可以有效地回收发动机废气余热。当前第6页\共有46页\编于星期日\20点第二章朗肯循环热力学计算和理论分析1.水和有机工质作为工作介质的比较图5（a）是水作为工作介质的温熵图，其中的3-4s为理想做功过程，3-4为实际做功过程，可以看出水做工质时，膨胀过程是趋向湿蒸汽区域的，如果余热温度不高的情况下，3状态点温度很难提高，其做功曲线就会与干湿蒸汽分界线相交而使得4状态点处于湿蒸汽区域内。这样就必须采取再热或者抽气闪蒸等技术手段来防止做功完毕过热蒸汽变成湿蒸汽，使得发电的成本和工艺的复杂性提高。当前第7页\共有46页\编于星期日\20点图5（b）为有机工质作为工作介质的温熵图，其中有机工质的做工过程为3-4，显然其做工膨胀过程趋向过热蒸汽区域，即：工质越膨胀越干燥，在透平机械中膨胀做功而不会变为湿蒸汽。并且3状态点是处于饱和蒸汽状态点，所以有机工质无需过热，这样有机工质就不会对透平机械的叶片带来冲击或腐蚀的危害。当前第8页\共有46页\编于星期日\20点有机工质和水作为工作介质的优势对比虽然使用补汽轮机和闪蒸技术的以及优化整个系统用热方式，以水为工质的余热利用系统效率可提高20~30%左右，目前可达到38~42kWh/，但基于水本身特性，在中低温条件下，其余热回收效率不可能再有很大的提升。相比较水作为工质，使用有机工质的主要优势可以归纳为：a)有机工质沸点很低，极易产生高压蒸汽。b)有机工质的蒸发潜热比水小很多，因此中低温情况下热回收率高。c)有机工质的冷凝压力接近或稍大于大气压，工质泄露可能性小，无需复杂的真空系统。d)有机工质凝固点很低(低于-73℃)，这就允许它在较中低温度下仍能释放出能量。这样做，在寒冷天气可增加出力，冷凝器也不需要增加防冻设施。e)由于有机工质本身的特性，系统的工作压力低，约1.5MPa，管道工艺要求低。f)有机工质基本都是等熵工质或干流体，无需过热处理，不会在有水滴在高速情况下对透平机械的叶片造成冲击损害，也不会腐蚀透平机械。当前第9页\共有46页\编于星期日\20点2.采用混合工质优点为了使工质温度变化趋势更贴近余热源，减少换热不可逆损失，有机朗肯循环还可以采用混合工，利用混合工质的非共沸特性：其相变时存在明显的温度滑移，如图6（b）中所示，蒸发曲线3-4为向右上倾斜的斜线，而不是单一纯工质状态下的斜率为0的水平线（图6（a）），因此工质的等温蒸发吸热过程与热源的配合紧密，换热平均温差小，而使其换热不可逆损失降低。

当前第10页\共有46页\编于星期日\20点3.理想状态朗肯循环主要过程理想状态朗肯循环主要包括以下4个过程：其中，3-4过程表示工质在工质泵中的等熵压缩过程；4-1过程表示工质在蒸发器中的等压加热过程；1-2过程表示工质在膨胀机械中的等熵膨胀过程；2-3过程表示工质在冷凝器中的等压放热过程。

当前第11页\共有46页\编于星期日\20点4.理想状态下朗肯循环的具体运行过程如下：

（1）等压加热：过冷态工质在工质泵的作用下流入蒸发器，恒压条件下与废气热源进行热量交换。在此过程中工质经历了预热，蒸发，过热三个阶段，对应图中4-1过程。在蒸发器中，工质吸收热量最终成为过热蒸汽。（2）等熵膨胀：过热蒸汽进入膨胀机械膨胀对外输出做功。相对于对外输出功量，工质的散热损失可忽略不计，故可将该膨胀过程视为绝热过程，对应图中1-2过程。在膨胀机械中，工质蒸汽的热能转化为机械能。（3）等压放热：流出膨胀机械的工质乏气的温度与压力均有所下降，接着流入冷凝器进行定压冷凝，对应图中2-3过程。在冷凝器中，工质蒸汽对外放热冷凝成为饱和液态。（4）等熵压缩：冷凝后的液态工质在工质泵中进行加压，同样地可以忽略散热损失，故也可认为此压缩过程为绝热过程，对应图中的3-4过程。工质泵将工质增压至蒸发压力，将其并送入蒸发器，自此完成一次完整的朗肯循环。当前第12页\共有46页\编于星期日\20点5.朗肯循环的热力分析计算

当前第13页\共有46页\编于星期日\20点6.实际朗肯循环热力学分析由于不可逆因素的存在，使得朗肯循环过程存在着各种火用损失，其中火用损失主要包括：废热源向工质传热过程中产生的火用损，热量散失到环境中产生的火用损，以及膨胀机械的摩擦损失产生的火用损。当前第14页\共有46页\编于星期日\20点7.朗肯循环热力学计算总计小结通过对朗肯循环进行火用分析，我们可以看出朗肯循环系统的四个过程均为不可逆过程。在上述不可逆过程中，摩擦损失与温差传热损失是主要的不可逆因素。特别是过热蒸汽在涡轮机中绝热膨胀做功与理想可逆过程具有较为明显的差别；同时工质泵与膨胀机械工作时所产生的机械损失也会损耗一部分有用能。因此实际系统热效率会低于理想条件下的热效率。为降低系统火用损失，提高其作功能力，可从以下两个方面考虑：一方面选用高效传热的蒸发器和冷凝器；另一方面设计开发适合工质的膨胀机械。当前第15页\共有46页\编于星期日\20点8.工作运行参数对朗肯循环效率的影响（1）蒸发器出口温度对热效率的影响由图2.5可知，在蒸发与冷凝压力一定时，提高工质的蒸发器出口温度可使系统热效率增大。这是由于当蒸发温度由1提高到1‘点时，平均吸热温度随之提高，使得循环温差增大，从而提高循环热效率。另外，循环工质在膨胀终点的干度随着蒸发温度的提高而增大，而干度的增大有利于提高膨胀机械的性能，并延长其使用寿命。但蒸发温度的提高是有限的：一方面受到设备材料的耐热性能的限制。另一方面，提高蒸发温度可能使工质在膨胀终点处于过热状态，此时膨胀后的工质蒸汽仍具有较高的能量未被充分利用，反而会增加冷凝器的热负荷。当前第16页\共有46页\编于星期日\20点（2）蒸发压力对热效率的影响图2.6可看出，在蒸发温度和冷凝压力一定时，系统效率随着蒸发压力升高而增大。当蒸发压力由P升高P‘时，平均吸热温度升高，从而使得朗肯循环的平均温差增大。根据等效卡诺效率的概念可知，平均温差越大，系统效率就越高。所以循环的热效率随着蒸发压力的提高而提高。过度地提高蒸发压力也会对系统产生一些不利影响。例如膨胀机械的机械强度问题。而在蒸发压力提高的同时，乏汽的干度会相应降低，乏汽中所含液态相工质的增加，不但会使膨胀机械的工作性能降低，而且由于液滴的冲击，会使膨胀机械的使用寿命大大减少。所以在保证乏气干度满足安全要求的前提下应尽可能提高蒸发压力，使得系统在安全稳定运行条件下得到更高的循环热效率。

当前第17页\共有46页\编于星期日\20点(3)冷凝压力对热效率的影响由图2.7所示，在相同的蒸发温度与蒸发压力下，系统热效率随着冷凝压力的降低而增大。当冷凝压力由P降低为P‘时，平均放热温度随之降低，从而使得循环温差增大，从而使得系统热效率增大。同样考虑到实际运用，不能通过一味地降低冷凝压力来获得更高的热效率。这是因为工质饱和温度与饱和压力是一一对应的，降低冷凝压力势必会导致冷凝器中的饱和温度降低，而饱和温度需要高于环境温度，才能保证系统的正常运行；其次，为了防止管路产生负压、渗入杂质系统管路中的压力一般高于环境压力，确保系统稳定运行。此外，冷凝压力的降低同样会使乏气的干度减小，所以应适当降低冷凝压力获得较高的热效率同时避免液滴冲击的产生。

当前第18页\共有46页\编于星期日\20点9.小结综上所述适当的，①提高初态参数蒸发器出口温度，②增加蒸发压力③降低冷凝压力，可以有效提高系统循环热效率，改善循环的性能。当前第19页\共有46页\编于星期日\20点10.带回热的朗肯循环介绍当前第20页\共有46页\编于星期日\20点在朗肯循环实际运行过程中，过热蒸汽经过不可逆的绝热膨胀作功后，熵值将会增大，使得从膨胀机械中流出的乏气仍处于过热状态，这说明乏气中仍有一部分能量未被完全利用。若使其直接进入冷凝器中冷凝，不仅会白白浪费这部分能量，还会增大冷凝器的热负荷，同时由于过热状态的乏气温度远高于冷凝温度，使得冷凝器内由传热温差引起的不可逆损失增加。这种现象在有机朗肯循环系统运行时更为明显。图2.9为有回热的有机朗肯循环系统的温熵图。相对于未加回热的朗肯循环的温熵图，增加了回热器中的两个过程：过冷工质等压吸热4-b过程与过热乏气的等压放热2-a过程，此外工质在蒸发器中的吸热过程为b-1，在冷凝器中放热过程为a-3。当前第21页\共有46页\编于星期日\20点当前第22页\共有46页\编于星期日\20点11.带回热的朗肯循环优缺点优点:通过设置回热器回收过热乏气的热量，用来加热进入蒸发器的过冷工质，从而在工质膨胀对外作相同功的条件下，使得工质在蒸发器吸收的热量减少，由热效率公式可知，Wt不变，Q1减少，系统热效率增加；同时考虑到工质进入冷凝器温度的降低，冷凝器的传热温差和火用损失也随之减少，这也会使系统热效率有所提高。缺点：设置回热器使系统结构更为复杂，增加了成本。当前第23页\共有46页\编于星期日\20点第三章废气能量回收潜力分析与朗肯循环工质选择1.发动机的热平衡分析

发动机的热平衡，是指发动机在具体工作过程中进入气缸的燃料完全燃烧时所能放出的能量流向。依据质量与能量守恒定律可知，进入发动机的能量应等于流出发动机的能量，即发动机内的能量流动不会影响到能量平衡。

当前第24页\共有46页\编于星期日\20点2.废弃成分分析发动机的主要排气污染物包括，氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）、未燃碳氢（HC）以及排气微粒（PM）四种发动机废气成分的计算；柴油作为一种包含碳、氢、氧的化石燃料，其平均分子式可以表示为。分析可知，柴油中的C、H、O三种元素的质量比为0.870：0.126：0.004。假设柴油完全燃烧时只有水和二氧化碳生成，故柴油发动机的排气由二氧化碳，水，未参加反应的氮气和剩余的氧气组成。由反应物和生成物的原子守恒，可以写出柴油在完全燃烧反应时的化学方程式3-8，可得出生成物中二氧化碳和水蒸气的质量分数为72.4%和27.6%。根据上述方程式，可求出单位质量的燃料完全燃烧时的所需空气量L0为：当前第25页\共有46页\编于星期日\20点从进气量方面考虑，已知柴油机的理论空燃比α0约为14.3，假定实际的空燃比为α，此时柴油机排放物的质量百分比分别根据以下计算公式求得。当前第26页\共有46页\编于星期日\20点3.发动机排气热物性参数计算（1）定压比热（2）比焓与比熵（3）密度（4）粘度（5）导热系数（6）普朗特数当前第27页\共有46页\编于星期日\20点4.废气能量回收潜力分析燃料燃烧所产生的能量包括：发动机输出有效功、随尾气排放掉的能量、被冷却水或冷却液吸收的能量等。虽然冷却液或冷却水带走了很大部分热量，但系统内部环境温差小，这部分热量所能转化成有用功的的品质很低，因而很难被利用。当前第28页\共有46页\编于星期日\20点当前第29页\共有46页\编于星期日\20点发动机在中高转速工况运行时，排气温度与排气流量均有所增加。在这两种因素的共同作用下，排气火用值随转速升高而增大，也就意味着由排气能量可以转化更多的有用能。排气能量约占燃料总能量的1/3。而排气的有用能占排气总能量的40%左右，只有这部分可以转化为对外输出的有用功。相对于温度较低的发动机冷却水，废气能量的品质较高，具有很高的利用价值。当前第30页\共有46页\编于星期日\20点5.工质的分类与选择原则

一套系统必须选择合适的工质，而且随着选择的工质不同，计算时热力学参数的选择会不同，系统的结构选择以及最终的转化效率也会不同。工质的干湿性是由工质在温熵图上的饱和蒸汽线（临界点右侧饱和曲线）的斜率（dT/ds）大小所决定。由此可定义饱和蒸汽线的斜率的倒数（ξ=ds/dT）为工质的干湿性。根据不同的ξ值，可将工质分为以下三种类型：湿工质、干工质以及等熵工质。若ξ>0，则为干工质；若ξ<0，则为湿工质；若ξ=0，则为等熵工质。三种工质的温熵图如图3.5～3.7所示，图中CP点表示工质的临界点；L和V分别表示工质的液态和气态。当前第31页\共有46页\编于星期日\20点工质的选择原则通常包括以下七个方面：（1）无毒，不易燃易爆并与热力设备良好兼容性。（2）工质对环境的危害较小。要求消耗臭氧潜能值ODP（OzoneDepletionPotential）＝0，全球变暖潜能值GWP（GlobalWarmingPotential）＜150。此外，要求在大气中的寿命应尽可能短。（3）热稳定性好，即高温高压条件下不易分解变质。（4）三相点应低于系统运行的最低温度，以防止系统发生堵塞现象。（5）沸点温度适中。避免蒸发时压力过高，冷凝时压力过低。（6）定压比热小，密度大，导热系数大；（7）价格低廉，容易获取。当前第32页\共有46页\编于星期日\20点6.循环工质热物性参数的对比

（1）循环参数对系统热效率的影响①涡轮进口温度：由图3.8可知，对于工质水来说，其系统热效率随着涡轮进口温度的上升而呈现上升趋势，并远高于其它有机工质。但水蒸气膨胀做功会有液滴产生，使涡轮机械叶片损坏。对于有机工质来说，随着涡轮进口温度的升高，系统的热效率变化不大或略微下降。分析可知，有机工质的饱和蒸汽状态点为其最高循环效率点。这样就无需设置过热器，可以简化换热器的设计；与之相反，以水作为工质的系统可以通过提高过热度使系统热效率得到提高。需要注意的是过分追求过热度会带来换热器选材、设计困难，冷凝器热负荷过大等诸多问题。此外，工质的工作温度须控制在特定范围之内，以防止发生分解变质。当前第33页\共有46页\编于星期日\20点②蒸发压力：随着蒸发压力的提高，水和R123的系统热效率均有不同程度的提高。对于水来说，当蒸发压力由1MPa增至8MPa时，系统热效率几乎提高了一倍，可达到30%左右；而对于R123，系统热效率随蒸发压力变化也呈现相似的趋势，当蒸发压力为3MPa时可达到20%。这是因为随着工质蒸发压力的升高，虽然工质会吸收更多热量，同时输出功量也会增加，因此系统的热效率增加。然而，提高蒸发压力也是有限度的：一方面受到工质的热稳定性的限制；另一方面受到选材、热力设备设计等限制。当前第34页\共有46页\编于星期日\20点③冷凝温度：水和R123的理想朗肯循环热效率与工质的冷凝温度的变化情况：由图可知，水和R123两种工质的热效率呈现线性负相关。当工质的蒸发压力与冷凝温度相同时，前者系统热效率高于后者，这是由水的沸点较高所决定的。此外，环境温度一定程度上限制并影响着冷凝温所以环境温度的变化也会对系统热效率造成影响。冬季时环境温度较低，系统具有较高的热效率，这是由于平均循环温差增大的缘故。当前第35页\共有46页\编于星期日\20点（2）循环参数对火用损失的影响：影响系统火用损失的因素主要包括：工质蒸发和冷凝过程中的焓变，废气的平均温度以及环境温度。由图3.13可知，当涡轮机进口温度升高时，有机工质的系统热效率基本保持不变；但系统的火用损失随之增大，表明了过热会对有机朗肯循环系统的性能造成不利影响。虽然水的热效率高与R123，但是其火用损失也相对较高，这是由于水的汽化潜热要高于有机工质。当前第36页\共有46页\编于星期日\20点（3）循环参数对质量流量的影响

图3.14与3.15为当系统输出1kW净功时，两种工质的质量流量随涡轮进口温度和蒸发压力的变化规律。在过热度、冷凝温度一定条件下，提高蒸发压力或涡轮机进口温度，可使工质膨胀过程的比焓降变大，则回收1kW所需的工质质量流量变小。而水膨胀过程的比焓降较大，蒸发压力与涡轮进口温度的变化对其比焓降影响较小，因此水的质量流量变化不明显。由图3.14与3.15还可以看出，相对于水，使用R123的系统输出1kW净功时需要更大的流量，因而必须采用较大尺寸的热力设备来减小压降；而工质的质量流量过小，则面临着热力设备制造方面的困难。当前第37页\共有46页\编于星期日\20点第4章朗肯循环热力设备设计计算

以R123作为循环工质为例，考虑到系统热效率和各热力设备的结构设计难度和成本等问题，按照以下原则选取朗肯循环的运行参数：（1）换热器可承受最大工作压力为2.5MPa，为使循环效率最大去蒸发压力为2.4MPa。R123对应蒸发压力的饱和温度为157.7℃，为保证工质能够完全汽化成为饱和气态，取蒸发温度为160℃，使得工质有适度的过热。（2）保证工质冷凝温度高于环境温度，并使低压管路中不产生负压，确定冷凝压力为0.3MPa，对应工质的冷凝温度为60℃（3）涡轮机的膨胀比按最佳膨胀比8：1选取。当前第38页\共有46页\编于星期日\20点1.蒸发器设计

蒸发器的作用是为循环工质与发动机废气提供热量交换的场所，根据传热表面结构特点可分为：管式换热器（管壳式换热器）板式换热器等其中，管壳式换热器通过其内部结构让两种流体分别从管程与壳程流过进行热量交换。管壳式换热器以其结构简单，可靠性好以及可承受较高的工作温度与压力等优点得到了最为广泛的应用。在朗肯循环中，工质的工作压力通常较高，故使其在管程流动；而发动机废气的压力不高且较清洁，适合在壳程中流动。当气体在壳程中流动，气体侧的表面传热系数成为制约着换热器总传热系数的提高主要因素。为提高总传热系数，通常通过在气体侧加装不同形式的肋片来提高总传热系数。因此，本文采用管壳式换热器作为蒸发器，并采用加装环形肋片的方法来强化传热。热管效率更高当前第39页\共有46页\编于星期日\20点2.蒸发器传热计算：蒸发器的传热计算内容主要包括对换热量和工质流量、定性温度、平均温差等参数的计算。当前第40页\共有46页\编于星期日\20点利用相关公式和参数分别计算（1）预热段吸热量（2）蒸发段吸热量（3）过热段吸热量。主要计算步骤如下：1.由废气热源状态参数确定废气的定性温度2.确定该定性温度下废气的热物性参数3.（以工质R123为例）确定在蒸发器中的吸热量4.通过物性参数（蒸发压力为2.4MPa）的条件下，确定工质R123各个状态点处的比焓（h1.h2,h3….）5.求出R123的质量流量6.分别对工质在各个阶段所吸热量进行计算Q=m（h-h’）（预热段吸热量、蒸发段吸热量、过热段吸热量）7.工质在吸热过程中，预热段和蒸发段占了相当大的比例，而过热段所占比例很小。在保证精度前提下简化计算，忽略过热段的影响，确定工质R123的定性温度8.通过查表确定工质R123对应定性温度下的热物性参数9.各段分界处的废气温度进行求解由于工质R123同时存在单相对