一种用于移动式内燃机烟气余热换热器的综合性能评价方法与流程

本发明属于移动式内燃机余热回收系统关键部件技术领域，具体涉及到一种获得移动式内燃机余热回收系统中烟气换热器的综合性能评价指标的方法。

背景技术：

当今世界范围内，人口数量急剧上升，人们生活水平不断提升，以及工业化进程发展迅速等因素，使得世界上众多国家对石油能源的需求日趋强烈。我国人均石油占有量仅为世界水平的11％左右，石油资源短缺的问题十分严峻。移动式内燃机作为工业文明发展的产物，是石油能源的主要消耗源。但根据移动式内燃机热平衡计算发现，通常情况下内燃机仅将燃料燃烧总能量的30-45％转化为机械功，其余超过60％的能量均以排气或冷却水的形式散失到周围环境中。故目前已经有大量的科研人员投身于移动式内燃机余热回收技术领域，旨在通过回收并利用烟气及冷却水中的余热，提高内燃机的燃油效率，实现节能减排的目标。

烟气换热器作为余热回收系统中直接置换烟气余热的设备，其各个方面的性能变化都会给整个系统的总回收效率带来较大影响。目前，对于移动式内燃机余热回收系统中的烟气换热器，在其设计、选型及优化等阶段，主要考虑的三个因素分别为传热、压降和重量。首先，目前广泛应用于移动式内燃机余热回收系统中烟气换热器形式为管壳式换热器，但由于其传热效率不高，相应系统的总回收效率也仅有30％左右。故而，众多学者采取挡板、翅片、金属泡沫等强化换热的手段来增强换热器的传热。但在进行强化换热的同时，也会牵扯到换热器设计时第二个需要考虑的因素—压降。增加挡板、翅片等结构，必定会对流体流动产生一定的阻碍，也即会造成一定的流动损失，进一步将导致经过换热器的烟气的背压增加，造成额外的功率损失。最新研究表明，对于车用内燃机余热回收系统中的换热器，压降增加40kpa，将造成0.5kw的系统净功率损失。最后，ford公司在实验报告中提出，对于移动式内燃机余热回收系统来说，烟气换热器的重量每增加100kg，燃油消耗量将增加0.3l，这就对换热器的设计提出重量方面的要求。

因此，在对移动式内燃机余热回收系统中的烟气换热器进行设计时，必须同时考虑上述三个(传热、压降、重量)影响因素对系统的整体作用效果。然而，在目前公开的文献或专利中，大多数针对该场合下的换热器设计时都只单一的考虑传热或压降的因素，并且将两个指标作为独立的变量进行分析。采用这种方式对不同形式、不同换热结构的烟气换热器进行对比时，无法进行最准确的性能优劣评估。如现有a、b两个烟气换热器，a换热器的传热性能优于b换热器，但烟气侧的压降也大大高于b换热器。此时，如果再采用两个独立的变量衡量换热器性能，就无法确定出哪一个换热器更优，这就使换热器在设计阶段增加了更多的使用者或设计者的主观因素。而且，在传统的评价体系中，很少考虑换热器重量因素带来的影响，但这一因素对移动式内燃机余热回收系统中的烟气换热器设计十分重要。所以，在对移动式内燃机余热回收系统中的烟气换热器进行设计时，传统的评价方法并不适用。

综上，本发明提出一种适用于移动式内燃机余热回收系统中烟气换热器设计阶段，计算综合性能评价指标的方法，该方法可以计算出一个更直观的评价烟气换热器综合性能的指标。该指标将传热、压降、重量三个因素集中于一体，不仅可以用于换热器对比研究中最优换热器的科学选择依据，同时可以用于换热器参数优化、性能优化时的待改善的目标函数。

技术实现要素：

为了解决上述独立指标在移动式内燃机余热回收领域的换热器选择、优化时出现的问题，本发明提出一种用于移动式内燃机烟气余热换热器的综合性能评价方法。本发明目的是将换热器三个主要因素(传热、压降、重量)按照“热功转化”及“功率损失”的模型集中到一个统一的物理量中，即综合性能评价指标。该指标不仅可以作为换热器对比研究中最优换热器的选择依据，同时可以用于换热器参数优化、性能优化时的待改善的目标函数。

为实现本发明的目的，本发明提供了一种用于移动式内燃机烟气余热换热器的综合性能评价方法，具体包含的步骤如下：

步骤一、计算烟气换热器的总传热量

采用计算流体动力学(cfd)方法模拟烟气换热器在实际工作条件下的温度场，确定换热器入口及出口烟气温度，计算该烟气换热器在相应条件下的传热量大小。

具体计算公式如下：

q＝m·cp·(tout-tin)(1)

其中：q为换热器总传热量；m为烟气进口质量流量；cp为烟气比热；tout及tin分别为烟气出口及入口温度。

步骤二、计算烟气换热器排气侧的总压降

采用计算流体动力学(cfd)方法模拟烟气换热器在实际工作条件下的压力场，利用烟气侧进出口烟气的压力差计算在相应条件下的换热器总压降大小。

具体计算公式如下：

δp＝pin-pout(2)

其中：δp为换热器烟气侧的总压降；pin及pout分别为烟气进出口压力。

步骤三、计算烟气换热器总重量

确定换热器在制造过程中所选择的材料，按照换热器的几何模型尺寸计算换热器所用材料的体积，进而计算出整个换热器的重量大小。

具体计算公式如下：

w＝ρ·v(3)

其中，w为烟气换热器总重量；ρ代表换热器铸造所用材料密度；v代表制造该换热器所用材料的总体积。

步骤四、将上述各因素按照不同的转换模型，计算获得综合性能评价指标

对于上述三个因素，均可以按照不同的转换模型将其转变为“功率”这一物理量。

4.1总换热量通过“热功转换”模型转化为系统所获得的正功：

pq＝q·η(4)

其中，η代表热功转换效率，通常取值为10-30％。

4.2总压降通过“功率损失”模型转化为系统消耗的负功：

pδp＝δp·a·v(5)

其中，a代表换热器进口截面积；v代表换热器进口烟气流速。

4.3重量对整个系统所带来的负功：

在移动式内燃机余热回收系统中，由重量引起的发动机扭矩变化可表示为：

其中，ftire＝0.015表示轮胎滚动摩擦系数；g＝9.8m/s²为重力加速度；ηpt＝0.9表示平均传输效率；wwhr代表余热回收系统总重量。

为了简化计算，假设车辆在无惯性力、无坡度阻力的平坦路面上匀速行驶，忽略空气阻力的变化。则式(6)简化如下：

由余热回收系统重量引起的功率损失为

式中速度v由下式计算：

v＝0.5ωtire·do＝0.5do·ωe/(αg·αm)(9)

因此，功率损失的增量δp与系统重量的增量δw的关系可以推导如下所示：

由式(10)可知，车辆重量的增加与动力消耗成正比，因此总结出换热器重量的增加将带来的负功如下：

4.4如图1各部分因素对系统功率的影响分布图所示，三者的功率效果可以集中到一个变量pn中，并将此变量定义为烟气换热器的综合性能评价指标。

pn＝pq-pδp-pw(12)

本发明指标的优点及有益效果是：本方法的特征是将烟气换热器的三个对移动式内燃机余热回收系统效率有极大影响的因素通过合理的模型转化，集中在一个物理量中，即确定了一个烟气换热器的综合性能指标。该综合性能评价指标同时考虑换热器的三个性能因素，包括传热、压降及重量，更直观的揭示了换热器对整个系统的功率影响；该指标不仅可以用于换热器对比研究中最优换热器的选择依据，同时可以用于换热器参数优化、性能优化时的待改善的目标函数。

附图说明

图1为各部分因素对系统功率的影响分布图；

图2为带有多孔挡板及多孔翅片的管壳式换热器示意图；

图3为带有多孔挡板及多孔翅片的管壳式换热温度分布图；

图4为带有多孔挡板与多孔翅片的管壳式换热器的压力分布图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，以实验室设计的车用柴油机余热回收系统中的管壳式烟气换热器为例，其特征结构为多孔挡板与多孔翅片，如图2所示。

所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明。基于该实施例的基本结构、原理与过程，尚未涉及到的其他数据实施，都属于本发明保护的范围。

主要包括以下步骤：

步骤一、计算烟气换热器的总传热量

采用计算流体动力学(cfd)方法模拟烟气换热器在实际工作条件下的温度场，获得烟气侧进出口温度，如图3所示。则该烟气换热器的总传热量为：

q＝m·cp·(tout-tin)＝0.1280·1.1205·(747.42-471.34)＝39.60kw

步骤二、计算烟气换热器排气侧的总压降

采用计算流体动力学(cfd)方法模拟烟气换热器在实际工作条件下的压力场，获得烟气侧进出口压降，如图4所示。则该烟气换热器的总压降为：

δp＝pin-pout＝3.56-0.72＝2.84kpa

步骤三、计算烟气换热器总重量

如图1所示，本例中的换热器重量可分为壳体重量、换热器管重量、多孔挡板重量和多孔翅片重量四部分。本例中烟气换热器制造时采用的材料为镍，其密度为8.902g/cm³，并结合表1中换热器各部分结构参数，详细的计算过程如下：

壳体重量：

换热管重量：

多孔挡板重量：

wbaffles＝ρ·vbaffles＝ρ·(6abaffles·δbaffles)·(1-ε)＝0.31kg

多孔翅片重量：

综上，该烟气换热器的总重量为：

whx＝wshell+wtubes+wbaffles+wfins＝12.52+3.29+0.31+0.68＝16.8kg

步骤四、将上述各因素按照不同的转换机制，集成到综合性能指标中

pq＝q·η＝39.6·0.1＝3.96kw

pδp＝δp·a·v＝2.84·1000·3.14·0.03²·94.5＝0.76kw

对于重量功率损失，本换热器应用的场合为卡车余热回收系统，其柴油机功率为246kw。选择中等转速为1300rpm，中等负荷为50％的条件作为工况点，对应的发动机功率为pengine＝86kw。根据柴油机的大小，相应的卡车重量采用wtruck＝9600kg。因此，此烟气换热器带来的重量功率损失为：

综上，该烟气换热器的综合性能为

pn＝pq-pδp-pw＝3.96-0.76-0.15＝3.05kw。

表1带有多孔挡板及多孔翅片的管壳式换热器结构参数

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。