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作者：吕延枫大连海事大学

学位级别：硕士

伴随我国相继提出“一带一路”、“海洋强国”、“交通强国”等发展战略,船舶航运业都在其中扮演着重要角色,船舶节能水平与节约能源及保护环境直接关联。船舶余热回收作为船舶节能领域的重要研究方向,备受关注。温差发电和有机朗肯循... 详细信息

伴随我国相继提出“一带一路”、“海洋强国”、“交通强国”等发展战略,船舶航运业都在其中扮演着重要角色,船舶节能水平与节约能源及保护环境直接关联。船舶余热回收作为船舶节能领域的重要研究方向,备受关注。温差发电和有机朗肯循环技术在船舶余热回收领域具有较好研究前景。基于充分发挥二者优势并弥补局限性、提高船舶能效并优化余热利用效率的目的,本文设计了基于teg-orc联合循环的船舶余热利用系统,并采用数值模拟的方法对其进行研究。首先,本文设计了基于teg-orc联合循环的船舶余热利用系统,建立了该系统的热力学模型并完成了相关设计计算。主要包括:重力热管的设计计算;温差发电部分的传热计算;有机朗肯循环发电部分主要余热利用装置的设计计算。其次,对系统中温差发电单元,预热器单元,蒸气发生器单元进行了实验装置尺度的设计,并对其流动及换热情况进行了数值模拟。结果表明,主机烟气为573 K的工况下,在温差发电单元中,发电片热端平均温度为508 K,温差发电理论输出功率为384 W,余热利用量为7.3 kW,余热转换效率为5.3%;在预热器单元中,有机工质温度升高45K,余热利用量为6.8 kW,余热转换效率为70.6%;在蒸气发生器单元中,有机工质出蒸气发生器温度为415 K,有机朗肯理论输出功率为4.7 kW,余热利用量为12.6 kW,余热转换效率为37.2%。系统总输出功率为5.084kW,余热总利用量为26.7kW,总效率为18.6%.最后,完成了实船尺寸下的相应单元装置的设计,并进行实船装置的数值模拟。结果表明,主机烟气为573 K的工况下,在温差发电单元中,发电片热端平均温度为510K,温差发电理论输出功率为12 kW,余热利用量为240.2 kW,余热转换效率为5.0%;在预热器单元中,有机工质温度升高46K,缸套水余热利用量为301.8 kW,余热转换效率为66.1%;在蒸气发生器单元中,有机工质出蒸气发生器温度为418K,有机朗肯理论输出功率为168.5 kW,余热利用量为551.2 kW,余热转换效率为31.1%。系统总输出功率为180.5 kW,余热总利用量为1093.2 kW,总效率为17.3%。

关键词：船舶节能余热利用 teg-orc联合循环数值模拟

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基于teg-orc联合循环的船舶余热回收仿真与模拟研究

基于TEG-ORC联合循环的船舶余热回收仿真与模拟研究

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作者：王慧斌大连海事大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：船舶节能余热利用 teg-orc联合循环系统仿真换热模拟

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面向船舶多种余热梯级利用的teg-orc联合循环性能

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工程科学学报 2021年第4期43卷 577-583页

作者：柳长昕叶文祥刘健豪吕冠澎赵庭祺董景明大连海事大学轮机工程学院大连116026

传统的温差发电(teg)和有机朗肯循环(orc)等技术难以兼顾船舶多种性质余热的不同特点,且利用率较低.本文提出了一种teg-orc联合循环船舶余热梯级利用系统,研究了orc底循环蒸发压力变化对系统输出功率、热效率、多级余热利用量和成本等... 详细信息

传统的温差发电(teg)和有机朗肯循环(orc)等技术难以兼顾船舶多种性质余热的不同特点,且利用率较低.本文提出了一种teg-orc联合循环船舶余热梯级利用系统,研究了orc底循环蒸发压力变化对系统输出功率、热效率、多级余热利用量和成本等重要性能的影响.结果表明,teg-orc联合循环实现了发电成本和热效率的优化,在teg/orc底循环比为0.615的工况下,主机烟气余热利用率随orc蒸发压力的增加在小区间波动,系统的余热利用功率、输出功率和热效率均随orc蒸发压力的增加而增大,系统单位发电成本随orc蒸发压力的增加而降低.在orc蒸发压力达到0.9 MPa时,主机烟气余热利用率为62.15%,余热利用功率为1919.68 W,输出功率为139.22 W,热效率为7.25%,单位发电成本为3.09¥·(kW·h)^(-1).

关键词：船舶能效余热回收梯级利用 teg-orc联合循环蒸发压力

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采用温差发电-有机朗肯循环联合系统的船舶余热利用实验研究

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西安交通大学学报 2020年第8期54卷 50-57页

作者：叶文祥柳长昕刘健豪赵聪代天伦马科飞大连海事大学轮机工程学院辽宁大连116026

为了实现具有复杂特性的船舶多种余热的高效回收,提出了一种基于温差发电-有机朗肯循环(teg-orc)联合循环的船舶余热梯级利用系统。根据底循环对主机烟气的利用量,定义了teg/orc底循环比参数。通过实验研究,探索了在orc蒸发压力为0.9 MP... 详细信息

为了实现具有复杂特性的船舶多种余热的高效回收,提出了一种基于温差发电-有机朗肯循环(teg-orc)联合循环的船舶余热梯级利用系统。根据底循环对主机烟气的利用量,定义了teg/orc底循环比参数。通过实验研究,探索了在orc蒸发压力为0.9 MPa的工况下,系统输出功率、热效率、多级余热利用量和发电成本等重要性能参数随底循环比的变化规律,并对联合循环系统的性能及其影响规律进行了评估。实验设计了热管强化换热装置用以克服前期研究中发现的teg底循环热端换热瓶颈。结果表明:3种底循环比(0.369、0.508、0.615)工况下的实验结果与模拟结果基本一致;teg-orc联合循环系统更好地利用了多种船舶余热及teg底循环的冷却散热,提升了余热利用性能和输出功率,使其热效率高于各底循环且发电成本低于各底循环;在teg/orc底循环比为0.615时,联合系统输出功率为134.50 W,热效率为6.93%,发电成本为3.32元/(kW·h)。teg-orc联合循环可实现船舶多种烟气余热的梯级利用,提高余热利用量,并提升orc底循环运行的稳定性和安全性。

关键词：船舶余热梯级利用底循环比 teg-orc联合循环

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变工况下船舶多种余热利用系统性能评估

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船舶工程 2022年第8期44卷 79-83页

作者：叶文祥王慧斌中国船级社青岛分社山东青岛266034 中国船级社舟山办事处浙江舟山316004

余热回收是提高船舶能效的重要途径之一,但单一余热利用方法诸如温差发电(teg)和有机朗肯循环(orc)等余热利用能力有限且难以实现船舶多种余热回收。基于此,文章提出了一种基于teg-orc联合循环的船舶多种余热利用系统。在完成系统设计... 详细信息

余热回收是提高船舶能效的重要途径之一,但单一余热利用方法诸如温差发电(teg)和有机朗肯循环(orc)等余热利用能力有限且难以实现船舶多种余热回收。基于此,文章提出了一种基于teg-orc联合循环的船舶多种余热利用系统。在完成系统设计的基础上,结合具体工况开展试验研究,分析了输出功率、热效率、发电成本、主机烟气余热利用量等主要性能参数随teg/orc底循环比、orc工质蒸发压力的变化规律,并对系统性能进行评估。结果表明,联合循环系统在实现船舶多种余热利用的同时提升了余热利用性能。

关键词：余热回收底循环比工质蒸发压力 teg-orc联合循环

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船舶多种余热梯级利用装置设计与性能分析

船舶多种余热梯级利用装置设计与性能分析

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作者：叶文祥大连海事大学

学位级别：硕士

随着航运市场规模的不断扩大,船舶能源浪费问题和船舶碳排放造成的环境污染问题也日渐突出。如何提升现有船舶能效,实现其低碳模式运行,已经被世界各国造船业和航运业列入重要研究课题。通过前期调研发现,船舶余热种类较多、体量较大,... 详细信息

随着航运市场规模的不断扩大,船舶能源浪费问题和船舶碳排放造成的环境污染问题也日渐突出。如何提升现有船舶能效,实现其低碳模式运行,已经被世界各国造船业和航运业列入重要研究课题。通过前期调研发现,船舶余热种类较多、体量较大,而传统的温差发电(teg)和有机朗肯循环(orc)等技术回收船舶余热的手段较为单一,难以兼顾船舶多种性质余热的不同特点,且利用率较低。因此,本文从改善废热回收的角度出发,提出了一种基于teg-orc联合循环的船舶余热梯级利用系统,利用二者的优势并弥补相关局限性,实现主机烟气余热、缸套水余热、增压空气余热等不同种类、不同温度梯度的低品位船舶余热利用。首先,根据船舶余热自身的特点,完成包括teg底循环和orc底循环的联合循环系统原理图设计,建立了teg-orc联合循环系统的理论模型和发电成本模型。其次,设计船舶余热回收实验系统,搭建完成teg-orc联合循环实验台。具体工作包括:完成有机工质选型,检测实验系统管路耐压性和气密性;根据前期理论计算和数值模拟结果,对实验台主要装置的规格完成设计,这其中部分换热装置的性能高于预期;完成数据监测采集单元的信号接收设定和主要实验装置的调试工作;通过试运行实验系统,模拟变工况实验研究以优化实验方案,并建立实验数据误差分析体系。最后,开展船舶余热利用实验研究。先选用R22工质,保证工质质量流率一定,通过改变teg/orc底循环比和orc工质蒸发压力,证实了联合循环系统回收多种船舶余热的可行性,并分析不同实验变量对系统内部耦合特性的影响;在此基础上,再选用R245fa工质开展变工况实验研究,将实验结果与之前的仿真模拟结果比较,分析了系统输出功率、热效率、单位发电成本、主机烟气余热利用能力等主要性能参数的变化规律,并对影响系统各项参数的变化机理进行分析和评估。当teg/orc底循环比为0.615且orc工质蒸发压力达到实验最大值时,系统各项参数输出性能达到最优。在选用R245fa循环工质下,系统输出功率为483.25 W,余热利用功率为5796.72 W,热效率为8.34%,单位发电成本为2.239￥/k Wh,主机烟气余热利用率为69.05%。综上可知,teg-orc联合循环实验系统可实现船舶多种烟气余热的梯级利用,提高余热利用性能同时提升了orc底循环运行的稳定性和安全性,并实现了单位发电成本和热效率的优化。

关键词：船舶余热梯级利用底循环比工质蒸发压力 teg-orc联合循环

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