船舶的高能耗不仅使运行成本增加,也带来了严重的环境问题。基于此船舶能效设计指数EEDI对新建船舶有着严格的要求。为船舶加装余热利用系统(WHR)是有效改善EEDI的途径之一。由于船用柴油机排气温度处在中低温范围(300℃以下),常规水朗肯循环热力性能低等问题,导致传统的WHR系统只能回收排气温度在175℃以上的能量。而有机朗肯循环(ORC)技术能有效的回收中低温余热,扩大回收能量的范围,因此有必要研究和设计ORC在船舶WHR系统中的应用方案,主要内容如下:(1)本文以调制后的MAN 6S50ME柴油机参数为基础,依据热平衡原理分析和计算柴油机能量的主要去向,得出柴油机各部分的余热可利用潜力值,分析各部分余热的“数量”和“质量”,为采用多方案回收不同“数量”和“质量”的余热打下基础。(2)研究ORC的基本原理,列举选用工质的标准及应用限制,选出九种工质作为备选。根据ORC稳态循环图,对循环热力计算公式利用EXCLE调用refprop软件进行仿真计算,分析并得出R245fa综合性能最佳,最佳的蒸发温度在90—100℃之间。(3)对MAN6S50ME船用低速柴油机WHR系统进行多方案设计,选用R245fa作为ORC工质,并给出船用WHR系统整体性能计算公式,经过仿真计算分析得出方案三发电效率最好,方案四综合性能较好,方案二比方案一更简单可靠等。(4)提出ORC换热器的选用标准,对板式换热器、管壳式换热器和翅片管式换热器的换热系数、结构参数和阻力损失等进行对比分析,总结出板式换热器换热效果最佳,且能满足阻力损失需求。分别设计ORC循环用的板式蒸发器、预热器和冷凝器。(5)根据提出的ORC膨胀机的选用标准,选用径流式汽轮机作为ORC膨胀机,利用计算程序对其进行一维气动设计,确定透平的基本数据,对比不同输入参数下的径流式ORC汽轮机的设计方案,预测单级径流式ORC汽轮机定熵效率等关键参数。(6)对比目前国内各高校研究机构搭建的ORC实验台架,对本系统的ORC实验台架进行了初步设计与关键设备的选型,其中选用板式蒸发器、板式预热器、板式冷凝器、径流式汽轮机、有机工质屏蔽泵以及阀门管道的设计等。全文对ORC在船用WHR系统中的应用、方案设计、性能评价和实验验证系统等做了论述,理论上采用合理的常规朗肯和ORC回收组合的方式能提高6S50ME柴油机热效率6%左右、回收的发电功率在1200kW左右,额外还能对外供给船舶正常运行所需的热水,回收效果较为明显。