基于先进火用分析的高温Kalina循环优化策略在柴油机余热回收中的突破性研究

本研究针对柴油机余热回收效率瓶颈，首次将先进火用分析(Advanced Exergy Analysis)应用于高温Kalina循环系统，揭示82%的火用损(Exergy Destruction)为内源性，其中47%可通过技术改进避免。创新性提出以涡轮机为优先优化靶点的新策略，为工业级余热回收系统设计提供理论范式。

　　

随着全球能源危机加剧和"双碳"目标推进，柴油机余热回收技术成为工业减排的关键突破口。传统蒸汽朗肯循环和有机朗肯循环(ORC)在高温应用场景面临工质匹配性差、效率天花板明显等问题。Kalina循环因其氨水(NH₃
-H₂
O)工质的非共沸特性，可实现变温吸/放热，理论上更适合400-600°C的柴油机排气余热回收。然而，现有研究多聚焦低温地热或太阳能驱动的Kalina系统，对高温工况下组件相互作用机制认知不足，导致优化方向模糊。

针对这一挑战，研究人员开展了开创性研究。通过先进火用分析将系统不可逆性分解为可避免/不可避免(avoidable/unavoidable)与内源/外源(endogenous/exogenous)四类组分，首次构建了高温Kalina循环的精准诊断框架。研究发现：涡轮机贡献了系统21.4%的可避免内源火用损，远超传统分析判定的蒸发器优先级；回热器Recuperator 2与分离器存在显著外源耦合效应(占系统总火用损34%)，这种高温特有现象在既往低温Kalina系统中未见报道。

研究采用多维度验证方法：1) 热力学建模结合EES(Engineering Equation Solver)软件仿真；2) 与Mohammadkhani等2019年实验数据进行参数比对；3) 采用等效组分法(Equivalent Component Method)量化组件相互作用。通过构建理想化可逆换热器基准，实现了外源火用损的精确剥离。

系统描述
配置包含两级冷凝器(Condenser 1/2)、双级回热器(Recuperator 1/2)和分离器的改进型Kalina循环，工质为氨质量分数0.82的氨水混合物。柴油机排气(538°C)和冷却水(85°C)双热源驱动，净输出功率达5.66MW。

能量分析
基于控制体积法建立质量/能量守恒方程：
∑?_i
= ∑?_e

Q? + ∑?_i
h_i
= ? + ∑?_e
h_e

计算显示系统火用效率较传统ORC提升17.3%，验证了高温适应性。

验证
与文献数据对比显示，蒸发器火用损偏差<3.2%，涡轮机等熵效率误差<1.8%，证实模型可靠性。

第二级火用损分解
突破性发现：

• 涡轮机可避免内源火用损占其总量61.7%
• 蒸发器外源损耗主要源于分离器回流干扰
• 泵2(Pump 2)因与冷凝器1强耦合，其不可避免外源损耗达43%

结论与意义
该研究建立了高温Kalina循环的"可避免内源火用损优先"优化准则，推翻传统以蒸发器为核心的改进路径。提出的涡轮机-分离器协同设计策略，理论上可使系统效率提升21.4%。成果发表于《Journal of Cleaner Production》，为船舶动力、钢铁冶金等高温工业的余热回收提供了可量化的技术路线图，预计可使每台5MW级柴油机年减排CO₂
达820吨。

讨论
Morosuk等学者在燃气轮机中的研究发现70%火用损不可避免，而本研究揭示高温Kalina系统可避免比例达47%，凸显其优化潜力。未来工作需结合exergoeconomic(火用经济)分析，平衡改造成本与效益。该成果为NH₃
-H₂
O工质在CCS(碳捕集封存)系统的集成应用奠定理论基础。