有机朗肯循环对大型船用发动机冷却水系统废热回收的最优化分析外文翻译资料

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有机朗肯循环对大型船用发动机冷却水系统废热回收的最优化分析

摘要

在这项研究中，用来回收大型船用柴油机缸套冷却水的废热的朗肯循环（ORC）系统所用到的六种工作流体具有低臭氧层消耗潜在性和低全球气候变暖潜在性的。热力分析和有限温差传热方法被用来评估ORC系统的热效率、总换热面积、客观指标和辐射消耗。ORC系统为了达到最大的客观参数，本文研究了其最佳蒸发温度和冷凝温度、换热器的总换热面积以得到净功率输出率。

研究结果显示，在6种工作流体中，在蒸发温度从58℃到68℃和冷凝温度在35℃到45℃之间时，R600a在最佳参数评估中表现最好，其次分别是R1234ze、R1234yf、R245fa、R245ca和R1233ze。文中还指出最佳操作温度和对应的热力效率和辐射损失。而且，在ORC系统中，缸套水的进口温度和冷却水的温度会影响废热回收。此研究的结果被理论解决方案和实验结果证实，并且显示结果相一致。

1.介绍

由于能源短缺、全球气候变暖和环境污染，节约能源和节能减排对高效利用能源变得越来越重要。余热回收对提高能源利用率和减低燃油消耗具有相当大的潜力。尽管传统的蒸汽动力循环已应用在普通工业动力设备中，但利用朗肯循环来回收低品废热还是很少的。为了提高能源效率和能源资源的经济性利用率，一个ORC系统可以用来回收低品废热并将其转化为有用的能量^[1-3]。另外，ORC系统运用在水泥、钢铁、玻璃、室友和天然气等产业不仅可以回收热力能量，而且可以减少温室气体的排放^[4-5]。

因为工作流体的热力学性能会大大影响系统的性能，评估ORC所用的工作流体是否适当显得非常重要。一些实验者研究了ORC系统用于回收余热的雨季流体的适当性^[6-9]。此外，谢和杨（人名）^[10]用朗肯循环来回收发动机的废热。结果显示，等熵干流体比湿流体更好，因为由于湿流体的饱和蒸汽特征导致形成小液滴的可能性减小了。最近，已经有报道研究爱工业设备中利用ORC系统将低温排热转化为重要的能量^[11-12]。

要高效的回收废热，对最优化的ORC系统进行热力学分析是至关重要的。伟等人^[13]用R245fa作为工作流体来优化ORC系统的热力学性能。结果揭示了，当周围环境温度特别高的时候，系统的净输出功率和效率会从额定状态减低30%以上。要回收废热，要基于ORC系统进行数值上性能分析的参数最优化^[14-15]。此外，在优化ORC系统的过程中要考虑一个经济因素。另外也要对用于各种废热源温度的ORC系统的热力学和热经济性做最优化^[16-19]。

沈军等人^[20]使用地热源，将两种优化方法在ORC系统中应用于各种工作流体。他们研究报告，通过热力分析，R123、R600、R245fa、R245ca和R600a都合适。但是，通过能量损失评估，R152a、R600、R600a、R134a、R143a、R125和R41对系统更有利。此外，田等人^[21]研究了优化的ORC系统的热效率和发电成本，并报道在用于回收内燃机的排气废热，R141b、R123和R245fa相比较于其他工作流体显示出更合适的性能。王等人^[22]分析了一个使用R134a的ORC系统，通过在费热源条件下，使能量效率最大化和设备消耗最小化来达到系统的最优化。Roy等人^[23]使用R12、R123、R134a和R717作为工作流体在等压状态下过热，他们在数值上研究了ORC系统并提出参数最优化。他们称，R123在各种涡轮机进口压力下显示出最大化的热效率和最小化的不可逆性。

而且，ORC能源设备的太阳热能的理论分析和能量评估在反渗透海水淡化技术中已经被提到^[24-25]。Sprouse等人^[26]重新评估ORC系统用于内燃机排气废热回收，结果显示通过利用当前适当的工作流体和先进的扩张器技术，燃料经济性潜在着大约10%的提升。在数值上评估废热发电系统的应用，包括一个ORC和热泵^[27]。系统的性能评估结果揭示了，在他们的研究中所利用的工作流体中，R236ea和R245ca最好。另外，通过利用工程代码，可以在数值上进行ORC系统的热力学和技术经济分析^[28-30]。

工作流体的热力学性能和运送性能会大大影响ORC系统的性能。而且，当热源温度低的时候（80-90℃），热交换损失变得很严重。要提高ORC系统的热效率，在各个状态下合适的工作流体和ORC的最佳工作条件必须是显而易见的。当分析最佳操作条件，以在ORC系统回收废热中得到最好性能和最少的热交换损失，就必须考虑到这种低全球气候变暖潜在性的工作流体的热力学性能和运送性能。此外，要提高商船的能效指数和降低温室气体的排放，从大型船用柴油机废热是个重要的方法^[31]。本文研究了最大客观参数，就是从大型船用柴油机的冷却水系统中回收废热的ORC系统的最大净功率输出率和换热面积比。考虑到保护环境，选取工作流体的标准是零臭氧层消耗潜在性和低全球变暖潜在性。表一列出了工作流体的性质^[32]。热力学第一、第二定律和传热理论在本研究中用来计算涡轮机的输出功率、热效率、能量损失和ORC系统的换热器面积。而且，最大客观参数和相应的最佳冷凝和蒸发温度，以及热效率使用R1332zd、R1234yf、R1234ze、R245ca、R245fa和R600a作为工作流体得到的。

表一

工作流体的性质

2.热力学建模和分析

在这个研究中，用于回收大型船用柴油机废热

的ORC系统做外研究对象，这个ORC系统主要包括

一个工作流体泵、蒸发器、涡轮机、冷却器和预加

热器，如图1所示。假定系统能提供给所有的组成

部件稳定状态条件。在蒸发器中，工作流体吸收了

来自柴油机释放给缸套水的热量达到饱和温度。工作

流体继续被加热达到饱和蒸汽，然后在涡轮机进口处

变成过热蒸汽，过热蒸汽在通过涡轮机时膨胀而产生

能量。低压过热蒸汽进入预加热器并加热从冷凝器出

来的液态工作流体。随后，冷却水在冷凝器中冷却工

作流体。冷凝后，液态工作流体被泵回到预加热器和

蒸发器中完成循环。此外，ORC系统中安装多台水泵

来供给缸套水和冷却水。图2提供了一个描述工作流

体温度和熵的状态图。而且，在缸套水、工作流体和

冷却水之间的传热引起温度变化也在图中显示了。

图3显示了ORC系统中工作流体的温度和熵之

图1 ORC系统简图

间的关系。为了避免工作流体在涡轮机中产生能量后

变得饱和而损坏涡轮机，本研究用到的工作流体在温熵图中产生一条正的、几乎垂直的倾斜饱和线。很明显，在6中工作流体中，R600a的饱和液和蒸汽之间的熵差是最大的，意味着R600a在换热器中发生相变过程中展现出最大的熵变。另外，R245ca和R1234yf的临界点在6中工作流体中分别是最高和最低的。

图2 ORC系统的温熵图

图3 工作流体的温熵曲线

蒸发器的热流量和展现出的不可逆性计算如下

工作流体在涡轮机中的输出功率和演示不可逆性计算如下

预加热器的效率和不可逆性

冷凝器的热流量和展示不可逆性可以表示如下

工作流体泵的消耗功率和不可逆性可以定义如下

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