隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，近三分之一的燃料能源是通過汽車尾氣浪費(fèi)的。有效的廢熱回收過程無疑將提高燃料效率并減少溫室氣體排放。目前，汽車行業(yè)正在研究多種廢熱回收技術(shù)。熱回收系統(tǒng)不僅可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和節(jié)省燃料，而且可以快速和可持續(xù)地減少尾氣排放，這被認(rèn)為是一重要的環(huán)保舉措。

1 利用熱聲轉(zhuǎn)換器技術(shù)回收輕型卡車的廢熱[1]

一種創(chuàng)新的余熱回收方法使用熱聲轉(zhuǎn)換器(TAC)技術(shù)。熱聲學(xué)是與聲波(聲功率)與熱流相互作用有關(guān)的物理領(lǐng)域。與熱機(jī)一樣，TAC在存在溫差的地方產(chǎn)生電能，這種溫差可以通過發(fā)動(dòng)機(jī)排氣(熱側(cè))和冷卻劑(冷側(cè))產(chǎn)生。從本質(zhì)上講，TAC將廢氣余熱轉(zhuǎn)化為電能的過程分為兩個(gè)步驟:

(1)將廢氣余熱轉(zhuǎn)化為聲能(機(jī)械能);

(2)將聲能轉(zhuǎn)化為電能。轉(zhuǎn)換后的電能可以用來卸載交流發(fā)電機(jī)，為輔助負(fù)載和電池充電提供電力。

如果電能過剩，它可以通過連接到前端附件驅(qū)動(dòng)器(FEAD)的電機(jī)返回到傳動(dòng)系統(tǒng)。隨著對(duì)清潔能源需求的增加，TAC可能成為減少燃料消耗和二氧化碳排放的一種有吸引力的替代方案。隨著混合動(dòng)力技術(shù)以及信息娛樂系統(tǒng)、媒體和聯(lián)網(wǎng)車輛的使用的增加，這種技術(shù)將變得更具吸引力。

1.1 熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)原理

熱聲學(xué)是發(fā)動(dòng)機(jī)和冰箱的科學(xué)和工程，它依賴于熱力學(xué)和聲學(xué)的結(jié)合。氣體中的聲波通常被認(rèn)為是壓力和運(yùn)動(dòng)的耦合振蕩，但振蕩溫度也會(huì)發(fā)生。在小通道中，振蕩溫度存在陡峭的側(cè)向梯度，因?yàn)橥ǖ辣诘墓腆w熱容量使氣體的邊界條件為等溫，從而導(dǎo)致較大的振蕩側(cè)向熱流。總之，這些振蕩的熱力學(xué)現(xiàn)象可以被用來創(chuàng)造密封、加壓的熱機(jī)，其效率可以與冰的效率相媲美。此外，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)包括不摩擦或移動(dòng)部件和無外來材料的可能性。

熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)分為駐波或行波兩種方式。在這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)中，功的產(chǎn)生都發(fā)生在多孔介質(zhì)中，在多孔介質(zhì)中，氣體在氣孔內(nèi)溫度梯度的振蕩運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了氣體進(jìn)出的熱流振蕩，進(jìn)而導(dǎo)致了振蕩熱膨脹和收縮。如果在壓力高時(shí)發(fā)生熱膨脹，在壓力低時(shí)發(fā)生熱收縮，那么在振蕩的每個(gè)周期內(nèi)，氣體對(duì)周圍的波做功。然后，聲波攜帶聲波能量到其他地方，在那里它可以強(qiáng)迫活塞振動(dòng)，產(chǎn)生電力，或用于其他有益的用途。這就是熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的原理。

1.1.2 行波發(fā)動(dòng)機(jī)

行波發(fā)動(dòng)機(jī)的熱動(dòng)力核心，即熱模塊，由一系列冷換熱器、回?zé)崞?、熱換熱器和熱緩沖管組成，如圖1所示。該熱模塊在熱交換器上接收穩(wěn)定的熱量，在冷交換器上接收聲功率，產(chǎn)生從熱緩沖管流出的大聲功率和在冷交換器上的余熱。


圖1 熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理[1]

Etalim設(shè)計(jì)并建造了一個(gè)1 kW的熱聲轉(zhuǎn)換器，由兩個(gè)部件組成，一個(gè)熱模塊和一個(gè)發(fā)電機(jī)模塊通過聲學(xué)管道連接在一起。熱模塊包括冷熱換熱器之間的蓄熱器，與熱交換器相鄰的熱緩沖管，作為從冷側(cè)流向熱側(cè)的聲功率放大器。發(fā)電機(jī)模塊由一對(duì)背對(duì)背線性交流發(fā)電機(jī)組成，它們連接到彎曲處，形成了一對(duì)很大的平面壓縮室和一個(gè)共享膨脹室之間的隔墻。發(fā)電機(jī)模塊將振蕩的直線運(yùn)動(dòng)直接轉(zhuǎn)化為電能，而不首先將往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。發(fā)電機(jī)模塊不包含滑動(dòng)部件或密封件，因此不需要任何潤滑，也不存在任何磨損。在TAC內(nèi)部密封的加壓氦氣(工作流體)中產(chǎn)生高強(qiáng)度聲波。這種聲功率從壓縮室通過調(diào)諧的聲管傳輸?shù)綗崮K的冷端，在冷端通過熱端被放大。然后，這種放大的功率通過第二個(gè)調(diào)諧聲學(xué)管道返回到發(fā)電機(jī)模塊的共享膨脹室，在移動(dòng)彎曲的另一邊。通過附加的一對(duì)電磁線性交流發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，將額外的功率轉(zhuǎn)化為電能。為了在極有限的彎曲行程下達(dá)到合理的輸出功率密度，并與無限疲勞壽命兼容，TAC工作在一個(gè)相對(duì)較高的壓力和頻率。這種高頻還有一個(gè)額外的優(yōu)點(diǎn)，即連接熱模塊和發(fā)電機(jī)模塊的調(diào)諧聲學(xué)管道相對(duì)較短，允許緊湊的安排。必須選擇管道的長度以匹配其工作頻率，并在兩個(gè)模塊上提供正確的聲功率相位。聲波管道熱交換器模塊如圖2所示。


圖2 聲波管道熱交換器模塊[1]

2 新型蘭金循環(huán)在混合動(dòng)力汽車的應(yīng)用[2]

2.1 新型的有機(jī)蘭金循環(huán)

理想循環(huán)的原理圖如圖3所示，對(duì)于經(jīng)典的汽車蘭金循環(huán)應(yīng)用，排氣系統(tǒng)中的熱交換器(由預(yù)熱器、蒸發(fā)器和必要的過熱器組成)將沸點(diǎn)較低的工作流體轉(zhuǎn)化為恒壓蒸汽，通過流體泵產(chǎn)生。加壓的蒸汽被用來驅(qū)動(dòng)膨脹裝置。與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸或發(fā)電機(jī)相連的渦輪或往復(fù)式機(jī)械。在一個(gè)封閉循環(huán)中，蒸汽必須在另一個(gè)熱交換器(冷凝器)中重新冷凝，然后過程才能重新開始。因此，這個(gè)過程需要一個(gè)較低的散熱器。在汽車應(yīng)用中，最合理實(shí)用的解決方案是使用汽車/發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻環(huán)路。但是，必須確?，F(xiàn)有的冷卻環(huán)路能夠容納冷凝循環(huán)相產(chǎn)生的額外熱流。根據(jù)車輛運(yùn)行周期的不同，冷凝器需要從發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻回路獲得額外的冷卻能力來壓縮工作流體。因此，冷卻風(fēng)扇、冷卻液泵或更大的散熱器容量的額外功率可能導(dǎo)致更高的空氣阻力而且須考慮到燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。


圖3 理想有機(jī)蘭金循環(huán)圖[2]

2.2 新型的有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)工作原理

新型的有機(jī)金蘭循環(huán)系統(tǒng)如圖4所示，它有一個(gè)蓄水池，一個(gè)蒸汽蓄水池(a)，它是一種在壓力下含有熱工作液(液體)和蒸汽(蒸汽)的絕緣鋼壓力容器。容器充滿了來自于換熱器(b)的(超)加熱工質(zhì)，該換熱器位于封閉耦合三元催化劑下游的排氣管中。在循環(huán)中泵入工質(zhì)(c)時(shí)，廢氣中的熱量通過換熱器(b)傳遞給工質(zhì)，最后將工質(zhì)反饋給蒸汽蓄能器，根據(jù)熱力學(xué)平衡，其內(nèi)能上升。因此，蒸汽蓄能器系統(tǒng)的溫度和壓力都增加了。換熱器(b)不一定要具備鍋爐各自過熱器的功能。膨脹裝置(d)的工作原理類似于傳統(tǒng)的蒸汽膨脹器，使用蓄能器內(nèi)液相邊界以上的高壓蒸汽。當(dāng)蒸汽被送入膨脹裝置時(shí)，油箱內(nèi)的壓力下降，液體工質(zhì)蒸發(fā)。因此，在這種熱力學(xué)狀態(tài)下，液相根據(jù)平衡而產(chǎn)生蒸汽。膨脹機(jī)以這種方式工作，直到壓力降至最低可用水平或工作液用完為止。在那之后，Ruths儲(chǔ)罐必須重新充滿。通過第二泵(g)從含有來自冷凝器(e)中的液化工質(zhì)冷凝罐(f)完成接收再次充滿工作，將冷凝器(e)集成到發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻環(huán)路和內(nèi)燃機(jī)的熱管理戰(zhàn)略中。在工作流體到達(dá)儲(chǔ)罐之前，它流過第二個(gè)熱交換器，即預(yù)熱器(h)。這個(gè)預(yù)熱過程可以進(jìn)一步冷卻廢氣，并更好地利用熱源。系統(tǒng)中的兩個(gè)泵都是電動(dòng)的。蘭金循環(huán)系統(tǒng)的膨脹器驅(qū)動(dòng)一個(gè)發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，再將電能輸入車輛上的電力系統(tǒng)。從內(nèi)燃機(jī)中間斷可用的廢氣余熱以顯熱的形式儲(chǔ)存在所述蒸汽蓄能器的加壓工質(zhì)中。這樣，蒸汽產(chǎn)生過程就與瞬態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作條件暫時(shí)解耦，使膨脹機(jī)能夠在最優(yōu)效率附近工作。此外，膨脹器的能量需求也與來自熱發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)廢氣熱流分離開來。

圖4 新型的有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)工作原理[2]

2.3 配備蘭金系統(tǒng)的輕度混合動(dòng)力車輛

新的蘭金廢熱回收循環(huán)使用的是來自內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣熱量，并且需要一個(gè)電氣化的動(dòng)力系統(tǒng)，有助于有效地從汽車需求中分離回收的膨脹能量。蘭金廢熱回收循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過使用蒸汽儲(chǔ)能器以便實(shí)現(xiàn)整個(gè)冷啟動(dòng)形式循環(huán)期間燃油經(jīng)濟(jì)效益。圖5顯示了與蘭金循環(huán)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)配置示意圖。蘭金系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力牽引元件的額外支持。該系統(tǒng)能夠在較低的車速下回收部分制動(dòng)能量、啟-停、發(fā)動(dòng)機(jī)增壓和電力驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)中的泵是電動(dòng)的，膨脹器驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)支持電機(jī)或?yàn)闋恳姵亟M充電。由于能量轉(zhuǎn)換鏈的損耗，蘭金機(jī)組的主要功能是支持電機(jī)。所設(shè)計(jì)的蒸汽蓄能器還能較長時(shí)間儲(chǔ)存部分余熱。因此，只有當(dāng)蒸汽蓄能器滿載而電磁閥未使用時(shí)，電池才能通過蘭金系統(tǒng)充電。提出的蘭金循環(huán)系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，在發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)過程中，通過冷凝器將蒸汽蓄能器中的熱量釋放到發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻回路中。車輛的凈重重量已經(jīng)改變，以便說明電驅(qū)動(dòng)和蘭金系統(tǒng)額外的質(zhì)量。


圖5 配備了新的蘭金廢熱回收系統(tǒng)的廢熱輕混動(dòng)力系統(tǒng)的示意圖[2]

3 利用熱電原理對(duì)內(nèi)燃機(jī)廢氣熱回收[3]

3.1 內(nèi)燃機(jī)廢氣余熱

汽車動(dòng)力單元長期以來一直是研究的焦點(diǎn)。在我們考慮開發(fā)內(nèi)燃機(jī)的各種動(dòng)力組件中，有大量的機(jī)會(huì)能夠充分利用與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的所有能量流。在這方面，內(nèi)燃機(jī)廢氣余熱利用和環(huán)境污染已成為近期研究的焦點(diǎn)。大約35%的汽車輸入燃料能量轉(zhuǎn)換為有用的曲軸功，并且約30%的能量與廢氣一起排出。這留下了大約三分之一（35%）的總能量，這些能量必須從封閉的氣缸通過氣缸壁和缸蓋傳遞到周圍。發(fā)動(dòng)機(jī)廢能量導(dǎo)致熵升高和嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此，希望盡可能地利用廢熱。廢熱的回收和利用不僅可以節(jié)省燃料，還可以減少廢棄的熱量和排放到環(huán)境中的溫室氣體。本研究的目的是建議使用熱電發(fā)電機(jī)的廢熱回收方法，該方法可用于為汽車系統(tǒng)的各種低能耗附件供電。熱電發(fā)電機(jī)能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，并且可以有效地利用35%的廢氣流能量。文中圖6是IC發(fā)動(dòng)機(jī)能量平衡的典型示意圖。

3.2 熱電發(fā)電機(jī)的原理

當(dāng)由兩種不同材料導(dǎo)線制成的電路在任一接點(diǎn)受熱時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電位差。電位差或產(chǎn)生的電動(dòng)勢大小和兩個(gè)接點(diǎn)之間的溫差成正比。熱電發(fā)電機(jī)就是借助這一個(gè)原理進(jìn)行發(fā)電的裝置，當(dāng)電流在沿著溫度梯度下流過導(dǎo)線時(shí)，可以看到，有時(shí)熱量被釋放，有時(shí)在導(dǎo)線中被吸收。熱量大小取決于電流流向和導(dǎo)線材料。當(dāng)電流流過兩根不同導(dǎo)線之間的接點(diǎn)時(shí)，為了保持導(dǎo)線的溫度恒定，在接點(diǎn)處要么應(yīng)連續(xù)提供或拒絕熱量。當(dāng)電流方向改變時(shí)，應(yīng)與電流成正比，標(biāo)記相應(yīng)的改變。熱電冷卻器是一種通過電流流過冷卻空間，它的工作原理如文中圖7所示。


圖7 IC發(fā)動(dòng)機(jī)能量平衡的典型示意圖[3]


圖7 熱電發(fā)電機(jī)的原理[3]

3.3 目前熱電材料及先進(jìn)方法

文中圖8是熱電材料的品質(zhì)因數(shù)和當(dāng)前熱電材料關(guān)于年份的關(guān)系曲線。曲線共有三部份。左側(cè)為90年代前熱電材料的品質(zhì)因數(shù)＜1.0的常規(guī)熱電系統(tǒng)、Bi2Te3、PbTe和SiGe。中間部分通過納米結(jié)構(gòu)(Ag-PbmSbTem+2、納米bi2te3、納米+非晶比 2Te3、納米SiGe、納米結(jié)構(gòu)PbS)和電子結(jié)構(gòu)工程(摻雜PbTe、PbTe1-xSex)、調(diào)制摻雜(SiGe)等手段將熱電材料的品質(zhì)因數(shù)增強(qiáng)到1.7左右。右邊部分顯示了高性能實(shí)現(xiàn)層次PbTe和最近研發(fā)的熱電材料，具有低成本、地球上充足，和較低的導(dǎo)熱系數(shù)，包括硒化鉛，BiCuSeO，Cu2Se系統(tǒng)，Half-Heusler和SnSe一些材料顯示ZTs＞2.0。

3.4 熱電回收的先進(jìn)方法

1、修改熱電的帶結(jié)構(gòu)

2、納米結(jié)構(gòu)和所有尺度分層結(jié)構(gòu)降低晶格導(dǎo)熱系數(shù)

3、量子限制效應(yīng)和電子能壘濾波增強(qiáng)塞貝克系數(shù)


圖8 熱電材料的品質(zhì)因數(shù)和當(dāng)前熱電材料關(guān)于年份的關(guān)系曲線[3]

其中大多數(shù)方法的目標(biāo)是保持高功率因數(shù)或減少晶格導(dǎo)熱系數(shù)?；蛘?，我們可以在本質(zhì)上導(dǎo)熱系數(shù)低的熱電材料中尋求高性能，這可能來自于大分子量的、復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)、諧波;各向異性鍵合;弱化學(xué)鍵合;或者類似離子液體的運(yùn)輸行為。

4 基于有機(jī)蘭金循環(huán)的傳統(tǒng)柴油機(jī)余熱回收[4]

4.1 柴油機(jī)余熱源

在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的各種熱源中，排放廢氣顯示出很高的熱回收潛力。取決于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載的發(fā)動(dòng)機(jī)排放廢氣的質(zhì)量流量和溫度在余熱回收能力中所起到關(guān)鍵作用。如果廢氣溫度低于露點(diǎn)，蒸汽和SOX、NOX進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，在約為90-120°C形成氮氧化物和硫酸，從而腐蝕鋼/金屬設(shè)備。另外，由于WH回收設(shè)備安裝不合理，使得EG質(zhì)量流量小(導(dǎo)致EG壓力小)成為排氣管中產(chǎn)生阻力現(xiàn)象的主要原因。因此，廢熱回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化點(diǎn)是預(yù)設(shè)在發(fā)動(dòng)機(jī)大部分工作時(shí)間。通常情況下，從燃料-空氣混合燃燒釋放的能量中約有40-45%轉(zhuǎn)化為推進(jìn)有用功率(這相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)效率的0.4-0.45)。其余的能量由于冷卻、缸-活塞傳熱、潤滑油、摩擦和廢氣而損失。用于回收的主要廢熱源可以分為兩類，即高溫(HT)源和低溫(LT)源。柴油機(jī)余熱源的溫度如表1所示。

表一：柴油機(jī)余熱源溫度[4]


4.1.2 蘭金循環(huán)

有機(jī)蘭金循環(huán)(ORC)是基于蘭金循環(huán)(Rankine Cycle，ORC)來啟動(dòng)和工作的，該循環(huán)用于回收熱能系統(tǒng)/設(shè)備/發(fā)動(dòng)機(jī)，如內(nèi)燃機(jī)(ICE)(主要是柴油發(fā)動(dòng)機(jī))，地?zé)岷吞柲芟到y(tǒng)，以及工業(yè)工廠。有機(jī)蘭金循環(huán)的工作液種類繁多，沸點(diǎn)低，分子量高，比典型性質(zhì)的水蒸汽具有更多的分子量，使得廢熱源在從低到高的不同溫度下的工作能力不同。發(fā)動(dòng)機(jī)-有機(jī)蘭金循環(huán)(ORC)系統(tǒng)的主要部件包括蒸發(fā)器、泵、儲(chǔ)罐、膨脹器、冷凝器等，如圖9所示。能量管理見圖10。


圖9 基于有機(jī)金蘭循環(huán)原理的柴油機(jī)余熱回收系統(tǒng)[4]


圖10 能量管理系統(tǒng)[4]

4.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)工作液的選擇-有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)

由于廢熱回收的可能性，工作液體在有機(jī)金蘭循環(huán)中起到重要的作用，物理化學(xué)和熱性能，如蒸發(fā)和冷凝、可燃性、可用性、冷凍溫度(車輛在寒冷條件下的興趣)、毒性、化學(xué)不穩(wěn)定性、腐蝕、傳熱系數(shù)、流動(dòng)性、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)方面，如全球變暖(GWP)、臭氧損耗潛力(OPD)和成本。此外，在設(shè)計(jì)基于發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱源的有機(jī)金蘭循環(huán)系統(tǒng)時(shí)，還需要提到熱源的溫度和壓力、部件尺寸以及安裝的可行性。有機(jī)金蘭循環(huán)系統(tǒng)中使用的工作液體一般可分為:

第一種是純工作液體

純工作液體:純工作液體包括氫氟碳化物(HFCs)、氫氯氟烴(HCFCs)、全氟碳化物(PFCs)、碳?xì)浠衔?HCs)、硅氧烷、氫氟碳化物(HFOs)、氯氟碳化物(CFCs)和氫氟醚(HFEs)。

第二種工作液體為混合工作液體

各組分工作液體在不同沸點(diǎn)下的混合物被認(rèn)為是具有不同沸點(diǎn)的混合物。由苯、乙醇、甲苯和異丁烷組成的共融混合物。在相同的溫度下，單個(gè)物質(zhì)不會(huì)蒸發(fā)或凝結(jié)。

由于熱源的熱力學(xué)參數(shù)是可變的，有機(jī)金蘭循環(huán)系統(tǒng)的性能特性在很大程度上取決于工作液體的選擇。有機(jī)金蘭循環(huán)系統(tǒng)的工作液體可以按照T-s圖中考慮的飽和蒸汽曲線的傾斜程度進(jìn)行分類如圖11所示。


圖11 不同工質(zhì)的T-S圖[4]

5 CO2以及烴混合物作為發(fā)動(dòng)機(jī)余熱回收模型[5]

5.1 基于發(fā)動(dòng)機(jī)余熱回收的蘭金循環(huán)系統(tǒng)描述

具有蓄熱器的超臨界的有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)的示意圖如圖12所示。首先，工作流體通過泵（1-2）泵入跨臨界壓力。然后通過再生器（2-3）和氣體加熱器（3-4）將流體加熱至高溫。接下來，熱氣體旋轉(zhuǎn)渦輪機(jī)（4-5），渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)并產(chǎn)生電力。膨脹后，常壓氣體進(jìn)入再生器，為工作流體提供熱量（5-6）。最后，工作流體進(jìn)入冷凝器，在那里通過冷卻水（6-1）冷卻成飽和液體。因此完成了配有再生器的跨臨界朗肯循環(huán)。相應(yīng)的T-s圖是如圖1所示。


圖12 超臨界余熱回收循環(huán)系統(tǒng)[5]

5.2 余熱回收循環(huán)系統(tǒng)類型轉(zhuǎn)換

根據(jù)蓄熱器(T6)中熱流體出口溫度與冷凝露點(diǎn)溫度(T7)的差異，將超臨界蘭金循環(huán)類型分為c1循環(huán)和c2循環(huán)兩種。如果T6＞T7，屬于c1循環(huán)，如圖13(a)所示。如果T6＜T7，屬于c2循環(huán)，如圖13(b)所示。在c1循環(huán)中，流體以過熱蒸汽的狀態(tài)6進(jìn)入冷凝器，冷凝過程只發(fā)生在冷凝器中。在c2循環(huán)中，流體以兩相流體的形式在狀態(tài)6時(shí)進(jìn)入冷凝器，這意味著工作流體在進(jìn)入冷凝器之前，在蓄熱器處開始冷凝。從圖13(b)的T-s圖中可以看出，對(duì)于c2循環(huán)，蓄熱器可以回收部分冷凝熱加熱工作液，使熱源得到有效利用。與c1循環(huán)相比，這是c2的主要優(yōu)勢。。T7主要取決于混合物的臨界溫度，臨界溫度越高，T7越高。T6由渦輪入口溫度(T4)決定，當(dāng)渦輪效率固定時(shí)，T4的增加導(dǎo)致T6的增加。超臨界蘭金循環(huán)類型取決于渦輪入口溫度和混合物的熱性能。


圖13 以各向異性混合物為參數(shù)的T-s圖工作流體

不同的循環(huán)類型也會(huì)導(dǎo)致蓄熱器中不同的夾點(diǎn)（飽和蒸氣與冷卻劑最小溫差點(diǎn)）位置。c1周期，夾點(diǎn)位于之間的回?zé)崞鞯臒崃黧w出口和冷流體入口(6點(diǎn))。由于相變蓄熱器的c2周期，夾點(diǎn)位于冷凝的位置(7點(diǎn))開始。冷凝器，自從混合物沿冷凝器的溫度滑移是非線性如圖13所示，夾點(diǎn)位置位于中間冷凝器，不管它是什么樣的循環(huán)。無論如何，在冷凝過程中，各向異性混合物的溫度滑移會(huì)使溫度與散熱器有更好的匹配。

6 柴油發(fā)電機(jī)組余熱回收系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究[6]

6.1 實(shí)驗(yàn)布置

本研究采用的是一種附在發(fā)電機(jī)上的四缸四沖程柴油機(jī)(日野W04D型)。實(shí)驗(yàn)布置如圖1所示。精度±2%的流跡空氣流量計(jì)安裝在空氣進(jìn)氣歧管上游來計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)空氣消耗。為測量的燃料，采用秒表和精度±1 g的秤。采用精度±1°C的K型熱電偶收集各個(gè)點(diǎn)的溫度。利用波登管式壓力表測量了換熱器內(nèi)部流體的壓力。壓力表的準(zhǔn)確度±5 kPa。記錄了熱交換器各點(diǎn)的水/蒸汽質(zhì)量流量、水/蒸汽進(jìn)出口溫度和壓力。完成了非確定性實(shí)驗(yàn)分析見表2。

6.2 基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

最初，在沒有安裝熱交換器的情況下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了一些基線測試。發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)如制動(dòng)比油耗和各發(fā)動(dòng)機(jī)功率熱效率等，如圖15所示，是其它相關(guān)研究工作的典型示例。在額定功率26.6 kW時(shí)，bsfc最小值為250.4 g/kWh，效率最高值為31.3%。發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣的熱量將被用來回收熱量，因此，對(duì)任何熱回收系統(tǒng)來說，較高的廢氣溫度是理想的。圖3表示不同發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載下排氣溫度。從圖中可以看出溫度與功率呈近似指數(shù)關(guān)系。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率的增加，燃料燃燒量增加，產(chǎn)生較高的廢氣溫度。Ramadhas等人在他們的研究中報(bào)告了類似的趨勢。當(dāng)額定功率26.6千瓦時(shí)，燃料質(zhì)量流率為6.48公斤/小時(shí)，此時(shí)產(chǎn)生479°C的廢氣溫度。額定功率適合發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行。因此，選擇這個(gè)工作點(diǎn)進(jìn)行分析。


圖14 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖[6]

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不確定度分析[6]



圖15 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能曲線

6.3 用制造的熱交換器做實(shí)驗(yàn)

在這項(xiàng)研究中，制造所需要的熱交換器，連接到發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)并進(jìn)行測試。發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生過熱蒸汽時(shí)間在312-5小時(shí)左右。在發(fā)動(dòng)機(jī)的任何功率下，工作液的壓力越高，附加功率就越高。然而，較高的壓力會(huì)導(dǎo)致水的沸點(diǎn)升高，這受到可用廢氣溫度的限制，也需要更多的時(shí)間使水達(dá)到這個(gè)溫度。因此，在較高的功率下，由于工作壓力的增加，沸騰溫度較高，達(dá)到所需的過熱溫度所需的時(shí)間較長。在此期間，在進(jìn)入渦輪前工作流體旁通而過。