一种船舶发动机的余热利用系统及方法与流程

本发明属于能源利用领域，涉及一种船舶发动机的余热利用系统及方法。

背景技术：

当今世界国际化贸易量飞速发展，超过80％的运输量是以船舶运输的方式来完成。大型货运船舶的发动机以柴油机为主，热效率不足50％，还有一半以上的热量没有得到利用而随烟气和冷却系统排放到环境中。如果将这部分热量进行回收利用，转变成有用的能量如：电能，冷量，辅助动力等，可以有效提高船舶发动机的效率和船舶的运输能力。

船舶发动机烟气和冷却水的余热可回收利用的潜力较大，国际上学者提出了很多利用船舶发动机烟气和冷却水余热的方法，包括涡轮技术、温差发电、水蒸气朗肯循环和有机朗肯循环发电技术、吸附式制冷、吸收式制冷等，其中水蒸汽朗肯循环技术已经应用于船舶上。不同的余热回收技术适用的温度范围不同，在不同温度范围内的热效率也不同，但是目前已有的余热利用系统或是用多种方法分别对船舶的多种余热进行利用，或是只回收利用某种余热，既没有对船舶烟气和冷却水的余热进行耦合利用以达到深度利用余热的效果，也无法满足船舶能量的多元化需求。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种船舶发动机的余热利用系统及方法，既可以实现船舶发动机烟气和冷却水的耦合梯级利用，显著提高发动机效率，又可以满足船舶的电力和制冷需求。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种船舶发动机的余热利用系统，包括水蒸汽朗肯循环子系统、有机朗肯循环子系统和吸收式制冷循环子系统，所述水蒸气朗肯循环系统和有机朗肯循环系统利用船舶发动机余热进行发电，而吸收式制冷循环系统利用船舶发动机余热进行制冷，通过三种热力系统耦合实现对船舶发动机烟气和冷却水的余热进行梯级利用。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：

进一步，所述水蒸汽朗肯循环子系统由与船舶发动机连通的水加压泵、第一换热器、膨胀机、第一冷凝器、第二冷凝器至船舶发动机构成回路，直接采用发动机的冷却水作为工质，并采用高温烟气作热源进行发电。

进一步，有机朗肯循环子系统由有机工质加压泵、预热器、第二换热器、第一膨胀机、第三冷凝器至有机工质加压泵构成回路，所述第二换热器与船舶发动机烟气管道相连通；采用水蒸气朗肯循环子系统换热器出口烟气作为主要热源进行发电，采用烷烯烃、氢氟烃、二氧化碳有机物作为工质，采用吸收式制冷循环子系统发生器出口冷却水对加压泵出口的工质进行预热。

进一步，所述吸收式制冷循环子系统由发生器、分离器、冷凝器、蒸发器、吸收器、回热器工质泵构成回路；所述发生器与船舶发动机冷却水管道相连通，利用船舶发动机冷却水余热进行制冷。

进一步，所述船舶发动机一部分冷却水作为水蒸气朗肯循环子系统的工质，另一部分冷却水的热量供应给吸收式制冷循环子系统的发生器和有机朗肯循环的预热器，可以根据制冷需求调节吸收式制冷系统发生器中冷却水的流量。

本发明进而提供了一种采用所述系统进行船舶发动机的余热利用方法，包括如下步骤：

1)当系统工作时，将产生的高温烟气引入到第一换热器并从冷却水系统中旁通一部分作为水蒸气朗肯循环子系统的工质，然后通过加压泵加压到工作压力；

2)在第一换热器中烟气和水进行热交换使液态水变成高温高压水蒸汽，烟气温度下降；

3)从第一换热器出口的水蒸汽排入第一膨胀机进行膨胀产生机械功来驱动发电机发电；膨胀后的水蒸汽在低温低压状态进入第一冷凝器和第二冷凝器冷凝成液态继续回到发动机气缸吸收热量；

4)烟气从第二换热器出来温度下降，使有机工质变成高温高压气体；换热后温度较低的烟气直接排到空气中；

5)高温高压气态有机工质进入第二膨胀机进行膨胀产生机械功驱动发电机发电；膨胀后的有机工质在低温低压状态进入第三冷凝器冷凝成液态通过加压泵加压后进入预热器吸收来自发生器出口冷却水的热量；

6)除去进入到水蒸气朗肯循环系统的冷却水，其余冷却水进入发生器作为吸收式制冷循环子系统的热源，在发生器中冷却水和吸收式制冷工质对进行热交换使制冷剂从吸收剂中析出；

7)从发生器出来的制冷剂在第四冷凝器中冷凝成液态再经过节流阀进入到蒸发器中进行蒸发吸收热量；

8)发生器出来的浓溶液在回热器中与来自吸收器的稀溶液进行热交换，再经节流阀后回到吸收器；浓溶液在吸收器中吸收来自蒸发器的气态制冷剂，之后再由泵加压，并在回热器中吸收热量后进入发生器。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

本发明船舶发动机的余热利用系统通过水蒸气朗肯循环子系统、有机朗肯循环子系统和吸收式制冷循环子系统，结合三者在不同温区的优势实现船舶发动机冷却水和烟气余热的耦合梯级利用，实现电冷联产。水蒸气朗肯循环子系统以船舶发动机部分冷却水作为工质，利用高温烟气热源进行发电，避免增加淡水的船载量，并减少烟气和水的换热损，实现余热的深度利用。吸收式制冷循环子系统利用船舶发动机部分冷却水的低品位余热进行制冷，可根据船舶的制冷需求分配水蒸气朗肯循环子系统和吸收式制冷循环子系统所需的冷却水流量。有机朗肯循环子系统以烷烯烃、氢氟烃、二氧化碳等有机物作为工质，利用水蒸气朗肯循环系统换热器出口的烟气作为热源进行发电，利用吸收式制冷循环子系统发生器出口冷却水为其预热器提供热量，减少烟气与有机工质的换热损，提高余热利用系统的热效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为船舶余热利用系统结构示意图；

图2为船舶余热利用系统t-s示意图；

图3为使用和未使用余热利用系统时发动机热效率比较图。

图中：1.水加压泵、2.第一换热器、3.第一膨胀机、4.第一冷凝器、5.第二冷凝器、6.有机工质加压泵、7.预热器、8.第二换热器、9.第二膨胀机、10.第三冷凝器、11.发生器、12.分离器、13.第四冷凝器、14.节流阀、15.蒸发器、16.吸收器、17.泵、18.节流阀、19.回热器。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明公开了一种船舶发动机的余热利用系统，如图1所示，包括水蒸汽朗肯循环子系统、有机朗肯循环子系统和吸收式制冷循环子系统，水蒸气朗肯循环系统和有机朗肯循环系统利用船舶发动机余热进行发电，而吸收式制冷循环系统利用船舶发动机余热进行制冷，本发明通过多种热力系统耦合实现对船舶发动机烟气和冷却水的余热进行梯级利用，提高船舶发动机的效率，而且可以满足船舶上冷量的需求。其中，水蒸汽朗肯循环子系统由与船舶发动机连通的水加压泵1、第一换热器2、膨胀机3、第一冷凝器4、第二冷凝器5至船舶发动机构成回路，第一换热器2与船舶发动机烟气管道相连通，直接采用发动机的冷却水作为工质，并采用高温烟气作热源进行发电。这样不但可以避免增加淡水的船载量，而且可以明显减少烟气和水的换热损，使整个余热利用系统的发电效率得以提高。

其中，有机朗肯循环子系统由有机工质加压泵6、预热器7、第二换热器8、第一膨胀机9、第三冷凝器10至有机工质加压泵6构成回路，第二换热器8与船舶发动机烟气管道相连通，采用水蒸气朗肯循环子系统换热器出口烟气作为主要热源进行发电，采用烷烯烃、氢氟烃、二氧化碳有机物作为工质，采用吸收式制冷循环子系统发生器出口冷却水对加压泵出口的工质进行预热。

其中，吸收式制冷循环子系统由发生器11、分离器12、第四冷凝器13、蒸发器15、吸收器16和回热器19工质泵构成回路，发生器11与船舶发动机冷却水管道相连通，利用船舶发动机冷却水余热进行制冷。

以船舶发动机烟气作为水蒸气朗肯循环子系统和有机朗肯循环子系统的热源，以部分冷却水作为水蒸气朗肯循环子系统的工作，另一部分冷却水作为吸收式制冷循环子系统的热源及有机朗肯循环子系统预热器的热源。

本发明系统的工作过程如下：

当船舶发动机余热利用系统工作时，将产生的高温烟气引入到第一换热器2并从冷却水系统中旁通一部分作为水蒸气朗肯循环子系统的工质，然后通过加压泵1加压到工作压力。在第一换热器2中烟气和水进行热交换使液态水变成高温高压水蒸汽，烟气温度下降，如图2所示。其中，图中(a-d)示出了发动机烟气流动方向和发动机冷却水流动方向。a点表示烟气进换热器时的状态，d点表示烟气出换热器时的状态点。a’点表示烟气进有机工质的换热器时的状态，d’烟气放空时状态点。

从第一换热器出口的水蒸汽排入第一膨胀机3进行膨胀产生机械功来驱动发电机发电。膨胀后的水蒸汽在低温低压状态进入第一冷凝器4冷凝成液态继续回到发动机气缸吸收热量。烟气从第二换热器8出来温度下降但是还仍然含有可利用的中温热量，因此，将其继续引入第二换热器8中加热有机工质使其变成高温高压气体，换热后烟气温度较低，直接排到空气中。高温高压气态有机工质进入第二膨胀机9进行膨胀产生机械功驱动发电机发电。膨胀后的有机工质在低温低压状态进入第三冷凝器10冷凝成液态通过加压泵6加压后进入预热器7吸收来自发生器出口冷却水的热量。除去进入到水蒸气朗肯循环系统的冷却水，其余冷却水进入发生器11作为吸收式制冷循环子系统的热源，在发生器中冷却水和吸收式制冷工质对进行热交换使制冷剂从吸收剂中析出，从发生器出来的制冷剂在第四冷凝器13中冷凝成液态再经过节流阀14进入到蒸发器15中进行蒸发吸收热量。发生器出来的浓溶液(制冷剂含量很低)在回热器19中与来自吸收器的稀溶液(制冷剂含量高)进行热交换，再经节流阀18后回到吸收器。浓溶液在吸收器中吸收来自蒸发器的气态制冷剂，之后再由泵17加压，并在回热器中吸收热量后进入发生器。

本发明系统性能如下：

以manb&w14k98me-c7.1-tii船舶发动机为例，对本发明的余热利用系统的性能进行了计算。当发动机在额定(100％)工况下运行时，烟气流量为201.9kg/s，冷却水流量为186.9kg/s。本发明的余热利用系统可以使船舶发动机的热效率提高6.87％，每个小时可以节省约1432.3kg燃油。当发动机在不同工况下运行时，使用和未使用本发明余热利用系统时发动机热效率的比较结果如图3所示。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。