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用于发动机排气余热回收的肋片管式蒸发器的传热分析

摘要：有机朗肯循环（ORC）可用于从内燃机回收废热。在这样的系统中，蒸发器设计是至关重要的。在设计好的蒸发器中，确定可转移的热量对于一个成功的ORC系统来说非常重要。在本文中，介绍了用于回收柴油机排气废热的翅片管式蒸发器。首先，根据测得的数据评估所选柴油机的排气热量。随后，根据详细的几何形状和特定的ORC工作条件创建蒸发器的数学模型。然后，当柴油机管理 3D 设置运行经过由发动机速度和负载限定的所有工作区域时，估计蒸发器的传热。结果表明，蒸发器出口处的排气温度随着发动机转速和负载而增加。尽管有机工作流体的对流换热系数明显大于排气的传热系数，但整体传热系数略大于排气的传热系数。此外，传热率在预热区最大，而在过热区最小。因此，预热区的传热面积几乎是总面积的一半。另外，过热区的面积稍大于两相区的面积。得出的结论是，翅片管式蒸发器的传热面积应根据发动机最典型的工作区域仔细选择。

1. 导论

在内燃机中，只有一小部分燃烧能量从曲轴输出; 大部分能量都被浪费在排气和冷却液系统中。 为了提高内燃机的热效率，可以使用有机朗肯循环（ORC）来回收废热。最近已经进行了几项关于ORC性能分析的研究[1-7]。 如何在发动机的所有运行区域内建立内燃机有机郎肯循环模型以最大限度地提高能源效率是一个重要的挑战。在汽油机[8,9]和柴油机[10,11]上的应用结果已经被报道。

按有机郎肯循环工作的蒸发器将发动机废能转移到有机工作流体中，其中有机工作流体在高压下从液态变为气态。 随后，具有高焓的有机工作流体在膨胀机中膨胀并产生输出动力。因此，在有机郎肯循环中，蒸发器是用于发动机废热回收系统的关键部件。 蒸发器的传热效率会影响整个系统的性能。一般来说，有两种蒸发器用于废热回收：板式和壳管式。对于高温和高压的应用，翅片管换热器被广泛使用[12]。

在这项研究中，理论上评估了设计用于回收柴油机废气余热的翅片管式蒸发器的性能。选择五氟丙烷R245fa作为ORC的工作流体。 根据设计的蒸发器的详细尺寸和指定的ORC工作条件建立蒸发器的数学模型。 然后，当匹配的柴油发动机穿过由柴油机速度和负载限定的所有工作区域时，估计翅片管式蒸发器的传热。

1. 系统描述

柴油机排气热回收的ORC示意图如图1所示。 新鲜空气由压缩机增压。 然后，空气进入发动机气缸，与喷射的燃料一起燃烧。在气缸中膨胀后，高温气体被排出到涡轮机以进一步膨胀。这里，在涡轮机出口处，排气温度在200℃和600℃之间仍然很高。这种高温废热可以通过建立ORC利用，蒸发器连接到涡轮机出口处，这可以被认为是本研究中的逆流布置。实际的布局是横流。但是，有足够的排可以将其视为逆流换热器[13]。 R245fa用作蒸发器管侧的工作流体，因为它具有良好的安全性和环境性能[4]。图2描述了ORC的相关T-s图。考虑到车辆发动机的实际运行条件，本研究中R245fa的冷凝温度设置为300 K，蒸发压力设置为2.4 MPa。在预热区域中，将过冷液体加热至饱和液体状态3.随后，工作流体在两相区域中继续蒸发至饱和气体状态4。然后，饱和气体被进一步加热，直到工作流体温度升至25℃。根据参考文献，上面配置的ORC工作参数可用于最大化ORC的热效率。

x

y

4

3

空气

柴油机

过热区

两相区

预热区

a b

排气

涡轮

5

2

蒸发器

发电机

膨胀机

冷凝器

泵

6 1

图1.用于发动机排气热回收的ORC示意图

450

400

350

300

250

200

5

3

4

6

2

1

温度 (K)

0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

熵（kJ / kg.K）

图2. ORC的T-S图

设计的蒸发器用于江西江铃汽车集团有限公司生产的R425型涡轮增压柴油机。表1给出了R425柴油机的详细规格。 图3所示的翅片管式换热器设计用于回收发动机排气热量。 表2列出了翅片管式蒸发器的几何尺寸。

1. 数学模型

为了分析翅片管式蒸发器的传热情况，当R425柴油机在各种工况下运行时，建立了翅片管式蒸发器的数学模型。根据前面提到的ORC工作参数，管中的有机工作流体经历三个区域：预热区域，两相区域和过热区域。在预热区中，R245fa从过冷状态2加热到饱和液态3.因此，废气从状态y冷却到状态b。在两相区中，R245fa从状态3加热到饱和气体状态4，而排气从状态x转移到状态y。在过热区，R245fa继续吸收废气中的废热并从状态4转变成过热状态5.同时，废气从状态a变为状态x。数学模型给出一组热力学关于蒸发器的每个区域的等式。首先，根据相应的温度和压力计算每个区域的废气和R245fa的热力学性质。其次，根据能量平衡获得每个区域的传热率。随后，考虑蒸发器的几何尺寸，使用相关关系来估计对流传热系数。然后，确定每个区域的传热面积。此外，当发动机的运行条件变化时，排气温度和质量流量会相应地改变。使用已建立的蒸发器模型评估传热性能随发动机运行状况的变化情况，为最大限度地利用废气余热提供了一个合理的参考。

• 1. 废气性能评估

必须为传热分析确定排气特性，包括恒定压力下的比热，动态粘度和热导率。 柴油机排气中的主要成分是CO 2，H 2 O，N 2和O 2。 而且，这些部件的质量分数随着发动机的运行状况而变化。 当发动机在稳定状态下运行时，可以在发动机测试台上测量喷射的燃料量和进气量。 石油衍生柴油燃料由约75％饱和烃和25％芳烃组成。 因此，普通柴油的平均化学式可以用C 12 H 23表示[15]。 因此，气缸内空气的柴油燃烧过程可简单地表示为

xC₁₂H₂₃ y(O₂ 3.76N₂)→12xCO₂ 11.5xH₂O 3.76yN₂ (y-17.75x)O₂

燃料和进气的摩尔流量基于测量的质量流量计算。 因此，获得了组分CO 2，H 2 O，N 2和O 2的摩尔分数。也可以确定每个组分的相应质量分数。 如果测量排气温度和压力，则可以通过REFPROP [16]计算出恒定压力下的比焓和比热以及组分i的密度（i表示CO 2，H 2 O，N 2或O 2）]。 由美国国家标准技术研究院开发的REFPROP是一个计算工业重要流体及其混合物的热力学和传输特性的程序，重点是制冷剂和碳氢化合物。 它为纯流体的热力学性质实现了三个模型：亥姆霍兹能量中明确的状态方程，改进的Benedict-Webb-Rubin状态方程和扩展对应态（ECSs）模型。

通常，排气温度在200℃至600℃之间，排气压力略高于大气压力。 因此，废气可以作为理想气体的混合物处理[17]。 因此，可以计算排气的比焓和比热

根据Amagat的添加剂体积定律[17]，废气的密度是

许多传热相关性需要雷诺数和普朗特数。 因此，应估算废气的动态粘度和热导率。 如果排气温度和压力已知，则组分i的动态粘度和热导率可以通过REFPROP计算。 然后，Herning和Zipperer方法可用于计算排气粘度[18]。 Wassiljewa方程用于计算废气的热导率[18]。

3.2. 传热率计算

假设状态b的排气温度是已知的，则可以计算出状态b的排气焓。 然后，R245fa的整体传热率和质量流量由下式确定

状态x和状态y的排气的热力学性质也可以根据每个区域的能量方程来计算。 因此，获得了所有区域的传热率。

3.3. 对流换热系数

考虑到管外的废气，对流换热系数可以用Dias和Young的相关性来计算[19]。

对于在管中流动的单相工作流体，使用Gnielinski相关[20]。

考虑到管侧两相区的工质，实验结果表明，Liu和Winterton关系式准确地预测了R245fa的对流换热系数[21]。 因此，Liu和Winterton相关性用于两相区的对流换热系数。

膜沸腾校正因子是

基于Dittus-Boelter相关性计算膜沸腾Hf0的对流换热系数[22]。 核沸腾的校正因子是

对应于饱和液体状态的雷诺数表示为

根据铜的池沸点相关性计算核沸腾H nb的对流传热系数[22]。

3.4. 传热区域

基于管外表面的总传热系数计算如下。

对数平均温差（LMTD）方法通常用于预测热交换器的性能[23,24]。 LMTD被定义为

其中T 1是热交换器每端两种流体之间的最高温度，T 2是两种流体之间的最低温度。 然后，传热面积是

4.结果分析

根据建立的数学模型，创建一个程序来评估Matlab中蒸发器的性能。 使用REFPROP计算废气和R245fa的热力学性质。 计算过程如图4所示。首先，计算x状态下废气的质量流率和热力学性质。其次，根据具体的ORC工作参数确定R245fa在状态2和状态5下的热力学性质。第三，输入状态y的排气温度值。因此，根据能量方程计算R245fa的整体传热速率和质量流量。然后，计算所有三个区域的传热率。随后，根据传热相关性以及废气和每侧R245fa的热力学性质计算每个区域的对流传热系数。此外，获得每个区域的总传热系数。然后，使用LMTD方法计算每个区域的传热面积。如果三个区域的总和不等于实际面积，则再次假定状态b的新的排气温度，并且执行新的迭代计算，直到这两个面积值的误差小于1％。为了评估蒸发器性能，我们首先获得柴油机排气的余热量。 当车辆行驶时，发动机转速和负载可以在很大范围内变化。 因此，发动机性能测试在发动机测试单元中进行，以获得发动机速度和输出扭矩所定义的所有发动机工作区域上的排气，进气和冷却剂系统的热力学参数。 测试程序根据参考文献进行。[25]。 对于此处所述的测量，最小和最大发动机转速分别设置为1000 r / min和4000 r / min。 中间速度使用200r / min的步进增量进行选择。 在每个选定的发动机转速下，选择八个不同的负载值，范围从100％负载到最小稳定负载值。输出功率使用湘仪动力检测仪器有限公司生产的涡流式涡轮流量计（型号GW300）测量。 油耗计也由湘仪动力检测仪器有限公司生产（型号FC2212L）。 排气温度传感器是北京科力高技术中心公司生产的K型热电偶。 进气的质量流量采用上海托基发动机检测设备公司提供的热式空气质量流量计（型号ToCeil20N080）测量。 高速数据采集系统由安捷伦科技有限公司提供。

测得的发动机数据与发动机转速和发动机负荷的关系如图5所示。图5a显示了飞轮末端的发动机功率。可以看出，输出功率随着发动机转速和发动机负荷而增加，在额定功率点达到99.6kW。测得的制动比油耗（b.s.f.c.）如图5b所示。除了发动机负荷较小且发动机转速适中或较高的工作区域外，所有的b.s.f.c.值小于240克/千瓦时。结果表明，R425柴油机具有出色的动力性能和良好的燃油经济性。排气质量流量是进气质量流量和燃料消耗率的总和，如图5c所示。可以看出，随着发动机负荷，排气质量流量缓慢增加，但随着发动机转速迅速增加，这是因为发动机负荷的增加主要取决于喷射燃料量的改善，而进气的质量流率对于稳定的发动机转速，空气基本保持恒定。图5d显示了蒸发器入口的排气温度。排气温度随着发动机转速缓慢增加，但随着发动机负荷迅速增加，因为燃烧能量由于高发动机负荷的大量喷射燃料而显着改善。在额定功率点，排气温度为528℃。设计好的蒸发器需要在高温高压条件下运行，体积小，体积小。最重要的条件是它必须从发动机废气中回收足够的废热，使排气温度降低到接近100°C。当燃烧废气在热回收应用中冷却时，温度不得降至酸露点以下。出于这个原因，最好将冷却后的排气温度设定在100℃以上。在获得废气的废热之后，可以使用先前的迭代计算程序来确定状态b的废气温度。因此，可以计算出状态a和状态b的比焓。此外，如果忽略蒸发器中的热损失，则计算蒸发器中的整体传热率;结果如图6a所示。整体传热率随着发动机转速和发动机负荷而增加。这种变化特性与发动机功率的变化特性相似，因为由排气提供的废热能量随着发动机功率而增加。在额定功率点，总传热率达到70.4千瓦。同时，计算状态2和状态5的R245fa的焓。 然后，R245fa的质量流量由公式 （6），如图7a所示。 R245fa的质量流量随发动机转速和发动机负荷而增加。 这种变化趋势与整体传热速率相似，因为R245fa的质量流量与上一个ORC工作参数固定时的总传热率成正比。 在额定功率点，R245fa的质量流量达到0.221 kg / s。

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