船舶發(fā)動機(jī)余熱回收熱力循環(huán)的理論優(yōu)化及試驗(yàn)研究.pdf

1、在各行各業(yè)節(jié)能減排的背景下，作為國際貿(mào)易主要的運(yùn)輸工具，船舶消耗著巨大能源的同時(shí)也受到了國際排放法規(guī)的嚴(yán)苛限制，其節(jié)能減排的工作具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。從船舶的能流平衡分析來看，大型二沖程柴油機(jī)的熱效率高達(dá)48-51％，但仍有一半左右的能量以廢氣、缸套水和增壓空氣等廢熱方式釋放到環(huán)境中，余熱能量巨大。由于船舶發(fā)動機(jī)具有運(yùn)行工況穩(wěn)定以及可以直接使用海水作為冷源等優(yōu)點(diǎn)，促使船舶發(fā)動機(jī)余熱回收利用成為船舶節(jié)能減排領(lǐng)域中一個(gè)極具潛力的技術(shù)手段。

2、基于此，本文針對船舶余熱能量達(dá)和船舶存在電、冷等多能量需求的特點(diǎn)，以提高余熱回收熱力系統(tǒng)的總能效率為目標(biāo)，對船舶發(fā)動機(jī)余熱回收熱力系統(tǒng)展開了理論探索和試驗(yàn)研究。
　　本文以瓦錫蘭12RTA96C低速船舶柴油機(jī)為研究對象，根據(jù)發(fā)動機(jī)在不同工況下的運(yùn)行參數(shù)，對發(fā)動機(jī)的能流特性進(jìn)行了理論分析。按照發(fā)動機(jī)燃油成分和進(jìn)氣參數(shù)，通過燃燒反應(yīng)方程式推導(dǎo)方法分析了排氣成分的含量，采用混合氣體的混合法則對發(fā)動機(jī)排氣的熱物性參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算分析，在此基

3、礎(chǔ)上對各余熱源在不同發(fā)動機(jī)工況下的“能流”和“?流”特性進(jìn)行了理論分析，為余熱回收系統(tǒng)性能研究提供了理論依據(jù)。結(jié)果表明，隨著發(fā)動機(jī)負(fù)荷的增加，各熱源的能量和量均增加，在所有余熱源中，發(fā)動機(jī)排氣能量最大，在110%CMCR工況下達(dá)到最大值42808kW。同時(shí)，當(dāng)發(fā)動機(jī)負(fù)荷增加時(shí)，增壓空氣的能量和?量比例增加，缸套水和排氣的能量和?量比例卻減小了。
　　在探明船舶發(fā)動機(jī)余熱特性的基礎(chǔ)上，建立了朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，開展了系統(tǒng)的

4、熱力學(xué)性能分析，為試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)的性能、穩(wěn)定性、安全性、經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性等因素篩選了11種工質(zhì)，展開了蒸發(fā)壓力、冷凝溫度和發(fā)動機(jī)工況對系統(tǒng)性能的影響分析。結(jié)果表明，對于大部分選取的工質(zhì)，余熱回收系統(tǒng)的輸出電量隨著蒸發(fā)壓力的增大先增大后減小且存在最大值，隨著冷凝溫度的減小而增大，在發(fā)動機(jī)大負(fù)荷下余熱回收潛力巨大。Cyclohexane作為工質(zhì)時(shí)系統(tǒng)的凈輸出電量最大，發(fā)動機(jī)的熱效率達(dá)52.08%，比原機(jī)提高6.5%；而使用水

5、作為工質(zhì)時(shí)系統(tǒng)的熱效率和效率最高。
　　以YC6L330-30柴油機(jī)作為船舶發(fā)動機(jī)模擬機(jī)器，建立了導(dǎo)熱油中間換熱的有機(jī)朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)試驗(yàn)平臺，進(jìn)行了采用膨脹閥和透平式膨脹裝置時(shí)的系統(tǒng)性能研究。當(dāng)發(fā)動機(jī)在轉(zhuǎn)速1700rpm、功率225kW工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，膨脹閥進(jìn)口工質(zhì)?最大達(dá)到19.3kW，占發(fā)動機(jī)功率的8.58%；當(dāng)動機(jī)在轉(zhuǎn)速為1900rpm、功率為228kW時(shí)，透平膨脹裝置所產(chǎn)生的最大發(fā)電量僅為253W，占發(fā)動機(jī)功率的0.1

6、1%。在此基礎(chǔ)上，分析了系統(tǒng)所存在的問題，提出了下一步改進(jìn)的方向。
　　為提高余熱回收熱力系統(tǒng)的總能效率，在簡單朗肯循環(huán)的基礎(chǔ)上，分析了缸套水預(yù)熱系統(tǒng)、水蒸氣中間再熱系統(tǒng)、水蒸氣雙段雙壓系統(tǒng)、雙級朗肯循環(huán)系統(tǒng)和朗肯-吸收式冷電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)等5種不同循環(huán)結(jié)構(gòu)的余熱回收熱力系統(tǒng)，構(gòu)建其數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了熱力學(xué)性能對比分析。結(jié)果表明，在相同的蒸發(fā)壓力下，除了缸套水預(yù)熱系統(tǒng)外，其余的余熱回收系統(tǒng)的凈輸出電量均比簡單朗肯循環(huán)高，朗肯-吸收式冷電聯(lián)

7、產(chǎn)系統(tǒng)總能轉(zhuǎn)化效率最高，其最高等效輸出電量達(dá)6068kW，此時(shí)其電量和制冷量分別為2927kW和12765kW，符合船舶上多能量需求的特點(diǎn)，是適合船舶發(fā)動機(jī)余熱回收的技術(shù)手段。本論文對選定的朗肯-吸收式冷電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化。按照船舶上的能量需求，采用朗肯-帶再生器的吸收式冷電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)對電量和冷量輸出比例進(jìn)行了重新調(diào)整，在降低冷量輸出的基礎(chǔ)上增加電量輸出。系統(tǒng)的輸出電量增加到5121kW，而制冷量降低為489.3kW。不僅數(shù)量上