（優選）基于有機朗肯循環的廢氣發電技術的研究目前一頁\總數四十五頁\編于十三點第一章緒論從上表中可以看出，發動機對外輸出的有用功只占燃料燃燒總能量的三分之一左右；這就意味著三分之二的能量通過排氣、冷卻水、潤滑油等途徑散失掉。其中排氣散失的能量所占的比例較大，且研究表明高溫排氣能量品質較高，能將汽車尾氣能量轉換為機械能、電能并用于發動機的動力輸出，可以有效減少燃油消耗率，從而在一定程度上提高能源利用效率，達到節約能源的目的。目前二頁\總數四十五頁\編于十三點1.目前主流的余熱利用方法簡介①溫差發電是基于熱電材料的塞貝克效應發展起來的一種發電技術。塞貝克效應，指當在半導體材料的兩端存在溫度差而產生電動勢的現象，其原理表述如下：在A、B兩種導體連接而成的閉合回路中，如果兩個結點存在溫度差(T1≠T2)，就有電動勢產生，這種電動勢被稱為賽貝克電動勢或溫差電動勢。②

余熱制冷空調即利用發動機排氣廢熱作為車用制冷空調的驅動熱源，是當前車用制冷空調技術主要的發展方向，同時也具有很高的實用價值。其工作原理是：吸附劑對某種制冷劑具有吸附作用。吸附能力隨吸附溫度的不同而不同。周期性地冷卻和加熱吸附劑，使之交替吸附和解吸。吸附時，制冷劑液體蒸發，產生制冷作用；解吸時，釋放出制冷劑氣體，并使之凝為液體。③廢氣渦輪增壓技術④朗肯循環余熱利用技術目前三頁\總數四十五頁\編于十三點2.目前幾種主要的余熱利用方式比較目前四頁\總數四十五頁\編于十三點3.余熱利用實例寶馬雙循環系統雙循環指的是由以水為工質的高溫朗肯循環和以乙醇為工質的的低溫朗肯循環組成，這樣可達到對廢氣余能實現極大化回收利用的目的。在系統的高溫循環中，工質水進入蒸發器然后通過過熱器，工質水吸收廢氣余熱最終變成過熱狀態的蒸汽，高溫高壓的水蒸氣再通過高溫膨脹機械實現對外輸出做功，做功后的乏氣進入高溫冷凝器實現自身的冷凝的同時，將熱量傳遞給低溫循環，冷凝后的工質水再通過工質泵返回高溫蒸發器，開始下一次循環；低溫循環的工作過程與高溫循環相類似。在該套系統中，在排氣廢熱與雙循環工質的進行熱量交換的同時，低溫循環對高溫循環的工質的潛熱進行了回收利用，有效地提高了廢氣余熱的回收效率。

目前五頁\總數四十五頁\編于十三點安裝雙循環系統的效果圖1.8是加裝和不加裝余熱回收系統下發動機排氣管各點處的排氣溫度：發動機初始排氣溫度很高，可達到700～800℃，相差不大；而加裝余熱回收系統使得發動機排到環境中的廢氣溫度發生了明顯的變化，由400℃左右下降為100℃左右，這說明雙循環余熱回收系統可以有效地回收發動機廢氣余熱。目前六頁\總數四十五頁\編于十三點第二章朗肯循環熱力學計算和理論分析1.水和有機工質作為工作介質的比較圖5（a）是水作為工作介質的溫熵圖，其中的3-4s為理想做功過程，3-4為實際做功過程，可以看出水做工質時，膨脹過程是趨向濕蒸汽區域的，如果余熱溫度不高的情況下，3狀態點溫度很難提高，其做功曲線就會與干濕蒸汽分界線相交而使得4狀態點處于濕蒸汽區域內。這樣就必須采取再熱或者抽氣閃蒸等技術手段來防止做功完畢過熱蒸汽變成濕蒸汽，使得發電的成本和工藝的復雜性提高。目前七頁\總數四十五頁\編于十三點圖5（b）為有機工質作為工作介質的溫熵圖，其中有機工質的做工過程為3-4，顯然其做工膨脹過程趨向過熱蒸汽區域，即：工質越膨脹越干燥，在透平機械中膨脹做功而不會變為濕蒸汽。并且3狀態點是處于飽和蒸汽狀態點，所以有機工質無需過熱，這樣有機工質就不會對透平機械的葉片帶來沖擊或腐蝕的危害。目前八頁\總數四十五頁\編于十三點有機工質和水作為工作介質的優勢對比雖然使用補汽輪機和閃蒸技術的以及優化整個系統用熱方式，以水為工質的余熱利用系統效率可提高20~30%左右，目前可達到38~42kWh/，但基于水本身特性，在中低溫條件下，其余熱回收效率不可能再有很大的提升。相比較水作為工質，使用有機工質的主要優勢可以歸納為：a)有機工質沸點很低，極易產生高壓蒸汽。b)有機工質的蒸發潛熱比水小很多，因此中低溫情況下熱回收率高。c)有機工質的冷凝壓力接近或稍大于大氣壓，工質泄露可能性小，無需復雜的真空系統。d)有機工質凝固點很低(低于-73℃)，這就允許它在較中低溫度下仍能釋放出能量。這樣做，在寒冷天氣可增加出力，冷凝器也不需要增加防凍設施。e)由于有機工質本身的特性，系統的工作壓力低，約1.5MPa，管道工藝要求低。f)有機工質基本都是等熵工質或干流體，無需過熱處理，不會在有水滴在高速情況下對透平機械的葉片造成沖擊損害，也不會腐蝕透平機械。目前九頁\總數四十五頁\編于十三點2.采用混合工質優點為了使工質溫度變化趨勢更貼近余熱源，減少換熱不可逆損失，有機朗肯循環還可以采用混合工，利用混合工質的非共沸特性：其相變時存在明顯的溫度滑移，如圖6（b）中所示，蒸發曲線3-4為向右上傾斜的斜線，而不是單一純工質狀態下的斜率為0的水平線（圖6（a）），因此工質的等溫蒸發吸熱過程與熱源的配合緊密，換熱平均溫差小，而使其換熱不可逆損失降低。

目前十頁\總數四十五頁\編于十三點3.理想狀態朗肯循環主要過程理想狀態朗肯循環主要包括以下4個過程：其中，3-4過程表示工質在工質泵中的等熵壓縮過程；4-1過程表示工質在蒸發器中的等壓加熱過程；1-2過程表示工質在膨脹機械中的等熵膨脹過程；2-3過程表示工質在冷凝器中的等壓放熱過程。

目前十一頁\總數四十五頁\編于十三點4.理想狀態下朗肯循環的具體運行過程如下：

（1）等壓加熱：過冷態工質在工質泵的作用下流入蒸發器，恒壓條件下與廢氣熱源進行熱量交換。在此過程中工質經歷了預熱，蒸發，過熱三個階段，對應圖中4-1過程。在蒸發器中，工質吸收熱量最終成為過熱蒸汽。（2）等熵膨脹：過熱蒸汽進入膨脹機械膨脹對外輸出做功。相對于對外輸出功量，工質的散熱損失可忽略不計，故可將該膨脹過程視為絕熱過程，對應圖中1-2過程。在膨脹機械中，工質蒸汽的熱能轉化為機械能。（3）等壓放熱：流出膨脹機械的工質乏氣的溫度與壓力均有所下降，接著流入冷凝器進行定壓冷凝，對應圖中2-3過程。在冷凝器中，工質蒸汽對外放熱冷凝成為飽和液態。（4）等熵壓縮：冷凝后的液態工質在工質泵中進行加壓，同樣地可以忽略散熱損失，故也可認為此壓縮過程為絕熱過程，對應圖中的3-4過程。工質泵將工質增壓至蒸發壓力，將其并送入蒸發器，自此完成一次完整的朗肯循環。目前十二頁\總數四十五頁\編于十三點5.朗肯循環的熱力分析計算

目前十三頁\總數四十五頁\編于十三點6.實際朗肯循環熱力學分析由于不可逆因素的存在，使得朗肯循環過程存在著各種火用損失，其中火用損失主要包括：廢熱源向工質傳熱過程中產生的火用損，熱量散失到環境中產生的火用損，以及膨脹機械的摩擦損失產生的火用損。目前十四頁\總數四十五頁\編于十三點7.朗肯循環熱力學計算總計小結通過對朗肯循環進行火用分析，我們可以看出朗肯循環系統的四個過程均為不可逆過程。在上述不可逆過程中，摩擦損失與溫差傳熱損失是主要的不可逆因素。特別是過熱蒸汽在渦輪機中絕熱膨脹做功與理想可逆過程具有較為明顯的差別；同時工質泵與膨脹機械工作時所產生的機械損失也會損耗一部分有用能。因此實際系統熱效率會低于理想條件下的熱效率。為降低系統火用損失，提高其作功能力，可從以下兩個方面考慮：一方面選用高效傳熱的蒸發器和冷凝器；另一方面設計開發適合工質的膨脹機械。目前十五頁\總數四十五頁\編于十三點8.工作運行參數對朗肯循環效率的影響（1）蒸發器出口溫度對熱效率的影響由圖2.5可知，在蒸發與冷凝壓力一定時，提高工質的蒸發器出口溫度可使系統熱效率增大。這是由于當蒸發溫度由1提高到1‘點時，平均吸熱溫度隨之提高，使得循環溫差增大，從而提高循環熱效率。另外，循環工質在膨脹終點的干度隨著蒸發溫度的提高而增大，而干度的增大有利于提高膨脹機械的性能，并延長其使用壽命。但蒸發溫度的提高是有限的：一方面受到設備材料的耐熱性能的限制。另一方面，提高蒸發溫度可能使工質在膨脹終點處于過熱狀態，此時膨脹后的工質蒸汽仍具有較高的能量未被充分利用，反而會增加冷凝器的熱負荷。目前十六頁\總數四十五頁\編于十三點（2）蒸發壓力對熱效率的影響圖2.6可看出，在蒸發溫度和冷凝壓力一定時，系統效率隨著蒸發壓力升高而增大。當蒸發壓力由P升高P‘時，平均吸熱溫度升高，從而使得朗肯循環的平均溫差增大。根據等效卡諾效率的概念可知，平均溫差越大，系統效率就越高。所以循環的熱效率隨著蒸發壓力的提高而提高。過度地提高蒸發壓力也會對系統產生一些不利影響。例如膨脹機械的機械強度問題。而在蒸發壓力提高的同時，乏汽的干度會相應降低，乏汽中所含液態相工質的增加，不但會使膨脹機械的工作性能降低，而且由于液滴的沖擊，會使膨脹機械的使用壽命大大減少。所以在保證乏氣干度滿足安全要求的前提下應盡可能提高蒸發壓力，使得系統在安全穩定運行條件下得到更高的循環熱效率。

目前十七頁\總數四十五頁\編于十三點(3)冷凝壓力對熱效率的影響由圖2.7所示，在相同的蒸發溫度與蒸發壓力下，系統熱效率隨著冷凝壓力的降低而增大。當冷凝壓力由P降低為P‘時，平均放熱溫度隨之降低，從而使得循環溫差增大，從而使得系統熱效率增大。同樣考慮到實際運用，不能通過一味地降低冷凝壓力來獲得更高的熱效率。這是因為工質飽和溫度與飽和壓力是一一對應的，降低冷凝壓力勢必會導致冷凝器中的飽和溫度降低，而飽和溫度需要高于環境溫度，才能保證系統的正常運行；其次，為了防止管路產生負壓、滲入雜質系統管路中的壓力一般高于環境壓力，確保系統穩定運行。此外，冷凝壓力的降低同樣會使乏氣的干度減小，所以應適當降低冷凝壓力獲得較高的熱效率同時避免液滴沖擊的產生。

目前十八頁\總數四十五頁\編于十三點9.小結綜上所述適當的，①提高初態參數蒸發器出口溫度，②增加蒸發壓力③降低冷凝壓力，可以有效提高系統循環熱效率，改善循環的性能。目前十九頁\總數四十五頁\編于十三點10.帶回熱的朗肯循環介紹目前二十頁\總數四十五頁\編于十三點在朗肯循環實際運行過程中，過熱蒸汽經過不可逆的絕熱膨脹作功后，熵值將會增大，使得從膨脹機械中流出的乏氣仍處于過熱狀態，這說明乏氣中仍有一部分能量未被完全利用。若使其直接進入冷凝器中冷凝，不僅會白白浪費這部分能量，還會增大冷凝器的熱負荷，同時由于過熱狀態的乏氣溫度遠高于冷凝溫度，使得冷凝器內由傳熱溫差引起的不可逆損失增加。這種現象在有機朗肯循環系統運行時更為明顯。圖2.9為有回熱的有機朗肯循環系統的溫熵圖。相對于未加回熱的朗肯循環的溫熵圖，增加了回熱器中的兩個過程：過冷工質等壓吸熱4-b過程與過熱乏氣的等壓放熱2-a過程，此外工質在蒸發器中的吸熱過程為b-1，在冷凝器中放熱過程為a-3。目前二十一頁\總數四十五頁\編于十三點目前二十二頁\總數四十五頁\編于十三點11.帶回熱的朗肯循環優缺點優點:通過設置回熱器回收過熱乏氣的熱量，用來加熱進入蒸發器的過冷工質，從而在工質膨脹對外作相同功的條件下，使得工質在蒸發器吸收的熱量減少，由熱效率公式可知，Wt不變，Q1減少，系統熱效率增加；同時考慮到工質進入冷凝器溫度的降低，冷凝器的傳熱溫差和火用損失也隨之減少，這也會使系統熱效率有所提高。缺點：設置回熱器使系統結構更為復雜，增加了成本。目前二十三頁\總數四十五頁\編于十三點第三章廢氣能量回收潛力分析與朗肯循環工質選擇1.發動機的熱平衡分析

發動機的熱平衡，是指發動機在具體工作過程中進入氣缸的燃料完全燃燒時所能放出的能量流向。依據質量與能量守恒定律可知，進入發動機的能量應等于流出發動機的能量，即發動機內的能量流動不會影響到能量平衡。

目前二十四頁\總數四十五頁\編于十三點2.廢棄成分分析發動機的主要排氣污染物包括，氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）、未燃碳氫（HC）以及排氣微粒（PM）四種發動機廢氣成分的計算；柴油作為一種包含碳、氫、氧的化石燃料，其平均分子式可以表示為。分析可知，柴油中的C、H、O三種元素的質量比為0.870：0.126：0.004。假設柴油完全燃燒時只有水和二氧化碳生成，故柴油發動機的排氣由二氧化碳，水，未參加反應的氮氣和剩余的氧氣組成。由反應物和生成物的原子守恒，可以寫出柴油在完全燃燒反應時的化學方程式3-8，可得出生成物中二氧化碳和水蒸氣的質量分數為72.4%和27.6%。根據上述方程式，可求出單位質量的燃料完全燃燒時的所需空氣量L0為：目前二十五頁\總數四十五頁\編于十三點從進氣量方面考慮，已知柴油機的理論空燃比α0約為14.3，假定實際的空燃比為α，此時柴油機排放物的質量百分比分別根據以下計算公式求得。目前二十六頁\總數四十五頁\編于十三點3.發動機排氣熱物性參數計算（1）定壓比熱（2）比焓與比熵（3）密度（4）粘度（5）導熱系數（6）普朗特數目前二十七頁\總數四十五頁\編于十三點4.廢氣能量回收潛力分析燃料燃燒所產生的能量包括：發動機輸出有效功、隨尾氣排放掉的能量、被冷卻水或冷卻液吸收的能量等。雖然冷卻液或冷卻水帶走了很大部分熱量，但系統內部環境溫差小，這部分熱量所能轉化成有用功的的品質很低，因而很難被利用。目前二十八頁\總數四十五頁\編于十三點目前二十九頁\總數四十五頁\編于十三點發動機在中高轉速工況運行時，排氣溫度與排氣流量均有所增加。在這兩種因素的共同作用下，排氣火用值隨轉速升高而增大，也就意味著由排氣能量可以轉化更多的有用能。排氣能量約占燃料總能量的1/3。而排氣的有用能占排氣總能量的40%左右，只有這部分可以轉化為對外輸出的有用功。相對于溫度較低的發動機冷卻水，廢氣能量的品質較高，具有很高的利用價值。目前三十頁\總數四十五頁\編于十三點5.工質的分類與選擇原則

一套系統必須選擇合適的工質，而且隨著選擇的工質不同，計算時熱力學參數的選擇會不同，系統的結構選擇以及最終的轉化效率也會不同。工質的干濕性是由工質在溫熵圖上的飽和蒸汽線（臨界點右側飽和曲線）的斜率（dT/ds）大小所決定。由此可定義飽和蒸汽線的斜率的倒數（ξ=ds/dT）為工質的干濕性。根據不同的ξ值，可將工質分為以下三種類型：濕工質、干工質以及等熵工質。若ξ>0，則為干工質；若ξ<0，則為濕工質；若ξ=0，則為等熵工質。三種工質的溫熵圖如圖3.5～3.7所示，圖中CP點表示工質的臨界點；L和V分別表示工質的液態和氣態。目前三十一頁\總數四十五頁\編于十三點工質的選擇原則通常包括以下七個方面：（1）無毒，不易燃易爆并與熱力設備良好兼容性。（2）工質對環境的危害較小。要求消耗臭氧潛能值ODP（OzoneDepletionPotential）＝0，全球變暖潛能值GWP（GlobalWarmingPotential）＜150。此外，要求在大氣中的壽命應盡可能短。（3）熱穩定性好，即高溫高壓條件下不易分解變質。（4）三相點應低于系統運行的最低溫度，以防止系統發生堵塞現象。（5）沸點溫度適中。避免蒸發時壓力過高，冷凝時壓力過低。（6）定壓比熱小，密度大，導熱系數大；（7）價格低廉，容易獲取。目前三十二頁\總數四十五頁\編于十三點6.循環工質熱物性參數的對比

（1）循環參數對系統熱效率的影響①渦輪進口溫度：由圖3.8可知，對于工質水來說，其系統熱效率隨著渦輪進口溫度的上升而呈現上升趨勢，并遠高于其它有機工質。但水蒸氣膨脹做功會有液滴產生，使渦輪機械葉片損壞。對于有機工質來說，隨著渦輪進口溫度的升高，系統的熱效率變化不大或略微下降。分析可知，有機工質的飽和蒸汽狀態點為其最高循環效率點。這樣就無需設置過熱器，可以簡化換熱器的設計；與之相反，以水作為工質的系統可以通過提高過熱度使系統熱效率得到提高。需要注意的是過分追求過熱度會帶來換熱器選材、設計困難，冷凝器熱負荷過大等諸多問題。此外，工質的工作溫度須控制在特定范圍之內，以防止發生分解變質。目前三十三頁\總數四十五頁\編于十三點②蒸發壓力：隨著蒸發壓力的提高，水和R123的系統熱效率均有不同程度的提高。對于水來說，當蒸發壓力由1MPa增至8MPa時，系統熱效率幾乎提高了一倍，可達到30%左右；而對于R123，系統熱效率隨蒸發壓力變化也呈現相似的趨勢，當蒸發壓力為3MPa時可達到20%。這是因為隨著工質蒸發壓力的升高，雖然工質會吸收更多熱量，同時輸出功量也會增加，因此系統的熱效率增加。然而，提高蒸發壓力也是有限度的：一方面受到工質的熱穩定性的限制；另一方面受到選材、熱力設備設計等限制。目前三十四頁\總數四十五頁\編于十三點③冷凝溫度：水和R123的理想朗肯循環熱效率與工質的冷凝溫度的變化情況：由圖可知，水和R123兩種工質的熱效率呈現線性負相關。當工質的蒸發壓力與冷凝溫度相同時，前者系統熱效率高于后者，這是由水的沸點較高所決定的。此外，環境溫度一定程度上限制并影響著冷凝溫所以環境溫度的變化也會對系統熱效率造成影響。冬季時環境溫度較低，系統具有較高的熱效率，這是由于平均循環溫差增大的緣故。目前三十五頁\總數四十五頁\編于十三點（2）循環參數對火用損失的影響：影響系統火用損失的因素主要包括：工質蒸發和冷凝過程中的焓變，廢氣的平均溫度以及環境溫度。由圖3.13可知，當渦輪機進口溫度升高時，有機工質的系統熱效率基本保持不變；但系統的火用損失隨之增大，表明了過熱會對有機朗肯循環系統的性能造成不利影響。雖然水的熱效率高與R123，但是其火用損失也相對較高，這是由于水的汽化潛熱要高于有機工質。目前三十六頁\總數四十五頁\編于十三點（3）循環參數對質量流量的影響

圖3.14與3.15為當系統輸出1kW凈功時，兩種工質的質量流量隨渦輪進口溫度和蒸發壓力的變化規律。在過熱度、冷凝溫度一定條件下，提高蒸發壓力或渦輪機進口溫度，可使工質膨脹過程的比焓降變大，則回收1kW所需的工質質量流量變小。而水膨脹過程的比焓降較大，蒸發壓力與渦輪進口溫度的變化對其比焓降影響較小，因此水的質量流量變化不明顯。由圖3.14與3.15還可以看出，相對于水，使用R123的系統輸出1kW凈功時需要更大的流量，因而必須采用較大尺寸的熱力設備來減小壓降；而工質的質量流量過小，則面臨著熱力設備制造方面的困難。目前三十七頁\總數四十五頁\編于十三點第4章朗肯循環熱力設備設計計算

以R123作為循環工質為例，考慮到系統熱效率和各熱力設備的結構設計難度和成本等問題，按照以下原則選取朗肯循環的運行參數：（1）換熱器可承受最大工作壓力為2.5MPa，為使循環效率最大去蒸發壓力為2.4MPa。R123對應蒸發壓力的飽和溫度為157.7℃，為保證工質能夠完全汽化成為飽和氣態，取蒸發溫度為160℃，使得工質有適度的過熱。（2）保證工質冷凝溫度高于環境溫度，并使低壓管路中不產生負壓，確定冷凝壓力為0.3MPa，對應工質的冷凝溫度為60℃（3）渦輪機的膨脹比按最佳膨脹比8：1選取。目前三十八頁\總數四十五頁\編于十三點1.蒸發器設計

蒸發器的作用是為循環工質與發動機廢氣提供熱量交換的場所，根據傳熱表面結構特點可分為：管式換熱器（管殼式換熱器）板式換熱器等其中，管殼式換熱器通過其內部結構讓兩種流體分別從管程與殼程流過進行熱量交換。管殼式換熱器以其結構簡單，可靠性好以及可承受較高的工作溫度與壓力等優點得到了最為廣泛的應用。在朗肯循環中，工質的工作壓力通常較高，故使其在管程流動；而發動機廢氣的壓力不高且較清潔，適合在殼程中流動。當氣體在殼程中流動，氣體側的表面傳熱系數成為制約著換熱器總傳熱系數的提高主要因素。為提高總傳熱系數，通常通過在氣體側加裝不同形式的肋片來提高總傳熱系數。因此，本文采用管殼式換熱器作為蒸發器，并采用加裝環形肋片的方法來強化傳熱。熱管效率更高目前三十九頁\總數四十五頁\編于十三點2.蒸發器傳熱計算：蒸發器的傳熱計算內容主要包括對換熱量和工質流量、定性溫度、平均溫差等參數的計算。目前四十頁\總數四十五頁\編于十三點利用相關公式和參數分別計算（1）預熱段吸熱量（2）蒸發段吸熱量（3）過熱段吸熱量。主要計算步驟如下：1.由廢氣熱源狀態參數確定廢氣的定性溫度2.確定該定性溫度下廢氣的熱物性參數3.（以工質R123為例）確定在蒸發器中的吸熱量4.通過物性參數（蒸發壓力為2.4MPa）的條件下，確定工質R123各個狀態點處的比焓（h1.h2,h3….）5.求出R123的質量流量6.分別對工質在各個階段所吸熱量進行計算Q=m（h-h’）（預熱段吸熱量、蒸發段吸熱量、過熱段吸熱量）7.工質在吸熱過程中，預熱段和蒸發段占了相當大的比例，而過熱段所占比例很小。在保證精度前提下簡化計算，忽略過熱段的影響，