英语原文共 14 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
有机朗肯循环（ORC）蒸发器对用于船舶应用的涡轮增压重型柴油发电机的排气管线的背压效应的分析
在海洋和发电行业中，废热回收技术正在引起越来越多的关注，这项技术有利于增加重型柴油发动机的效率并降低燃料消耗，目的是遵守严格的排放法规。
在这项工作中，对有机朗肯循环（ORC）蒸发器在涡轮增压，V12重型柴油发动机的排气管线，典型的船舶和发电应用的背压效应已经使用商业软件Ricardo WAVE进行了调查。评估了现有的三种不同涡轮增压技术，以便平衡由于锅炉安装：固定涡轮机，废气门（WG）和可变几何涡轮机（VGT）引起的发动机增加的泵送损失。同时，评估了两种不同的ORC配置，简单的尾管蒸发器和回热的简单尾管蒸发器布局的稳态热力学性能，具有进一步增加发动机功率输出的范围，回收未使用的废气热量。几种不同的工作流体，适合中高温废热回收，评估和筛选，以及健康和安全问题。优化了热力循环参数，例如蒸发和冷凝压力，工作流体质量流量和循环温度，以便获得制动比燃料消耗（bsfc）的最大改进。
从发动机侧来看，VGT涡轮增压器是背压耐受增加的最有利的解决方案，而关于ORC侧，在所考虑的流体和布局之间，丙酮和再生循环显示最有希望的性能。
用于大型船用柴油发动机的有机朗肯循环（ORC）技术作为发动机和ORC系统制造商的废热回收解决方案，由于其具有降低燃料消耗，低运行成本和低温室气体排放的潜力而不断获得越来越多的关注。从参考文献[1], [2]和[3]可以看出。
在可行性研究中提出的或者已经完全集成在船上的系统旨在从多种不同来源（例如废气，夹套冷却水，润滑油和增压空气）中回收热量，使用不同系统水平的复杂性和有机工作流体通常根据热源的温度水平选择，以使热力学性能最大化。
此外，ORC系统也以从MW大小的两冲程船舶推进单元的较低温度的热源回收热量正在开发，特别地，集中于发动机套水热回收。
然而，在发动机的排气管线上装配有机朗肯循环（ORC）系统也具有一些缺点：例如，由于可能的流体排气接触而增加的安全问题，增加的重量和整个系统的复杂性以及增加的发动机背压 ，这可能导致性能下降。 如本文所讨论的，发动机背压可以平衡实施适当的涡轮增压策略。
关于在海洋应用发动机背压和涡轮增压策略文献相当稀疏[5]，[6]，[7]，[8]和[9]。在[5]，[6]和[7]通过响应于背压变化动态地改变所述涡轮喷嘴区，以提高发动机的性能的控制策略的发展，提出。一种新颖的增压涡轮增压系统也提出赫尔曼[8]为了处理海底发动机稳态和动态背压的条件下，而Hield[9]提出了一种涡轮增压柴油发动机的响应的详细结果到稳态和动态变化背压，重点集中在解释相关流程。
在海洋以外的应用中，例如车辆和几百千瓦尺寸的固定式发动机，在文献中经常讨论该主题。
例如，Katsanos et al。 [10]提出了一个理论研究，以探讨朗肯循环应用于重型卡车柴油发动机的余热回收效率潜力。 从模拟结果获得约10.2％的最大燃料经济性，并且还讨论了发动机背压
Horst et al。 [11]提出了一个动态仿真模型，用测试台测量验证，以预测在动态高速公路情景下的燃料节约潜力。 作者观察到作为ORC的废热回收系统可以提高约3.4％的燃料效率，但是诸如重量增加和增加的发动机背压的效果不可忽略。 对于稳态高速驱动条件，可以期望在20和5毫巴背压之间的平均值，但是在加速峰值期间可以达到较高的背压。
Bei et al。 [12]提出了一种使用CFD方法的ORC翅片管式蒸发器的仿真模型。 发动机侧使用1-D方法建模。 对于所考虑的四缸涡轮增压发动机报告有限的背压（高达2毫巴），估计燃料消耗增加1％。
Di Battista et al。 [13]讨论了由于在轻型商用车推进的涡轮增压IVECO F1C 3.0 L发动机的尾管上安装ORC板式热交换器而引起的背压增加的影响。 所提出的板式锅炉导致高的背压增加超过250毫巴。 他们得出结论，VGT涡轮机策略可以减轻增加的泵送损失缺陷效应。 还研究了锅炉非设计操作条件和重量增加问题。
Allouache et al。 [14]报道了关于在6.7L康明斯重型柴油发动机的尾管上安装排气热交换器的研究。 已经测试了热交换器，以便使用R245fa作为ORC工作流体来优化压降。 还报道了在整个负载/速度范围内的5％的回收潜力和发动机热效率改进的估计。
Yamaguchi et al。 [15]提出了关于从具有高压和低压EGR（废气再循环）回路的6缸重型柴油发动机的废气热量的回收的可行性研究，以及两种不同的增压策略以平衡增加的背压。 当使用ORC系统时，在80km / h恒定速度的公路巡航条件下，使用单级涡轮增压结构的燃料经济性改进为2.7％，具有双级涡轮增压结构的燃料经济性改善为2.9％。
在文献中，关于ORC在船舶应用中的引入的几个研究，但是不是所有的研究也考虑对内燃机的影响。
Song et al。 [16]研究了ORC从Hudong Machinery Co.，Ltd。生产的中速996 kW船用柴油发动机的冷却水和废气中回收热量的废热回收潜力。经济评价以及非设计条件 被考虑。 提出了使用环戊烷，冷却水作为预热源和废气作为工作介质的蒸发源的优化系统，与分离的体积系统相比，仅获得约1.4％的较低功率输出。
Reini et al。 [17]提出了一项关于从功率输出为5.7 MW的船用双燃料发动机废气中回收废热的研究。 所选择的工作流体是甲苯，并且简单循环架构被认为是在增加功率输出益处方面最有趣的。 还进行了考虑投资回收期的热 - 经济分析。
Burel et al。 在[18]分析了安装和ORC在液化天然气（LNG）用作推进燃料的油轮的可能性。
Baldi等人在两个不同的工作[19]和[20]中提出了基于典型船舶操作特征分析的柴油机-ORC废热回收系统的优化技术的使用。 案例研究使用功率输出为3840 kW的MaK 8M32C四冲程柴油发动机和约683 kW的辅助设备作为基准发动机。 对于一些典型的船舶应用考虑燃料节约潜力。
Yun et al。 [21]提出了一个关于双循环ORC系统的研究，目的是从船用柴油发动机的废气中并行回收废热，其突出的优点是在偏离设计条件下运行时更加通用。 结论是，双回路ORC具有比简单单系统高3％和15％之间的功率输出。
Yfantis et al。 [22]提出了一种热力学模型来研究装备有再生有机兰金循环（RORC）以回收废热的四冲程船用柴油发动机的第一和第二定律性能特征。 研究了不同的发动机工作负荷，以及R245fa，R245ca，异丁烷和R123作为工作流体。 发现亚临界和饱和水汽再生循环具有从第一和第二定律观点来看的最佳性能。
例如在[23]，[24]，[25]和[26]中也考虑了二冲程船舶推进装置，通常具有从废气，冷却套水和清除空气中回收热量的假设。
在这项工作中，现代船用涡轮增压柴油发电机组和可能的废气驱动ORC系统之间的相互作用，用于联合系统的效率改进，通过模拟研究。
特别地，考虑不同的发动机涡轮增压策略和ORC循环参数的优化，研究内燃机和ORC侧，以便获得最佳的组合燃料消耗减少。
在发动机方面，使用Ricardo plc专有的1-D发动机性能模拟软件Ricardo WAVE [27]研究了将排气驱动的ORC蒸发器安装在发动机的呼吸能力上的不利背压效应。 固定几何，废气门（WG）和可变几何涡轮增压器（VGT）增压技术进行评估，以承受由于废热回收锅炉安装增加的泵送损失。
在ORC侧，对于三个所研究的涡轮增压系统情况中的每一个以及对应于特定排气特性（质量流率和温度）的中等排气背压，根据热力学循环参数优化的功率输出，简单和复原的废气驱动ORC布局使用工程方程解算器（EES，[28]）为筛选程序后选择的一组工作流体（正己烷，正辛烷，丙酮，甲苯，乙醇和MDM）其不仅考虑热力学性能，而且考虑环境，可燃性和安全性问题。在识别最有希望的涡轮增压系统-ORC配置之后，就中等背压情况的组合系统燃料经济性改进而言，已对一系列背压值进行了该系统的进一步模拟，以便评估燃料经济性的相应预期范围有利于所有可能的热交换器硬件设计。
2.基线发动机模型
模拟模型已经使用Ricardo WAVE [27]实现，考虑在满负荷条件下运行的1.5MW高速柴油发动机（120kW / 1500rpm的气缸）。
发动机配置为V12，采用单级涡轮增压和后冷却器，采用米勒进气门正时以减少NOx排放。 发动机在发电或海洋部门用作发电机组，并配备选择性催化还原（SCR）系统，以符合IMO（内部海事组织）Tier III NOx排放法规[29]。 在ISO环境条件（25℃，1巴）下发动机的一些基本几何特征和满载性能数据报告在表1中。
表格1。
ISO环境条件下的基本发动机功能和满载性能数据（基线发动机情况）。
位移/气缸（l）Vd 4.31
缸数ncyl 12
转速（rpm）N 1500
制动平均有效压力（bar）bmep 22
AFR捕获（ - ）AFR 27
IMO Tier III NOx限制（g / kWh） - 2.0
基准涡轮增压效率（％）eta;TC59.0
假设在上述报告的环境条件下，SCR系统和增压空气冷却器（CAC）的压降分别为120毫巴和100毫巴，而CAC的出口温度和SCR系统的效率为 总是恒定的，分别为55℃和65％。 必须注意的是，SCR效率确定最大可允许的发动机NOx排放，其又通过调节喷射正时在发动机WAVE模型中被控制。 该参数也被控制，以避免峰值气缸压力超过230巴。
与安全涡轮增压器涡轮机稳态操作相关的另一个约束条件是入口温度不应高于700℃。
该模型以简化的方式模拟燃烧过程，使用实验导出的无量纲燃烧速率曲线，其在检查的发动机速度，捕获的空燃比（AFR）和典型的喷射开始（SOI）定时下是有效的 。 为了简化计算，假设涡轮增压器效率保持恒定。 涡轮机和压缩机用准稳态方法建模，计算作为孔口模拟的部件上的质量流量和焓升以及产生或吸收的扭矩。
考虑到SCR热化学性能在本工作中未被建模和考虑，假定在稳态运行条件下，涡轮增压器涡轮下游的排气温度等于废气热交换器（EGHX或 锅炉）（根据Qiu等[30]报道的，SCR系统没有温度变化）。
ORC锅炉安装在SCR系统的下游，如图1所示。 1，其描述了组合的Engine-EGHX的布局。 选择锅炉的位置，使得SCR性能几乎不受影响。
2.1涡轮增压系统描述
在用于大型四冲程发动机的常见涡轮增压器设计中，排气驱动的径向或轴向涡轮机联接到离心式空气压缩机。 发动机排出的气体驱动联接到压缩机的涡轮，以便增加进气增压压力，因此也提高发动机容积效率和性能[31]。
分析了三个涡轮增压系统：（1）固定几何涡轮机，（2）废气门（WG）和（3）可变几何涡轮增压（VGT）。
最简单的涡轮增压器配置具有用于压缩机和涡轮机的固定几何形状。 在这种情况下，不存在增压控制可能性，并且增压水平与排气流量和涡轮增压器特性直接相关。 驱动涡轮机的焓直接取决于燃烧性能。
WG涡轮增压策略使用废气门阀绕过涡轮，以便控制涡轮增压器的转速，从而调节发动机的增压压力。 向固定几何形状涡轮增压器添加旁通阀是在更严重的瞬态操作分布或更多可变背压条件下改进发动机控制的最容易实施的策略。 然而，通常，WG涡轮增压器增加了排气损失，从而导致涡轮增压器效率降低[32]。
VGT操作改变有效涡轮机区域的几何形状，以便达到压缩机的所需增压压力，但仍然处理不绕过涡轮机的所有排气流。 这种涡轮增压策略通常允许在低发动机负荷和速度下更好地控制增压压力。 特别地，对于大型中 - 低速柴油发动机，VGT配备有具有可移动叶片的喷嘴环，所述可移动叶片引导废气流通过涡轮叶片。 叶片的角度在不同的发动机速度下被控制，以便优化通过涡轮机的流量[33]。 利用该策略可以获得AFR的精确控制，以及与废气门阀相关的损失被消除并且发动机控制得到改进[31]。 VGT的缺点是当使用重质燃料油时增加的成本和叶片结垢问题[32]。
在这个初步研究中，考虑到三个涡轮增压解决方案并假定发动机在满负荷恒定条件下运行，对ORC锅炉背压效应进行了参数分析。
为了研究不同的锅炉设计，所考虑的背压范围为0至100毫巴。
当考虑废气门解决方案（情况2）时，涡轮增压器在最高背压箱（100毫巴）处具有完全关闭的废气门阀的尺寸，从而导致比具有固定几何形状涡轮增压器的情况1中使用的涡轮机更小的涡轮机 。 尺寸设计还旨在将AFR保持在设计点值。 然后，随着背压减小，废气门阀逐渐打开，以便保持所要求的AFR总是恒定。
在情况3中，控制VGT涡轮增压器的涡轮喷嘴面积，以便再次保持AFR恒定，而与所施加的EGH
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[139672]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
