柳长昕等：面向船舶多种余热梯级利用的TEG-ORC联合循环性能 579. W1=m(h2-h1) (3) Wi=Wh+W2+W3+W4 (10) (2)二级预热器（主机缸套水预热器） ORC底循环的热效率表示为： 工质在二级预热器中由主机缸套水为其进行 式中，m为工质流速，kgs';h、h2为工质经温差发 预热，其吸热功率表示为： 电底循环冷端预热前后的焓值，3为工质经二级预 W2=m(h3-h2) (4) 热器预热后的焓值，h4为工质经三级预热器预热后 (3)三级预热器（增压空气预热器） 的焓值，hs为饱和蒸气的焓值，h6为膨胀后乏汽的 工质在三级预热器中由增压空气为其进行预 焓值，为工质经冷凝器冷凝后的焓值，单位均为 热，其吸热功率表示为： kJ-(kg-K) 工质在蒸发器内先定压吸热成为饱和液态， Wa m(hs -ha) (11) 再定温吸热成为饱和气态，其吸热功率表示为： (5)膨胀机 工质通过工质泵从冷凝器输送到温差发电底 工质蒸气在膨胀机内膨胀做功，膨胀机的输 循环冷端，工质泵消耗的功率可表示为： 出功率表示为： Wpump=m(h1-h） (5) Wexp =m(h6-hs) (12) ORC底循环的输出功率表示为： (6)工质泵 WoRC Wexp -Wpump (6) W3=m(h4-h3) (13) 2=Wep/(W1+W2+W3+W4) (7) (4)蒸发器 TEG-ORC联合循环系统总输出功率表示为： 2实验设计 Ws WTEG+WORC (8) TEG-ORC联合循环系统热效率表示为： 2.1基本原理 =Ws/Wi=(WTEG WoRC)/(Wh W2+W3+W4) 基于TEG-ORC联合循环的船舶余热梯级利 (9) 用装置系统原理图如图2所示.该联合循环系统 TEG-ORC联合循环系统总余热利用功率表示为： 主要包括TEG底循环和ORC底循环 Output power -Exhaust ORC working Jacket water fluid circulation Fresh water Jacket water pump expansion cabinet Jacket water Sea water circulation pump Fresh air Third preheater Evaporator Main Expander Charge air engine Air cooler 上xhaust Compressor Turbocharger TEG hot side TEG TEG cold side Condenser Fresh air ORC pump Expansion cabinet Fresh water pump Central cooler Sea water outlet Sea water inlet 图2基于TEG-ORC联合循环的船舶余热梯级利用装置系统原理图 Fig.2 Schematic of a ship waste heat cascade utilization system based on the TEG-ORC combined cycle 在TEG底循环中，为克服其热端与烟气热源 烟气余热第一次利用的同时，ORC底循环的有机 的换热瓶颈，设计了热管强化换热装置，其冷凝段 工质作为冷源，吸收烟气余热同时实现其第一级 作为TEG底循环的热端.在TEG底循环实现主机 预热，经过吸收后的主机烟气温度降低，保证了W1 = m(h2 −h1) （3） （2）二级预热器（主机缸套水预热器）. 工质在二级预热器中由主机缸套水为其进行 预热，其吸热功率表示为： W2 = m(h3 −h2) （4） （3）三级预热器（增压空气预热器）. 工质在三级预热器中由增压空气为其进行预 热，其吸热功率表示为： 工质在蒸发器内先定压吸热成为饱和液态， 再定温吸热成为饱和气态，其吸热功率表示为： 工质通过工质泵从冷凝器输送到温差发电底 循环冷端，工质泵消耗的功率可表示为： Wpump = m(h1 −h7) （5） ORC 底循环的输出功率表示为： WORC = Wexp − Wpump （6） η2 = Wexp/ (W1 + W2 + W3 + W4) （7） TEG-ORC 联合循环系统总输出功率表示为： Ws = WTEG + WORC （8） TEG-ORC 联合循环系统热效率表示为： η = Ws/Wt=(WTEG +WORC) / (Wh + W2 + W3 + W4) （9） TEG-ORC 联合循环系统总余热利用功率表示为： Wt = Wh + W2 + W3 + W4 （10） ORC 底循环的热效率表示为： h1 h2 h3 h4 h5 h6 h7 式中，m 为工质流速，kg·s–1 ； 、 为工质经温差发 电底循环冷端预热前后的焓值， 为工质经二级预 热器预热后的焓值， 为工质经三级预热器预热后 的焓值， 为饱和蒸气的焓值， 为膨胀后乏汽的 焓值， 为工质经冷凝器冷凝后的焓值，单位均为 kJ·(kg·K)–1 . W4 = m(h5 −h4) （11） （5）膨胀机. 工质蒸气在膨胀机内膨胀做功，膨胀机的输 出功率表示为： Wexp = m(h6 −h5) （12） （6）工质泵. W3 = m(h4 −h3) （13） （4）蒸发器. 2    实验设计 2.1    基本原理 基于 TEG-ORC 联合循环的船舶余热梯级利 用装置系统原理图如图 2 所示. 该联合循环系统 主要包括 TEG 底循环和 ORC 底循环. Evaporator Turbocharger TEG hot side TEG Jacket water pump expansion cabinet Condenser Air cooler Ship renewable energy microgrid Third preheater Compressor Exhaust Fresh water circulation Fresh air Output power ORC working fluid circulation Sea water Fresh water pump ORC pump Main engine TEG cold side Central cooler Jacket water pump Expansion cabinet Jacket water Exhaust Fresh air Jacket water Charge air Jacket water cooler Second preheater Expander Sea water outlet Sea water inlet 图 2 基于 TEG-ORC 联合循环的船舶余热梯级利用装置系统原理图 Fig.2 Schematic of a ship waste heat cascade utilization system based on the TEG-ORC combined cycle 在 TEG 底循环中，为克服其热端与烟气热源 的换热瓶颈，设计了热管强化换热装置，其冷凝段 作为 TEG 底循环的热端. 在 TEG 底循环实现主机 烟气余热第一次利用的同时，ORC 底循环的有机 工质作为冷源，吸收烟气余热同时实现其第一级 预热，经过吸收后的主机烟气温度降低，保证了 柳长昕等： 面向船舶多种余热梯级利用的 TEG-ORC 联合循环性能 · 579 ·