摘 要

燃料价格的上涨和二氧化碳排放限制的要求正在引起人们的兴趣来探寻提高船用柴油发动机热效率的方法。有机朗肯循环（ORC）已被证明是有前景的来回收余热的技术。

首先，本文建立了有机朗肯循环的热力学模型，分析了其特点，并对常见的有机工质进行归纳，确定了选择有机工质的六条原则。

其次，选用MAN公司的Hudong Heavy Machinery Co.Ltd.制造的用作船舶推进装置的直列六缸涡轮增压柴油机作为研究对象，来进行两个分离的ORC系统的分析，选用最佳工质对缸套冷却水余热利用和排气余热利用进行模型建立和Simulink仿真分析。

最后，对系统进一步优化，通过Simulink选用最佳工质进行仿真分析。接着又进行了经济和非设计分析。

结果表明，具有紧凑的系统结构和较低的资本成本的优化的系统被推荐用于船用发动机余热回收的实际应用。

关键词：ORC系统 热力学分析 Simulink仿真 性能优化

Abstract

Escalating fuel prices and imposition of carbon dioxide emission limits are creating renewed interest in methods to increase the thermal efficiency of marine diesel engines. Organic Rankine Cycle (ORC) has been demonstrated to be a promising technology to recover waste heat. 

First of all, this paper establishes the thermodynamic model of the Organic Rankine Cycle, analyzes its characteristics, and sums up the common organic working fluid, and determines the six principles of selecting organic working fluid.

Secondly, an in-line six-cylinder turbocharged diesel engine used as a ship propulsion device manufactured by Hudong Heavy Machinery Co., Ltd. of MAN was used as the object of study to analyze the two separate ORC systems. And choosing the optimized organic fluids to establish the set of cooling water waste heat model and the exhaust waste heat model and to analyze Simulink simulation results.

Finally, the system is further optimized, and selecting the best working fluid for Simulink simulation analysis. Followed by economic and non-design analysis.

The results show that a system with a compact system structure and a lower cost of capital optimization is recommended for practical applications of marine engine waste heat recovery.

Keywords: ORC system，Thermodynamic Analysis，Simulink Simulation, Performance Optimization

目 录

第一章 绪论 1

1.1 船舶主机余热利用的意义 1

1.2国内外研究的现状 1

1.3 本文的研究内容 2

第二章 有机朗肯循环热力学模型的建立 4

2.1 系统描述 船用柴油机 4

2.2 有机朗肯循环系统 4

2.3 有机朗肯循环系统各部件模型的建立 7

2.3.1 蒸发器模型 7

2.3.2 膨胀机模型 8

2.3.3 冷凝器模型 8

2.3.4 工作流体泵模型 9

2.4 工作流体的分类和性能分析 10

2.5工作流体的选用原则 10

2.6 本章小结 11

第三章 两个分离的ORC的设计和分析 12

3.1 夹套冷却水余热回收 13

3.1.1夹套冷却水余热回收工质选择 13

3.1.2 夹套冷却水余热回收热力学分析 14

3.1.3 夹套冷却水Simulink模型的建立 15

3.1.4夹套冷却水模型的仿真计算 17

3.2 废气余热回收 18

3.2.1排气组分分析 18

3.2.2 排气定压比热容计算 19

3.2.3 废气余热回收系统的工质选择 20

3.2.4 废气余热回收系统的模型建立 22

3.2.5 废气余热回收系统的仿真计算 24

3.3 本章小结 26

第四章 系统优化和进一步分析 27

4.1 系统优化 27

4.1.1 系统优化分析 27

4.1.2 优化后系统的模型建立 29

4.1.3 优化后系统的仿真分析 33

4.2 进一步分析 35

4.2.1 经济分析 35

4.2.2 非设计分析 36

4.3 本章小结 38

第五章 结论与展望 39

5.1结论 39

5.2 展望 39

参考文献 40

致谢 43

第一章 绪论

1.1 船舶主机余热利用的意义

柴油发动机在船舶推进设备中占据很大比例，由于其坚固的热性能，宽功率输出范围，紧凑的系统结构和高的操作可靠性。船用柴油机的主要能源消耗量随着航运产业的发展迅速增加。海洋部门有强烈的动力来提高推进系统的能源效率，主要是因为燃料价格的上升和更严格的法规^[1]。国际海事组织（IMO）(73/78 1997年)通过了附件六^[2]；该法规于2005年5月19日生效。海洋环境保护委员会（MEPC）提出了船舶的能效设计指数（EEDI），这是一个更严格的污染物排放和船用发动机的高效运行的要求。在2008年10月，IMO修订了附件六，53个国家实施了这个法规以解决耗尽能源供应和环境恶化的关键问题^[2,3]。在典型的船用柴油发动机中，小于45％的燃料能量被转换成有用的功率输出，而剩余的能量主要是通过废气，夹套冷却水和其他方式，如空气冷却系统和润滑系统损失^[3]。很明显，从船用柴油机废热进行能量回收的可能性是可观的。

能源利用关系着世界的发展，因此，我们如何去尽可能多的利用能源，是一件非常有意义也是必须要解决和面对的事情。对于船舶来讲，在日常运行过程中会消耗大量的燃料，然而消耗的能源是不能物尽其用的。燃料进入柴油机气缸燃烧做功，化学能转换为热能，缸内气体膨胀做功推动活塞运动，热能转换为机械能，此时排出的尾气里含有大量的余热在这之前，这些热能都是通过涡轮增压和废气锅炉处理后就排到大气中，造成了巨大的浪费。如果能够充分地利用这部分能量，将会极大地提高能源利用的效率。缸套冷却水中也是蕴含着大量的热能，我们也应该充分利用这些能量，而不是直接排掉，这样会造成极大的能量浪费。因此，充分利用排气余热和缸套冷却水余热必将大大提高船舶的能量利用效率。

1.2国内外研究的现状

船用发动机的废热回收技术出现在20世纪70年代的美国和欧洲^[4,5]，是第一次油危机的结果。受商业机会推动，造船商和船舶发动机制造商率先加入这一研究领域。MAN集团提出了废气利用系统，包括热回收锅炉，蒸汽轮机和发电机，这可能带来10％的发动机效率的增加^[2]。Wärtsilä开发了一种包含双压力锅炉和汽轮机的回收系统，并观察到发动机效率可以提高11.4％^[2]。ABB公司Ltd.提出了两种类型的具有不同功率输出的船用柴油发动机的回收系统；这些系统可以有效地利用发动机废气的废热^[2]。