全封闭式涡旋膨胀机在车用有机朗肯循环中的特性研究

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(1 上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 200240； 2 上海高效冷却系统工程技术研究中心 上海 200240)

近十年，化石燃料快速消耗造成能源供应不足，汽车尾气排放恶化了生态环境。低品位能源的废热利用重新受到关注[1-2]。汽车发动机中约60%～70%的燃油能量以废热的形式散失。此外，越来越严格的排放要求和燃油利用效率指标也迫使人们在能源回收再利用领域做出质的改变。为进一步减少污染及改善欧洲市场汽车燃油经济性，欧洲环境署在2014年4月24号宣布了针对欧洲汽车工业最新的二氧化碳排放法规。2015及2021年的目标相对于2007年分别减少18%和40%。美国新能源法要求其汽车行业在2020年前，把汽车燃油效率提高40%。为进一步减少污染以及改善汽车燃油经济性，按照中国的法规CAFC，2015年燃油排放限值应达到0.069 L/km，2020年应达到0.005 L/km。提高发动机的燃油效率成为汽车行业首要解决的难题。

车用有机朗肯循环回收重卡EGR (exhaust gas recirculation)、CAC (charge air cooler)的余热在国外已展开研究，但国内在商用车小型有机朗肯循环系统领域的研究仍较少。膨胀机作为有机朗肯循环的核心部件一直是研究的热点[3-4]。目前国内余热回收技术主要集中在采用螺杆式膨胀机的大型热电厂的废热回收，且已经达到了成熟的商用技术；国外对膨胀机的研究主要基于仿真进行分析。梁任等[5]针对螺杆膨胀机的工作特点建立了热力学模型，分析得知冷却水进口温度对系统影响最大，冷凝器的工况调节是优化系统的有效措施；S. Declaye等[6]对开式膨胀机在ORC系统中的性能进行了实验研究，当蒸发温度和冷凝温度分别达到97.5 ℃和26.6 ℃时系统循环效率具有最大值8.5%，此时等熵效率75%；P. Garg等[7]开发了一套用于有机朗肯循环系统膨胀机选择的经验模型。

基于商用卡车发动机余热回收[8-12]的背景，针对中低温余热的应用要求，本文建立了2 kW目标发电量的小型有机朗肯循环实验测试台架。针对膨胀发电一体的全封闭式涡旋膨胀机作为有机朗肯发电系统的核心部件进行了参数特性研究。分析了膨胀机的等熵效率、容积系数及压比变化对系统循环整体性能的影响并提出优化方向。

1 涡旋膨胀机

涡旋膨胀机因转速低、结构紧凑、活动部件少、成本较低等优点被认为比离心式透平机械更适用小型中低温有机朗肯循环[13]。实验研究中采用的涡旋膨胀机大多由商业压缩机改造而来而并非独立设计。其优势之一就是可获得性强，有利于缩减系统成本。一般做法即移除压缩机的吸排气阀片，在运行过程中将进出口反向接入系统即可。不同于压缩机的是，高压气体由中间进气口进入膨胀机膨胀做功，低压乏气从膨胀机周边排气口排出。现在市场上的涡旋压缩机主要分两种：制冷涡旋和空气涡旋。

表1 两种涡旋压缩机的对比Tab.1 Comparison of two scroll compressors

涡旋膨胀机也可分为开式和全封闭式两类，全封闭式涡旋膨胀机区别于开式膨胀机主要在[14]：

1)膨胀机的转速不再作为外部调节参数，受限于发电机的频率。

2)膨胀机的输出功由轴功变为输出电功，需要考虑机械功转化为电功率的损失。

2 实验台架

有机朗肯循环的基本组成部件有：蒸发器、冷凝器、工质泵和膨胀机。图1所示为有机朗肯循环实验台架。系统采用R245fa作为循环工质[15]。

图1 有机朗肯循环台架Fig.1 Scheme of organic Rankine cycle

循环原理：过冷状态下的冷媒流体在工质泵中加压后进入蒸发器内，与来流的高温热源换热转化为高温制冷剂蒸气，进入膨胀机膨胀做功将机械功传递给发电机从而输出电功率。膨胀结束的高温乏汽进入冷凝器与来流的冷却水换热，冷凝后的制冷剂再次进入工质泵中完成一次循环过程。

图2 有机朗肯循环系统实验台架Fig.2 Test bench of organic Rankine cycle

有机朗肯循环系统实验台架如图2所示。选择合适的工质和单体部件是影响系统性能的重要因素。循环工质的选择一般基于热源特性和系统运行工况。根据发动机余热资源的温度可分为高温热源和低温热源。高温热源包括发动机排气(400～600 ℃)和EGR(200～400 ℃)，低温热源包括CAC(90～100 ℃)和润滑油(50～70 ℃)。分析认为，余热温度低于70 ℃时就失去了回收的价值，反而带来额外的消耗。而超高温的余热则限制了有机工质的选择范围。大部分有机工质在高温下会发生裂解，释放出有害或腐蚀性物质，损坏部件，破坏环境。针对90～120 ℃的中低温热源选择R245fa作为循环工质。工质泵选择Blackmer的滑片式变频泵，进出口压差最大可达 1 000 kPa。核心部件是将涡旋机械与发电机相耦合的全封闭式膨胀机。这种全封闭式发电机转速调节主要依赖于电机的频率大小。本系统中电机输出端并入50 Hz市网，因此膨胀机转速恒定为3 000 r/min。蒸发器和冷凝器均采用逆流板式换热器。冷凝器出口增加储液罐，目的是通过液位差保证液体泵入口具有一定的过冷度，防止发生气蚀现象，当工况变化时也起到缓冲稳定的作用。冷凝器出口温度通过冷却水侧调节保持一致。过热度与工质泵频率之间的反馈调节作为控制逻辑嵌入到系统调节中进行波动工况下循环性能优化。

图3 全封闭式涡旋膨胀机Fig.3 Hermetic scroll expander

热源温度设定在90～100 ℃之间，流量稳定。膨胀机的转速控制在3 000 r/min，通过改变工质泵的输入频率调节制冷剂流量。本实验共测试了6个系统工况并记录了系统稳定后的各项参数进行性能分析。实验测试设备精度如表2所示。

表2 实验测试设备精度Tab.2 Measuring accuracy of the test equipments

3 结果及分析

第一定律循环热效率和循环净功是考察有机朗肯循环性能的重要指标。

循环热效率：

循环净功：

Pnet=Pe-Ppump

(2)

式中：Pnet为循环净功，W；Qev为蒸发器吸热量，W；Pe为测量电功， W；Ppump为泵功耗，W。

图4所示为6种不同工况下，循环热效率和循环净功随压比的变化。

(a)循环热效率

(b)循环净功图4 循环热效率和循环净功随压比的变化Fig.4 Variation of cycle thermal efficiency and cyde output power with pressure ratio

由图4可知，循环热效率随压比的变化不是单调变化，存在最优压比使循环热效率最佳。循环净功随着压比的增加而增加，区别于循环效率先增后减的趋势。在优化系统的方案选择中，要权衡考虑两个指标的重要性以确定最适工况点。以下基于膨胀机单体对系统能效进行分析。

3.1 压比

由商业压缩机改装而来的膨胀机存在特定的设计膨胀比，也称“Built-in Volume Ratio”，其值是涡旋机械工作腔在膨胀结束时的体积与开始时的工作腔体积之比。设计比与涡旋机械的几何参数紧密相关，默认为固有属性。运行过程中由于各种不可逆损失的存在，实际工作压比并不完全等于设计压比，因此会带来两类损失：欠膨胀或过膨胀。运行压比偏离设计值越大，性能衰减越厉害。图5所示分别为欠膨胀和过膨胀现象。

图5 欠膨胀和过膨胀Fig.5 Under/Over expansion

3.2 容积系数

膨胀机的容积系数是反映膨胀机容积效率的重要参数，如式(3)所示:

式中：ρin为进气密度，kg/m3；Nrot为膨胀机转速，1/s；Vs,cp为压缩机排量，cm3；rv为设计压比。

φff大小反映了膨胀机内泄漏的程度。容积系数越大，内泄漏情况越严重。根据式(3)，对于某个工质而言，影响其值大小的唯一参数为Nrot。Nrot越高，容积系数越趋近于1，内泄漏情况越少。因为增加Nrot，膨胀气体在工作腔内停留的时间减少，内泄漏的可能性相对降低。但增加Nrot带来的负面作用即机械摩擦损失增加。为研究Nrot变化对容积系数的影响，测试了Nrot在1 000～2 000 r/min之间的容积系数的变化，如图6所示。结果表明：增加Nrot能有效减少内泄漏损失。

图6 容积系数随膨胀机转速的变化Fig.6 Variation of filling factor with expander rotational speed

3.3 等熵效率

膨胀机的等熵效率是多个特征参量共同作用的结果[16]。压比的增加导致循环净功增加，但摩擦等机械损失也增加。内泄漏削减了实际的循环净功。图7所示为膨胀机等熵效率随运行压比的变化。

图7 等熵效率随压比的变化Fig.7 Variation of isentropic efficiency with pressure ratio

由图7可知,膨胀机等熵效率受压比变化的影响与循环热效率先增后减的趋势相似。同样存在最优压比使得等熵效率达到该工况范围内的峰值点。实验验证下最优压比约为4.5，对应膨胀机等熵效率约为48%，而膨胀机设计压比为3。由于膨胀机运行过程中的内泄漏、传热及机械摩擦等损失带来的影响，一般最优工作压比略大于膨胀机的设计压比。

4 结论

本文针对中低温余热特性搭建了小型有机朗肯循环系统并进行了系统性能实验探究。研究了全封闭式膨胀机运行压比对单体性能及系统循环的影响，得出以下结论：

1) 评价系统性能应综合考虑多个指标，循环热效率随运行压比先增后减，存在最优压比使得循环热效率达到峰值。

2) 循环净功随压比的增加而增加，以循环净功为优化目标的前提下，高压比是系统优化的方向。

3) 最优工作压比约为4.5，一般情况下最佳运行压比略大于膨胀机设计压比，原因是由于内泄漏、机械摩擦、传热等不可逆损失的存在。

4) 容积系数是反映膨胀机容积性能的重要参数，容积系数越大，膨胀机内泄漏情况越严重，提高膨胀机转速能有效减少内泄漏损失，从而优化系统性能。