热力学分析应用于内燃机废气来推进6800TEU集装箱船的三边循环双循环热回收系统外文翻译资料

 2022-09-27 11:09

Energy 58 (2013) 404e416

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Thermodynamic analysis of a dual loop heat recovery system with trilateral cycle applied to exhaust gases of internal combustion engine for propulsion of the 6800 TEU container ship

Byung Chul Choi a,*, Young Min Kim b

a Environment amp; Plant Team, Korean Register of Shipping, Seoul, Republic of Korea

b Department of Engine Research, Korea Institute of Machinery amp; Materials, Daejeon, Republic of Korea

a r t i c l e i n f o

Article history:

Received 21 January 2013 Received in revised form 14 May 2013

Accepted 15 May 2013

Available online 28 June 2013

Keywords:

Trilateral cycle Organic Rankine cycle Dual loop

Marine diesel engine Container ship Energy efficiency

a b s t r a c t

A dual loop waste heat recovery power generation system that comprises an upper trilateral cycle and a lower organic Rankine cycle, in which discharged exhaust gas heat is recovered and re-used for pro- pulsion power, was theoretically applied to an internal combustion engine for propulsion in a 6800 TEU container ship. The thermodynamic properties of this exhaust gas heat recovery system, which vary depending on the boundary temperature between the upper and lower cycles, were also investigated. The results confirmed that this dual loop exhaust gas heat recovery power generation system exhibited a maximum net output of 2069.8 kW, and a maximum system efficiency of 10.93% according to the first law of thermodynamics and a maximum system exergy efficiency of 58.77% according to the second law of thermodynamics. In this case, the energy and exergy efficiencies of the dual loop system were larger than those of the single loop trilateral cycle. Further, in the upper trilateral cycle, the volumetric expansion ratio of the turbine could be considerably reduced to an adequate level to be employed in the practical system. When this dual loop exhaust gas heat recovery power generation system was applied to the main engine of the container ship, which was actually in operation, a 2.824% improvement in pro- pulsion efficiency was confirmed in comparison to the case of a base engine. This improvement in propulsion efficiency resulted in about 6.06% reduction in the specific fuel oil consumption and specific CO2 emissions of the main engine during actual operation.

copy; 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

  1. Introduction

The development of eco-friendly ships has been attracting increasing interest because environmental pollution of the ocean has become increasingly serious owing to shipping, and because rising oil prices have meant that the international crude oil prices have exceeded USD100 per barrel. In particular, in order to curb fuel costs and CO2 (carbon dioxide) emissions, future eco-friendly ships will require “green” ship technology that offers both high energy efficiency and eco-friendliness, through innovative use of eco- friend energy sources and improvement in existing devices.

The principle greenhouse gas generated in the field of shipping is carbon dioxide (CO2), and the emission has a variety of sources, including engine exhaust gas, freight transport (packaging), and refrigerants. CO2 is primarily emitted as an exhaust gas from ship components such as the main engine, auxiliary engine, and boiler.

* Corresponding author. Tel.: thorn;82 10 2819 4558.

E-mail address: byungchul.choi@gmail.com (B.C. Choi).

Total CO2 emissions generated in the domestic and overseas ship- ping industries reached a record of about 1 billion tons in 2007, constituting 3.3% of global CO2 emissions [1].

The MEPC (Marine Environment Protection Committee) of the

IMO (International Maritime Organization) under the umbrella of the UN has modified its marine pollution prevention convention, i.e., the MARPOL Annex VI, in order to lower the CO2 emitted from newly built ships and existing ships [2]. According to the modified convention, an EEDI (Energy Efficiency Design Index), which in- dexes CO2 emissions properties relative to the type and size of a ship, will be introduced for ships involved in various applications that are contracted and newly built starting from January 2013, and the design of new ships will include constraints on the CO2 emis- sions. In addition, an EEOI (Energy Efficiency Operational Indicator) was introduced for indexing CO2 emitted per unit transport by ships currently in operation, in order to enable ship operators to voluntarily monitor and manage energy efficiency.

Although there have been various technological improvements to ship building and propulsion systems with regard to maximi- zation of a shiprsquo;s energy efficiency, the amount of CO2 emitted from

0360-5442/$ e see front matter copy; 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved. http://dx.doi.org/10.1016/j.energy.2013.05.017

a ship is directly related to the amount of fuel consumed by the internal combustion engine propelling the ship. Therefore, a power generation system that makes use of the waste hea

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热力学分析应用于内燃机废气来推进6800TEU集装箱船的三边循环双循环热回收系统

摘要

双重循环废热回收发电系统,包括较高的三边周期和较低的有机朗肯循环,来回收排出的废热,对它重新利用来推动船舶航行,它在理论上应用于6800 TEU集装箱船内燃机的推进。这个废热回收系统,取决于上部周期和下部周期之间的边界温度的热力学性质通过调查。结果证实, 根据热力学第一定律,这种双重循环排气热回收发电系统表现出的最大净产值为2069.8KW,最大系统效率为10.93%,根据热力学第二定律,它的最大系统火用效率为58.77%。在这种情况下, 双重循环系统的能量和火用效率比单循环的三角周期大。此外,在上三角周期,涡轮的体积膨胀率可以大大减少到一个适当的水平,来被应用于实际系统中。当这种双重循环废热回收发电系统应用于集装箱船的主机实际操作上,,它比普通主机提高了2.824%的推进效率。在主机的实际操作中,由于推进效率的提高导致燃油消耗率和二氧化碳排放量降低了约6.06%。

1.介绍

环保船的发展越来越引起世界的注意, 由于航运,使得海洋的环境污染日益严重的,以及油价上涨意味着国际原油价格超过每桶100美元。特别是,为了抑制燃料成本和二氧化碳的排放量,未来环保船船需要通过创新使用环保性的能源和改善现有设备来得到同时提供高能源效率和环保的“绿色”技术。

温室气体在航运领域的产生原则上是指二氧化碳,它的排放有多种来源,包括主机废气、货物运输(包装),和制冷剂。二氧化碳主要是作为船舶废气从主机、辅机和锅炉中排出。在国内和国外航运产业生成的二氧化碳排放总量在2007年创纪录地达到了10亿吨,占全球二氧化碳排放量的3.3%[1]。

IMO(国际海事组织)的MEPC(海洋环境保护委员会) 为了降低新建船舶和现有船舶的二氧化碳排放量,在联合国的帮助下修改了其海洋防污染公约,即附件六防污染公约 [2]。根据修改后的条约,EEDI(能效设计指数)将根据船的类型和大小来索引二氧化碳排放性能,它将会被引进到船舶相关的各种规定的应用程序上,而新建的船舶将从2013年1月开始实施,它的设计将包括限制二氧化碳的排放量。此外,EEOI(能源效率运营指标)将被引进来索引在实际操作中每一次船舶运输的CO2排放量,来实现船舶的自动监视和管理其能源效率。

尽管有许多关于船舶建造和对船舶能源效率的最大化的推进系统的技术有了提高,但是船上二氧化碳排放的数量直接关系到内燃机进行推动所消耗的燃料量。因此,在原理上,利用主机废热(废热回收系统)的发电系统可能是一个大幅降低二氧化碳排放的技术[3]

应用于船舶主机废热回收发电系统可以大致分为两种类型,即动力透平方案,利用气体的动能直接驱动发电机,和一个蒸汽透平方案[4],它利用Rankine循环使水作为工作流体,或者两者结合的透平也可以使用[5]。特别是,由于汽轮机方案使用低温废气,约为550 K,作为热源,过热蒸汽是由一个通过高压和低压的多步骤热交换给水加热器产生的;混合压力涡轮也可以被应用。因为在水沸腾的过程中低温废气热量会损失一部分,所以这个方案对于能源效率的最大化有一定的局限性。

各种研究应用朗肯循环使工作液体的沸点低于水的沸点,来回收从主机排除的低温废热。此外,一些研究比较了纯的液体[6]和混合液体[7]的效率和输出来选择一个最佳的工作流体。也有人研究混合热回收系统[8],它是一种由冷却水,废气[9],进气[10],以及废气再循环[11]的集成设备。最近,有人也在积极研究双循环废热回收发电系统,来回收从主机排出的高温废气和低温冷却水的热量[12],以及摄入空气所浪费热量[13]。这类研究主要调查这种热回收系统在中小型主机或发电机所产生的废热条件下的性能。

最近,一项著名的研究被约翰·费舍尔提出,他比较了将饱和水直接注入扩张器作为工作流体的三边循环和注入纯有机工作液体的有机朗肯循环 [14]。 据报道,三边循环的火用效率是大于有机朗肯循环的。这是因为考虑到压力和温度,在沸腾过程中热源和两相水系统(液体和蒸汽)之间的温差使得在三边循环中有最小的火用损失。然而,随着蒸气与液体的相变使得出口扩张器中水的体积流率的显著增加,两相扩张器需要一个不切实际的大空间来进行积极地转换,这可能会阻碍其应用到实际系统。

在目前的研究中,我们调查了热回收发电系统应用于实际操作中的集装箱船主机排放的废气。主发动机的燃油消耗率,轴输出功率,废气温度和由实船测量出的速度,以及从测量数据中选择的两组代表性的废气情况。双重循环废热回收发电系统使用水和R1234yf作为工作流体,在理论上可以应用于这两个热源。双重循环系统由一个上三边循环和下有机Rankine循环组成,来克服单回路三边循环的限制。我们也调查了废热回收发电系统关于在双重循环之间的边界温度变化的热力学性质,并讨论了用回收的能量使主机燃料得以保存以及二氧化碳排放量减少的方法。

2.集装箱船

此次研究的船舶是现代雅加达6800 TEU集装箱船,它始建于2006年12月12日。艘船总吨位74651吨,长度288.4米,船宽40.0米和24.2米吃水。主机(HYUNDAI-MAN Bamp;W, 12K98 MC-C Mk6)的最大的输出即MCR(最大持续功率),是68520千瓦,104 rpm[15]。

2.1.收集数据的方法

图一是一个推进用的内燃机以及应用于主机废气的双循环废热回收发电系统的原理图。这个主机是2冲程柴油机,涡轮增压器通过利用废热的动能将空气压缩mair进入燃烧室中,让其与注入的轻柴油混合燃烧。Wshaft是一个利用燃烧气体的轴,它扩大高温和高压,来自涡轮增压机的废气V4[m3/h],以及废气锅炉加热水来产生工作需要的蒸汽,比如重油的预热。最后,这废气从废热锅炉的下方被排出到大气中Tin,这废热回收发电系统应用于废气描述如下

首先,精确的测量在主机燃油消耗的质量流率,这个质量流率从燃油储存油柜被送到燃油供给系统,然后质量流率被测量到从主机重新回到燃油储存油柜中,它们之间的差值就是燃油的质量流率子主机中的消耗值。它通过在燃油储存油柜的进出口管系上安装一个精确到0.1%的互补式质量流量计(艾默生过程管理、f系列)来测量。

扭矩测量系统(VAF仪器,T-sense)是安装在主机和推进螺旋桨的联轴器上,来同时测量推进轴的扭矩[KN/m]和转速[rpm],其精度在0.5%以内。通过这些值的转换来计算出轴的输出功率Wshaft。此外,废气锅炉的下游温度Tin通过使用SUS 304保护管和一个K型的热电偶的废气温度传感器(Daeyang仪器,MCA-D)来测量出。船速由GPS来测量,在5分钟的采样时间中,来自各个传感器的数据进行同步和存储。

2.2主机的操作剖面

在试验中,船舶所用的路线是一个重复模式的路线,从中国宁波到上海,韩国光阳到釜山,美国的长滩到加州的奥克兰,每一次的航行都大约需要2周的时间。在目前的研究中,使用的是单航次的数据。图2数据表示轴输出的功率Wshaft与船舶航速Vship的关系。轴输出的功率与集装箱船的航速具有相关性,即,这个相关性表明R=0.974这个结果可以理解为恒定的海军系数[16]。

(1)

表示船舶的排水量。这意味着轴的输出功率与船舶航速成3次反比,即,因此,从目前研究测量的数据回收分析出的结果,根据船体的大小和形状以及外部力量,考虑到50%最大持续功率或者更低的主机负载低速操作以及船体的阻力波动,2.499倍的船速能被看作一个有效值。

图三表示燃油消耗的质量流率与轴的输出功率的关系。测量出的轻柴油的消耗量与轴的输出功率具有典型的线性正比关系[17]。这最合适的是在R=0.977的情况下。这斜率表示每单位功率的燃油消耗率,它将在后面详细的讨论。这意味着在目前的研究中,船舶航速与被调查的集装箱船燃油消耗率有一定的相关性。

在图4中,这闭式循环表明在沿着船舶预定路线中燃油消耗质量流率的概率分布。这燃油消耗率的概率分布作为一个百分数[%],被定义为一个规范的值。从总的测量燃油消耗率来看,单航次航行船的操作得出的数据集数量超过了特定的燃油消耗率。在更大的燃油消耗率范围中会导致概率分布的减少。特别是,在实线所示的窗口A与B范围之间,燃油消耗率的概率分布展示来一个相对更大的变化,在船主要航行时,它可以被认作一个稳定的恒速区间。在A范围里,燃油的质量流率为,这概率分布约占总体的13%,在91.08%-78.15%之间。在B的范围里,燃油的质量流率为,它的概率分布约占总体的68.64%,在71.94%-3.3%之间。因此,结合范围A和B表示这个稳定区间占整个航行的81.64%。但是,这个不包括A和B的范围能被看作一个船舶在加速减速时的瞬态的区间。

在图5中,这闭式循环(左轴)表明在一个单航次的航行中,关于废气锅炉下游的废气温度的概率分布。在虚线所代表的窗口的范围C中,,有一个大约占总体81%与废气温度相关的功率分布,从91.03%到9.83%。这开式循环(右轴)表示废气温度与燃油消耗率的数据。在图4中,用实线窗口表示范围A和B,在图5中一样。因此,这虚线代表第一热源和第二热源2个范围,其中A,B,C窗口相交的2个代表性的范围被认为是船舶主要操作的路线。

2.3.废气的热源

从第一热源和第二热源中一个一个地选出来的,具有对船舶有代表性操作的范围的特殊废气热源情况表示在表1中,在这两种情况下,代表的气体温度会被固定在一个值上,,它将在图5虚线窗口范围被设定为废气温度数据的平均值.在常温常压下,这种特殊的废热被假设接近空气的热量[18]。从图4A和B质量流率的范围中任意选择燃油消耗率。在表1中,废气质量流率由一个转换因子乘以这些选择的燃油质量流率得到。由碳平衡法直接计算出[19]。

假设应用于主机中的重油碳氢化合物分子式是,进入空气中的氧与燃油混合并点燃,并在燃烧室中完全的燃烧,其化学方程式表示为[21].基于这个化学反应,每公斤燃油所产生的的质量率是由在燃油中C的质量率乘以,即。在这里,兆瓦(分子)表示分子量。假设燃油的纯度为96.5%,每公斤燃油所产生的质量率是3.018。因此,所需要的氧气的数量决定于燃烧时一公斤燃油中的C分子的量,即一公斤燃油所产生的的质量减去一公斤燃油中C所占的质量。

每公斤燃油所产生的的质量率由的质量率乘以在燃油中H所占的质量率得出,即。因此,所需要的氧气数量由燃烧的一公斤燃油中H的成分决定,即,由一公斤燃油所产生的水的质量减去一公斤燃油中氢所占的质量得出。

一公斤燃烧的燃油所需空气的总量是,由燃油燃烧中的碳氢成分除以在空气中氧的质量分数。假设氧气在废气中的浓度为15.3%[15],氧在空气中浓度为21%,过量空气系数为。因此,考虑到1公斤燃油燃烧所需要的过量空气系数,这实际进入主机燃烧室中的空气质量为。

因此,一公斤燃油的质量率等于一公斤的燃油质量加上进入总的空气量,即。它也被认作为每公斤燃油所排出废气的总质量。这个值被定义为一个转换因子,利用燃油的质量流率计算废气的质量流率。

3.双循环热回收系统的热力学模型

图一为2冲程的柴油机废气进行双循环,用于船舶主要推进的废热回收发电系统的示意图。主机的废气温度为,它的质量流率为。1-2-3-4的上部循环利用水作为工作流体来应用于废气的高温部分,5-6-7-8-9的下部循环利用R1234yf来作为工作流体应用于废气的低温部分,因此构成双循环。废热回收发电系统的上部和下部循环产生的能量被假定为一个回收利用系统,它通过给电动马达补充能量来使主机轴的输出从而来为船舶推进提供能量。

3.1. 上三边循环

这个循环最大的热力学效率是由两个蓄热水箱之间的温差通过等熵压缩和膨胀过程得到的,它也被称为卡诺效率[22-24]。实际上,因为热源的温度会通过工作流体将热量循环地从高温传输到低温,省略了使工作流体沸腾的步骤的三方循环被认作可以从实际的热源中获得最大热力学效率的循环[25]。这上部循环利用适用于相对高温热源的水作为工作流体。在高温高压3中,饱和液体采用了加入来一个涡轮1的三方循环,它扩大了在低温低压中的蒸汽和水的两相状态,从而来发电。在本循环中的,这些步骤的热力学公式如下[22-24]。

在1-2过程中,I号泵的消耗的能量为,效率为以及火用破坏率为在下面(2)-(4)的方程中给出。

(2)

(3)

(4)

工作水的质量流率为,h是每单位质量的焓[kJ/kg],s是每单位质量的熵[kJ/kg K]。下标0代表着停滞状态,火用值为0,假定一个常温,常压。

在2-3的过程中,令从蒸发器排出的废气温度为。因此,在蒸发器中的能量的平衡和火用损失值以及热源提供的热量在下列方程式(5)(6)中

(5)

(6)

是热源的比热。

在下列方程式(7)-(9)中,是涡轮1在过程3-4中的输出,是它的效率,为它的火力损失值。

(7)

(8)

(9)

在过程4-1中,剩余的热量通过蓄热

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