新增热化学回热器（TCR）提升系统效率

众所周知，通过底循环可以回收从燃气透平和活塞发动机的排气中的热量，对ZEMPES也做过这种测试（Shokotovetal．，2005），然而由于增设带旋转部件的底循环使整个系统变得复杂且不合实际。增设一个静态系统，例如一个额外的热交换器，效果会更好，这种设备称为热化学回热器（TCR），具体可见9.3节。TCR通过吸热反应将甲烷与水转化为一氧化碳与氢气的混合气。

CH₄＋H₂O⇒CO＋3H₂（7-1）

在空气透平后安装了TCR，我们计算了发动机参数的变化。一种新的燃料，CH₄＋H₂O＋CO＋H₂的混合气体，在进入汽缸前经过散热器-冷却器冷却。当反应起始温度为524.7K、终止温度为588.4K时，气体的摩尔分数分别为：0.05556molCH₄，0.5556molH₂O，0.2222molCO，0.6666molH₂。

与正常甲烷与水蒸气反应情况下的温度相比（1000K），这里的温度要低得多，80％的转换率时可以用吉布斯能量变化方程式精确表示：G₀＝232.977＋109.28·T-68.18T·lnT＋｜40.35·10^-3·T²-3.67·10^-6·T³

（7-2）

这些温度如果需要可以提高到与排气差不多的温度，仅仅相差一个传热温差，给进来的反应物加热是TCR中主要的能量转换过程，从透平出来的空气经过冷却后排放至大气，当TCR与系统耦合时，产生的功率和一些测点温度见表7-3。压比在2.18～9之间，当氧气摩尔分数为0.5、压比为9时，最高效率为47.19％。

表7-3 带有TCR的高氧气浓度零排放膜活塞发动机的计算结果

注：源自于Shokotov，M．andE．Yantovsky，2006。

计算结果显示了零排放活塞发动机系统（HiOx-ZEMPES）的可行性，使用普通燃料（甲烷），在由膜反应器中排出的氧气与再循环的二氧化碳混合物气形成的人造空气中燃烧，增加了循环中的氧气量与燃料量。当氧气的摩尔分数为0.5，空气压缩器的压比为9时，经过计算了带有化学回热器的系统效率可以达到47％。(www.xing528.com)

这里达到47％的效率可能会促进燃料电池的发展，实现这么高的效率是可能的，因为从TCR中排出的温度为1295K远远低于从透平出来的温度1575K（见表7-1），对这种系统进行更深入的研究，当进一步降低TCR的排气温度时，可能会使效率进一步提高。

为了使汽缸与阀门承受如此高的温度，需要采用更加先进的绝热发动机，这种发动机被称为“低散热发动机（LHRE）”（Leidel，1997，Jaichandar，2003），采用耐火陶瓷层等，氧化锆或烧结碳化硅也已被成功使用。表7-4列出了可能的涂层。

表7-4 绝热发动机可能的涂层

（续）

①温度为1260K。②温度范围为300～1260K。

ITMR与TCR反应器都是运行在高温下的，起动阶段需要一些时间对其进行转动预热，这种排放量与系统正式运行持续工作时的排放量相比要小得多。