船用SCR柴油机-有机朗肯联合系统设计及分析

摘要

IMO(International Maritime Organization)的排放控制区已经要求NOX和SOX联合控制，而且EEDI(Energy Efficiency Design Index)对于船舶的能量利用效率也提出了要求。因此，对船舶发动机提出可行的联合脱硝脱硫技术方法，同时能够实现有效节能的集成解决方案或新的技术方法是目前船舶节能减排的重要研究内容之一。SCR(Selective Catalytic Reduction)能够有效去除废气中的NOX，有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，ORC)能够回收低温热源中的热量，因此本文提出一种SCR-ORC联合系统，并对整个系统以及系统的关键部件进行了详细设计与分析。本文主要研究内容和结论为:
　　建立有机朗肯循环设计与分析系统，研究热力循环参数对有机朗肯循环系统性能的影响;针对潍柴WD615.C-27船用柴油机，设计了有机朗肯余热回收系统，将废气热源分为两段，分别作为预热源和蒸发热源，将废气出口温度定为85℃，并根据工质筛选原择选取1-Butene作为工质。
　　根据系统要求和废气参数，选用双H翅片管式换热器作为蒸发器，根据翅片管式换热器原理和设计计算方法，给出蒸发器详细的尺寸参数和计算表格。运用Fluent进行数值模拟，以理论计算作为数据边界条件，选择合适的湍流模型、控制方程来求解速度-压力耦合场。通过比较废气进口速度v=1.68m/s、3.68m/s、5.68m/s、7.68m/s四组工况下的流场分布特性，得出了重要结论:废气进口速度越大尾流区越小，但是速度的增大并不能消除尾流区的存在;随着废气进口速度的增大预热器出口温度有所升高，进出口压力损失也增加，风机负荷也随之增大。
　　根据相平衡和逸度方程理论，建立了描述低温壁面上冷凝酸溶液浓度的数学模型，并依据此模型编写了Matlab程序，对不同废气条件下H翅片表面冷凝酸液浓度进行了预测。应用Fluent对不同废气条件下硫酸蒸气在H翅片表面的冷凝沉积速率进行了考察。分析结果表明:在翅片表面，酸液质量分数的三维分布和翅片表面温度分布规律相一致;水蒸气体积分数升高会导致酸液质量分数急剧下降和沉积率上升，增加换热器低温腐蚀的风险;与此相反，增大废气进口温度会导致酸液质量分数升高和沉积率下降，降低腐蚀的可能性。
　　本文的研究成果可以为船用SCR-ORC联合系统试验以及系统在船舶低速柴油机上的应用提供参考，并为系统的进一步研究打下基石。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1引言

1．2船用柴油机ORC系统研究现状

1．2．1国内研究现状

1．2．2国外研究现状

1．3换热器的研究现状

1．3．1国内研究现状

1．3．2国外研究现状

1．4硫酸蒸汽沉积特性研究

1．4．1国内研究现状

1．4．2国外研究现状

1．5本文的主要研究内容

第2章船用SCR柴油机-有机朗肯联合系统设计

2．1船用SCR柴油机热平衡计算

2．1．1热平衡方程

2．1．2柴油机的输入参数

2．2船用柴油机有机朗肯余热回收系统设计及分析

2．2．1船用SCR柴油机-有机朗肯联合系统

2．2．2有机朗肯循环的热力学模型

2．2．3计算输入参数的设定

2．2．3计算结果与分析

2．3工质选择

2．3．1有机工质的物性

2．3．2有机工质的选择

2．4船用SCR柴油机-有机朗肯联合系统实验台架

2．4．1实验方案

2．4．2废气主要成分测量

2．5本章小结

第3章翅片管式蒸发器设计计算

3．1翅片管换热器的设计方法和步骤

3．2热力计算

3．2．1对流受热面计算

3．2．2选择迎风面质量流速并计算迎风面积

3．2．3翅片管选型与尺寸确定

3．2．4计算气体绕流翅片管的换热系数

3．2．5平均温压计算

3．2．6翅片效率与基管外换热系数

3．2．7传热分析假设

3．3流动阻力计算

3．3．1废气流动阻力的分类

3．3．2废气流动阻力系数的计算

3．3．3设计修正

3．4翅片管式蒸发器的设计计算

3．5本章小结

第4章蒸发器管外废气侧数值模拟

4．1前处理

4．1．1模型建立

4．1．2网格划分

4．2求解处理

4．2．1边界条件的设定

4．2．2物性参数的设置

4．2．3控制方程的离散化方法

4．2．4离散格式

4．3仿真结果分析

4．3．1管外废气侧流场的分布

4．3．2仿真模拟值与经验公式计算值对比验证

4．3．3不同废气进口速度对传热性能的影响

4．4本章小结

第5章蒸发器内硫酸蒸气沉积特性研究

5．1 H翅片表面冷凝酸液浓度的理论模型

5．2 H翅片表面硫酸蒸汽冷凝沉积速率的理论模型

5．2．1菲克定律

5．2．2多元组分混合物扩散

5．3气相流场数学模型

5．4物理模型及参数设置

5．4．1基本假设

5．4．2废气主要成分

5．4．3设置材料和边界条件

5．4．4数值求解格式和方法

5．5不同影响因素对蒸发器内硫酸蒸气沉积特性的影响

5．5．1废气速度对硫酸蒸气沉积的影响

5．5．2废气温度对硫酸蒸气沉积的影响

5．5．3废气中水蒸汽含量对硫酸蒸气沉积的影响

5．5．4翅片沿程硫酸蒸汽沉积特性

5．6本章小结

结论与建议

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢