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热力学分析新型双回路有机朗肯循环发动机余热和LNG冷能

标记（亮点）：

一种新型的专为处理发动机余热和LNG冷能双ORC系统。

排气和冷却水作为热源

液化天然气和液化气被认为是热沉。

ORC回路进行优化，产生最大的净输出功

摘要

海洋空气污染的很大一部分是因为船舶燃料的燃烧，因此发动机必须改进。双燃料发动机可以实现使用一个对生态友好另外还可以回收废热的系统。双燃料发动机（DF）介绍了LNG船，环保，具有很高的热效率，因为它使用天然气作为燃料。热效率可以进一步提高有机朗肯循环（ORC）。新型的双回路设计了DF引擎ORC系统。ORC上循环从废气回收余热，与底环回收余热，用来冷却水和液化天然气。ORC环对系统进行了优化，产生最大的网输出。最简单的双回路的正戊烷和R125作为工作流体产生一个额外的功率输出功率为729.1千瓦，这是原发动机输出的4.15%。进一步的系统改进研究使用的换热器和预热器进行，以及利用汽化的可行性对散热气体进行了分析。系统配置的优化显示，预热器用正戊烷和R125作为工作流体的增加最大净输出功的换热器906.4千瓦，这是原发动机输出的5.17%。

关键词：

有机朗肯循环

内燃机

液化天然气

海洋中的应用

1.引言

海洋气体排放占全球变暖的气体总量的2.7%^{[ 1 ]}，国际海事组织一直在严格规定海洋船舶取土排放量和提高发动机效率。在1997年，MARPOL附则VI介绍了如何调节NOx和船舶尾气中SOx的排放。自2008以来，附件VI已要求使用清洁燃料和减少氮氧化物排放量^{[ 2 ]}。改善现有的发动机排放量或引入新的生态友好型发动机可以减少废气的排放。双燃料（DF）发动机可能是未来船舶的主要发动机，因为他们排放更少的二氧化碳和氮氧化物，几乎没有任何烟尘和少量的余热。天然气作为发动机燃料时，效率优于柴油燃料^{[ 3 ]}。目前，双燃料（DF）发动机已经可以用天然气作为燃料。

一个DF发动机热效率约为49%，其余的能量被用来加热天然气，夹套冷却水，润滑油及作为辐射释放。在海洋应用，部分用于排气的热通过废气锅炉产生蒸汽（EGB）[ 4 ]。排气出口的温度仍在200°C，然而，热量的剩余部分被释放到海水或环境中。发动机浪费的热量可以通过有机朗肯系统循环（ORC），热电发电机（TEG），斯特灵发动机，或其他应用来回收[5,6]。ORC系统发动机与蒸汽循环的关系，以及ORC发动机的高性能，简单的配置和系统控制，及系统可调性和坚固性，未来很可能是ORC系统发动机占主导地位 [ 7，13 ]。不同的系统配置和工作流体选择被广泛的用于冷却应用的研究[ 14，24 ]。近年来，双回路的ORC（dl-orc）系统被用来有效地回收2种不同类型的废弃热量[ 25 ]，29 ]。

在LNG船上，发动机燃料存储在minus;165°C的低温下，且燃料潜热(370 kJ/kg/s)不能用传统蒸汽回收[ 30 ]。冷却存储罐上的冷能也是一种低于常温的热储层。液化天然气的冷能也能作为许多其他用途，例如如液化提取和空气分离，冷存储和空间冷却，发电和其他应用等。特别是发电可以使液化天然气运输船用优良负载能力。膨胀机能回收天然气压力能。在这个过程中，液化天然气被汽化膨胀机加压其压力超过40 bar。然而，对于移动设备其所需的压力太高，十分危险。使用液化天然气回收温度部分作为热循环的热沉。朗肯循环31-33和Kalina循环被应用于中低温热源和液化天然气库中。

在本文中，双回路的ORC系统提出了利用发动机废气加热和液化天然气冷沉。基本ORC系统的设计基于商用DF引擎。每个OR回路，为不同的系统配置分析流体的最佳流态。换热器和预热器用来提高系统性能和气态冷沉分析，所提出的系统模型，是基于质量和能量平衡方程，通过太阳能计算软件求得。

2. 系统描述与建模

2.1对DL-ORC系统的描述

在一个液化天燃气储罐中，发动机废热和液化天然气冷能有很多。对于冰单独应用，级联DL-ORC系统预计可以有效的回收发动机余热。但是，目前主要有两个主要差异使得级联配置的优点减少。

1. 排气温度降低，因为热废气部分用于废气锅炉（蒸汽发电机）。高温ORC（ht-orc）循环将降低蒸发温度，压力比会降低。
2. 低温液化天然气库进行具有降低冷凝温度的低温ORC（ltorc）循环。然而，液化天然气的热量不够满足双ORC循环（DF发动机，空气燃料质量比39：1）

基于这些考虑，一个简单的dl-orc系统设计使用双热源和冷水槽。简单的原理图如图1中有一个实心线。HT-ORC使用废气作为高温热源，并释放热量到海水，而IT-ORC采用水套冷却水作为低温热源和释放热量的作为液化天然气制冷。然而，不考虑间接释放到海水的热量，海水的热交换可引起换热器结垢。两个循环组成一个蒸发器，一个膨胀机，一个冷凝器和一个泵。旁路管线和压力控制阀被排除在简单建模外。

HT-ORC可以用换热器和预热器改进。图1中显示的是虚线。换热器增加一个ORC系统，高温蒸发器使用热膨胀机出口热减少进而热性能降低。同样，预热器减少了预热和供应的热量使得热性能降低。另一方面，预热器使得IT-ORC热源的温度降低因为它使用的热量是从IT-ORC热源的热乎套上的。

系统的工作原理如下。这个液体工质在抽蒸发器吸过程中加压并引导至一个蒸发器中，在蒸发器中工作流体受到热源加热然后蒸发。然后，汽化的工作流体的扩展，产生机械功，并被引导到一个冷凝器中，它释放热量到冷水池然后凝结。这个冷凝液被重新引入到泵中，循环结束。燃油泵/压缩机是IT-ORC循环系统的部分。如果一个换热器安装在HT-ORC循环系统中，泵中的液体和伸缩装置中的气体被引入到换热器，在这过程热从气流传送到液体流。如果预热器安装在HT-ORC循环系统中，夹套冷却水被按顺序引至IT-ORC的预热器、蒸发器。在预热器内，热从夹套冷却水中传输到泵中的液体。

2.2.建模

基于质量和能量平衡，ORC热力学系统模型在工程实施方程求解软件（EES v9.901）。在ORC系统，性能和操作特性不仅仅取决于操作条件，也取决于工作流体。基于特定热源条件下最佳工作流体的研究，六个HT-ORC的候选流体列于表1中。

表1 六个HT-ORC的候选流体物理特性，安全特性，环境特性

所选择的工作流体被认为是适用于中温热源[36]。同样的，对于LT-ORC潜在的工作流体被选定根据公布的学刊。七个候选流体列于表2。

表2个LT-ORC的候选流体物理特性，安全特性，环境特性

几个流体具有火焰传播和使全球变暖的潜能。对于循环的T-S图如图2所示。HT-ORC回路的能量平衡公式：

=(minus; ) = ( minus; ) (1)

式中，是指蒸发器的传热率，是质量流量，为热源的质量流率，是废气入口的焓，

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