基于Kalina循环的内燃机尾气余热回收系统的热力学研究.pdf

中文摘要 摘 要 内燃机（ICE ）是一种重要的能量转换装置，被广泛应用于小汽车、卡车、船 舶等领域。尽管采用了许多技术手段，内燃机热效率也仅为 35～45% ，以尾气、 缸套冷却水等形式排放的废热占燃料燃烧能量的 55～65% 。而以氨水为工质的 Kalina 循环可以高效回收低温余热，如果将ICE 系统和Kalina 循环构成联合循环 来回收余热，可以提高内燃机能量利用率、节约燃料消耗以及减少污染物排放， 具有重要的工程意义。 本文分别以KC、KCS、KCF 为底循环与ICE 构建联合循环回收尾气余热，并 在联合循环的基础上从热力学第一定律、第二定律的角度，以净输出功率、热效 率、㶲效率为热力学性能指标，以投资回收周期为经济性能指标对KC 、KCS 、KCF 三种底循环进行了参数分析。结果表明：蒸发器出口温度、基础氨水溶液浓度、 透平入口压力等都是影响底循环的重要参数。提高蒸发器出口温度、透平入口温 度、基础氨水溶液的浓度可以提高净输出功率、热效率、㶲效率；热力学性能随 透平入口压力的变化会受到蒸发器出口温度的影响，存在一个临界的蒸发器出口 温度，若蒸发器出口温度低于此临界温度时，提高透平入口压力，净输出功率、 热效率、㶲效率都减小；如果蒸发器出口温度高于此临界温度时，存在最佳透平 入口压力 p 2,opt ，使得净输出功率、热效率、㶲效率最大；提高蒸发器出口温度、 透平入口温度、基础氨水溶液浓度，降低透平入口压力，都会使投资回收周期减 小。KCF 系统中，闪蒸压力和蒸发器压力的比值（p /p ）是影响热力学性能和经 6 2 济性的重要参数，获得最佳热力学性能的p /p 值为0.32，获得最经济性能的p /p 6 2 6 2 值为0.30 。 ICE-KC 、ICE-KCS 、ICE-KCF 均可有效回收内燃机尾气废热。在本文所研究 内燃机负荷范围（20%-100% ）内，ICE-KC 和 ICE-KCF 可提高热效率约 12%， ICE-KCS 可提高热效率 6.4-15.7% 。内燃机负荷较低时（小于或等于 30% ）KCS 系统热力学性能指标低于KC 、KCF 系统，内燃机负荷较高时（大于或等于60% ）， KCS 系统热力性能指标高于KC 、KCF 系统，KCS 系统经济性最好， KCF 系统经 济性最差。 关键词：Kalina 循环，联合循环，热效率，㶲效率，回收周期 I 英文摘要 ABSTRACT The internal combustion engine (ICE) is an important energy conversion device commonly used in automobiles, trucks, buses and ships. Though engine manufacturers have used all kinds of techniques or methods to improve thermal efficiency, the thermal efficiency of ICE is just 35-45%, and approximately 55–65% of the fuel energy is taken away through coolant or exhaust. Kalina cycle (KC) is a feasible method to recover waste heat. The c