船用柴油机余热回收有机朗肯循环系统研究设计

摘要

船舶的高能耗不仅使运行成本增加，也带来了严重的环境问题。基于此船舶能效设计指数EEDI对新建船舶有着严格的要求。为船舶加装余热利用系统（WHR）是有效改善EEDI的途径之一。由于船用柴油机排气温度处在中低温范围（300℃以下），常规水朗肯循环热力性能低等问题，导致传统的WHR系统只能回收排气温度在175℃以上的能量。而有机朗肯循环（ORC）技术能有效的回收中低温余热，扩大回收能量的范围，因此有必要研究和设计ORC在船舶WHR系统中的应用方案，主要内容如下：
　　(1)本文以调制后的MAN6S50ME柴油机参数为基础，依据热平衡原理分析和计算柴油机能量的主要去向，得出柴油机各部分的余热可利用潜力值，分析各部分余热的“数量”和“质量”，为采用多方案回收不同“数量”和“质量”的余热打下基础。
　　(2)研究ORC的基本原理，列举选用工质的标准及应用限制，选出九种工质作为备选。根据ORC稳态循环图，对循环热力计算公式利用EXCLE调用refprop软件进行仿真计算，分析并得出R245fa综合性能最佳，最佳的蒸发温度在90—100℃之间。
　　(3)对MAN6S50ME船用低速柴油机WHR系统进行多方案设计，选用R245fa作为ORC工质，并给出船用WHR系统整体性能计算公式，经过仿真计算分析得出方案三发电效率最好，方案四综合性能较好，方案二比方案一更简单可靠等。
　　(4)提出ORC换热器的选用标准，对板式换热器、管壳式换热器和翅片管式换热器的换热系数、结构参数和阻力损失等进行对比分析，总结出板式换热器换热效果最佳，且能满足阻力损失需求。分别设计ORC循环用的板式蒸发器、预热器和冷凝器。
　　(5)根据提出的ORC膨胀机的选用标准，选用径流式汽轮机作为ORC膨胀机，利用计算程序对其进行一维气动设计，确定透平的基本数据，对比不同输入参数下的径流式ORC汽轮机的设计方案,预测单级径流式ORC汽轮机定熵效率等关键参数。
　　(6)对比目前国内各高校研究机构搭建的ORC实验台架，对本系统的ORC实验台架进行了初步设计与关键设备的选型，其中选用板式蒸发器、板式预热器、板式冷凝器、径流式汽轮机、有机工质屏蔽泵以及阀门管道的设计等。
　　全文对ORC在船用WHR系统中的应用、方案设计、性能评价和实验验证系统等做了论述，理论上采用合理的常规朗肯和ORC回收组合的方式能提高6S50ME柴油机热效率6％左右、回收的发电功率在1200kW左右，额外还能对外供给船舶正常运行所需的热水，回收效果较为明显。

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第1章 绪论

1.1 船舶节能减排与低碳绿色的发展趋势

1.2 船舶柴油机余热回收系统（WHR）简介

1.3本文的主要工作内容

第2章 船用柴油机余热利用潜力研究

2.1 船用柴油机的热平衡

2.2 船舶柴油机可利用余热潜力计算

2.3 本章小结

第3章 有机朗肯循环的原理与工质选择

3.1 有机朗肯循环的基本原理

3.2 有机工质的介绍和选择标准

3.3 有机工质的选择计算与分析

3.4 工质选择的计算结果与分析

3.5 本章小结

第4章 船舶柴油机余热回收多方案设计与评价

4.1 船用WHR系统的多方案设计

4.2 余热回收系统热力计算

4.3 计算结果与分析

4.4 本章小结

第5章 ORC换热器的选择与设计

5.1 ORC用换热器的介绍与设计目标

5.2 换热器的设计计算

5.3 三种换热器的性能对比与选择

5.4 板式换热器计算

5.5 本章小结

第6章 ORC膨胀机的设计

6.1 膨胀机方式的对比与选择

6.2 透平一维气动设计的意义与方法

6.3 有机工质汽轮机的设计方案

6.4 预测ORC汽轮机特性参数的意义

6.5 本章小结

第7章 船用柴油机余热回收ORC实验台架的设计

7.1 国内各高校实验台架概况

7.2 换热器的设计

7.3 膨胀机的选型

7.4 工质加压泵的选型

7.5 储液箱的设计

7.6 阀门管道的设计

7.7 实验方案总结

结论

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

附表一