基于朗肯循环工质的热力学研究
基于朗肯循环工质的热力学研究[20200408221225]
摘 要
有机朗肯循环是回收余热的有效技术之一，而其选用的有机工质是影响其回收效率的关键因素之一。在简要介绍有机朗肯循环的组成以及理想有机工质的特征后，通过分析对比多种工质，选出了比较合适的工质R245ca和R245fa。
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关键字:有机朗肯循环有机工质
目 录
1绪论 1
1.1国内外发展状态 1
1.2主要研究内容 3
2发动机理论循环和实际循环 4
2.1发动机理论循环 4
2.2发动机实际循环 6
3发动机热平衡 10
4汽车余热利用技术现状分析 12
4.1余热制冷技术 12
4.2余热发电技术 13
4.3余热采暖 13
4.4改良燃料 13
5朗肯循环 14
5.1朗肯循环工质 15
5.2朗肯循环热效率 17
5.3有机工质的对比 20
6发动机余热能量回收技术的新技术 23
6.1余热制氢技术 23
6.2余热贮存技术 24
6.2展望 25
7．结语 26
参考文献 27
致谢
1.绪论
1.1国内外发展状态
近年来，随着科学技术的不断发展，世界经济也在快速发展，同时也导致了能源需求的加大，能源的供需矛盾日益突出，致使环境污染严重。人们的日常生活需求也不断提高，由此带来了大量的汽车消费，然而汽车主要消耗的是石油，而石油的储备是有限的，我国的石油储量更是缺乏，需要大量的进口石油。对于汽车能源消耗而言，发动机燃料燃烧所产生的能量，仅有30℃-40℃的热量转变为有效功，其余60℃-70℃都被耗损掉了，造成了能源的极大浪费。所以，为了节约能源，需要不断的开发新技术。如何提高热能的利用率或利用废气的能量，一直是汽车行业追求的目标。
目前汽车发动机余热利用的技术，在热源方面来看：有发动机冷却水余热利用和排气余热利用两种方式，在用途方面，有废气涡轮增压、制冷空调、发电、采暖、改良燃料等方式[18]。
发动机废气能量回收利用的研究从1973年的能源危机开始。在那个时候由美国能源部、美国热电集团以及美国麦克卡车共同出资，在1974年时，朗肯循环发动机排气能量研究正式成立，主要研究如何提高重型卡车的运输效率，该研究项目使用一种叫fluorinol-50的制冷剂，由涡轮排气进行能量回收，通过40多天的的实验室高速路测试，对比试验的燃油经济性，结果显示，大约还有13％可以增加整体效率发动机，但是，由于该控制系统是相对复杂的，并且考虑到发动机的问题，冷凝器和热交换器结构的体积，能量回收发动机排气气体的研究一度停止[2] 。
这几年，由于石油资源的短缺和二氧化碳的大量排放使得温室效应的加剧，导致汽车发动机尤其是商用车辆发动机的废热回收利用的研究又摆在了一个重要的位置[2]。
吉林大学在详细讨论各种能量回收方式的优缺点后，创造性的提出了气动式废气能量综合回收系统方案。该方案中采用总效率很高的涡轮式膨胀机作为能量回收装置。所回收的能量用于产生高压空气，并利用单一的高压空气作为能量传递和转换的工质。高压空气最后通过气动马达产生低速、大转矩机械能，方便柴油机使用。该系统采用了动力涡轮、朗肯循环两种机构充分回收废气的不同品质能量。初步研究结果表明，该系统具有降低8-10%燃油消耗量的潜力。
国外发动机余热利用发展趋势为由单纯的废热取暖向复合增压，朗肯循环废热发电、做功方向发展，目前国外复合增压技术已经成熟，朗肯循环废热回收利用成为热门研究方向。
国外发动机生产厂商或研究机构，如康明斯、底特律、奔驰、宝马、依维柯、本田、美国西南研究院、GE、AVL等公司都开展了发动机余热能量回收技术研究，成效显著。其中康明斯用发动机余热发电使整机驾驶循环热效率提高10%，宝马公司的“Turbo Stream”机构使发动机燃油效率、输出功率、扭矩分别提高了15%、10kW和20N.m，热效率可提高15%，本田公司使用热电式将回收的能量用于混合动力，使发动机效率由28.9%提高到32.7%。
而国内发动机余热利用主要以车用暖风系统为主，很多大客车都装有发动机废气加热水暖系统。该技术可利用一部分废气热量，但非常有限。目前无锡凯龙，广东沃富新能源科技有限公司等都批量生产尾气加热暖风系统，而国内采用复合增压的企业暂时没有。
为了响应国家节约能源的号召，而回收中低温余热是一种节约能源的有效手段，并且有机朗肯循环是利用中低温工业余热的技术。工业余热按照温度划分有3种：温度高于450℃的为高温，230℃到450℃之间的为中温，小于230℃的为低温。中高温余热由于温度和品味高，所以能够较好的得到利用，在实际生产生活中已经得到广泛的使用，而低温余热由于温度低，利用技术复杂且效率低下，在国内经常被直接抛弃，但是低温余热在工业余热中占着很大比例，所以产生了很大的浪费。因此能有效的利用工业低温余热的有机朗肯循环技术成了研究人员的关注点，对于低温余热能源，与以水为工质的朗肯循环相比，有机工质的朗肯循环效率更高，其结构相对简单而更具优势。美国的机械技术公司曾经对化工厂工艺装置的余热能源进行利用，设计了以R113为工质的有机朗肯循环。日本的三井造船公司在1981年在日新钢建造了余热电厂，该厂通过340℃的炉窑废烟气进行发电。我国对有机朗肯循环系统的研究起步比较晚，曾经买过国外的有关有机朗肯循环的技术和应用，但总体说来，国内对有机朗肯循环的研究比较少，仍然处于小型研究的阶段。
国内外对于有机物质的研究，大部分是对低温热源的研究，而对于中低温热源的研究则比较少吗。有机朗肯循环系统通常以烷烃、卤代烃等为有机工质，它们可以回收并利用工业余热、太阳能热、地热等各种低品味热源进行发电，它们具有利用效率高、结构简易、污染少等优点。
总之,国外发动机余热利用发展趋势为由单纯的废热取暖向复合增压，朗肯循环废热发电、做功方向发展，目前国外复合增压技术已经成熟，朗肯循环废热回收利用成为热门研究方向。
1.2主要研究内容
在这项研究中，使用水，氨气，丁烷，异丁烷，异戊烷，R245ca，，8123，r125a进行热力学分析通过对在朗肯循环中该类工质的热力学特性的分析和研究；确定并阐述各类工质的热力学特性，指明其优点或不足；初步分析并确定改进的方向，为采用朗肯循环发动机余热能量回收技术的应用奠定初步基础。
本课题拟研究的主要内容为:
1）对发动机的理论循环和实际循环进行分析和阐述；
2）对发动机热平衡进行较为全面的分析；
3）对国内外发动机余热能量回收技术的发展过程进行论述；
4）对朗肯循环进行论述和分析；
5) 对朗肯循环工质的热力学性质进行对比，分析研究；
6) 阐明其优点及不足，确定改进的方向或提出进一步的改进措施及建议等；
7) 对朗肯循环工质研究方向进行评述；
8) 提出发动机余热能量回收技术的新思想或新技术等。
2.发动机循环
2.1发动机理论循环
发动机的理论循环要比实际循环简易，但是要想研究发动机的理论循环，首先必须做出5个限制条件：
1)工质是理想气体，其物理常数与标准状态下的空气物理常数相同，整个循环中的物理性质及化学性质不变，工质比热容为常数[6]。
2)假设工质在工作时，是在做封闭循环[6]。
3)假设工质的压缩及膨胀是绝热等熵过程[6]。
摘 要
有机朗肯循环是回收余热的有效技术之一，而其选用的有机工质是影响其回收效率的关键因素之一。在简要介绍有机朗肯循环的组成以及理想有机工质的特征后，通过分析对比多种工质，选出了比较合适的工质R245ca和R245fa。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:有机朗肯循环有机工质
目 录
1绪论 1
1.1国内外发展状态 1
1.2主要研究内容 3
2发动机理论循环和实际循环 4
2.1发动机理论循环 4
2.2发动机实际循环 6
3发动机热平衡 10
4汽车余热利用技术现状分析 12
4.1余热制冷技术 12
4.2余热发电技术 13
4.3余热采暖 13
4.4改良燃料 13
5朗肯循环 14
5.1朗肯循环工质 15
5.2朗肯循环热效率 17
5.3有机工质的对比 20
6发动机余热能量回收技术的新技术 23
6.1余热制氢技术 23
6.2余热贮存技术 24
6.2展望 25
7．结语 26
参考文献 27
致谢
1.绪论
1.1国内外发展状态
近年来，随着科学技术的不断发展，世界经济也在快速发展，同时也导致了能源需求的加大，能源的供需矛盾日益突出，致使环境污染严重。人们的日常生活需求也不断提高，由此带来了大量的汽车消费，然而汽车主要消耗的是石油，而石油的储备是有限的，我国的石油储量更是缺乏，需要大量的进口石油。对于汽车能源消耗而言，发动机燃料燃烧所产生的能量，仅有30℃-40℃的热量转变为有效功，其余60℃-70℃都被耗损掉了，造成了能源的极大浪费。所以，为了节约能源，需要不断的开发新技术。如何提高热能的利用率或利用废气的能量，一直是汽车行业追求的目标。
目前汽车发动机余热利用的技术，在热源方面来看：有发动机冷却水余热利用和排气余热利用两种方式，在用途方面，有废气涡轮增压、制冷空调、发电、采暖、改良燃料等方式[18]。
发动机废气能量回收利用的研究从1973年的能源危机开始。在那个时候由美国能源部、美国热电集团以及美国麦克卡车共同出资，在1974年时，朗肯循环发动机排气能量研究正式成立，主要研究如何提高重型卡车的运输效率，该研究项目使用一种叫fluorinol-50的制冷剂，由涡轮排气进行能量回收，通过40多天的的实验室高速路测试，对比试验的燃油经济性，结果显示，大约还有13％可以增加整体效率发动机，但是，由于该控制系统是相对复杂的，并且考虑到发动机的问题，冷凝器和热交换器结构的体积，能量回收发动机排气气体的研究一度停止[2] 。
这几年，由于石油资源的短缺和二氧化碳的大量排放使得温室效应的加剧，导致汽车发动机尤其是商用车辆发动机的废热回收利用的研究又摆在了一个重要的位置[2]。
吉林大学在详细讨论各种能量回收方式的优缺点后，创造性的提出了气动式废气能量综合回收系统方案。该方案中采用总效率很高的涡轮式膨胀机作为能量回收装置。所回收的能量用于产生高压空气，并利用单一的高压空气作为能量传递和转换的工质。高压空气最后通过气动马达产生低速、大转矩机械能，方便柴油机使用。该系统采用了动力涡轮、朗肯循环两种机构充分回收废气的不同品质能量。初步研究结果表明，该系统具有降低8-10%燃油消耗量的潜力。
国外发动机余热利用发展趋势为由单纯的废热取暖向复合增压，朗肯循环废热发电、做功方向发展，目前国外复合增压技术已经成熟，朗肯循环废热回收利用成为热门研究方向。
国外发动机生产厂商或研究机构，如康明斯、底特律、奔驰、宝马、依维柯、本田、美国西南研究院、GE、AVL等公司都开展了发动机余热能量回收技术研究，成效显著。其中康明斯用发动机余热发电使整机驾驶循环热效率提高10%，宝马公司的“Turbo Stream”机构使发动机燃油效率、输出功率、扭矩分别提高了15%、10kW和20N.m，热效率可提高15%，本田公司使用热电式将回收的能量用于混合动力，使发动机效率由28.9%提高到32.7%。
而国内发动机余热利用主要以车用暖风系统为主，很多大客车都装有发动机废气加热水暖系统。该技术可利用一部分废气热量，但非常有限。目前无锡凯龙，广东沃富新能源科技有限公司等都批量生产尾气加热暖风系统，而国内采用复合增压的企业暂时没有。
为了响应国家节约能源的号召，而回收中低温余热是一种节约能源的有效手段，并且有机朗肯循环是利用中低温工业余热的技术。工业余热按照温度划分有3种：温度高于450℃的为高温，230℃到450℃之间的为中温，小于230℃的为低温。中高温余热由于温度和品味高，所以能够较好的得到利用，在实际生产生活中已经得到广泛的使用，而低温余热由于温度低，利用技术复杂且效率低下，在国内经常被直接抛弃，但是低温余热在工业余热中占着很大比例，所以产生了很大的浪费。因此能有效的利用工业低温余热的有机朗肯循环技术成了研究人员的关注点，对于低温余热能源，与以水为工质的朗肯循环相比，有机工质的朗肯循环效率更高，其结构相对简单而更具优势。美国的机械技术公司曾经对化工厂工艺装置的余热能源进行利用，设计了以R113为工质的有机朗肯循环。日本的三井造船公司在1981年在日新钢建造了余热电厂，该厂通过340℃的炉窑废烟气进行发电。我国对有机朗肯循环系统的研究起步比较晚，曾经买过国外的有关有机朗肯循环的技术和应用，但总体说来，国内对有机朗肯循环的研究比较少，仍然处于小型研究的阶段。
国内外对于有机物质的研究，大部分是对低温热源的研究，而对于中低温热源的研究则比较少吗。有机朗肯循环系统通常以烷烃、卤代烃等为有机工质，它们可以回收并利用工业余热、太阳能热、地热等各种低品味热源进行发电，它们具有利用效率高、结构简易、污染少等优点。
总之,国外发动机余热利用发展趋势为由单纯的废热取暖向复合增压，朗肯循环废热发电、做功方向发展，目前国外复合增压技术已经成熟，朗肯循环废热回收利用成为热门研究方向。
1.2主要研究内容
在这项研究中，使用水，氨气，丁烷，异丁烷，异戊烷，R245ca，，8123，r125a进行热力学分析通过对在朗肯循环中该类工质的热力学特性的分析和研究；确定并阐述各类工质的热力学特性，指明其优点或不足；初步分析并确定改进的方向，为采用朗肯循环发动机余热能量回收技术的应用奠定初步基础。
本课题拟研究的主要内容为:
1）对发动机的理论循环和实际循环进行分析和阐述；
2）对发动机热平衡进行较为全面的分析；
3）对国内外发动机余热能量回收技术的发展过程进行论述；
4）对朗肯循环进行论述和分析；
5) 对朗肯循环工质的热力学性质进行对比，分析研究；
6) 阐明其优点及不足，确定改进的方向或提出进一步的改进措施及建议等；
7) 对朗肯循环工质研究方向进行评述；
8) 提出发动机余热能量回收技术的新思想或新技术等。
2.发动机循环
2.1发动机理论循环
发动机的理论循环要比实际循环简易，但是要想研究发动机的理论循环，首先必须做出5个限制条件：
1)工质是理想气体，其物理常数与标准状态下的空气物理常数相同，整个循环中的物理性质及化学性质不变，工质比热容为常数[6]。
2)假设工质在工作时，是在做封闭循环[6]。
3)假设工质的压缩及膨胀是绝热等熵过程[6]。
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