论文部分内容阅读
作为海上运输的交通工具,船舶能耗巨大的同时,对能源的利用率却依旧处于较低水平。船舶主机运行时,很大一部分热量未被利用便以余热的形式散发到环境中。能源浪费的同时,大量的碳排放对环境也造成了巨大影响。因此,余热回收以其性价比高、节能效果明显等优势逐渐成为节能领域的研究重点之一。目前,研究较为广泛的余热利用技术有温差发电(TEG)与有机朗肯循环(ORC)等。然而,凭借单一的余热利用技术很难实现船舶多种类、多温度区间余热的回收。在对TEG与ORC两种技术的优势与不足进行分析后,结合船舶余热的特点,提出了一种基于TEG-ORC联合循环的船舶余热梯级回收系统。首先,完成了 TEG-ORC联合循环的系统设计,并以TEG与ORC的理论模型为基础,建立了 TEG-ORC联合循环系统热力学模型与热经济模型。其次,完成了基于MATLAB与REFPROP软件的TEG-ORC联合循环系统仿真。设定TEG单元规模(这里以温差发电片片数表示)、ORC工质蒸发压力以及ORC工质流量为变量,考察系统净输出功率、热效率、成本等五大重要性能参数随变量变化的规律。之后,对仿真得到的多组解进行筛选,得到系统最优解。仿真结果显示,系统经济性最优时,温差发电片片数为22片、ORC工质流量为0.44kg/s、蒸发压力为2.2MPa,发电成本为1.77元/kW·h,净输出功率为2520.30W,热效率为23.33%。最后,在完成TEG-ORC实验系统设计后,以仿真得到的最优解为条件,对实验系统中TEG单元、二级预热器(主机缸套水余热)、三级预热器(增压空气余热)及ORC蒸发器中的换热过程进行数值模拟。模拟结果表明,在理论最优工况下,TEG单元中,热端与冷端平均温度分别为536.20K和314.28K,TEG输出功率约为51.20W。经过TEG单元后,主机烟气温度约为554.75K,主机烟气余热利用量约为402.20W,ORC工质温度约为312.03K;在第二级预热器中,ORC工质经预热后温度升至332.23K,利用主机缸套水余热量为433.82W;在第三级预热器中,ORC工质经预热后温度达到397.66K,利用增压空气余热量为1363.26W;在蒸发器中ORC工质吸热后蒸发至399.86K,主机烟气最终出口温度为479.46K,利用主机烟气余热量为1568.47W。研究表明,TEG-ORC联合循环系统可实现船舶多种余热的梯级回收与利用;系统净输出功率较高且热效率较高;TEG单元的加入可以有效降低主机烟气进入蒸发器前的温度,避免了 ORC工质高温裂解的危险,提高了系统可靠性。TEG-ORC联合循环的优势证明了其在船舶余热回收方面前景广阔,具有研究价值与实际应用价值。