2024年4月27日发(作者：)
ELECTRONICS WORLD
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探索与观察
本论文设计了一种新型有机朗肯循环系统，以回收低速船用柴油机的废热。这种ORC系统可以回收两
种废热——废气和缸套冷却水。缸套水冷却器的废热量由柴油发动机公司提供。并对用于ORC系统的废气
的可用废热进行了估算。在额定发动机状态下，废气的最大值为4153kw。
通过分析三种工作流体（R245fa，R113和R123），选择了R123作为最佳工作流体。对于R123，ORC
的最大净功率为573.1千瓦，而在70％的发动机运行条件下，整个系统的最大效率为53.19％。通过应用
ORC系统，发动机效率提高约3％。
1.介绍
柴油机仍然是船舶和车辆推进系统的主要地位，由于功率范围，效率和运行可靠性的优势。然而，船
用柴油机的有效效率并不是很高。只有少于45% 燃料燃烧产生的能量被转化为轴输出功率。其他热量通
过冷却器系统和废气被排放到环境中。高燃料成本和能源危机引起了人们对于研究废热回收的兴趣。而
废热回收的另一个优点是可以减少二氧化碳的排放和其他有害废气的排放，未来的二氧化碳排放监管将
会更加严格。
本论文的目的是对由内燃机尾气引擎提供动力的低速二冲程船用柴油机的有机朗肯循环（ORC）进行
数值研究，以验证使用ORC来回收船用发动机废热的可能性。并通过比较不同条件下的结果，找出ORC系
统的最佳选择。 通过实现这一目标，需要完成四个目标：
（1）建立一个数学模型，通过使用柴油机公司的数据来研究船用柴油机废热。
（2）建立一个模型来研究ORC系统的性能。该ORC系统由两个热交换器，泵，冷凝器和膨胀器组成。
（3）通过控制变量获得ORC系统的不同性能参数。
（4）分析使用软件制作的性能图，找出最佳选择。
在本研究中，EES（工程方程求解器）将用于建立柴油机和ORC系统的数学模型，计算并生成图。
EES是用于解决方程式的软件。EES的一个优点是该软件提供工作流体的属性数据库。 该程序广泛应用于
热力学。
有
机
朗
肯
循
环
（
）
系
统
的
数
值
研
究
在
船
用
中
轮
船
机
重
的
工
第
潜
七
在
一
余
五
研
热
究
回
所
收
张
沁
雪
ORC
2.工作流体的选择
通常，工作流体可分为干式工作液，湿式工作液和等熵工作液三种。
本研究中选择工作流体时有一些原则需要考虑。
（1）环境友好型的工作液体，这意味着低臭氧消耗潜力和低的全球变暖潜能。
（2）工作流体的化学稳定性。
（3）工作流体的安全性。
（4）工作流体的热力学参数。
（5）工作流体经济性。
本论文选择了三种有机工作液来研究ORC系统的性能。表2-1给出了工作流体的物理性质。
Table 2-1 工作液体的物理性质
名称
—
R245fa
R113
R123
摩尔质量
kg/mol
134.05
187.4
152.93
沸腾温度
°C
14.90
47.59
27.82
临界温度
°C
154.05
214.06
183.68
临界压力
Mpa
3.640
3.39
3.662
臭氧消耗潜能
—
0
0.8
0.02
全球变暖潜能
100yr
1030
6000
77
类型
—
等熵
干性
等熵
Newcastle University Dawei Wu
3.船用柴油机的潜在废热
在柴油发动机的运行中，由燃料燃烧产生的能量驱动活塞在气缸中进行往复运动。在这个过程中，柴
油发动机产生轴功率。但是在这种能量转换过程中，大量的热能通过不同的方式消散，导致大量的能量浪
费。只有49.3％的热能转化为轴功率输出，可用作有效的工作。其他热能通过润滑油冷却器，缸套水冷却
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器，废气，空气冷却器和热辐射消散到环境中。其中，25.5％的废
气在废热中占比最大。如果废热被循环利用并以适当的方式重新使
用，则对热效率的益处是相当大的。
柴油发动机的热平衡方程为：
(3-1)
其中：
(kw)，
(kw)，
(kw)，
是燃料燃烧的总热能 (kw)，
是废气热能 (kw)，
(kw)，
是缸套水冷却器的热能(kw)，
是轴功率输出
是润滑油冷却器的热能
是空气冷却器的热能
(3-5)
通过使用公式3-4和3-5，EES（Engineering Equation Solve）可
以计算废气的可用废热。在计算中，ORC系统中换热器排气的出口
温度设定
结果如图3.1。
为100℃。而表3.2给出了废气的入口温度。
燃料燃烧的总热能。
(3-2)
(3-3)
(3-4)
其中：是柴油机的燃油消耗(kg/s)，是柴油的热值，设
是船用柴油机定在42700 kJ / kg (MAN Diesel & Turbo, 2016)，
3.1 柴油机主要性能指标及运行参数
本文选择MAN B＆W 6S50ME-C8 Tier II分析潜在的废热和余
热回收。这种柴油发动机有6缸，行程为850mm。 SMCR（指定最
大连续额定值）功率为9960 kw，速度为127 r / min。 柴油发动机的
MEP（平均有效压力）为20 bar。 表3.1为柴油机的特定参数。
表3-3 发动机废气的组成
Composition
O
2
CO
2
H
2
O
CO
SO
2
NO
x
(NO
2
)
HC(CH
4
)
N
2
Fraction x
i
(%)
14.83
4.36
6.20
—
—
—
—
74.61
的轴功率输出(kw)，SFOC 是具体燃油消耗量(g/kwh)。
表3.2为由CEAS发动机数据报告提供的不同负载下的关键性能
指标和操作参数。
注：SFOC是燃料油的消耗量
根据表3.2可以看出，当柴油机的输出功率随着运行负载的增
加而增加时，SFOC最初下降，然后增加。当轴输出功率为6972
千瓦时，燃油消耗量最低为70％。而排气量随着输出功率的增
加而增加，而在35％的SMCR负载下则减少。废气温度范围为
180℃~300℃。
根据Song, J., & Gu, C. W, 2015的研究可以得出废气的成分如表
3-3所示。
废气在低压低温下可以被认为是理想的气体，恒压下的比热
由下式计算：
Fig.3.1 废气的废热量
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柴油机冷却器系统余热由润滑油冷却器热能，夹套水冷却器热
能，空气冷却器热能组成。由CEAS发动机数据报告提供不同运行
条件下冷却器系统余热能的数据。
4.船用柴油机的ORC系统设计
4.1 ORC系统模型
图4.2 船用柴油机ORC系统的T-S图
图4.1 废热回收的ORC系统模型
本文基于ORC的基本循环，设计了一种新的有机朗肯循环模
型。为了从船用柴油发动机的废气和缸套水冷却器回收废热，该
ORC系统包含两个蒸发器 - 预热器和过热器。预热器回收缸套水冷
却器的废热，而工作流体变成饱和不饱和蒸汽的混合物。过热器通
过将工作流体变为过热蒸汽回收废气废热。在蒸发器之后，工作流
体在膨胀器中膨胀并在冷凝器中冷却。因为这个ORC系统是为了
回收船用柴油机的废热，所以选择更容易获得的海水来冷却工作流
体。冷却后，工作流体流到液体接收器。之后，泵将工作流体加压
并将其送到预热器。图4.1为整个ORC系统的示意图。图4.2为ORC
的T-S图。
4.2 ORC的数学模型
其中，是理想消耗功率，是实际消耗功率，，
是ORC系统的净功率输出（kw），
效率，是柴油机的有效效率，
是ORC系统的热
是柴油机和ORC系统结
合的整个系统的有效效率，是船用柴油机轴功率输出（kw），
是来自燃料燃烧的热量（kg / s）。
为了分析有机朗肯循环的表现，本论文应用以下几个假设：
（1）ORC系统整体运行状态稳定。
（2）管道中的热和压力损失被忽略。
（3）泵的等熵效率(
为0.8。
（4）预热器(
0.95。
（5）蒸发温度设定在80℃。
（6）过热温度设定在170℃。
)和过热器()的传热效率设定为
)和膨胀机的等熵效率()设定
5.结果
为了回收船用柴油机的废热，第四章设计了一个ORC系统，并
建立了一个数学模型来评估系统性能。第3章分析了潜在的余热。
使用第3章中的数据和第4章中的模型，可以对ORC系统的热力学性
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能进行评估和分析。冷凝温度将设定在25°C，这是柴油机的工作
环境温度。
当冷凝温度为25°C而工作流体改变时，其结果如下图5.1-图
5.5所示：
图5.4 恒定冷凝温度下R113的效率
图5.1 恒定冷凝温度下R245fa、R113、R123的质量流量
图5.5 恒定冷凝温度下R123的效率
6.讨论
图5.2 R245fa、R113、R123在恒定冷凝温度下的净功率输出
（1）当100％负荷时，轴功率输出为9960千瓦，废气的最大余热
为时的4153千瓦。缸套水冷却器也提供废热，最大值为1230 kw。
（2）在恒定冷凝温度下，三种工作液体具有相似的效率，质
量流量和净功率的变化。可以得出结论，废气的废热对质量流量有
很大的影响，净功率和燃油消耗影响发动机效率。
（3）通过比较三种工作流体，R123是最优工作流体。当最大
净功率为537.1千瓦时，最大质量流量在100％负载时为18.12千克/
秒。70％的发动机负荷下，整个系统的最大效率为53.19％，为最
优运行状态。
图5.3 恒定冷凝温度下R245fa的效率
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