柴油机排气余热有机朗肯循环系统工质选择

柴俊霖，田瑞，杨富斌，张红光，吉平

(1.内蒙古工业大学能源与动力工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051；2.北京工业大学环境与能源工程学院，北京 100124)

从目前车用柴油机的能量平衡来看，柴油燃烧所产生的总能量只有30%～45%用于动力输出，通过排气散失到大气中的能量占到30%～40%[1]。排气余热与动力输出能量基本相当，存在大量的能量损失，同时对环境也造成了一定危害。排气余热回收利用技术具有巨大的节能减排潜力，而其中的有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，ORC)技术以较高的回收效率、较好的稳定性及灵活性，得到了广泛应用[2-3]。

ORC技术就是利用有机工质吸收低品位余热能量，通过工质在系统部件间的循环流动、状态改变，实现热电转换的技术。有机工质是ORC系统能量转换的载体，不仅影响系统的热力学性能，还对系统的部件设计选型、安全性、环保性、稳定性和经济性等产生重要影响。目前对于车用发动机排气余热回收ORC系统的适用工质也开展了一定的研究工作。Yang等[4]针对一台车用柴油机的排气余热能，计算了采用8种非共沸混合工质的ORC系统性能，指出R402B的性能最优；Song等[5]采用双ORC系统回收发动机余热能量，其中高温循环用于回收发动机的排气余热能量，分析了采用环已烷、苯和甲苯的高温循环的热力学性能，结果表明，在排气出口温度变化下，3种工质中环已烷高温循环的最大净输出功率可达到64 kW。但上述研究未对所分析工质进行宽范围、深入的分析筛选，工质的系统经济性能分析也未涉及。戴晓业等[6]针对内燃机余热有机朗肯循环的特点，提出工质筛选条件，分析工质临界温度和分子复杂度对总净功量、热效率(系统性能指标)和膨胀机的膨胀比与尺寸参数(系统成本指标)的影响，结果表明，在7种备选工质中R1233zd(E)是最佳选择，但研究未对内燃机全工况范围内余热有机朗肯循环性能进行分析，且只以膨胀机特性来评价系统成本。

本研究基于一台车用柴油机台架试验的测试结果，研究变工况下柴油机的余热能分布特性；根据柴油机排气余热ORC系统的工作特点，分析有机工质初选满足的条件，通过层层筛选从134种有机工质中初选了8种工质；对比分析在柴油机变工况下8种工质对ORC系统热力学性能和经济性能的影响，确定柴油机排气余热ORC系统适用的工质。

1 ORC系统分析模型

图1示出柴油机排气余热ORC系统的工作原理。液态有机工质经工质泵加压，从储液罐进入蒸发器，吸收柴油机排气余热能量变成高焓的蒸气，随后进入膨胀机中膨胀，带动发电机输出电能，膨胀后的乏气经冷凝器放热后流回储液罐，完成一次工作循环。柴油机排气是系统处理的目标热源，冷却水是保证系统正常工作的冷源。

图1 柴油机排气余热ORC系统工作原理

1.1 热力学分析模型

图2示出ORC系统工作过程对应的温熵图(以纯有机工质为例)。

图2 柴油机排气余热ORC系统温熵图

系统的热力学分析模型如下。

实际加压过程(1-2)：

等压吸热过程(2-3)：

实际膨胀过程(3-4)：

等压冷凝过程(4-1)：

为了对有机朗肯循环系统的性能进行评价，选取以下参数进行研究。

系统热效率：

系统净输出功率：

系统总净输出功率：

系统最大净输出功率：

系统平均净输出功率：

本研究中对热力学分析模型作如下假设：系统均在稳定状态下运行；忽略管路内的压力损失和散热损失；工质泵等熵效率 为80%[7-8]；蒸发器换热效率为60%[9]；蒸发压力在1.4～3.0 MPa之间变化，步长为0.1 MPa；膨胀机膨胀比为3.5；过热度为10 K；膨胀机等熵效率 为60%[10]；有机工质在冷凝器中放热后转变为饱和液体。

1.2 经济性分析模型

本研究选取系统初期投资成本Ctot2017和单位能量产出成本(LEC)评价ORC系统经济性能。

系统初期投资成本Ctot2017可利用化学厂成本指数(CEPCI)由2001年的系统初期投资成本Ctot2001计算得到：

式中：CEPCI2017=567.5[11]；CEPCI2001=394[12]。

系统初期投资成本为ORC系统各部件的投资费用之和。在系统中换热器的投资费用占到系统总投资费用的80%～90%[13-14]，因此，总投资费用也可近似表示为

Ctot2001=k∑CHX=k(CEV+CC)。

式中：k为修正系数，取为1.25；CHX为换热器的投资费用；CEV，CC分别为蒸发器、冷凝器的投资费用。

换热器的投资费用CHX的计算式为

表1 经济性分析模型中常数的取值

单位能量产出成本(LEC)简化表达式[16]为

式中：CRF为投资回收因子；COM为系统运行维护成本，取为Ctot2007的1.5%；top为系统年运行时间，取为5 000 h。

投资回收因子(CRF)可参考文献[17]，关系式为

式中：i为利息率，取为5%；LTpl为系统使用寿命，取为15年。

2 柴油机变工况下排气余热能分析

为了确定柴油机变工况下ORC系统的适用工质，选用一台潍柴WP10.336NCB增压中冷直列6缸四冲程柴油机为台架试验对象，对柴油机排气温度、油耗量和空气进气量等参数进行测试。试验过程中柴油机转速在600～2 200 r/min之间变化，间隔为100 r/min，最大扭矩为1 600 N·m。

图3示出柴油机变工况下涡轮机出口后测得的排气温度的变化。由图3可以看出，柴油机排气温度在130～545.8 ℃之间，变化范围大，200 ℃以上的中高温范围占比超过80%。

忽略柴油机的漏气损失，根据质量守恒定律，柴油机排气质量流量等于油耗量与空气进气量之和，由此可得柴油机变工况下排气质量流量变化情况(见图4)。由图4可以看出，随着柴油机扭矩和转速的增加，柴油机排气质量流量逐渐增加，其最大值为0.48 kg/s。

图3 柴油机排气温度

图4 柴油机排气质量流量

图5示出变工况下柴油机最大可用排气能量的变化。由图5可以看出，柴油机最大可用排气能量随柴油机扭矩和转速的增加而增加，在柴油机标定工况点达到最大值，238.4 kW。

图5 柴油机最大可用排气能量

3 有机工质的初选

3.1 初选条件

考虑用于柴油机排气余热ORC系统的工作环境特点，以保证整个系统安全、环保、稳定可靠运行，确定有机工质初选的条件。

1) 为了保护人员健康安全，应选择无毒性或低毒性、不易燃的工质；有机工质选择时，其安全分组类型应为A1[18]。

2) 汽车保有量大，工质的环保性不容忽视。有机工质选择时，臭氧层破坏潜值(ozone depletion potential，ODP)应为0，全球变暖潜值(global warming potential，GWP100yr)小于3 000。

3) 为了保证系统的效率和寿命，有机工质应具有较好的热稳定性和化学稳定性。

4) 为了保证系统冷凝器工程操作和设计选型的可行性，有机工质的系统冷凝压力应高于大气压力，系统冷凝温度应不低于20 ℃。

3.2 确定初选工质

依据上述前3个条件，对ANSI/ASHRAE Standard 34—2013[18]中列出的134种有机工质逐一筛选，选出24种有机工质，并对选出工质的系统冷凝压力和冷凝温度进行分析。

ORC系统的蒸发压力与膨胀比确定后，系统冷凝压力就可确定，由上述热力学分析模型假设可得，系统冷凝压力最小为0.4 MPa，高于大气压力，满足系统要求。

图6示出24种有机工质系统冷凝温度随蒸发压力的变化。参考文献[19-20]，系统冷凝温度应不低于20 ℃(冷却水温度平均在15 ℃左右，冷凝温度与冷却水温度窄点温差约为5 ℃)，图中用横线表示20 ℃的温度线。从图6可以看出，24种有机工质中只有R134a，R417A，R417C，R420A，R423A，R425A，R426A和R437A共8种工质满足系统冷凝温度条件，而且仅在一定蒸发压力范围内满足条件。8种初选有机工质的特性参数及其系统蒸发压力范围见表2。

图6 24种有机工质系统冷凝温度随蒸发压力的变化

表2 8种初选有机工质的特性参数和蒸发压力范围

4 计算结果及分析

4.1 热力学性能计算结果及分析

由系统热效率计算公式可知，系统热效率只与系统状态参数和工质泵及膨胀机的等熵效率有关，与柴油机工况变化无关。8种有机工质系统热效率随蒸发压力的变化见图7。可以看出，在各种工质的蒸发压力范围内，系统热效率均随蒸发压力的增加而减小，均存在最优蒸发压力；R420A在最优蒸发压力1.9 MPa时，系统热效率达到最大，为6.83%。

图7 8种有机工质系统热效率随蒸发压力的变化

系统净输出功率可转化表达为

式中：ε为蒸发器换热效率。

由上式可知，不同的工质在一定的蒸发压力下，系统热效率确定时，系统净输出功率与柴油机最大可用排气能量应具有相同的变化规律。因此，以R420A在蒸发压力1.9 MPa时的状态分析系统净输出功率的变化情况(见图8)。由图8可以看出，系统净输出功率与柴油机最大可用排气能量一样，都随着柴油机扭矩和转速的增加而增加，在柴油机标定工况点达到最大值。

图8 柴油机变工况下系统净输出功率的变化

图9 8种有机工质的系统净输出功率

4.2 经济性能计算结果及分析

由CHX计算公式和表1可知，系统经济性计算与换热器压力无关，因此以8种有机工质最优蒸发压力状态点进行计算。同时为了满足换热器在柴油机全工况范围内的换热面积，还应以柴油机标定工况点进行系统经济性能计算。采用8种有机工质的系统成本见表3。

表3 8种有机工质的系统成本

从表3可以看出，系统初期投资成本Ctot2017中冷凝器的投资成本占比较大，蒸发器的投资成本占比较小；在热源和冷源相同的情况下，系统初期投资成本Ctot2017由小到大的有机工质的顺序依次为R417A，R437A，R420A，R425A，R134a，R417C，R426A，R423A；R420A的单位能量产出成本(LEC)最少，为0.719 2 $/(kW·h)。

5 结论

a) 在筛选出8种有机工质的蒸发压力范围内，系统热效率随蒸发压力的增加而减小，确定了每种工质的最优蒸发压力，其中R420A在最优蒸发压力为1.9 MPa时系统热效率最大，为6.83%；

b) 在柴油机变工况下，8种有机工质的系统净输出功率与柴油机最大可用排气能量变化规律相同，随着柴油机扭矩和转速的增加而增加，在柴油机标定工况点达到最大值； 8种有机工质中R420A的系统总净输出功率、系统最大净输出功率和系统平均净输出功率均高于其他工质；

c) R420A的系统初期投资成本Ctot2017较少，仅次于R417A和R437A，但其单位能量产出成本(LEC)最少；

d) 从有机工质的基本特性出发，结合柴油机余热ORC系统的热力学性能和经济性能，确定R420A为柴油机排气余热有机朗肯循环系统的适用工质。