發(fā)布時間：2020-04-24 13:21

【摘要】：利用有機朗肯循環(huán)-熱泵聯(lián)合系統(tǒng)(ORC-HP)回收車用發(fā)動機余熱,在提高內燃機總效率、降低燃油消耗量的同時,還可以通過制冷或制熱,達到調節(jié)車內溫度的目的。因此,研究聯(lián)合系統(tǒng)的性能對節(jié)約能源和回收發(fā)動機余熱具有重要的價值與意義。本文在ORC-HP聯(lián)合系統(tǒng)和自由活塞膨脹機方面做了一些相關工作,并取得了一些階段性成果。本文基于能量守恒定律,給出了聯(lián)合系統(tǒng)的熱力學模型,并根據熱力學模型計算了聯(lián)合系統(tǒng)中每個部件的能量變化和?損率,研究了在環(huán)境溫度,ORC系統(tǒng)中的冷凝溫度和蒸發(fā)壓力,以及熱泵系統(tǒng)中冷凝壓力、冷凝溫度和蒸發(fā)溫度變化時對聯(lián)合系統(tǒng)性能的影響。結果表明,基于已有的柴油機數據,聯(lián)合系統(tǒng)在較高尾氣溫度和柴油機轉速下,能夠滿足目標客車的制冷和制熱需求。在聯(lián)合系統(tǒng)制熱模式的參考工況下,聯(lián)合系統(tǒng)的總效率為43.14%,COP_h為3.76。只改變ORC系統(tǒng)中的相關參數,不會影響熱泵系統(tǒng)的制熱功率;當柴油機轉速和尾氣溫度分別為2200r/min和818K時,熱泵系統(tǒng)的最大制熱功率為108.0kW;改變熱泵系統(tǒng)中的相關參數,對熱泵系統(tǒng)的COP_h和聯(lián)合系統(tǒng)的總效率都有影響,但二者呈相反的變化趨勢;當熱泵系統(tǒng)中的相關參數增大時,熱泵系統(tǒng)的制熱功率和聯(lián)合系統(tǒng)總?損率的變化趨勢與聯(lián)合系統(tǒng)的總效率的變化趨勢相同,凈發(fā)電功率的變化趨勢與COP_h的變化趨勢相同;聯(lián)合系統(tǒng)的總效率在40.0%-47.06%之間變化;COP_h在熱泵系統(tǒng)冷凝溫度為323K時達到最大,其值為4.78。改變熱泵系統(tǒng)的相關參數可以看出,與蒸發(fā)溫度相比,冷凝壓力和冷凝溫度的變化對聯(lián)合系統(tǒng)的凈發(fā)電功率和總?損率的影響更為明顯;當冷凝溫度為303K時,聯(lián)合系統(tǒng)的凈發(fā)電功率最大,其值為6.58kW;當冷凝壓力為8MPa時,聯(lián)合系統(tǒng)的最大?損率為222.84kW。在聯(lián)合系統(tǒng)制冷模式下,聯(lián)合系統(tǒng)的總效率隨著柴油機轉速的增高和柴油機尾氣溫度的升高而降低。ORC系統(tǒng)中冷凝溫度和蒸發(fā)壓力變化時,聯(lián)合系統(tǒng)的制冷性能系數保持不變,兩種工況下熱泵系統(tǒng)的COP_c均為3.34;當柴油機轉速和尾氣溫度較高時,聯(lián)合系統(tǒng)的凈發(fā)電功率在滿足制冷功率(15kW)的基礎上,隨著柴油機轉速和尾氣溫度的升高而增大。熱泵系統(tǒng)中冷凝溫度、冷凝壓力和蒸發(fā)溫度的變化對COP_c影響較大;當冷凝壓力逐漸增大時,COP_c呈先增大后減小的趨勢,最大值出現在冷凝壓力為8.5MPa的工況點,其值為3.89;COP_c隨著冷凝溫度的升高而明顯降低,當冷凝溫度為308K和318K時,COP_c分別為3.34和1.89;COP_c隨著蒸發(fā)溫度的升高而增大,當蒸發(fā)溫度為273K時,COP_c為2.18,當蒸發(fā)溫度升高為287K時,COP_c最大,其值為3.98。膨脹機作為ORC系統(tǒng)中的關鍵部件之一,其性能對整個ORC系統(tǒng)有著重要影響。本文基于自由活塞膨脹機-直線發(fā)電機(FPE-LG)試驗樣機,采用壓縮空氣作為工質,對FPE-LG樣機的運動特性進行了試驗研究。研究結果表明,在進氣壓力較高的工況下,FPE-LG能夠穩(wěn)定運行,基準位置處活塞速度和運行止點位置的循環(huán)變動較小。當進氣壓力為0.2MPa,工作頻率為2.5Hz時,活塞最大速度接近1.2m/s;進氣角、排氣角和進氣壓力對活塞運動的對稱性和直線發(fā)電機輸出功率有重要影響,減小排氣角或增大進氣角,有利于提高活塞運動的對稱性、減小活塞運動的循環(huán)變動、明顯改善直線發(fā)電機的輸出功率。當進氣壓力為0.19MPa,工作頻率為2.5Hz時,直線發(fā)電機輸出功率的峰值最大約為19.0W。根據FPE-LG試驗樣機,利用GT-Suite軟件搭建了自由活塞膨脹機仿真模型,并進行了初步研究,得到了一些相關結論。
【圖文】：

第 1 章 緒論景經濟大國向經濟強國邁進的特殊歷史時期內，環(huán)境問要阻礙之一，，其中，較為典型的污染是城市的霧霾。占比最大的機動車尾氣，占比為 22%，其次是揚塵和17%[1]。是國民經濟發(fā)展中最重要的支柱性產業(yè)之一，我國作費大國，每年內燃機的產銷量都在千萬臺以上，截止保有量已經突破 3.8 億臺，消耗各類原油和液化油總年石油進口總量相當。2016 年，我國汽車年產量超過有量達到 2.9 億輛，其中汽車保有量為 1.94 億輛，如

圖 1-2 2012-2017 年中國機動車保有量Fig.1-2 China's vehicle ownership from 2012 to 2017國有 49 個城市汽車保有量超過 100 萬輛，19 個城市的汽車超過 20京、成都、重慶、上海、蘇州、深圳 6 個城市的汽車超過 300 萬輛示。圖 1-3 汽車保有量超過 200 萬的城市Fig.1-3 Cities with more than 2 million vehicles
【學位授予單位】：北京工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TK115

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本文編號：2639005