瞬变热源条件下的相变储热型有机朗肯循环机理研究

Recovering the waste heat from vehicle powertrain system is one of the most effective methods improving the overall system efficiency and reducing emissions from burning fossil fuels. In this project, Organic Rankine cycle (ORC) integrated with heat storage system using phase change material (PCM) is proposed to recover unstable and non-constant waste heat from fluctuated heat source. PCM maintains constant temperature during heat absorption and release, which keeps the heat recovery system working on its desire operation condition, regardless of unstable and non–constant heat souse. Therefore, the vehicle fuel economy and emissions performance can be effectively improved. The combination of numerical simulation and experimental study are going to be used to investigate the heat transfer process and the coupling mechanism between the PCM and ORC by coupling heat transfer model for exhaust-PCM-ORC working fluid and dynamic heat transfer model for the whole waste heat recover system. The research will then focus on system matching, design and performance optimization on PCM based ORC system. This project can provide novel technical routes for researching on waste heat recover of vehicle application and create research foundations for developing integrated waste heat recover system for more efficient and cleaner vehicle powertrain system in the future.

车用动力系统的余热高效利用是提高系统循环效率、减少化石燃料消耗与其排放造成的环境污染的有效手段。本项目提出采用相变储热型有机朗肯循环系统回收车用发动机的高波动性瞬变热源。利用相变储能技术在储放热过程的恒温特性，减少高波动性热源对有机朗肯循环系统的影响，维持热回收系统工作在设计工况点，达到提高整车能效、降低排放的目的。本研究拟通过数值仿真与试验相结合的研究方法，对波动热源条件下相变材料的热物性和熔化特性展开仿真与实验研究；建立汽车尾气-相变材料-有机工质的耦合传热模型；建立余热回收系统的动态模型，深入研究相变储热型有机朗肯循环的传热过程及其耦合机理；揭示在整个系统中多参数与各个过程的相关联系；对相变储热型有机朗肯循环系统的匹配、设计和性能优化展开研究，为车用发动机热回收技术提供新的思路，为开发高效、节能、低排放的车用动力集成系统提供研究基础。

汽车废弃能量的高效回收利用是有效提高燃油利用率和降低污染物排放的切实有 效的方法。车用发动机的瞬变特性，导致车辆能量回收系统难以维持在最佳设计工况 运行，并且其技术的开发应用受限于小型化、轻量化、高可靠性的特殊需求。本项目 提出采用复合储热型双向循环的方案以高效回收车辆废弃能量。复合储热型材料由于 显热材料的存在具有较低的成本，并且由于潜热材料的添加而具有平缓波动热源的功 能，使其兼具两类材料的优势，但两类材料的互相匹配关系以及复合储热型换热器的 设计优化，以达到车载使用的需求仍有待深入研究。同时，车辆瞬变工况下的余热- 复合储热型储热换热器-能量回收利用系统三者之间的耦合优化关系也是本课题的难 点之一。采用双向循环应用于车辆余热回收及制动能量回收，可通过一种系统有效回 收利用两类能源，其循环优化准则及其与内燃机循环形成的耦合联动方案的研究，形成一套完整的复合循环优化理论和能量管理策略。