温差发电技术在内燃机有机朗肯循环余热回收应用上的模拟研究 赵健.doc

中国工程热物理学会 工程热力学与能源利用 学术会议论文 编号：111101 温差发电技术在内燃机有机朗肯循环余热回收应用上的模拟研究 赵 健，舒歌群，于国鹏，朱天宇，田 华，赵智博 （天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津，300072） (Tel Email:zhaooooo@) 摘 要 TEG-ORC联合循环是温差发电技术在内燃机有机朗肯循环余热回收上的应用。为克服ORC在内燃机排气余热回收上的限制，提高能量利用率，本文提出一种新的余热能回收方案。ORC系统工质采用R123，在亚临界条件下针对不同的系统参数，通过模拟计算研究了系统性能的变化规律，并实现TEG和ORC参数的同步优化。研究结果显示，TEG-ORC联合循环汽车法规能源危机。一般机热效率柴油机为30%-45%，汽油机为20%-30%，约的能量通过冷却系统、润滑系统和排气因此如何提高燃料利用率和降低排放成为了制约发动机行业发展的主要瓶颈。有机朗肯循环。Ho Teng [3-5]等，，。近年来随着纳米材料的深入研究，温差发电技术在余热回收研究领域得到重视。Erik W. Miller，将温差发电(TEG)和有机朗肯循环(ORC)技术耦合，未建立完整的ORC模型现有研究多数针对的研究，车用发动机排气温度变化范围大、随循环波动大和怠速排气温度低的特点使余热回收装置与发动机的匹配难度大。不同工况下发动机排气物性参数随温度的。针对传统有机朗肯循环技术的缺点，本文设计了一种综合考虑TEG与ORC耦合作用的新型方案，下简称“TEG-ORC联合循环”。对新型余热回收装置在模拟性能参数进行。本文的实验用发动机为柴油，基于MATLAB/SIMULINK开发相应的性能模拟程序，来计算TEG的性能变化规律，为工程应用提供理论支持。系统的设计为有效利用余热，实现柴油机余热的梯级利用，，本文设计一种新型余热回收装置。包括预热器、蒸发器、膨胀机、冷凝器、泵温差发电等，如图1所示。 图1 TEG-ORC联合循环系统图温差发电装置的参数值见表。 kW 油耗率 523.15 g/(kW.h) 排气涡后温度 792.15 K 排气流量 0.2752 kg/s 表2 热电单偶工作参数 参数 数值 单位 高温端热阻RH0.113 K/W 低温端热阻RL K/W 内阻Ro 0.008 Ω 塞贝克系数 aNP 170 μV/K ORC做功机械采，它具有转速高、体积小等特点，因更适用。如果余热温度不高，就会在膨胀机出口处于汽液两相区，形成速液滴，对的叶片等损伤严重[2,3,4]。R123进行研究。 2 TEG-ORC联合循环系统的热力学模型柴油燃料模拟燃烧过程方程如下： 柴油CH:O质量分数gC :gH :gO=0.87:0.126:0.004，空气成分取理想状态下仅有氧气和氮气，其氧气20.98%，氮气79.02%，按柴油在缸内完全燃烧的理想工况，1g柴油燃烧理论空气量L=0.4958，过量空气系数为a=2，发动机比热按照柴油机燃料理想燃烧生成物的平均烟气成分来计算： (1) 其中温差发电采用p型TAGS/n型PbTe。未被利用的热量经过TEG低温端进入预热器，对ORC中的过冷工质进行预热，以提高ORC的热效率。 (9) 其中，Cp为排气定性温度下的比热容TTEG-in和T-out分别的排气进口温度和出口温度。过程4-5-1：等压加热过程。工质在预热器中预热吸收未被TEG转化利用的能量，在过热器中吸收排气的热量直至饱和。此阶段吸收的总热量为 (10) 其中，Cp为排气定性温度下的比热容TORC-in和TORC-out分别为的排气进口温度和出口温度。本文质流量由确定， 过程1-2：等熵膨胀过程。膨胀机将工质热能转化为机械功，膨胀机输出功： 其中，ηu为膨胀机相对内效率ηm为膨胀机机械效率。 过程2-3：等压冷凝过程。冷凝器中放出的热量为： 其中，hcond-in和hcond-out分别是冷凝器进口和出口R123的比焓值。乏汽的比焓值hcond-in可由下式计算得到： 过程3-4：绝热加压过程。ηp为泵的等熵效率工质泵功率消耗为： 系统的净输出功为： 系统效率η为： 模拟结果与根据柴油机试验结果确定发动机排气温度和流量，对不同的TEG的参数不同ORC工作压力余热回收系统变化规律进行了计算和分析根据2中建立的热力学计算模型，使用MATLAB/SIMULINK模拟计算[8]。流程图图。 图2 TEG