内燃机余热回收CO2动力循环的理论探索

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1、天津大学硕士学位论文内燃机余热回收CO2动力循环的理论探索TheoreticalanalysisofCO2powercycleusingforenginewasteheatrecovery学科专业：动力机械及工程研究生：常立文指导教师：田华副教授天津大学机械工程学院2017年12月摘要考虑到当前日趋严峻的能源与环境问题，内燃机的节能减排具有重大意义，而对内燃机余热进行回收是实现其节能减排的有效途径。CO2动力循环可以很好地适应内燃机余热特性，在内燃机余热回收领域具有较好的应用前景。但目前有关研究缺乏对不同形式循环的对比性分析及实用性评估

2、，因此本文针对内燃机余热回收CO2动力循环，从循环形式、性能评价、循环优化等层面开展了详尽的理论探索，为实现对内燃机余热高效经济的回收提供借鉴与指导。以CO2跨临界朗肯循环及CO2布雷顿循环为基本架构，构建了不同形式的CO2动力循环余热回收系统。同时建立了涵盖净功、㶲效率和发电成本等指标的热经济性能评价体系，研究了不同的运行参数对系统性能的影响规律。研究表明对CO2跨临界朗肯循环而言，当最高运行压力超过12.5MPa时系统性能较优。对CO2布雷顿循环而言，在最低压力小于8.28MPa，中间压力小于11.16MPa，最高压力超过19.37

3、MPa，最高温度超过610.72K时，系统的综合性能最优。基于所建立的性能评价体系，利用遗传算法进行了多目标优化，实现了循环优选及运行决策。结果表明，基本形式的CO2跨临界朗肯循环（B-CTRC）余热回收能力很差，相比之下，预热形式的CO2跨临界朗肯循环（P-CTRC）的热力学性能稍有提升，但经济性能却最差；而采用回热形式的CO2跨临界朗肯循环（R-CTRC）对热力学性能的提升较大，同时经济性能最优，发电成本最低至0.560$/kW·h；仅考虑热力学性能，预回热形式的CO2跨临界朗肯循环（PR-CTRC）最具潜力，净功最高可达25.89

4、kW，㶲效率最高可达40.95%。相比于CO2跨临界朗肯循环，CO2布雷顿循环的热经济性能稍显逊色。基本形式的CO2布雷顿循环（B-CBC）余热回收能力同样很差，在此基础上单单引入预热器对于系统性能的提升收效甚微，经济性能却进一步恶化；而引入回热器则是改善系统性能的显著手段。预回热形式的CO2布雷顿循环（PR-CBC）可获得最大的净功，为20.25kW；而回热形式的CO2布雷顿循环（R-CBC）可获得最大的㶲效率及最小的发电成本，分别为35.67%和0.817$/kW·h。在多目标优化的基础上，针对余热回收潜力较高的R-CTRC、PR-

5、CTRC、R-CBC及PR-CBC，加入了对部件重量的考量，对最优运行参数下的系统性能开展了更为细致的探讨。当考虑余热回收系统的附加重量所造成的功率损失时，PR-CTRC在净功收益方面仍最具潜力，在最优运行点下可回收约22.03kW的净功，相当于将内燃机效率提升了8.97%，余热回收效果十分可观。关键词：内燃机余热回收，CO2动力循环，热经济性能，多目标优化，运行决策IABSTRACTConsideringtheincreasinglyseriousenergyandenvironmentalissues,theenergysaving

6、andemissionreductionforinternalcombustionengineareofgreatsignificance,andtheenginewasteheatrecoveryisanimportantwaytoachieveit.CO2powercyclehasbeenregardedasoneofthepromisingtechnologiesinthefieldofenginewasteheatrecoverywithbetteradaptability.SincetherelevantresearchonC

7、O2powercyclewaslackofcomparativeinvestigationandpracticalevaluation,adetailedtheoreticalanalysiswasconductedinviewofcycleconfigurations,performanceevaluationandoptimization,inordertoprovidereferenceandguidanceforrecoveringenginewasteheatinanefficientandeconomicalway.TheC

8、O2powercyclewasteheatrecoverysystemwithvariousconfigurationswasproposed,consideringCO2transcriticalRank