余熱回收利用

1、余熱回收利用（S-CO2）動力循環(huán)-應(yīng)用海運(yùn)業(yè)摘要 船舶動力的主要來源是柴油機(jī)，它已經(jīng)發(fā)展成為一種高效的發(fā)電裝置，用于推進(jìn)和輔助用途。然而，只有小于50%的燃料能源轉(zhuǎn)化為有用的工作，其余的損失。這是公認(rèn)的，約占總能量的轉(zhuǎn)換在30%型柴油機(jī)是在排拒天然氣。最近授權(quán)的EEDI 1 系統(tǒng)大型船舶歸功于任何可回收的能源設(shè)計的船。而一些節(jié)能的設(shè)備正在醞釀，利用風(fēng)能和太陽能發(fā)電研究中，它被公認(rèn)為從發(fā)動機(jī)廢氣和冷卻水的余熱回收仍然可以利用，以產(chǎn)生能量，從而提高能源效率的工廠。從廢氣中回收熱能的方法之一是將熱量傳遞給一個能量回收的介質(zhì)。在大型船舶上，所用的是水和蒸汽，從而產(chǎn)生了我用于加熱燃料油或用于渦輪機(jī)的電

2、能生產(chǎn)。本文提出了一種替代流體（超臨界二氧化碳）作為一種手段，通過一個碳回收的能量閉環(huán)循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)（布雷頓循環(huán)）它明顯在較低的溫度和無腐蝕性，無毒，不易燃，熱穩(wěn)定。在超臨界狀態(tài)下，S-CO2已高密度的結(jié)果，如渦輪機(jī)的部件的尺寸減小。超臨界二氧化碳?xì)怏w渦輪機(jī)可以在一個高的循環(huán)熱效率，即使在溫和的溫度下產(chǎn)生的功率對550。周期可以在寬范圍的操作壓力為20。在一個典型的發(fā)動機(jī)安裝在近海供應(yīng)船的排氣氣體的能量回收量的案例研究，提出了理論計算的熱量進(jìn)行的UT的功率可由發(fā)動機(jī)的超臨界CO2氣輪機(jī)廠產(chǎn)生的廢氣和提取. 關(guān)鍵詞：余熱，S-CO2布雷頓循環(huán)，水， 一、引言 今天的大多數(shù)船舶使用柴油發(fā)動機(jī)的推進(jìn)和

3、電力生產(chǎn)。通常被認(rèn)為具有實(shí)際應(yīng)用潛力的熱排阻式柴油機(jī)為了浪費(fèi)熱量恢復(fù)是排氣和外套冷卻液。熱通常是從一個以蒸汽的形式大型海輪主推進(jìn)發(fā)動機(jī)的廢氣是最優(yōu)選的介質(zhì)用于燃料和貨物加熱，包括國內(nèi)服務(wù)所需的加熱。冷卻水的熱量通常以新鮮水的形式回收。從輔助余熱回收輔助發(fā)動機(jī)，直到最近，沒有考慮經(jīng)濟(jì)實(shí)用的除的情況下，大型客運(yùn)船舶或船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的操作。國際海事組織和國際海事組織的辯論她的國際論壇上的溫室氣體排放量的影響已經(jīng)改變了許多方面的前景，尋找在不同的選擇，增強(qiáng)的廢物熱回收作為一種手段提高船舶整體效率。在小型船舶，如近海供應(yīng)和支持船只，有空間的豪華等，這種機(jī)制是一般不可用。沿海貿(mào)易一般經(jīng)營其他船只不一般盟

4、友使用燃料，這需要加熱，由于它們的交易模式，因此不回收能源從排氣系統(tǒng)。據(jù)估計，全球約8000萬噸的燃料對沿海船舶的全球消費(fèi)量在2007 1 。在這僅貢獻(xiàn)約660萬噸的遠(yuǎn)洋船舶。從推進(jìn)發(fā)動機(jī)的燃油消耗貢獻(xiàn)約450萬噸，其余的是從輔助發(fā)動機(jī) 2 。它也眾所周知，釋放到大氣中的二氧化碳的量約為燃料燃燒量的3.1倍。因此，從廢氣中回收的能量會導(dǎo)致燃料減少消費(fèi)和減少排放的結(jié)果。這本身可能被視為一種激勵開發(fā)WHR系統(tǒng)具有高能量輸出的尺寸和重量低的足跡，他們可以安裝在船舶上，如供應(yīng)船的船只。在超臨界的范圍內(nèi)，使用一種流體在超臨界范圍內(nèi)的熱回收的裝置之一。超臨界流體在發(fā)電行業(yè)中的應(yīng)用不是新的。大部分熱功率植物

5、利用蒸汽在臨界期（23.538 MPa）增加植物的熱效率。同樣，核電工業(yè)也使用超臨界水蒸汽產(chǎn)生的戰(zhàn)俘呃. 它是相信，下一代（第四代）的核電廠將使用不同的液體，如熱回收CO2超臨界階段 3 。如表1所示，對于一個程度的溫度升高，二氧化碳需要更少的能量相比，水，因?yàn)樗牡捅葻崛萘? 二、命名1 S-CO2 -超臨界二氧化碳2 二氧化碳-二氧化碳3 OSV近海供應(yīng)船4 NIST美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所5 換熱器出口溫度6 CP特?zé)? 鉀比熱比8 熱焓9 Pressure壓力10 介紹11 WHR余熱回收12 國際海事組織 三、超臨界碳的性質(zhì) 二氧化碳S-CO2 超臨界流體是在其臨界點(diǎn)上方的溫度和壓力

6、的任何物質(zhì)。臨界點(diǎn)代表物質(zhì)可以作為一個存在的最高溫度和壓力汽液平衡。如圖所示，在304.13 K的臨界點(diǎn)（30.98°C）和73.88條、二氧化碳超臨界流體兼有氣體和液體的性質(zhì)。 PressureTempSp. HeatDensityFluidCp(bar)(deg c)(kJ/kg-k)(kg/m3)H2O220.75373.95459.48377.03CO273.8830.9871.11555.1在圖2a所示，在等壓條件下，水的比熱與溫度的增加而減小雖然特定的二氧化碳的熱量是略有增加，但其值是非常低的水 10 。如圖所示，在等壓條件下，兩流體的焓增加。在較低的溫度下，二氧化碳是有

7、更多的焓相比，水。在相變過程中吸收更多的水能量，而CO2不有任何相位變化。相變后，水和二氧化碳的焓變率相似 10 。 B 在圖3所示，當(dāng)以水為介質(zhì)，恒溫相變，限制最大流體溫度時夾點(diǎn)。而這種現(xiàn)象并不是我朋的CO2，這允許更高的流體的溫度來實(shí)現(xiàn)相同熱源。因此碳二氧化物有效地捕捉來自源頭的廢物熱量有一個約恒定的熱容量，如發(fā)動機(jī)排氣或其他熱氣體 6 。這是由于其在超臨界區(qū)域的熱容量的特點(diǎn)，提供了優(yōu)越的匹配與其他工作流體，如蒸汽的沸騰過程中使用的熱源的溫度分布。二氧化碳的其他優(yōu)點(diǎn) 二氧化碳是一種清潔、不可燃、無反應(yīng)、無垢、無垢的工作流體。只要保持干燥，就無腐蝕性。一種基于蒸汽的熱回收系統(tǒng)需要多階段、多壓

8、力，有效地從源中提取的熱量。蒸汽回收系統(tǒng)的循環(huán)操作需要輔助設(shè)備的數(shù)量和有效的大型蒸汽筒應(yīng)力的管理，是一種限制性因素6。有機(jī)和蒸汽為基礎(chǔ)的余熱回收系統(tǒng)，超臨界二氧化碳可以實(shí)現(xiàn)高的效率，在較寬的溫度范圍內(nèi)的熱源與組件導(dǎo)致更小的系統(tǒng)占用 7 。與其他工作流體的高密度和體積的二氧化碳的熱容量，使其更高的能量密度，作為一個結(jié)果，所有的系統(tǒng)組件的大小可以大大減少，而不失去性能。如圖4 8 ，渦輪機(jī)的尺寸和數(shù)量當(dāng)超臨界二氧化碳作為工作流體時，減少了階段。據(jù)估計，設(shè)計的S-CO2應(yīng)用渦輪機(jī)可以為同一功率的汽輪機(jī)約1 /第一百大小放 5 方程確定的凈工作 理想循環(huán)的輸出和效率 9 利用超臨界CO2作為熱發(fā)動機(jī)的

9、工作流體，布雷頓封閉循環(huán)作為一個電源周期如圖所示。 圖5。結(jié)合理想與實(shí)際的P-V和T-S圖v.case研究案例研究，試圖估計所采取的排氣氣體和質(zhì)量流率的二氧化碳的2290千瓦的主推進(jìn)發(fā)動機(jī)裝在一個海上供應(yīng)船和也從廢氣中回收的能量。用于OSV發(fā)動機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)的功率循環(huán)S-CO2動力循環(huán)。代表S-CO2循環(huán)示意圖在圖所示二氧化碳的初始假設(shè)和性質(zhì)1工作流體=二氧化碳2工作液相 透平壓縮機(jī)=氣相3壓氣機(jī)至渦輪=超臨界相4壓縮機(jī)入口溫度T1 = 360 C（309.15 K）5壓氣機(jī)進(jìn)口壓力P1 = 14.78桿6壓氣機(jī)進(jìn)口壓力P1 =渦輪出口壓力P47。壓縮機(jī)出口壓力P2 =渦輪進(jìn)口壓力P38。

10、壓縮和膨脹的等熵過程9。熱除和抑制是恒定的壓力10。壓氣機(jī)質(zhì)量流量=質(zhì)量流量通過渦輪機(jī)11。二氧化碳比熱比克= 1.28 12 12。在不同溫度下的焓值從已發(fā)表的數(shù)據(jù) 10 13。壓氣機(jī)效率C= 0.914。渦輪效率T= 0.8515。煙氣和S-CO2之間的熱交換率為100%S-CO2和冷卻劑之間的熱交換率為100%排氣溫度為4270 C蛋白排氣溫度teout = 1700 C等熵過程（1-2）壓縮機(jī)出口壓力（P2）= X的壓力比壓縮機(jī)入口壓力P2 = 73.9桿壓縮機(jī)出來，讓溫度從方程（1）T2 = 439.61 K壓氣機(jī)入口流體的焓（H1）= 502.77焦耳/公斤在讓壓縮機(jī)的流體的焓（H

11、）= 603.90焦耳/公斤從方程的壓縮機(jī)的工作（2）WC = 101.13焦耳/公斤通過壓縮機(jī)從方程做實(shí)際工作（15）WCA = 112.37焦耳/公斤從方程的氣體壓縮機(jī)后實(shí)際焓（17）H2 = 615.14焦耳/公斤等壓加熱過程（2-3）以圖形-參考1，在水輪機(jī)進(jìn)水S-CO2溫度T3407（680.15 K）流體的焓值（T3）是H3876.40焦耳/公斤熱為單位質(zhì)量的流體從方程（3）秦= 272.5焦耳/公斤實(shí)際熱輸入從方程的流體單元質(zhì)量（19）將= 261.26焦耳/公斤等熵膨脹過程（3-4）渦輪出來，讓溫度從方程（4）4 = 478.31氣體的焓值（T4）是H4 = 668.57焦耳/

12、公斤由渦輪機(jī)每單位質(zhì)量的氣體從方程所做的工作（5）重量= 207.83焦耳/公斤通過對方程的單位質(zhì)量的氣體渦輪機(jī)做實(shí)際工作（13）WTA = 176.66焦耳/公斤渦輪從方程后的流體實(shí)際焓（14）H4的= 699.74焦耳/公斤E.等壓放熱過程（4-1）從方程（6）中的冷卻器中拒絕的熱量Qout = 165.8焦耳/公斤2。拒絕在冷卻器從方程的實(shí)際熱（20）qouta = 196.97焦耳/公斤凈工作完成和周期的效率單位質(zhì)量循環(huán)的凈工作輸出流體從方程（7）就= 106.7焦耳/公斤單位質(zhì)量循環(huán)的實(shí)際凈產(chǎn)量從方程的流體（21）wneta = 64.29焦耳/公斤回來工作每單元流體質(zhì)量比從方程（9

13、）WR = 0.49實(shí)際回來工作比每單位質(zhì)量的流體從方程（22）WRA = 0.64從方程的循環(huán)熱效率（8）日= 0.39從方程（23）的實(shí)際循環(huán)熱效率THA = 0.25vi.heat能量進(jìn)行排氣一臺12伏228發(fā)動機(jī)的主要發(fā)動機(jī)性能數(shù)據(jù) 500.8 ltrs/hr2.排氣溫度 427 OC3.排氣流量 9.4 m3/sec4.發(fā)動機(jī)功率輸出 2290 kW5.進(jìn)氣溫度 49 OC廢氣帶走的能量柴油的熱值（CV）= 43400焦耳/公斤柴油燃料的重量（柴油）= 0.85公斤/升在427oC排氣的比熱CP = 1.008 kJkg·K燃油消耗（MF）=柴油*油耗425.68公斤/小時

14、供給發(fā)動機(jī)qsup = CV X中頻能量18485796 kJ /人力資源5134.94 kJ /秒排氣密度 11 Ext =（1.293×273×1.015）（273 + T）kg/m30.5118公斤/立方米廢氣的質(zhì)量流量（文部科學(xué)?。?（下一個*EXT）公斤/秒=4.81公斤/秒廢氣帶走的能量文部科學(xué)省X CP Qext = x t千焦耳/秒= 1833.07 kJ /秒由廢氣= Qext qsup x 100帶走的能量百分比35.69%二氧化碳的質(zhì)量流量熱能損失的排氣=熱能源取得的S-CO2文部科學(xué)省X X X H CP T =心肌耗氧量在這里，H =H2 H3T

15、=蛋白teout二氧化碳的質(zhì)量流量M =（MEXT XCP X T）CO2H2。沒有考慮任何損失的二氧化碳的質(zhì)量流量心肌耗氧量= 4.49公斤/秒3。0.9壓氣機(jī)效率時二氧化碳的質(zhì)量流量mco2a = 4.69公斤/秒從廢氣中回收的能量循環(huán)凈功輸出WC = wneta X mco2a WC = 301.52 kJ /秒（KW）2能量百分比從中恢復(fù)廢氣= WC Qext X一百16.45%燃料回收的能量百分比供給能量=（廁所）×100qsup= 5.87% vii.discussion與結(jié)論 使用S-CO2 WHR過程的初步分析已經(jīng)應(yīng)用的案例研究。為了簡化，熱交換過程中的流量和效率的影響已被