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探究柴油机余热回收系统换热器的性能试验

2020-06-20 160 上传者：管理员

摘要：基于朗肯循环的柴油机余热能量的回收再利用是未来应对内燃机节能减排的重要手段之一，而余热回收系统的换热器是柴油机余热能量转换的关键部件。本试验研究以一款达标国五排放的10升柴油机作为试验样机，通过设计不同的柴油机稳态运行工况和设置一定的试验约束条件，对经过初步匹配设计的管壳式换热器的主要性能指标进行了验证。试验结果表明，集成了余热回收控制算法的控制器能较准确地控制工质质量流量，匹配设计的换热器的各项性能也达到了设计要求。

关键词：
余热回收
换热器性能
排放法规
智能控制系统
朗肯循环
柴油机
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随着排放法规的不断升级，发动机余热能量的回收再利用将是未来内燃机节能减排的有效手段之一[1]。换热器作为柴油机余热回收系统中能量转换的关键部件，必须对其各项性能指标进行必要的试验和验证。

孙爱洲等对车用柴油机有机朗肯循环余热回收系统的主要设计参数进行了性能计算研究，研究表明换热器的蒸发压力、出口工质过热度等对余热回收系统的性能有影响[2]。杨富斌等对基于有机朗肯循环的车用柴油机排气余热回收系统性能进行了分析，分析结果表明工质蒸发压力、过热度以及柴油机工况变化对系统的性能会产生影响[3]。孙爱洲、杨富斌等人对余热回收系统的计算和分析研究结果对开展实际的余热回收系统部件换热器的性能试验研究起到了重要的指导作用。

本研究通过设计不同的柴油机稳态运行工况和设置一定的试验约束条件，对匹配设计的换热器进行各项性能指标的台架试验验证。

1、试验样机和试验装置

1.1试验样机

试验样机为一款达标国五排放的柴油机，试验样机的基本参数如表1所示。试验样机在最大扭矩转速范围内的排气温度均在500℃以上，可用的排气余热能量超过了120kW。

表1柴油机技术参数

1.2试验装置

柴油机余热回收系统主要由储液箱、变频泵、换热器、膨胀机、冷凝器、冷却散热装置、余热回收控制器、温度传感器和压力传感器组成。余热回收控制器通过采集安装于换热器前后的多个温度传感器和压力传感器的电信号，在经过一系列控制算法的计算后，获得变频泵的目标转速和对应的驱动频率。变频泵通过抽取储液箱中的工质给换热器提供液态工质，工质通过在换热器中的热交换转变为过热蒸汽，并推动膨胀机对柴油机做功。做功后的乏汽将通过冷凝器进行冷却，乏汽变为液态工质后回到储液箱中。柴油机余热回收系统如图1所示。

图1柴油机余热回收系统

由于换热器是一个热惯性系统，为了确保换热过程的鲁棒性，所以根据经验公式，换热器的安全系数设定为1.25。由此，进行匹配设计的换热器的额定换热功率为150kW。此外，由于换热器是整个柴油机余热回收系统的关键部件，需要具备结构简单、可靠性好、能承受较高的温度和压力等特点，而管壳式换热器具有高效节能，结构坚固，安装方便，适用较大的压力、温度范围，应用条件和应用领域广泛等优点[4]，因此选择了管壳式的换热器。该换热器的主要技术参数如表2所示。

表2换热器技术参数

2、试验方法和试验约束条件

2.1试验方法

为了充分验证换热器的性能，需要控制柴油机运行在稳态工况。此外，由于换热器是一个热惯性系统，为了能更好地预测换热过程，余热回收控制器需要从柴油机ECU接收发动机转速、进气量、喷油量等信息，因此余热回收控制器不仅从安装在换热器上的温度传感器和压力传感器采集信号，而且通过CAN总线接收柴油机ECU发送的CAN报文信息。余热回收控制器对采集的信号进行处理，然后通过一系列控制算法的计算后，获得柴油机当前运行工况下的工质质量流量。通过查表，将工质质量流量转换为驱动变频泵运行的目标频率，从而给换热器供给液态工质。

由于柴油机的运行需要考虑建立润滑压力，因此在柴油机起动后，会在怠速状态下运行一段时间，才进入用于验证换热器性能的稳态工况。柴油机运行工况及试验时间如表3所示。

表3柴油机运行工况及试验时间

2.2试验约束条件

由于变频泵的工作压力可达到2.5MPa，且换热系统的热效率会随着系统压力的升高而增大[5]，但考虑到整个热惯性系统的安全性，因此将换热器出口处的过热蒸汽压力设定为1.0MPa。

因为在1MPa压力下的饱和蒸汽温度为180℃，考虑到饱和蒸汽在膨胀做功时会产生液滴，会对膨胀机部件造成损伤，所以需设置一个过热度，使其变为过热蒸汽。根据实验值，蒸汽的过热度将选定为40K，即余热回收控制器将控制过热蒸汽的温度在220℃的范围内。

进入换热器的排气温度将由柴油机的涡后排气温度决定，而换热器的出口排气温度将根据废气的物理特性及系统热效率设定在200℃。

由此，本研究的试验约束条件如表4所示。

表4试验约束条件

3、性能试验结果及分析

由于柴油机在稳态工况下运行时，喷油量、进气量等参数变化不大，因此换热器对工质质量流量的需求也比较稳定，这为换热器的性能试验研究提供了便利条件。

因为柴油机在怠速低扭矩工况下，换热器废气侧进口排气温度仅有80℃，可利用的排气能量可忽略不计，因此不考虑柴油机在怠速工况下的排气余热回收。此外，在柴油机转速为1200r/min和扭矩为1000N·m的稳态工况下，可用的排气能量也仅有29.1kW。当柴油机运行在怠速工况和稳态工况1时（如表3所示），柴油机的可用排气能量不足以考核换热器的性能，因此本试验将只考虑柴油机在1200r/min和2000N·m稳态工况下，试验约束条件的变化对换热器换热效率的影响。

当柴油机运行在稳态工况2时（如表3所示），可用的总排气能量达到86.4kW。因换热器本身存在对外热损失，故选取对外热损失系数为0.97。此时，换热器的理论换热量为83.8kW。

因为选定的蒸汽压力为1.0MPa，所以对该压力下的多个已知约束条件计算后，得到柴油机稳态工况2下的工质质量基础流量为0.031kg/s。

本试验在1200r/min发动机转速和2000N·m扭矩的条件下，分别验证了两种工质质量基础流量对换热器换热效率的影响，并记录了排气温度、蒸汽压力和过热蒸汽温度等过程数据。

稳态试验1的数据如表5所示。

表5稳态试验1的数据

根据稳态试验1的数据计算得知，工质由液态变为过热蒸汽，从换热器处吸收了85.48kW的热量。因为在相同的蒸汽温度下，蒸汽压力越低，其比热焓越大，且实际测得的换热器出口排气温度也比设定的200℃略低，所以换热器实际吸收的热量比理论值大。此外，由于实际的工质质量流量比理论计算的工质质量流量多0.001kg/s，工质在换热器内未能得到充分的换热，实际的过热蒸汽温度比理论值低20℃，因此蒸发压力的降低和工质质量流量的增加都对系统性能产生影响。

稳态试验2的数据如表6所示。

表6稳态试验2的数据

根据稳态试验2的数据分析得知，工质质量流量比理论的流量偏小，它会使过热蒸汽温度比设定值要高。经计算得知，工质从换热器处吸收的热量为82.59kW，比理论的吸热量要小一些。可能的原因是工质在蒸发过程中存在对外热损耗。此外，提高过热蒸汽温度虽然有助于提高换热器的热效率，但是也会造成膨胀后的过热蒸汽的能量未能被膨胀机充分利用，反而增加冷凝器的热负荷，进而最终影响系统整体的热效率。

4、结束语

对柴油机余热回收系统的关键部件换热器进行了稳态性能试验，并通过对获得的试验数据进行分析得知，集成了余热回收控制算法的控制器能够通过采集换热器上的温度和压力信号及柴油机当前运行工况的相关参数，并经过一系列控制算法计算后较准确地控制工质质量流量。试验的结果表明：匹配设计的换热器的各项性能指标满足设计要求。这为后续整套柴油机余热回收系统及其控制策略的优化与应用奠定了坚实的基础。

参考文献:

[1]吕登科.基于朗肯循环的发动机废气能量回收利用研究[D].天津:天津大学,2009.

[2]孙爱洲,王鹏,李子非,等.车用柴油机有机朗肯循环余热回收系统性能计算研究[J].现代车用动力,2019(3):1-5+53.

[3]杨富斌,董小瑞,王震,等.基于有机朗肯循环的车用柴油机排气余热回收系统性能分析[J].车用发动机,2015(1):33-38.

[4]孟超.重卡尾气余热回收换热器性能的研究[D].北京:北京工业大学,2013.

[5]王涤非.基于朗肯循环废气余热回收技术的研究[D].长春:吉林大学,2010.

黄永鹏.柴油机余热回收系统换热器的性能试验研究[J].南方农机,2020,51(11):41-42.