蒸发压力和冷凝温度对船用柴油机余热回收有机朗肯循环系统性能的影响

范峻豪 谭先琳 蓝琳生

摘要：以柴油机废气余热作为研究对象，利用MATLAB软件建立有机朗肯循环余热回收系统热力学模型，对比6种工质的物性参数，选择苯为工质，仿真研究系统净输出功率、热效率、功耗因子和效率等热力学性能参数随蒸发压力以及冷凝温度的变化规律。仿真结果表明：蒸发压力增大，净输出功率和效率先增大后减小，热效率和功耗因子增大；蒸发压力为0.6 MPa时净输出功率最大，为4358 kW；蒸发压力为1.6 MPa时效率最大，为54.5%；冷凝温度升高，系统净输出功率、热效率和效率减小，功耗因子增大。

关键词：有机朗肯循环；船用柴油机；余热回收；热力学分析

中图分类号：TK422文献标志码：A文章编号：1673-6397（2023）01-0009-06

引用格式：范峻豪，谭先琳，蓝琳生.蒸发压力和冷凝温度对船用柴油机余热回收有机朗肯循环系统性能的影响 ［J］.内燃机与动力装置，2023，40（1）：9-14.

FAN Junhao， TAN Xianlin， LAN Linsheng.Influence of evaporation pressure and condensation temperature on organic Rankine cycle waste heat recovery system of marine diesel engine［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（1）：9-14.

0引言

随着石油资源紧缺以及环境污染问题加剧，降低发动机的燃油消耗、排放成为内燃机行业研究的重点，对发动机余热回收利用是当前研究的热点之一[1]。在众多用于回收中、低品位余热的技术中，有机朗肯循环被认为是最具有应用前景的方法之一[2]。朗肯循环一种高效的节能减排技术，结构简单、工质密度大、热效率较高[3]，能提高能源的总利用率，并能减少尾气排放，缓解环境污染问题。

我国90%以上的货物运输由航运来实现，船舶运行时消耗很多的化石能源[4]。全球98%的船舶动力采用柴油机[5]，现代大型船舶柴油机推进装置的最高热效率仅为45%～50%[6-7]，大部分热量以排气废热和冷却液废热的形式散失到环境中[8]。船舶柴油机废气余热量大，可以用海水作为冷源，采用有机朗肯循环回收其废气余热具有很大前景。我国对有机朗肯循环的研究起步较晚，还没有得到大规模的研究和推广[9]。

本文中以柴油机废气余热作为研究对象，利用MATLAB软件建立有机朗肯循环余热回收系统的热力学模型，计算并分析蒸发压力和冷凝温度对朗肯循环余热回收系统热力学性能的影响，为系统的优化设计提供参考。

1朗肯循环模型建立

朗肯循环系统如图1所示。朗肯循环系统主要由工质泵、蒸发器、膨胀机和冷凝器组成。朗肯循环系统温熵图如图2所示，图中Tgas为废气温度，Tgas，in为废气入口温度，Tgas，out为废气出口温度，TΔE为废气与工质间的最小传热温差，TΔC为工质与冷却水间的最小传热温差。

由图1可知：从冷凝器中离开的液态工质在工质泵中被压缩为高压液体，在蒸发器中柴油机的高温烟气与高压液态工质换热并使工质气化，产生的高温工质蒸汽在膨胀机中膨胀做功后变成低压乏汽，最后进入冷凝器凝结成液态工质完成循环。

由图2可知：工质变化过程包围的面积即为系统的有用功；冷凝温度升高，气液两相区的冷凝线位置上移，工质变化过程包围的面积减小，系统净输出功率减小。

利用MATLAB对朗肯循环系统进行建模时作以下假设：1）工质在系统中稳定流动；2）不考虑系统各设备及管道中的换热损失；3）不考虑各管道中的压力损失 [10]。

1.1朗肯循环数学模型

1.1.1工质泵

工质在工质泵中消耗电能对其中的工质进行加压压缩，所消耗的功率

Pp=qm，f（h1-h4）/ηp，（1）

式中：qm，f为工质质量流量，kg/h；ηp为工质泵效率，ηp=0.8；h4和h1分别为工质泵进、出口的工质比焓，kJ/kg。

1.1.2工质泵蒸发器

液态工质在蒸发器中吸收柴油机废气的余热，等压加热为高温高压的工质蒸汽，该过程吸收的热量

Qeva=qm，f（h2－h1），（2）

式中：h2为蒸发器工质出口比焓，kJ/kg。

1.1.3膨胀机

膨胀过程输出功率

P=qm，f（h3－h2）ηtηg，（3）

式中：ηt为膨胀机机械效率，ηt=0.85；ηg为发电机效率，ηg=1；h3为膨胀机出口工质比焓，kJ/kg[11]。

系统净输出功率

Pnet=P－Pp 。 （4）

1.1.4冷凝器

冷凝过程工质释放的热量

Qcond=qm，f（h4－h3） 。（5）

功耗因子ξPCF是评价泵功能效的重要指标，指产生单位净输出功消耗的泵功，计算式为：

ξPCF=Pp/Pnet 。（6）

系统中任一点i的

Ei=qm，f［（hi－h0）－T0（si－s0）］ ，（7）

式中：T0为环境热力学温度，K；hi为工质在i点的比焓，kJ/kg；h0为环境状态比焓，kJ/kg；si为工质在i点的比熵，kJ/（kg·K）；s0为环境状态比熵，kJ/（kg·K）。

系統效率

ηe=Pnet/Ein，（8）

式中：Ein为系统输入，kW。

系统热效率

η=Pnet/Qeva 。（9）

1.2工质的选择

选用工质时，应在保证工质符合环保性、安全性要求的前提下，有尽可能高的效能和经济性。针对以上原则，本文中选择了6种工质，其物性参数如表1所示[12-15]。

为了比较各工质对系统的能效，利用MATLAB软件在相同条件下用各工质模拟运行系统，得到各工质下系统的净输出功率、热效率、功耗因子、效率等性能参数。蒸发压力为1 MPa、冷凝温度为45 ℃时各工质系统的性能参数如表2所示；蒸发压力为2 MPa，冷凝温度为45 ℃时各工质系统的性能参数如表3所示。

由表2可知：蒸发压力为1 MPa、冷凝温度为45 ℃时，工质二氯一氟乙烷的净输出功率最大，但热效率只有13.31%；工质甲苯的热效率最大，但净输出功率最小；工质苯的效能最好，净输出电量、热效率和效率均较大，且功耗因子较小。由表3可知：蒸发压力为2 MPa、冷凝温度为45 ℃时，工质苯的热效率和效率较大，但净输出功率较小；工质二氯一氟乙烷在该条件下的效能较好，净输出功率、热效率和效率都较大。

2热力学性能分析

根据对各工质能效的分析，不同蒸发压力时苯作为工质的系统性能都较好，因此选用苯作为系统工质，但苯可燃且具有一定毒性，对人体健康造成危害[16]，如果发生泄漏会污染环境，在使用时应注意。苯是等熵工质，尽量减小其过热度可以有效增加系统的输出功，使用苯为工质时采用亚临界饱和循环。本文中使用苯为工质计算分析系统净输出功率、热效率、功耗因子和效率等随蒸发压力以及冷凝温度的变化规律。

2.1蒸发压力的影响

蒸发压力是朗肯循环运行过程中的重要参数。设置循环冷凝温度为45 ℃，蒸发压力的变化范围为0.1～2.5 MPa，模拟运行朗肯循环系统，系统热效率、净输出功率、效率、功耗因子随蒸发压力的变化曲线如图3所示。

由图3a）可知：当蒸发压力增加时，净输出功率先增大后减小，热效率一直增加；低于0.6 MPa 时系统净输出功率增加，高于0.6 MPa 时系统净输出功率减小；蒸发压力为0.6 MPa时，净输出功率最大，为4358 kW。系统所产生的功率与工质膨胀前、后的焓降以及工质的流量有关，当蒸发压力增加时，工质的蒸发温度升高，工质膨胀前、后的焓降增大，系统的输出功率增加。但为了使所有工质蒸发为蒸汽，工质流量需伴随蒸发压力增加而减少，系统的输出功率减少。由此可见对于工质苯，蒸发压力低于0.6 MPa时，工质膨胀前、后焓降变化的影响大于工质流量变化；蒸发压力高于0.6 MPa时，工质流量变化的影响较大。当蒸发压力增大时，蒸发温度升高，工质与柴油机废气的温差减小，导致换热量减少，虽然蒸发压力大于0.6 MPa后系统净输出功率呈递减趋势，但是系统吸热量下降更快，系统热效率增大。

由图3b）可知：当蒸发压力增大时，功耗因子增大，效率先增大后减小；蒸发压力为0.1～1.0 MPa时效率迅速增大，蒸发压力为1.6 MPa时效率最大，为54.5%；蒸发压力增大时，净输出功率刚开始会增加，但增加幅度低于工质泵耗功，所以功耗因子增大。

2.2冷凝温度的影响

冷凝温度也是朗肯循环运行过程中的重要参数。卡诺循环的效率

ηn=1-T2/T1，（10）

式中：T1、T2分别为热源热力学温度和冷源热力学温度，K。

由式（10）可知：冷源温度越低，系统效率越高。但是采用海水作为冷源时，冷凝温度受到环境温度的限制。保持其他条件不变，循环蒸发压力为1 MPa、冷凝温度为35～60 ℃时，模拟运行朗肯循环系统，系统净输出功率、热效率、功耗因子、效率随冷凝温度的变化曲线如图4所示。

a）净输出功率、热效率b）功耗因子、效率

图4系统净输出功率、热效率、功耗因子、效率随冷凝温度的变化曲线

由图4a）可知：系统净输出功率和热效率均随冷凝温度的升高而减小，因受到环境温度的限制，本文中设置的最低冷凝温度为35 ℃，系统热效率在35 ℃时最大，为21.5%。根据图2，随着冷凝温度升高，气液两相区的冷凝线位置上移，工质变化过程所包围的面积减小，系统净输出功率减小。

由图4b）可知：当冷凝温度升高时，功耗因子增大，效率减小。冷凝温度升高，冷凝压力增大，工质泵进、出口的压力差减小，工质泵耗功减少。但系统净输出功率的减小趋势更大，所以功耗因子增大。冷凝温度升高，工质泵、蒸发器、膨胀机中造成的不可逆损失减小。冷凝温度升高，工质与海水的冷、热端平均换热温差增大，冷凝器中产生的不可逆损失增大幅度大于其他设备中不可逆损失减小幅度的总和，所以系统效率降低。

3结论

以船舶柴油机废气余热为热源，利用MATLAB软件对有机朗肯循环进行仿真建模，对比6种工质的物性参数，不同蒸发压力时苯的能效均较高，选择苯作为系统工质研究了蒸发压力以及冷凝温度对系统净输出功率、热效率、功耗因子和效率的影响，为有机朗肯循环系统的工质选择和参数优化提供参考。

1）蒸发压力增大，系统净输出功率和效率先增大后减小，系统热效率和功耗因子增加。

2）冷凝温度升高，系统净输出功率、热效率和效率减小，功耗因子增加。

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