（轮机工程专业论文）转轮除湿空调利用船舶柴油机余热方案研究.pdf

1 一 l s c h e m er e s e a r c ho fw h e e ld e s i c c a n ta i r - c o n d i t i o n i n g u s i n gw a s t e h e a to fm a r i n ed i e s e le n g i n e at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y z h e n gg u o j i e ( m a r i n ee n g i n e e r i n g ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw ug u i t a o ，c h e nw e j u n e2 0 1 1 -、1 1 厶i j - 。 ， 1 产 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 。 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文= = 蕴盐险湿窒遢型旦篮鹤苤迪扭金垫友塞班究：。除论文中已 经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发 表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 槲亭蹴训年么月垢 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版 权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文 的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密嘶请在以上方框内打“寸，) 论文作者签名0 多回乐导师签名： 日期：汐f 年易月 ，1 中文摘要 摘要 海洋运输是世界贸易的主要运输方式，承担了其中9 0 外贸货物的运输，对 世界经济的发展做出巨大的贡献。大部分船舶采用柴油机作为主推进动力装置， 主机的热效率只有5 0 左右，大量的废热通过排烟、冷却水等方式排走，能源的 利用率不高。本文从船舶主机余热利用和节能的角度出发，围绕转轮除湿空调在 船舶上的应用进行研究。 本文首先阐述了船舶余热的利用现状，并对某船柴油机的热平衡作了详细的 计算，对各部分热量所占比例和余热的品质作了分析。 其次介绍了现有船舶空调装置的基本情况，对转轮除湿空调的原理作了详细 阐述，总结了除湿转轮在空调领域的应用及研究现状，并根据海洋环境的特殊性 和船舶余热的分布及使用状况，分析船用除湿转轮空调系统的节能特性。通过和 传统蒸发压缩式制冷系统的对比，讨论其在船舶上应用的可行性 最后提出两种转轮除湿空调系统方案：单级除湿方案和双级除湿方案。在两 种方案中，除湿转轮的干燥剂再生均是利用船舶余热。通过比较两个系统方案干 燥剂再生所需要的蒸汽量和辅助压缩式空调机组压缩机的功耗，选择了压缩机功 耗较小的双级除湿方案作为本文的系统方案，并进一步比较了双级除湿方案所需 要的蒸汽量与船上现有的锅炉装置富余的蒸汽量，验证了该船现有的锅炉装置不 需要进行改造就能够满足系统的需要；同时还计算了双级除湿方案在实船上应用 的节能潜力，计算结果表明压缩机的功耗仅需额定功耗的4 6 6 。 本文所构架的转轮除湿空调系统双级除湿方案可以有效地应用于船舶空调装 置的节能改造，可利用船舶柴油机余热，节省船舶空调能耗。该双级转轮除湿方 案同时有利于减少船舶运行中的碳排放，符合当前国际海事组织保护海洋环境、 减少碳排放以及提高船舶能效的趋势 关键词：转轮除湿空调；节能；余热利用；双级转轮除湿系统 -口，ii，r p ，：j 英文摘要 a b s t r a c t m a r i n et r a n s p o r t a t i o ni st h em a i nt r a n s p o r t a t i o nv e h i c l et ow o r l d t r a d e n o w a d a y s n e a r l y9 0 g o o d so fw o r l dt r a d ea r ct r a n s p o r t e db ys h i p sa n di tu n d o u b t e d l ym a k e s g r e a tc o n t r i b u t i o nt ot h ed e v e l o p m e n to fw o r l de c o n o m y m o s ts h i p su t i l i z em a r i n e d i e s e le n g i n ea st h em a i np o w e r p l a n to fp r o p u l s i o ns y s t e m y e tt h et h e r m a le f f i c i e n c y o fm a r i n ed i e s e le n g i n ei so n l ya b o u t5 0 t h i si sp a r t l yd u et ot h ef a c tt h a tal o to f w a s t eh e a ti st a k e na w a yb ye x h a u s tg a sa n d j a c k e tc o o l i n gw a t e re t c b a s e do nw a s t e h e a tr e c o v e r yo fm a r i n ed i e s e le n g i n ea n de n e r g y - s a v i n gt e c h n o l o g y ，t h i sp a p e r a n a l y z e st h ea p p l i c a t i o no ft h ew h e e ld e s i c c a n ta i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m0 1 1s h i p s 、 f i r s t l y ，t h es t a t u so ft h eu t i l i z a t i o no fs h i pw a s t eh e a tw a ss u m m a r i z e d t h e nt h e h e a tb a l a n c eo f m a r i n ed i e s e le n g i n eo fac e r t a i nc o n t a i n e rs h i pw a sc a l c u l a t e d ，a n dt h e p r o p o r t i o no f t h eh e a to f e a c hp a r ta sw e l la st h eq u a l i t yo f w a s t eh e a tw a sa n a l y z e d s e c o n d l y ，t h eb a s i cs i t u a t i o no fp r e s e n tm a r i n ea i rc o n d i t i o n i n gw a si n t r o d u c e d t h ep r i n c i p l e so ft h ew h e e ld e s i c c a n ta i rc o n d i t i o n i n gw e r ee x p l a i n e di ng r a p h i cd e t a i l s ； t h ea p p l i c a t i o na n dr e s e a r c hs t a t u so fw h e e ld e s i c c a n ti nt h er e a l mo fa i rc o n d i t i o n i n g w e r es u m m a r i z e d ；a n da c c o r d i n gt ot h es p e c i f i c i t yo fm a r i n ee n v i r o n m e n t ，t h e d i s t r i b u t i o na n du t i l i z a t i o ns t a t u so ft h es h i pw a s t eh e a t ，t h ee n e r g y - s a v i n gp o t e n t i a lo f m a r i n ew h e e ld e s i c c a n ta i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mw a sa n a l y z e d w h a t sm o r e ，i ns t a r k c o n t r a s tt ot r a d i t i o n a lm a r i n ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m ，t h ef e a s i b i l i t yo f w h e e ld e s i c c a n t a i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mo ns h i p sw a sa l s od i s c u s s e d + f i n a l l y ，t w os o l u t i o n so fw h e e ld e s i c c a n ta i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mw e r ep r o p o s e d ： o n e - s t a g ed e h u m i d i f i c a t i o ns y s t e ma n dt w o - s t a g ed e h u m i d i f i c a t i o n b o t hs o l u t i o n st a k e g o o da d v a n t a g eo ft h es h i pw a s t eh e a tt or e g e n e r a t et h ed e s i c c a n ti nt h ew h e e l a f t e r c o m p a r i n gt h er e q u i r e ds t e a ma m o u n tn e e d e df o rd e s i c c a n tr e g e n e r a t i o na n dt h ep o w e r c o n s u m p t i o no ft h et w os o l u t i o n s ，t w o s t a g ed e h u m i d i f i c a t i o ns c h e m ew h i c h c o n s u m e sl e s sc o m p r e s s o rp o w e rw a sc h o s e na st h es y s t e ms o l u t i o n t h e nt h er e q u i r e d s t e a ma m o u n to fs o l u t i o nt w o w a sc o m p a r e dw i t l it h es t e a ms u r p l u si ns h i p ， a n dt h e r 1 i t h r 1 r h 厂1 英文摘要 c o m p a r i n gr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ee x i s t i n gb o i l e ri nt h es h i pc a na c c o m m o d a t et h e r e q u i r e m e n ta n dd o e s n o tn e e dt ob er e m o d e l e d ；a n da tt h es a m et i m e ，t h e e n e r g y - s a v i n gp o t e n t i a lo fs o l u t i o nt w o w a sc a l c u l a t e d ，t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o w e d t h a tt h ec o m p r e s s o rp o w e rc o n s u m p t i o no fs o l u t i o nt w oi so n l y4 6 6 o ft h er a t e d c o m p r e s s o rp o w e rc o n s u m p t i o n t w o - s t a g ed e h u m i d i f i c a t i o ns c h e m ep r o p o s e di nt h i sp a p e ri sa ne f f e c t i v ev e h i c l e t oe x p l o r ean e ww a yf o rt h ee x i s t i n gm a r i n ea i rc o n d i t i o n i n gt o w a r d se n e r g y - s a v i n g ；i t c a nu s et h ew a s t eh e a to fm a r i n ed i e s e le n g i n e ， s a v i n gt h ee n e r g yc o n s u m p t i o no f m a r i n ea i rc o n d i t i o n i n g ， r e d u c i n gt h es h i pc a r b o ne m i s s i o n si no p e r a t i o n a n d t h e r e f o r e ， a l lo ft h e s ew i l ld e f m i t e l yr e d u c ec a r b o ne m i s s i o n sa n di m p r o v et h ee n e r g y e f f i c i e n c yo fs h i p st os o m ee x t e n t ，t h e r e b ym e e t i n gt h es t a n d a r d so fi n t e r n a t i o n a l m a r i t i m eo r g a n i z a t i o n ( i m o ) o fm a r i n ee n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n k e y w o r d s ：w h e e ld e s i c c a n ta i rc o n d i t i o n i n g ；e n e r g ys a v i n g ；w a s t eh e a tr e c o v e r y ； t w o - s t a g ed e h u m i d i f i c a t i o n _i￥y p ；一 ， v 目录 目录 第1 章绪论j 1 1 1 研究背景1 1 2 研究的意义2 1 3 本文研究的主要内容3 第2 章船舶余热及其应用o 5 2 1 船舶余热概述5 2 2 主机排气余热的利用5 2 3 船舶余热利用潜能分析实例。6 2 3 1 实船柴油机及锅炉装置介绍6 2 3 2 柴油机热平衡计算7 第3 章船舶空调及转轮除湿空调13 3 1 船舶空调现状1 3 3 2 转轮除湿空调的基本原理1 5 3 3 转轮除湿空调的研究现状1 6 3 4 转轮除湿空调在船舶上应用的可行性分析1 9 第4 章船舶转轮除湿空调的构建2 4 4 1 室内外设计参数的选定2 4 4 2 送风状态点和送风量的确定2 5 4 2 1 送风状态点的确定2 5 4 2 2 送风量的确定2 8 4 3 干燥剂的选择3 0 4 4 船用转轮除湿空调系统方案的设计3 2 4 4 1 单级除湿方案设计3 2 4 4 2 双级除湿方案设计。3 6 第5 章系统能耗分析和方案比较4 0 5 1 单级除湿方案设计的系统能耗计算4 0 5 2 双级除湿方案设计的系统能耗计算4 3 一、。；- r 目录 5 3 设计方案的比较4 5 5 4 设计方案的可行性分析4 6 第6 章结论与展望4 8 6 1 结论：4 8 6 2 后续工作展望4 9 参考文献5 0 附录5 3 攻读学位期间公开发表论文5 5 致谢5 6 t 一 t v 1 ， 转轮除湿空调利用船舶柴油机余热方案研究 第1 章绪论 1 1 研究背景 随着世界经济的不断发展，工业生产和日常生活对能源的消耗也日益增多。 化石燃料是其中最主要的能源，并且在今后很长的一段时期内的能源消费结构中 继续保持着主导地位。化石燃料的燃烧产生的温室气体对环境造成了很大影响， 二氧化碳是温室气体的主要成分，从1 9 7 0 年到2 0 0 4 年期间，二氧化碳的排放量 增加了大约8 0 ，从2 1 0 亿吨增加到了3 8 0 亿吨，在2 0 0 4 年，人为的温室气体排 放总量占到了7 7 ，化石燃料的燃烧产生的二氧化碳已经超过了5 0 e 。 虽然当前很多国家积极开发利用新能源，水能、风能、核能和太阳能技术得 到了一定程度上的利用。这些新能源技术都注重可持续发展和环境保护，并且理 论上其能源可以再生。不过，在当前，很多的条件因素制约着新能源的推广和应 用，同时还普遍存在着成本较高、效率低等问题。 在2 0 世纪6 0 年代中期，世界的能源消费开始进入了“石油时代 。2 0 世纪 7 0 年代以来，世界经历了多次石油危机，石油的价格趋势也是一路上涨。2 0 0 3 年， 国际原油价格突破了3 0 美元每桶，一直到现在，已经超过了1 0 0 美元每桶。在这 期间的2 0 0 8 年，国际原油价格最高达到了1 4 7 2 7 美元每桶。 由于新能源还未能大规模广泛地应用，石油、煤炭等传统能源价格的快速大 幅地上涨，与此同时，它们燃烧产生了大量的废气，对生态环境造成了非常大的 破坏，给人类的发展带来了负面影响。因此，我们研究节能减排的措施和方法来 提高传统能源的利用率，是具有重大现实意义的课题，也是人们努力研究的一个 方向。 海洋运输是世界贸易的主要运输方式，承担了其中9 0 夕b 贸货物的运输，对 世界经济的发展做出了巨大的贡献。大部分船舶上采用柴油机作为主推进动力装 置的动力，船舶除了需要主推进装置提供的机械能外，还需要电能和热能。船舶 上的电能是由柴油发电机组供给的，热能由锅炉装置提供。这些动力装置使用船 用燃油，它们燃烧后产生了大量的废气，对海洋环境会产生较大的污染。目前， 气， 第1 章绪论 船舶排放的二氧化碳已达到1 1 2 亿吨，约占世界温室气体排放量的4 5 ，据国际 海事组织预测，到2 0 2 0 年，船舶碳排放量将增长7 5 【2 1 。主机消耗的能量占船舶 消耗总能源的7 0 多，且主机的热效率只有5 0 左右，大量的余热通过排烟、冷 却水等方式排走，所以主机余热具有较大的可利用潜能 船舶空调装置是现代船舶非常重要的设备，关系到船员身体健康而且影响到 各种仪器设备正常工作。目前，船舶空调主要采用方式是蒸汽压缩式制冷，主要 采用的制冷剂为氯氟烃类。这种制冷方式的技术较为成熟，制冷系数也较高，但 是其所消耗的能量全部由柴油发电机组燃烧燃油产生的热能经过多次能量转换来 提供的，整体的能源利用效率较低，消耗的能源比较多。同时这样产生较多的碳 排放和氯氟烃类制冷剂的使用都会对环境造成很大的污染。因此，船舶空调装置 技术的研究和改进也引起了人们越来越多的注意，人们希望能研制出一种既节能 又环保的制冷方式来代替当前传统的蒸汽压缩式制冷。 1 2 研究的意义 能源问题是一个与世界经济发展紧密相连的问题。海运作为世界经济中重要 的运输形式，降低其运行过程中的能源费用能够大大降低运输成本，节省开支， 增加盈利。近年来，能源价格一路上涨，使得燃料费用在船舶运输成本中所占的 比例上升到了4 0 - 5 0 ，节省能源开支的意义更显得重要。 与此同时，船舶燃料的燃烧产生的废气对海洋环境污染不断加重，引起了世 界各国的重视。2 0 1 0 年，国际海事组织海洋环境保护委员会( m e p c ) 第6 1 次会 议进一步就制定促进船舶能源利用效率以减少国际航行船舶温室气体( g h g ) 排 放措施进行了讨论，并取得新的进展，一些缔约国审议并通过了减少国际航行船 舶二氧化碳排放的技术和操作性措施，设定了船舶能源效率设计指标( e e d i ) 和 船舶能源效率管理计划( s e e m p ) ，并将在近几年内将其作为一项强制性措施来实 施【1 1 特别是近年来，国际海事组织对船舶的9 大排放进行有针对性的限制，“船舶 减碳指标x 计划在若干年内完成，同时，欧盟议会通过决议，设定2 0 1 1 年底为 2 - j 一 彰 v 瞄 ； j 转轮除湿空调利用船舶柴油机余热方案研究 i m o 达成航运g h g 排放目标的最后期限，这些规定都涉及到我国海运业发展的根 本利益，因此，在海运业实行低碳经济势在必行。 船舶余热应用于空调制冷方面的潜力是巨大的，但目前国内外研究转轮除湿 空调在船舶上的应用，船舶空调如何利用船舶柴油机余热等方面的文献较少。转 轮除湿空调是一种不同于常规空调的空调系统，是一种比较节能和环保的制冷技 术。常规传统的空调系统采用冷却除湿方式将冷却器表面温度降低到露点以下， 使空气中的水蒸气冷凝而析出，该过程需要消耗大量的能量用于降低冷却温度。 转轮除湿空调将湿负荷与热负荷分开处理，采用转轮中的干燥剂处理湿负荷，如 果在船舶上应用，可以充分利用船舶余热对干燥剂进行再生，节省了用于处理湿 负荷需要的能量。将传统压缩式空调机组与转轮结合在一起，可以节省用于处理 湿负荷的能耗，保证送风温度的稳定性，提高系统的热力性能。转轮除湿空调的 应用已经逐渐成为了人们当前进行空调技术领域研究的一个热点，主要研究方向 有新型干燥剂、转轮结构、系统型式以及转轮除湿空调与太阳能( 或废热利用) 相结合等等。 本论文的重点就是进行转轮除湿空调利用船舶柴油机余热方案研究，设计一 套适合船舶并能充分利用船舶柴油机余热的转轮除湿空调系统的方案，从而达到 船舶节能减排和提高燃料的热利用效率的目的，使其符合当前国际保护海洋环境 的趋势。 。 1 3 本文研究的主要内容 本课题主要研究内容是针对原有的船舶压缩式空调系统进行节能改造，将压 缩式空调系统与除湿转轮结合，找到最佳的可行性方案。新的方案将充分利用船 舶主机丰富的余热，结合原有船舶余热利用设备，将余热用于空调系统中，减少 用于船舶空气调节的能耗。所做主要工作如下： ( 1 ) 首先总结了船舶余热的利用现状，并对某船柴油机的热平衡作了详细的 计算，对各部分热量所占比例和余热的品质作了分析，分析了转轮除湿空调利用 船舶柴油机余热的方式。 。 第1 章绪论 ( 2 ) 介绍了现有船舶空调装置的基本情况，对转轮除湿空调的原理作了详细 说明，总结了除湿转轮在空调领域的应用及研究现状，并根据海洋环境的特殊性 和船舶余热的分布及使用状况，分析船用除湿转轮空调系统的节能性。同时通过 和传统冷却除湿空调系统的对比，讨论转轮除湿空调在船舶上应用的可行性。 ( 3 ) 通过某船舶舱室室内外空气设计参数，确定了送风状态点和送风量大小。 并在此基础上设计出两个转轮除湿空调系统方案：单级除湿方案和双级除湿方案。 在两个方案中，除湿转轮的干燥剂再生均是利用船舶余热。 ( 4 ) 计算比较两个系统方案干燥剂再生所需要的蒸汽量、辅助压缩式空调机 组压缩机的功耗，选择能耗较少的双级除湿方案作为转轮除湿空调在船舶上实施 的实际方案。同时计算使用除湿转轮后额外增加的蒸汽量占原船用锅炉蒸汽额定 量的比例，比较加装除湿转轮前后船舶蒸汽量的需求。结果表明在不改变船舶废 气锅炉和燃油锅炉的前提下，船舶锅炉能够满足转轮除湿空调在船上的运用后全 船的能量需求，为转轮除湿空调系统在船舶上的运用提供了参考方案。 j 一 ， v 转轮除湿空调利用船舶柴油机余热方案研究 第2 章船舶余热及其应用 2 1 船舶余热概述 在船舶的航行中，机械能、电能和热能是必不可少的。这三种能量分别由推 进装置、发电装置和供汽装置提供，都是靠燃料的燃烧而产生的。在以柴油机为 主动力的船舶上，主机、发电装置和辅助锅炉都是直接消耗燃料的设备。 船舶柴油机是船舶的主推进动力装置，是船舶的主要耗能装置，燃烧所产生 的能量只有一部分用于推进装置做功，转变为机械能。目前，船舶柴油主机所消 耗的能量占船舶总消耗的7 0 以上，热效率大约为5 0 ，其余的热量通过排气、 冷却和散热等途径排入大气或者海水中。这部分余热如不加以利用，将造成非常 大的浪费，因此，对这部分热量的回收是船舶余热回收的重要部分。 柴油发电机和辅助锅炉分别为船舶提供电能、热能，两者消耗的能量占船舶 二。 总输入能量的1 0 3 0 ，这一部分能量也是相当大的。为了提高能源利用率，节 约能源开支。首先，可以提高设备能量转换的效率，减少燃料的消耗，另外，可 以结合主机的余热利用，利用主机的余热为船舶提供所需的热能和电能，减少柴 油发电机和辅助锅炉对燃料的消耗。 余热也是一种热能，虽然有些品质不是很高，但将其合理并充分的利用起来， 对提高整个系统的能源利用效率有很大的作用。船舶上日常需要的电能和热能是 依靠柴油发电机和辅助锅炉来提供的，需要消耗燃料来实现能量的转换，如果能 利用船舶柴油机余热，从而减少热能、电能的消耗，都将是一种非常好的节能方 法。 2 2 主机排气余热的利用 船舶柴油机余热回收主要是指排气余热、缸套冷却水余热和增压空气余热的 回收利用。柴油机排气温度一般在2 6 0 - 4 0 0 之间，冷却水温度在6 5 8 5 左右。 柴油机排气通常通过废气锅炉来加以利用，在不开辅助锅炉或者减少辅助锅炉的 蒸汽产量的情况下由废气锅炉生产蒸汽，不仅可以用于船舶上的热水系统、舱室 取暖和生活上的需要，而且还可以用于主机启动前的暖缸、燃油和滑油的加热等 第2 章船舶余热及其应用 等，有时还可以用作热源，用于加热，如在吸附式空调制冷中加热制冷工质：随 着船舶业的快速发展，船舶柴油机的功率也在不断加大，排烟温度进一步升高， 余热热量如不充分加以利用，将会造成很大的浪费。废气余热的最佳利用方式是 用于产生蒸汽，然后用蒸汽来驱动发电机产生电能，供给船舶的用电装置，从而 减少柴油发电机的发电量，甚至在不开柴油发电机的情况下，仅靠余热发电机组 所产生的电量就可以满足船舶用电的需要，多余的电能还可以用于主机推进系统。 柴油机高温排气由于品质较高可以用来产生电能，而冷却水的余热则只能用于其 它对温度要求较低的场合，如用于加热生活用水或取暖，作为海水淡化的热源等 等。一般船舶柴油机余热回收利用的途径和方法可以用图2 1 表示【3 1 ： 腆产生介质手段介质裥方式用途 图2 1 船舶柴油机余热利用的途径与方法 f i g 2 1t h ew a y sa n dm e a n so f u t i l i z a t i o no f w a s t eh e a to f t h em a r i n ed i e s e le n g i n e 2 3 船舶余热利用潜能分析实例 2 3 1 实船柴油机及锅炉装置介绍 某滚装船，船型4 9 0 0 p c t c ，总吨4 6 3 5 8 t ，设计航速2 0 节，其装配的主机和 锅炉装置介绍如下： 主机型号：h a i 小啪w 9 s 5 0 m c c 7 ；最大持续功率：1 4 2 2 0 k w ，转 速1 2 7 r m i n ，正常持续功率：1 2 7 9 8 k w ，转速1 2 2 6 r r a i n ：缸数：9 ；缸径：5 0 0 m m ， v v 转轮除湿空调利用船舶柴油机余热方案研究 行程2 0 0 0 m m ；额定燃油消耗量：1 6 8 7 9 k w h ( 依据i s o 工况下，燃油发热值为 4 2 7 0 7 k j k g ) ：机油消耗量：4 - s k g 缸2 4 h ：冷却水( 淡水) 温度：3 6 ( 2 。 燃油辅助锅炉型号：m i s s i o no s2 0 0 0 ： 蒸汽产量：2 0 0 0k g h , 工作压力： 0 7 m p a 废气锅炉型号：a q 7 ；废气流量：1 2 1 4 0 0 k g h ：蒸汽产量：1 5 0 0 k g h ：工作压 力：0 7 m p a 。 根据主机说明书规定的相关运行参数以及本人长期在船舶上的工作经验，选 取一组主机运行参数。主机功率为1 2 7 9 8 k w ，主机转速为1 2 2 6 r m i r a 扫气总管温 度为3 9 c ；机舱温度3 8 c ；气缸冷却水进机温度为7 0 c ，气缸冷却水出机温度 8 0 c ；主机滑油进机温度4 6 ( 2 ，滑油出机温度5 6 c ；燃油进机温度1 3 5 ( 2 ；冷却 水( 淡水) 温度为3 6 ；增压空气温度为1 7 0 c ；增压器废气进气平均温度为4 0 0 c ， 增压器废气排气平均温度为2 7 5 。 2 3 2 柴油机热平衡计算 在船舶柴油机中，燃料在气缸中燃烧所发出的全部热量，部分转变为机械 功，用于推动装置的工作，其余部分分别通过废气、冷却水、润滑油和散热排入 海水和大气中。根据热力学第一定律，即能量转换与守恒定律：自然界的一切物 质都具有能量，能量既不能被创造，也不能被消灭，只能从一种形式的能量转换 成另外一种形式的能量，能量的总量保持不变。因此，船舶柴油机整个系统的热 量转换守恒可以表示为： 柴油机中燃料燃烧所产生的热量= 转变为有效功的热量+ 冷却水带走热量+ 废 气带走热量+ 润滑油带走的热量+ 其他损失的热量。即： g = q + 纵+ 瓯+ 级+ q ( 2 1 ) 其中， q 厂每小时柴油机中燃料燃烧所产生的热量； q 每小时转变为有效功的热量； ( k 每小时冷却水带走热量； 第2 章船舶余热及其应用 如每小时废气带走的热量； q - - d t o 每小时润滑油带走的热量； q r 每小时其他损失的热量。 ( 1 ) 有效功q 。的计算 船舶柴油机所用燃油为重油，密度p = o 9 6 4 x 1 0 3 ，发热值饥= 4 2 7 0 7 k j l 【g 。2 4 小时的燃油消耗为g = 1 6 8 7 9 k w h x l 2 7 9 8 k w x 2 4 h = 5 1 8 2 t ，每个小时的燃油消耗量 为m ：= c 2 4 = 5 1 8 2 1 0 3 2 4 k g h = 2 1 5 9 1 7 k g h ，则柴油机燃料燃烧产生的总热量为： q 2 以x 吩- - 4 2 7 0 7 2 1 5 9 1 7 = 9 2 1 0 7 k j 。 主机功率为1 2 7 9 8 k w ，即其所做有用功为 q = 3 6 1 0 3 = 3 6 x 1 0 3 x 1 2 7 9 8 k j - = 4 6 1 x 1 0 7 k j ( 2 ) 冷却水带走热量瓯的计算 冷却水带走热量瓯计算公式为： 瓯= ( 一f 2 进) ( 2 2 ) 在上式中，朋0 表示冷却水的质量流量，单位k g h , 表示冷却水的平均 定压比热，单位k j ( k g ) ；乞捧表示冷却水排出的温度，单位；乞进表示冷却 水进入的温度，单位； 根据船舶的实际情况，取冷却水的密度w = l x l 0 3k g m 3 ，水的平均比定压比热 容为霉4 1 9 2k j ( k g 。) ，冷却水从气缸排出的温度乞捧2 8 0 ( 2 ，冷却水进入气缸 的温度乞进；7 0 ，冷却水泵的流量为1 5 0 m 3 h ，则质量流量肘0 = 1 5 0 1 1 0 3k g h - - 1 5 x 1 0 5 k g m 则冷却水带走的热量瓯为： 瓯t 1 5 x 1 0 5 x 4 1 9 2 x ( 8 0 - 7 0 ) 暑6 1 $ x 1 0 6k j v 转轮除湿空调利用船舶柴油机余热方案研究 ( 3 ) 润滑油带走的热量q c d 计算 润滑油带走的热量瓯计算公式为： 瓯= 虬( 镰一f 3 迸) ( 2 3 ) 在上式中，肘表示润滑油的质量流量，单位为k h ；表示排气的平均 定压比热，单位为l d ( k g ) ；冬迸表示润滑油进入设备时的温度，单位；乞排 表示从柴油机流出的温度，单位。 根据船舶柴油机中润滑油的实际情况，选取润滑油的密度p - - - - o 8 6 1 0 3k g m 3 ， 平均定压比热c 匆_ 2 0l i ( k g ) ，润滑油进入设备时的温度岛进= 4 6 ，润滑油 出来设备时的温度岛排2 5 6 c 主机滑油循环泵的流量为3 8 0 m 3 h ，其中仅6 0 的 滑油供主机本体润滑冷却用，则进入柴油主机的润滑油的质量流量 虬= 3 8 0 0 6 0 x o 8 6 x 1 0 k - 1 9 6 x 1 0 5 k g h ，所以有： q c o = 1 9 6 x 1 0 5 x 2 o x ( 5 6 - 4 6 ) = 3 9 2 x 1 0 6 k j ( 4 ) 排气带走的热量如计算 排气带走的热量敛计算公式： 线= 收( t 捧一气进) ( 2 4 ) 式中，m d 表示排气的质量流量，单位k g h , 乙胆表示排气的定压比热，k j ( k g ) ；捧表示柴油机的排气温度，单位；气进表示柴油机的进气温度，单位： 船舶柴油主机的排气温度较高，通常在2 6 0 c 以上，常用的温度计根本无法对 其进行测量。根据质量守恒定律，柴油机排出废气质量m 口由进入柴油机的空气 和燃油质量组成，可以认为废气质量等于进入柴油机的空气质量与燃油质量之和， 则 乞= 心+ 吩= 0 0 0 1 e 6 + 印巧i 统九1 ( o 0 6 1 k ) ( 2 5 ) 第2 章船舶余热及其应用 式中：心表示进入柴油机的空气质量流量，单位为k g h = m ，表示进入柴油 机的燃油质量流量，单位为k g h ：表示柴油机的输出功率，单位为k w ；b 表示 柴油机的燃油消耗率，单位为g ( k w h ) ；n 表示柴油机的额定转速，单位为r m i r a p 表示进入柴油机空气的密度，k g m 3 ；v s 表示柴油机的单缸气体排量，单位为l ； i 表示柴油机的气缸数：吮表示柴油机的充气效率；九表示柴油机的过量空气系 数；k 表示机型计算系数，二冲程机为l ，四冲程机为2 。 ， v 在该工况下，柴油机的输出功率p e = 1 2 7 9 8 k w ，燃油消耗量b = 1 6 8 7 9 ( k w h ) ， 额定转 n = 1 2 2 6 r m i n ，空气密度p = 1 2 9k g m 3 , 柴油机的单缸气体排量圪= 3 9 2 5 l ， 柴油机气缸数i - - 9 ，柴油机的充气效率吮= o 9 ，柴油机的过量空气系数九_ 2 3 ， 妊1 ( 主机是二冲程直流扫气) 。 将以上各参数代入式，则 虬= o 0 0 1 x 1 2 7 9 8 x 1 6 8 7 + 1 2 2 6 x 1 2 9 x 3 9 2 5 x 9 x o 9 x 2 。3 x o 0 6 = 7 1 5 4 6 9 6k g h 。 查取相关资料，取柴油机排气的平均比定压比热容为q 棋；1 0 5 k j ( k g 。) ，增 压器废气进气平均温度为4 0 0 c ，即气捧= 4 0 0 ：扫气就是柴油机进气，因此，进 气温度即为扫气总管温度，u pt l a = 3 9 c 将上述选定的参数代入如式中，则 瓯= 7 1 5 4 6 9 6 1 0 5 ( 4 0 0 3 9 ) - 2 7 1 x 1 0 7 k j ( 5 ) 其他损失的热量q ，计算 除了上述转变为有效功的热量q ，、冷却水带走热量瓯、润滑油带走的热量 如和润滑油带走的热量q c d ，其他损失的热量q r 包括通过柴油机机体散发的热 量、燃料不完全燃烧所造成的损失、机械设备做功过程中所产生的摩擦损失以及 废气排出机体过程中的动能消耗等，这一部分损失的能量无法用测量工具测量， 只能由燃料燃烧产生的总热量减去有效功的热量、冷却水带走热量鲸、润滑油带 i v 转轮除湿空调利用船舶柴油机余热方案研究 走的热量呶和润滑油带走的热量线，剩f 的就是损失的热量q r ，由f 回的公 式即可计算出，即 一 q = g 一( q + 鲸+ 艮+ 瓯) ( 2 6 ) 代入上述各计算结果，得 g = 9 2 1 0 7 - ( 4 6 1 1 0 7 + 6 1 8 x 1 0 6 + 2 7 1 1 0 7 + 3 9 2 1 0 6 ) - - - 8 7 l o j ( 6 ) 各部分热量在总热量中所占比例 通过上述计算结果，可以得出各部分热量在总热量中所占比例，即 有效功在总热量中所占比例吐6 1 1 0 7 9 2 x 1 0 7 - 5 0 1 ； 冷却水带走热量在总热量中所占比例艺勿= 6 1 8 1 0 6 9 2 1 0 7 娟7 ； 废气带走的热量在总热量中所占比例号秀_ 2 7 1 1 0 7 9 2 1 。7 = 2 9 5 ； 润滑油带走的热量在总热量中所占比例q c 形f = 3 9 2 x 1 0 6 9 2 1 。7 = 4 3 ； 损失的热量在总热量中所占比例- 8 7 1 0 6 9 2 1 0 7 破4 由上述结果可以清楚地看出，该船的主柴油机中燃料燃烧所产生的热量有 5 0 1 转变为机械能，而排气、冷却水、润滑油带走的热量和其他损失的热量将近 5 0 ，总损失的热量是相当大的，回收这部分余热的能量，对提高整个动力装置的 经济性和船舶节能减排有重要意义。柴油机燃料燃烧各部分热量所占比例如图2 2 所示，通过上面的计算，该船主机的排烟损失为2 7 1 x 1 0 7l d h ，占主机总能耗的 2 9 5 ，是所有损失中最大的，并且排气在废气涡轮出口处的温度在2 7 5 c 左s ， 属于较高品位热能，有利用的潜力，所以我们有必要研究柴油机废气余热的合理 利用，从而达到节能减排的目的。 1 2 t v 转轮除湿空调利用船舶柴油机余热方案研究 第3 章船舶空调及转轮除湿空调 3 1 船舶空调现状 船舶空调装置是船舶辅助机械设备中的重要组成部分，用于对外界空气进行 除尘、冷却或加热、去湿或加湿，并把经过加工处理后达到合适温度和湿度要求 的洁净的空气通过空调的管路系统送至船舶各个舱室，它与船上人员的身体健康 和各种仪器设备的正常运行密切相关，其运行的电能由柴油发电机提供，其耗能 约占柴油发电机总能的2 0 左右。 蒸汽压缩式制冷是目前船舶空调制冷的主要形式，主要由压缩机、冷凝器、 节流装置和蒸发器等组成，常用的制冷剂有r 1 2 、r 2 2 和r 1 3 4 a 等。r 1 2 是曾经在 船舶上应用比较广泛的一种制冷剂，后来r 2 2 在船舶上的