本文關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)排氣余熱回收朗肯循環(huán)系統(tǒng)的工作界限與應(yīng)用評價

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【摘要】：基于朗肯循環(huán)的內(nèi)燃機(jī)排氣余熱回收與傳統(tǒng)低溫余熱回收存在較大的差異,具有高溫、大溫差、變工況等特點。因此,本課題開展了內(nèi)燃機(jī)排氣余熱回收朗肯循環(huán)系統(tǒng)的回收潛能、工作特性、工作界限、應(yīng)用評估等方面的研究。本文的主要結(jié)論如下:通過內(nèi)燃機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)試驗平臺,獲得了排氣溫度及其顯熱比例在中等乘用車發(fā)動機(jī)常用工況范圍內(nèi)整體上呈梯級遞增、大溫差的的分布規(guī)律,同時系統(tǒng)模型的預(yù)測結(jié)果表明,該回收系統(tǒng)的效率約為3%-8%。不同工質(zhì)的換熱器性能試驗結(jié)果表明,增加工質(zhì)流量可改善蒸發(fā)器效率,但不同發(fā)動機(jī)工況與工質(zhì)壓力下均存在實現(xiàn)工質(zhì)過熱的流量界限,壓力越大,可過熱的流量越小;負(fù)荷越大,可過熱的壓力界限越寬。在工質(zhì)過熱情況下,增加冷卻水流量可強(qiáng)化蒸發(fā)器效率。相反,如果冷凝器冷卻能力不足,則會造成系統(tǒng)運行的不穩(wěn)定,并在發(fā)動機(jī)低負(fù)荷工況惡化蒸發(fā)器效率。壓力的微小波動會引起流量的較大脈動,進(jìn)而影響蒸發(fā)器出口工質(zhì)溫度的反向變化,壓力趨于穩(wěn)定后,流量與溫度也隨之穩(wěn)定。分析了工質(zhì)的物性參數(shù)與工作參數(shù)對系統(tǒng)性能的綜合影響,特定工質(zhì)的Ja數(shù)隨蒸發(fā)與冷凝溫度比的增大而升高,且在循環(huán)壓比高的條件下更顯著;相同循環(huán)條件下,Ja數(shù)小的工質(zhì)可產(chǎn)出更高的功率。高沸點(低Ja數(shù))的工質(zhì)在不同壓力下的膨脹比數(shù)值都比較小,透平功率密度和嗾效率都更高,但低沸點工質(zhì)的尺寸參數(shù)更適中,且膨脹機(jī)適應(yīng)的壓力范圍更大。蒸發(fā)器與膨脹機(jī)的不可逆損失是系統(tǒng)不可逆損失的主要來源,且兩者的比例隨著壓力的升高會發(fā)生改變。預(yù)熱段在蒸發(fā)器總面積中占據(jù)了絕對高的比例,此時需要提高高潛熱工質(zhì)側(cè)的湍流強(qiáng)度,對于蒸發(fā)段則需強(qiáng)化排氣側(cè)的換熱。工質(zhì)吸收的熱量大部分都通過冷凝器散失掉,導(dǎo)致冷凝器換熱面積遠(yuǎn)大于蒸發(fā)器面積,顯著增加了系統(tǒng)的空間尺寸與運行成本,采用高沸點工質(zhì)將在一定程度上改善這種狀況。高、低沸點工質(zhì)在系統(tǒng)收益方面幾乎沒有差異,但前者的熱經(jīng)濟(jì)性能更優(yōu),其中水是唯一可以在基準(zhǔn)投資回收期內(nèi)實現(xiàn)凈利潤的工質(zhì)。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速越高,系統(tǒng)總的功率提升越明顯,但同時也會產(chǎn)生更多的泵氣功損耗,系統(tǒng)?效率下降,膨脹機(jī)的尺寸參數(shù)線性增大。討論了排氣余熱回收系統(tǒng)在不同功率等級的內(nèi)燃機(jī)及其工況范圍的應(yīng)用可行性。比較發(fā)現(xiàn),重型柴油機(jī)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)區(qū)域要寬很多,且其通過優(yōu)化系統(tǒng)工作參數(shù)拓展到經(jīng)濟(jì)區(qū)的潛能更大。當(dāng)系統(tǒng)的收益與經(jīng)濟(jì)性均處于合理范圍內(nèi),通過朗肯循環(huán)回收內(nèi)燃機(jī)排氣余熱具有較大的回收潛能。
【關(guān)鍵詞】：內(nèi)燃機(jī) 排氣余熱回收 朗肯循環(huán) 工質(zhì) 熱物性 工作界限 應(yīng)用評估
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TK115;TK40
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-14
• 字母注釋表14-17
• 第一章 緒論17-38
• 1.1 引言17-19
• 1.2 基于朗肯循環(huán)的內(nèi)燃機(jī)排氣余熱回收技術(shù)19-22
• 1.3 朗肯循環(huán)的工質(zhì)研究22-29
• 1.3.1 工質(zhì)類型的應(yīng)用區(qū)別23-26
• 1.3.2 工質(zhì)熱物性的影響26-29
• 1.4 內(nèi)燃機(jī)排氣余熱回收朗肯循環(huán)系統(tǒng)的特殊性29-35
• 1.5 不同類型內(nèi)燃機(jī)的余熱回收系統(tǒng)35-36
• 1.6 本課題的主要目的與研究內(nèi)容36-38
• 第二章 內(nèi)燃機(jī)排氣余熱回收朗肯循環(huán)系統(tǒng)的試驗裝置與數(shù)學(xué)模型38-54
• 2.1 內(nèi)燃機(jī)排氣余熱回收朗肯循環(huán)系統(tǒng)的工作原理38-39
• 2.2 回收系統(tǒng)試驗平臺與誤差分析39-43
• 2.3 回收系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型43-51
• 2.3.1 熱力學(xué)模型43-46
• 2.3.2 換熱器模型46-49
• 2.3.3 熱經(jīng)濟(jì)學(xué)模型49-51
• 2.4 系統(tǒng)模型的驗證51-53
• 2.5 本章小結(jié)53-54
• 第三章 內(nèi)燃機(jī)排氣余熱回收朗肯循環(huán)系統(tǒng)的試驗研究與性能預(yù)測54-68
• 3.1 內(nèi)燃機(jī)排氣能量特性分析54-56
• 3.1.1 排氣物性與能量計算54-55
• 3.1.2 排氣能量分布特性55-56
• 3.2 排氣余熱回收系統(tǒng)的換熱試驗56-65
• 3.2.1 工質(zhì)換熱界限56-61
• 3.2.2 冷凝能力對蒸發(fā)器效率的影響61-64
• 3.2.3 工質(zhì)參數(shù)波動64-65
• 3.3 系統(tǒng)性能預(yù)測65-66
• 3.4 本章小結(jié)66-68
• 第四章 內(nèi)燃機(jī)排氣余熱回收朗肯循環(huán)系統(tǒng)的工作界限分析68-92
• 4.1 高低沸點工質(zhì)在高溫排氣余熱回收系統(tǒng)中的性能分析68-89
• 4.1.1 計算條件68-69
• 4.1.2 工質(zhì)種類對回收系統(tǒng)性能的影響69-85
• 4.1.3 熱源工況對回收系統(tǒng)性能的影響85-89
• 4.2 邊界條件對工質(zhì)工作界限的影響89
• 4.3 本章小結(jié)89-92
• 第五章 內(nèi)燃機(jī)排氣余熱回收朗肯循環(huán)系統(tǒng)的應(yīng)用評估92-103
• 5.1 計算條件92-94
• 5.1.1 熱源條件92-93
• 5.1.2 工質(zhì)及其循環(huán)條件93-94
• 5.2 朗肯循環(huán)系統(tǒng)在不同類型內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用評估94-100
• 5.2.1 蒸發(fā)壓力的影響94-96
• 5.2.2 發(fā)動機(jī)類型與負(fù)荷的影響96-100
• 5.3 不同功率等級下的系統(tǒng)性能MAP100-101
• 5.4 本章小結(jié)101-103
• 第六章 全文總結(jié)與展望103-106
• 6.1 全文總結(jié)103-105
• 6.2 未來工作展望105-106
• 參考文獻(xiàn)106-116
• 發(fā)表論文和參加科研情況說明116-118
• 致謝118-120

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本文編號：686147