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基于发动机的能量平衡,燃料燃烧总能量中有大约30%通过尾气排放到大气中。因此,将发动机尾气的余热能高效转化再利用是节能减排的有效途径。本研究利用有机朗肯循环(ORC)系统回收发动机的排气能量,蒸发器和冷凝器作为ORC系统的换热部件,对ORC系统的热功转换性能有重要影响。因此,分析蒸发器和冷凝器内流体的流动与传热特性、研究蒸发器对发动机性能的影响对合理设计换热器结构及提升整个余热回收系统的性能有十分重要的意义。基于ORC系统中的管翅式蒸发器,应用CFD方法建立了蒸发器壳侧和管侧的三维数值计算模型,利用计算结果分析了发动机排气在蒸发器壳侧、工质在蒸发器管侧的流动与传热特性,并利用场协同原理讨论了蒸发器的换热性能。研究了发动机转速、ORC系统的工质蒸发压力及工质入口速度对蒸发器管侧压降、出口处工质的气体体积分数和管壁平均表面传热系数的影响。研究结果表明:发动机运行在高转速下有利于ORC系统中工质的蒸发;提高ORC系统的工质蒸发压力可以降低工质在蒸发器管内的流动阻力,但同时也会影响工质的蒸发;增大工质入口速度可以提高蒸发器管侧平均表面传热系数,但同时也会增加工质在蒸发器管内的流动阻力并降低蒸发器出口处工质的气体体积分数。基于ORC系统中的人字波纹板型冷凝器,应用CFD方法建立了人字波纹板型冷凝器单流道的数值计算模型,研究了工质入口速度对冷凝器通道内压降及波纹板表面传热系数的影响。研究结果表明:当工质入口速度增加时,波纹板的传热性能改善,但此时工质在冷凝器内的流动阻力也增大。为研究ORC系统中蒸发器对发动机性能的影响,利用GT-Power软件建立发动机仿真模型,针对发动机多个工况点,得到了发动机功率、转矩及有效燃油消耗率(BSFC)的变化情况。通过理论计算,得到了发动机-ORC联合系统(即发动机与ORC系统相耦合)的功率提升率和BSFC改善度的变化情况。研究结果表明,加装ORC系统蒸发器后,由于排气背压增加,导致原发动机功率和转矩有所下降、BSFC有所上升。但与原发动机相比,发动机-ORC联合系统的功率有所提升,BSFC有所降低。