内燃机废气余热利用有机朗肯循环系统工质的分析研究

论文摘要

内燃机运行时所排出的废气带走了约35%的燃料完全燃烧热量,而目前这部分热量均以废热的形式散失掉了,如何有效的利用这部分热量成为目前提高发动机效率的重要课题。有机朗肯循环（ORC）是一种将传统的蒸汽朗肯循环中的水工质用有机工质来代替的循环,主要包括等熵压缩、等压冷凝、等熵膨胀以及一个等压吸热过程,循环具有结构简单、适用性强及小型化优势明显等特点,非常适合于内燃机废气余热的回收。同时,作为一种有效的余热利用方式,它产生额外功率输出的同时不产生任何的污染物。目前有机朗肯循环作为一种重要的余热回收方式在内燃机行业日益受到重视。当采用有机朗肯循环的余热回收方式时,采用何种工质作为将热能转化回收利用的介质以达到最大的热量回收效果是研究的一个重要课题。本文对常用的有机工质进行了总结,建立了相应的工质物性数据库,并建立了工质热物性的计算模型用以推导非常用工质的热物性。通过将常用工质的热物性计算结果同美国的NIST-Refprop软件及文献中的热物性结果进行了比较分析,验证了模型的准确性。基本物性常数是研究工质热力学性质的基础数据,该数据缺乏是对硅氧烷类物质的有机朗肯循环利用情况进行全面分析和研究的瓶颈。本文通过广泛的数据搜集,根据基团贡献法对硅氧烷类物质中的硅基团的比热容贡献系数进行了推导,为硅氧烷类物质的有机朗肯循环利用提供了物性计算的保证。根据不同的物理及化学性质,将工质分为常用有机工质、硅氧烷类高温工质及混合工质三类,在EES软件及ASPEN PLUS软件中建立内燃机废气余热利用有机朗肯循环系统的数学模型,并将不同的工质在模型中进行性能的计算分析及比较。通过性能分析的比较结果,并针对内燃机废气余热利用有机朗肯循环系统的具体情况,总结了不同有机工质的特性和规律,也给出了一套适宜于内燃机废气余热利用有机朗肯循环系统的工质优化选择的流程,为今后内燃机废气余热利用有机朗肯循环系统工质的快速选择提供了一套原则及方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题提出的背景
• 1.1.1 内燃机有机朗肯循环余热回收的国际背景
• 1.1.2 内燃机有机朗肯循环余热回收研究的国内背景
• 1.2 有机朗肯循环工质的研究现状
• 1.2.1 不同热源形式的有机朗肯循环利用工质
• 1.2.2 内燃机余热利用有机朗肯循环工质的研究现状
• 1.3 本文研究课题的确定
• 1.4 本文的思路及主要研究内容
• 第二章 ORC 基础及内燃机废气余热利用有机朗肯循环系统建模
• 2.1 有机朗肯循环余热利用基础
• 2.1.1 有机朗肯循环系统基本原理
• 2.1.2 有机朗肯循环的基本型式
• 2.1.3 有机朗肯循环系统效率的影响因素
• 2.2 有机朗肯循环热力学第一定律基本数学模型
• 2.3 内燃机废气余热利用有机朗肯循环系统建模及编程原理及方法
• 2.3.1 模拟计算软件简介
• 2.3.2 内燃机废气余热利用有机朗肯循环系统模型建立
• 2.4 本章小结
• 第三章 有机工质物性常数数据库的建立及热物性分析
• 3.1 工质物性数据库的建立
• 3.1.1 物性数据库建立的原则及方法
• 3.1.2 常用数据资料的来源
• 3.2 有机朗肯循环工质的热物性计算
• 3.2.1 热物性原理介绍
• 3.2.2 工质的热物性数学模型
• 3.2.3 热物性求解编程及验证
• 3.3 混合工质的特性及热物性计算方法总结
• 3.3.1 混合工质特性
• 3.3.2 混合工质热物性计算方法
• 3.4 以基团贡献法为基础的高温型硅氧烷类工质的热物性推算
• 3.4.1 基团贡献法原理
• 3.4.2 硅氧烷类物质硅基团比热容基团贡献系数的推导
• 3.4.3 硅氧烷类物质的热物性计算结果
• 3.5 本章小结
• 第四章 内燃机废气余热利用有机朗肯循环系统工质的热力学分析
• 4.1 常用候选工质的提出
• 4.1.1 工质的选择标准
• 4.1.2 常用候选工质
• 4.2 循环系统及循环工况设定
• 4.2.1 循环系统
• 4.2.2 内燃机余热热源的工况
• 4.2.3 有机朗肯循环系统工况设定
• 4.3 不同工质的有机朗肯循环分析计算
• 4.3.1 亚临界饱和蒸汽有机朗肯循环系统
• 4.3.2 亚临界循环工况过热度对循环性能的影响
• 4.3.3 跨临界循环工况
• 4.4 硅氧烷类工质有机朗肯循环利用情况
• 4.4.1 硅氧烷类物质物性分析
• 4.4.2 硅氧烷类物质的循环计算分析
• 4.5 混合工质有机朗肯循环利用情况
• 4.5.1 混合工质的混合特性
• 4.5.2 混合工质的循环结果
• 4.6 内燃机废气余热利用有机朗肯循环工质选择的原则及方法
• 4.7 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 工作展望
• 附录A：100 种有机朗肯循环常用工质物性数据
• 附录B：理想气体热容的Rihani-Doraiswamy 基团贡献法贡献值
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢