柴油机余热回收温差发电—有机朗肯联合循环变工况性能研究--《天津大学》2014年硕士论文
柴油机余热回收温差发电—有机朗肯联合循环变工况性能研究
【摘要】：节能和环保是汽车工业发展的两大主题。有关研究表明,发动机燃料燃烧所发出的能量只有三分之一左右被有效利用。回收利用这部分能量已经成为了提高内燃机效率重要的方式之一。其中,温差发电(TEG)技术具有可耐高温、无运动部件等优点,是适合柴油机排气余热这种中高温品位余热回收的技术手段;有机朗肯循环(ORC)具有运行稳定、效率高等特点,但是受限于工质的高温分解问题,适合于内燃机余热的回收中低温品位余热回收。柴油机变工况下排气温度较高且变化范围较大,可使用TEG系统预先对高温的排气进行回收,将排气温度降到有机工质适宜工作的范围,为ORC系统回收余热创造有利条件。因此,TEG和ORC的联合循环对柴油机变工况下的余热能进行回收是本文的研究重点。本文基于MATLAB建立了TEG与ORC联合系统的热力学模型,对某型柴油机开展了变工况余热回收的模拟研究。根据柴油机排气余热温度特性,TEG系统材料选择工作温度在300~600摄氏度范围的p型TAGS(碲锑锗银)/n型PbTe材料。ORC系统为带回热系统,可以进一步提升回收效率,系统有机工质为R123,其分解温度为600K。鉴于工况点较多,为使ORC系统在不同排气温度工况点下都可以稳定工作,且蒸发压力过大对系统稳定性有影响,所以选用较低蒸发压力以保证系统安全正常运行,故ORC系统朗肯循环状态为亚临界,工质蒸发压力为2MPa,冷凝温度为308K。分析结果表明,此联合系统基本可在柴油机全工况下运行。柴油机中高负荷时排气温度和流量相对较大,联合回收系统的输出功较高。联合系统在不同工况下的输出功最高可达30.36kW。其中TEG系统输出功为2.24kW,ORC系统输出功为28.12kW。发动机指示热效率最高可以提高5.52%,其指示热效率最高值为47.1%。联合系统在r/min转速,70%-90%负荷这一工况范围下性能表现更好,若柴油机常在中高转速大负荷工况下运行,则使用此系统回收余热具有较大的经济价值。本文还设计并制作多模块串联的温差发电装置进行实验研究,探究了温差发电系统不同的冷热端温度下的伏安特性规律以及电流、输出功率关系。实验结果表明,冷端温度293K,热端温度473K时温差发电装置有最大输出功率39.648W。并使用此实验结果对TEG-ORC联合系统中TEG系统的理论模型进行了针对多模块串联后的修正,使其更能真实反映多模块串联后的温差发电系统回收余热的能力。此实验可以为联合系统模型修正优化以及TEG-ORC联合循环的实验研究进行前期的铺垫,有助于今后联合系统实验工作的开展。
【学位授予单位】：天津大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2014【分类号】：TM913;TK115
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400-819-9993船舶基本总能热力系统热平衡及经济性分析-基本经济问题-论文联盟
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船舶基本总能热力系统热平衡及经济性分析
来源：论文联盟&
作者：李章德
船舶基本总能热力系统热平衡及性分析
　　船舶动力装置所需能量包括产生推进功率的能、供应全船机电设备用电的电能以及满足全船用蒸汽和热水的热能。这三种能量形式不同，但它们都来自于一次能源&&燃料的化学能。所谓船舶总能热力系统是指由若干动力机械、热交换设备、连接管网和其它辅助机械设备及系统组成的，用于实现热能传递、转换或完成某些特殊反应过程的系统。　　 1.柴油机船舶动力装置基本总能系统的热平衡　　图1是较为简单的柴油机动力装置船舶总能热力系统热线图。装置输入的能量包括产生船舶推进功率的主柴油机消耗燃料的能量；供应全船用电的辅柴油机发电机组消耗燃料的能量；供应全船蒸汽和热水的燃油辅助锅炉所消耗燃料的能量本文由联盟收集整理三个部分。装置输出的能量是主、辅柴油机和锅炉将它们从燃料中吸收热量的一部分转变为有用机械功率、电功率及有用热，一部分被排气带走，另一部分被冷却水带走，还有一部分为机械传动系统和螺旋桨损失的当量热量及机械表面散热所带走的热量。三个主要耗能机械在时能量产生过程是相互独立的，整个装置作为一个总能系统是由各个机组单独地组合起来的。该基本总能系统的热平衡方程式为：　　称为附加效率。从式（4）可见，总能系统热效率十分重要地取决于附加效率&AD。&AD的大小一方面取决于所选用的辅柴油机、辅助锅炉的热效率及辅助机械耗热、耗汽和耗电设备的工作经济性，即应尽可能减少辅柴油机和辅助锅炉的相对油耗率&和&；另一方面柴油机的废热利用，总能系统的合理配置及其完善程度均会明显地影响附加效率的大小。　　 3.带有余热利用的柴油机动力装置船舶总能系统经济性分析　　由式（1）可知，主柴油机排气余热损失GME（HME-hME）在总能量中占有较大份额，一般达到27%～40%，且主柴油机排气余热温度高，可利用的单位热量大，船舶上除采用废气涡轮机装置回收部分热量用以提高柴油机有效功率外，还可利用废气锅炉来进一步回收排气余热，产生蒸汽和热水，或通过蒸汽透平进行发电，以全部或部分代替辅助锅炉和辅柴油机，减少辅柴油机和辅助锅炉的相对油耗率&和&，提高总能系统的附加效率。而主柴油机冷却水余热的温度低，量大，通常可用来进行制淡或制冷。　　图2为柴油机动力装置船舶废热利用方案的综合热线图，设废除气锅炉产量为DEB，全船需汽量为DS，则为&=1-DEB/DS为锅炉燃油节省系数。若废气透平发电量为WAF，全船需电量为WAE（不计废气锅炉和透平系统耗电量），则&=1-WAF/WAE为发电机节油率。则有总能系统附加效率为：
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