Комплексное использование высоко- и низкотемпературной теплоты отходящих газов главного судового дизельного двигателя в органическом цикле Ренкина

Проблема декарбонизации морского транспорта и новые ограничения на выбросы CO2 (глава 4 приложения VI к МАРПОЛ, COM (2021)562) обусловили разработку и практическое внедрение новых решений в области декарбонизации. Одним из них, наряду с использованием возобновляемых видов топлива, является утилизация вторичных тепловых источников главного двигателя судна, энергетический потенциал которых достигает 45–55%. Органический цикл Ренкина (ORC), в котором используются органические рабочие тела с низкой температурой кипения, считается одним из наиболее перспективных и энергоэффективных решений для судовых условий. Однако сохраняется неопределённость при выборе рациональной конфигурации цикла с учётом показателей эффективности использования энергии различных сочетаний низкотемпературных вторичных источников теплоты (рубашка охлаждения цилиндров и охлаждение продувочного воздуха) и высокотемпературного источника (выхлопные газы) при работе двигателя в диапазоне эксплуатационных нагрузок. Также рационально, особенно на начальном этапе, оценивать возможные ограничения, обусловленные судовыми технологическими системами, для внедрения ORC на судне. Численное исследование этих практических аспектов применимости ORC выполнено для широко распространённых судовых среднеоборотных дизельных двигателей, таких как Wärtsilä 12V46F. Комплексная утилизация теплоты всех вторичных источников в ORC обеспечивает потенциальное повышение энергетической эффективности главного двигателя на 13,5–21% в диапазоне нагрузки двигателя от 100 до 25% номинальной мощности, тогда как использование отдельных источников обеспечивает лишь 3–8%. Среднее повышение энергетической эффективности за рабочий цикл согласно испытательным циклам для двигателей, прошедших одобрение типа, составляет 8–15% по сравнению с 3–6,5%. С практической точки зрения наиболее привлекательным потенциалом рекуперации энергии обладает система охлаждения продувочного воздуха, которая как отдельно (5% по сравнению с 6,5% в течение рабочего цикла двигателя), так и в сочетании с другими источниками утилизации отходящей теплоты приближается к наивысшему уровню утилизации теплоты выхлопных га...