重型柴油机大温差余热能梯级利用高效底循环系统研究

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1、天津大学博士学位论文重型柴油机大温差余热能梯级利用高效底循环系统研究ResearchonHighlyEfficientBottomingCascadedThermalSystemsUsedforLarge-Temperature-DifferenceWaste-Heat-RecoveryofHeavy-DutyDieselEngine一级学科：动力工程及工程热物理学科专业：动力力机械及工程作者姓名：于国鹏指导教师：舒歌群教授田华副教授天津大学机械工程学院2017年05月万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行

2、的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件

3、和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日万方数据中文摘要面对日益严峻的能源、环境形势，内燃机余热能回收利用对节约石油消耗、减少CO2排放具有重要意义。本课题针对重型柴油机大温差梯度的余热特性，开展了余热能回收梯级底循环技术的理论和实验研究。为了全面认识柴油机余热能分布及其多能流特性，开展了柴油机热平衡实验研究，获取了柴油机面工况运行中各项余热能流参数，分析和探究了各能流分布规律及品位特性，为后续余热回收系统的研究提供热源基础。传统底循环热力系统评价方法中存在着“指标

4、单一、各有侧重”的问题。为此，本文建立了广泛适用于底循环热力系统的综合性能评价体系(MA-ES:Multi-ApproachEvaluationSystem)，全面涵盖了对基于热力学第一定律的热力性能、基于热力学第二定律的㶲性能以及包含部件性能、投资收益在内的技术经济性能的多层次综合评价。基于该评价体系，通过对用于柴油机排气余热回收的单级有机朗肯循环系统(ORC)进行算例分析，获得了热力系统的多层次、多指标综合评价结果，为底循环系统优化提供理论研究方法基础。以柴油机高温排气和低温缸套冷却水作为大温差梯度余热源，基于MA-ES评价体系

5、对比分析了三种最具代表性的循环模式系统性能，以探寻和验证高效匹配的循环方式。综合评价结果表明，在研究压力范围内，相对于单级ORC系统，双级系统热力性能和经济性能等多重指标优势明显，其最大循环净功、最高㶲效率和最低发电成本(EPC)分别可达37.5kW，44.5%和0.67$/kW.h，明显优于单级亚临界ORC系统的最佳值（15.1kW，26.1%和0.82$/kW.h）和单级跨临界ORC系统的最佳值（19.5kW，34.3%和0.72$/kW.h）。由此表明，双级循环这类梯级系统在大温差梯度余热利用上表现出更优异的热源匹配性、热力性

6、能和技术经济性。建立了柴油机高温排气大温差余热回收的蓄热+ORC梯级循环系统(OS+ORC)原理实验台，采用系统仿真与实验相辅的研究方法，深入探究了低温级ORC的多工况运行特性。实验结果表明，低温ORC系统在柴油机转速1900rpm、100%负荷工况下，循环工质R123的吸热量、系统等熵做功潜力和预测做功潜力值分别为69.1kW、9.7kW和8.2kW，预测该余热回收底循环系统有效热效率约为11.9%。在低温级ORC实验系统基础上，设计并搭建了双朗肯余热回收梯级系统(RC+ORC)实验台，开展了双朗肯循环的系统性研究。在充分验证实验

7、系统的运行稳定性的基础上，分别开展了高温级RC、低温级ORC以及梯级系统总循环性能的研究。针对柴油机的多工况运行特点，研究了热源变化对实验系统余热回收I万方数据性能的影响。在研究工况范围内，对比分析了柴油机和蓄热OS+ORC梯级底循环耦合的联合系统(DE&OS+ORC)与柴油机和双朗肯梯级底循环耦合的联合系统(DE&RC+ORC)的实验性能。结果表明，对于原柴油机，OS+ORC梯级系统和RC+ORC梯级系统均表现出可观的动力提升潜力。两组联合实验系统相对于原柴油机的有效功率最高可分别提升3.2%和5.6%。RC+ORC系统的动力性优

8、势更加明显，进一步验证了双朗肯循环梯级系统在大温差梯度余热回收上的匹配性和适应性。基于双朗肯梯级循环余热回收技术，进一步开展了内燃机多品位余热的综合高效回收的系统优化研究，探索最高热源适应性的回收方案。构建了跨临界梯级有机朗肯循环(C