毕业论文-船舶综合节能系统的提出及其管外降膜蒸发器的数值模拟

1、PAGE PAGE 43PAGE 1大连海事大学装.装.订线二一二 年 六 月 船舶综合节能系统的提出及其管外降膜蒸发器的数值模拟专业班级：轮机工程2008-07姓 名： 指导教师： 轮机工程学院内容摘要摘要: 为了解决能源紧缺这一当今世界所面临的难题，同时响应党中央关于对节能减排的号召，本文针对海洋热能储能巨大及船舶动力系统余热能浪费严重的现状创造性地提出了一个船舶综合节能系统的的构想，并且以“育鲲“轮为例对该系统进行了热力学分析和经济性能分析，理论证明该系统是经济可行的。本文在研究了船舶对海洋热能及动力系统余热能的利用现状之后，对船舶综合节能系统进行了整体介绍，该系统主要由两个子系统组成。

2、一个是基于有机朗肯循环的主机、焚烧炉废气高位余热发电系统，该子系统回收主机燃烧废气和焚烧炉燃烧废气中的高品位热能，根据“按质用能，各用其所”的原则，这部分高品位热能被用作作功发电，以回收动力；另外一个是基于两级压缩式热泵循环的海水、冷却水低位余热供汽系统，该子系统回收船舶低温淡水冷却水中的热能，同时吸收海水中的热能，这部分低品位热能被用作锅炉热源以产生蒸汽。最后通过对该节能系统与船舶现行系统的对比分析表明该系统每年可以开发海洋热能，回收余热能，其追加投资回收年限为2.93年，符合经济性能指标。最后本文针对于该系统的核心部件管外降膜蒸发器进行了原理分析和数学建模。水平管外降膜蒸发技术是一种发生相

3、变的高效节能换热技术，具有传热性能好、传热温差小、换热效率高、可利用余热等优点。因此广泛用于低品位余热回收系统。本文利用大型通用有限元分析软件ANSYS对管外降膜蒸发器的多组分流动场，热应力耦合场和相变温度场进行了二维和三维数值模拟，计算出了水平换热管和蒸发器的最大热应力及其作用点，并且通过温度、压力分布云图这一表达形式直观地表现出了整个换热器的工作状态，为船舶综合节能系统的设计和实现提供了依据。同时对于管外降膜蒸发器的科学研究和工程应用具有一定的指导和实践意义。关键词：船舶节能 经济性 管外降膜蒸发器 数值模拟The proposition of Integrated Energy-savi

4、ng System of Ships and numerical simulation of Outside Falling-film Heat Exchanger ABSTRACTIn order to solve the energy poverty, one of difficult problems the world confronted with, and respond the governments exhortation about saving energy and reducing emission, considering the fact that the ocean

5、s have tremendous reserve in heat energy and waste-heat of power system isnt made good use of aboard, the present study put forward the idea of the Integrated Energy-saving System of Ships creatively, and take “YUKUN” as a example, thermodynamic analysis and economic performance are studied, it fina

6、lly proves practical and economical.General introduction to the system is done after a research on the current exploitation situation of ocean heat and waste-heat on board. The system is comprised of two branches, one is based on Organic Rankine Cycle named Diesel Engine、Incinerator Waste Gas High-G

7、rade-Heat Generation System, which recovers the heat in high-temperature gas to generate electricity according to the principal of quality decide how to make use of the heat; another one is based on Double Compressive Heat Pump Cycle named Sea Water、Cooling Water Low-Grade-Heat Steam-Generation Syst

8、em, which recovers the heat in the low-temperature water to heat water and provide steam for the ship. Through the comparison between the energy-saving system and the existing system, conclusion is obtained that the energy-saving system totally exploits ocean heat per year, recover waste-heat per ye

9、ar, and its extra investment compensatory time is 2.93 years, in line with economic performance rules.At last, principal analysis and numerically modeling of the core component-Outside Falling-film Heat Exchanger, this technology is a kind of phase-change effective energy-saving technology. The adva

10、ntages of the high heat transfer capability with small temperature differences and mass transfer potentials at low liquid flow rates helps to utilize low-grade waste heat. The paper utilize finite-element method, by ANSYS software, numerically simulates multiple species flow field、thermal stress cou

11、pling field and phase change temperature field, computing the maximum thermal stress and its location of horizontal tube and exchanger and delivering the working state of the entire exchanger directly through temperature and pressure distribution figure. This provide foundation for the the design an

12、d realization of the Integrated Energy-saving System of Ships and has a guiding and practical meaning in research and engineering management of the Falling-film Heat Exchanger.Keywords: Energy-saving of Ships; Economic Performance; Outside Falling-film Heat Exchanger; Numerical Simulation目 录 TOC o 1

13、-3 h z u HYPERLINK l _Toc323031460 前言 PAGEREF _Toc323031460 h 1 HYPERLINK l _Toc323031461 1船舶对海洋热能及动力系统余热能的利用现状 PAGEREF _Toc323031461 h 2 HYPERLINK l _Toc323031462 1.1 船舶对海洋热能的利用现状 PAGEREF _Toc323031462 h 2 HYPERLINK l _Toc323031463 1.2 船舶对动力系统余热能的利用现状 PAGEREF _Toc323031463 h 5 HYPERLINK l _Toc32303

14、1464 1.2.1 船舶排气损失的利用方案 PAGEREF _Toc323031464 h 6 HYPERLINK l _Toc323031465 1.2.2 船舶冷却损失的利用方案 PAGEREF _Toc323031465 h 7 HYPERLINK l _Toc323031466 2船舶综合节能系统的提出 PAGEREF _Toc323031466 h 8 HYPERLINK l _Toc323031467 2.1系统整体介绍 PAGEREF _Toc323031467 h 8 HYPERLINK l _Toc323031468 2.2 基于有机朗肯循环的主机、焚烧炉废气高位余热发电系

15、统 PAGEREF _Toc323031468 h 10 HYPERLINK l _Toc323031469 2.2.1 系统原理分析 PAGEREF _Toc323031469 h 11 HYPERLINK l _Toc323031470 2.2.2 系统热力学分析 PAGEREF _Toc323031470 h 12 HYPERLINK l _Toc323031471 2.3 基于两级压缩式热泵循环的海水、冷却水低位余热供汽系统 PAGEREF _Toc323031471 h 13 HYPERLINK l _Toc323031472 2.3.1 系统原理分析 PAGEREF _Toc323

16、031472 h 13 HYPERLINK l _Toc323031473 2.3.2 系统热力学分析 PAGEREF _Toc323031473 h 15 HYPERLINK l _Toc323031474 2.4 系统经济性分析 PAGEREF _Toc323031474 h 18 HYPERLINK l _Toc323031475 2.4.1 全年节约燃油费用 PAGEREF _Toc323031475 h 19 HYPERLINK l _Toc323031476 2.4.2 额外投资成本 PAGEREF _Toc323031476 h 22 HYPERLINK l _Toc323031

17、477 2.4.3 额外投资回收年限 PAGEREF _Toc323031477 h 22 HYPERLINK l _Toc323031478 2.4.4 系统经济性数据表 PAGEREF _Toc323031478 h 22 HYPERLINK l _Toc323031479 3管外降膜蒸发器的数值模拟 PAGEREF _Toc323031479 h 23 HYPERLINK l _Toc323031480 3.1降膜蒸发器的工作原理 PAGEREF _Toc323031480 h 24 HYPERLINK l _Toc323031481 3.2 降膜蒸发器的数学模型 PAGEREF _To

18、c323031481 h 25 HYPERLINK l _Toc323031482 3.2.1 质量守恒方程 PAGEREF _Toc323031482 h 25 HYPERLINK l _Toc323031483 3.2.2 动量守恒方程 PAGEREF _Toc323031483 h 25 HYPERLINK l _Toc323031484 3.2.3 能量守恒方程 PAGEREF _Toc323031484 h 26 HYPERLINK l _Toc323031485 3.2.4 管内对流换热系数 PAGEREF _Toc323031485 h 26 HYPERLINK l _Toc32

19、3031486 3.2.5 管外换热系数 PAGEREF _Toc323031486 h 26 HYPERLINK l _Toc323031487 3.3 基于有限元分析软件ANSYS的降膜蒸发器数值模拟 PAGEREF _Toc323031487 h 27 HYPERLINK l _Toc323031488 3.3.1 二维管道模拟 PAGEREF _Toc323031488 h 27 HYPERLINK l _Toc323031489 3.3.2 三维管道模拟 PAGEREF _Toc323031489 h 33 HYPERLINK l _Toc323031490 4总结 PAGEREF

20、_Toc323031490 h 35 HYPERLINK l _Toc323031491 参考文献 PAGEREF _Toc323031491 h 35 HYPERLINK l _Toc323031492 致谢 PAGEREF _Toc323031492 h 37 HYPERLINK l _Toc323031493 附录 PAGEREF _Toc323031493 h 37 HYPERLINK l _Toc323031494 附录1 “育鲲”轮燃油锅炉、柴油发电机组和焚烧炉的主要性能指标 PAGEREF _Toc323031494 h 37 HYPERLINK l _Toc323031495

21、附录2 工质R134a的物理性质和热力性质图表 PAGEREF _Toc323031495 h 39 HYPERLINK l _Toc323031496 附录3 水蒸气的焓熵图 PAGEREF _Toc323031496 h 41 HYPERLINK l _Toc323031497 附录4 ANSYS流固耦合热应力分析命令流 PAGEREF _Toc323031497 h 41船舶综合节能系统的提出及其降膜蒸发器的数值模拟前言能源和环境是一个国家或社会可持续发展的重要支柱，是经济发展、国家安全和人民健康生活的重要保障。然而，能源的紧缺和环境的恶化是当今世界所面临的两大难题。随着世界经济的发展和

22、能耗的增加，能源和环境问题己成为全世界关注的焦点。在我国，近年来随着经济的高速增长，能源消费呈持续上升趋势，能源问题已成为制约国民经济可持续发展的主要问题之一。人均能源资源占有量少、能源利用效率远低于发达国家水平是我国能源利用的现状，实施先进节能技术、提高能源利用效率，是目前我国能源领域中最重要、最迫切的问题。坚持科技先行、高效节约、国际合作、多元发展、清洁环保的中国特色能源发展道路是实现社会经济在高效低耗中健康发展的关键，也是我国能源领域可持续发展的重要战略思路。【1】为贯彻落实党中央国务院关于“节能减排”的号召，中国船级社（CCS）在“十一五”期间将启动“绿色船舶计划”，以满足我国船舶工业

23、由海洋大国向海洋强国发展的需要，实现可持续发展。届时中国船级社将发起成立跨部门、跨行业的船舶节能减排研究小组，联合我国政府有关部门、船舶工业和航运界的力量共同发展相关研究工作，全面提升中国船级社在节能、环保和减排方面的现代技术服务能力。在开展国际国内节能、环保、减排政策研究的基础上，针对我国节能减排技术整体实力较为薄弱的现状，推进新造船和现有船舶节能减排相关措施。【2】船舶动力装置为船舶航行提供所需的一切动力，目前，柴油机因其具有较高的热效率、功率覆盖面大、启动迅速、经济性好等特点，在商用船舶动力装置中得到了广泛应用随着船用柴油机技术的快速发展，目前，现代低速二冲程柴油机的热效率可高达50以上

24、，但仍有约50的热量不能转化为有用功，存在着大量的热能损失和浪费，其中最主要的就是船舶主机排放的高温废气中的热能损失和船舶冷却水中的热能损失。柴油机排气温度一般在350400之间，冷却损失主要包括缸套冷却损失、增压空气冷却损失和滑油冷却损失。【3】除此之外，船舶航行于海洋之中，有广阔的潜在能源可以利用，即海洋能。海洋作为容量巨大的可再生能源库，以热能形式储存在海水中的太阳能尚未得到充分的开发和利用。进人海洋的太阳辐射能一部分转变为海流的动能，而更多的是以热能的形式储存在海水中，且海水的比热容较大为3996kJ/(m3K)。如果船舶可以有效地开发和利用海洋中的热能，不仅可大大节约船舶消耗的常规能

25、源，缓解日趋紧张的能源压力，同时海洋能清洁环保减少了船舶污染物排放，在取得经济效益的同时又解决了环境污染问题，这是一个综合效益。针对上述所描述的情况，本文就以大连海事大学远洋实习船“育鲲”轮为例，对该船舶提出了船舶综合节能系统，利用发展成熟的热泵技术开发利用海洋中的热能，同时回收船舶动力装置的余热，利用有机朗肯循环使高温高压的工质蒸汽驱动汽轮-发电机发电。以“育鲲”轮的航行工况参数为依据计算分析系统的热力学参数和经济性。为在此基础上，本文又建立了管外降膜蒸发器的数学模型，并且利用大型通用有限元分析软件ANSYS对管外降膜蒸发器进行了全面的数值模拟，为船舶综合节能系统的设计和实现提供了依据。船舶

26、对海洋热能及动力系统余热能的利用现状1.1 船舶对海洋热能的利用现状海洋是巨大的能源宝库, 蕴藏着波浪能、潮汐能、海流能、海洋热能、海洋盐差能等多种可再生能源。为保证社会所需能源得到稳定持久的发展而不危害生态和子孙后代的生存, 各国从上世纪70年代后期加强了海洋能的利用研究。海水吸收与储存的太阳辐射就是海洋热能，浩瀚无垠的海洋中储藏着丰富的太阳能，据估计，海洋接受的太阳能，按平均功率计，约为60万亿千瓦以上，按热量计，为每秒14万亿千卡，相当于200万吨优质煤燃烧时放出的全部热量，若取其千分之一，即有600亿千瓦，相对于全世界3000年的全部能源需要，如果把表层海水的温度降低1对整个世界大洋而

27、言，约75的水体温度在06之间，50的水体温度在1.33.8之间，整体水温平均为3.8。其中，太平洋平均为3.7，大西洋4.0，印度洋为3.8。大洋表层水温变化于-230之间，年平均值为17.4。太平洋最高，平均为19.1图1 全球海洋表层温度分布图表1 三大洋每10纬度带内表面水温的年平均值()(据Defant，1961)图2和图3以世界上最大的海洋太平洋为例，显示了太平洋在冬季（1月）和夏季（7月）时的海洋表层的温度分布。图2 太平洋海洋表层温度分布图（A-冬季，B-夏季）图3 太平洋海洋表层平均温度分布图除此之外，全球温室效应对海洋的影响越来越明显，自2000年至2011年，全球经历了有

28、气象记录以来最热的十年。美国宇航局地区过程中今日公布了一张测绘地图，显示了2011年的全球气温变化。【4】图4 2011年全球气温变化图折线图(地图下方)显示了从1880年到现在每年的温度变化(相对于基期平均值)。图5 1880年到现在每年的温度变化(相对于基期平均值)目前，海水源热泵系统在我国刚刚处于探索阶段的起步位置，近些年在国内的沿海城市中，青岛、大连、天津以及香港等地将海水作为空调系统的冷热源使用在海水源热泵的使用与研究方面做了较多的工作。近日，大连市【5】被国家建设部选为全国唯一的水源热泵技术规模化应用示范城市，这标志着大连今后将有望以海水为能源，进行室内空气的冷热调节。图6为海水热

29、泵系统简图。然而国内在船舶利用海洋热能方面的研究也仅限于船舶海水源热泵空调系统和海水淡化系统的初步研究，中国船舶重工集团公司第704研究所的史学增等人通过对冬季的渤海、黄海、东海海域水温状况分析以及空调热泵设备的初投资和运行费用的比较，对海水源空调热泵在船舶上的适用性作出了一个初步的研究结论，并提出了扩大空调热泵应用海域的初步方法。【6】西北工业大学的周景峰对热泵式海水淡化系统中的性能进行了数值模拟和实验研究。【7】图6 海水热泵系统简图国外在海水源热泵系统的研究已经发展地比较成熟，瑞典，挪威，日本等国家都以成功利用海水源热泵为城市提供区域供热供冷，并且国外在海洋热能发电方面的研究也已相对成熟

30、。然而在船舶利用海洋热能方面的研究却相对较少，美国科罗拉多大学的JEFFREY D.MIROCHA等人对船舶利用垂直热交换系统开发海洋热能做了初步研究。【8】挪威TeamTec AS研究所的N.R. KRISTIANSEN等人对船舶通过热电发电机（Thermoelectric Generators）利用海洋热能发电的可行性与发展潜力进行了探索。【9】总体来说，由于海水温度相对较低，属低品位热能，开发难度相对较大，同时还存在腐蚀，波浪，潮汐等干扰，加大了利用难度，但是由于其巨大的能量储备加之清洁、环保、可再生等优点。对海洋热能的开发利用必定有着广阔的发展空间。1.2 船舶对动力系统余热能的利用现

31、状相对于船舶对海洋热能的利用现状，船舶对动力系统余热能的利用比较广泛，船舶在运营过程中，每天消耗大量的燃油，一条万吨级的远洋船舶，每天耗重油1525t(根据航速而定)，发电机消耗船用柴油1.52.5t，其中燃油燃烧产生的热量的3037 被排烟带走，15 被冷却水带走。【10】从柴油机热平衡计算和试验结果可知，柴油机燃油燃烧产生的全部热量中，转化为输出机械功的热效率大约40，而其排放的废热大约60。表l所列为几种排热组成及其温度。柴油机排放的废热主要包括排气废热与冷却水废热。其中排气废热的温度高达300400左右。排气带走的废热大约占燃料燃烧总热量的3O；而其冷却水温度大约401O0，冷却水带走

32、的废热大约占燃料燃烧总热量的20 。柴油机排气既具有极大的热量，又有较高的温度，是很有用的热源。但由于废气传热特性低，难以直接使用，而只能通过废气锅炉产生的蒸汽作为吸收式制冷装置的热源。柴油机的冷却水和增压空气温度虽低，但有相当大的热量，且冷却水系统是一个闭式回路，热回收率高，可直接作为吸收制冷的热源，如图1，冷却水带走的废热不但数值巨大而且其废热的品位也相当高。利用这种废热水制冷，不但意义重大，而且技术上也相当成熟。下面就主要介绍船舶最主要的两项余热损坏排气损失和冷却损失。1.2.1 船舶排气损失的利用方案国际燃油价格的大幅上涨，使得燃油成本成为各航运公司的主要营运成本之一。航运公司要获取更

33、高的利润，控制主机燃油成本就显得非常重要。主机废热利用则可以提高主机燃油利用率。图7是MAN B&W公司在没有配置主机废热利用系统的情况下，针对12K98ME/MC机型燃油利用率的研究成果。从图中可知，最终输出的轴功率也只有49.3%，约50%的燃油能量未被利用，其中主机废气部分所带走的热量就占了25.5%。【12】图7 主机热平衡图 主机排烟温度一般在260400之间，属于高品位热能。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

34、，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。除此之外，柴油机废气余热还可以用于涡轮增压技术，改良燃料，制冷等。图8涡轮增压技术涡轮增压技术余热制冷技术废气发电技术氟利昂汽轮机发电半

35、导体温差发电废气涡轮发电改良燃料取暖和加热主机废气余热图8 柴油机废气余热利用方案图1.2.2 船舶冷却损失的利用方案冷却损失主要包括缸套冷却损失、增压空气冷却损失和滑油冷却损失。主机缸套冷却水温度在6585左右。温度相对较低，所以只能用于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9表示。图9 船舶柴油机余热利用的途径与方法除主机缸套冷却水之外，国内外对增压空气和滑油等冷却水余热的回收利用还处于空白状态，主要原因仍是品位低，难回收。目前，由于中央冷却系统的诸多优势已经被广泛应用于船舶上，船舶各部分冷却水的余热都集中于中

36、央冷却器，在中央冷却器中被海水冷却带走，这部分低品位余热可以集中回收利用。余热有品质高低之分。根据“按质用能，各用其所”的原则，对于有动力利用价值的较高品位的余热从节能角度考虑应该作功以回收动力。若单纯用作加热热源，就会产生高级能干低级活的不合理现象。反之，若将低品位余热用于作功，则也是一种能质不匹配的得不偿失现象。这就必须根据用热设各的需要按质提供热能，做到热能供需不仅在数量上相等，而且在质量上匹配。在需要低品位能的场合，尽量不供给高品位能量，做到“热尽其用”。除了考虑余热的品位高低外，在组织全船供能和用能过程中，还要考虑余热的数量大小。在大功率船上，数量较大的余热热量如果仅用作船上加热热源

37、，是不能充分地回收余热的，多余部份将被排到外界而废弃掉。这时可采用余热发电或转换成机械能输入推进系统。在余热量不大的中、小型船舶上，利用余热所回收的动力是有限的，却要设置一套余热动力回收装置，增加了初投资和维修管理等费用，将导致经济上得不偿失，所以在中、小型船舶上余热仅作为加热热源使用。【13】针对以上情况，本文将提出一种船舶海水源热泵余热回收系统，该系统将利用有机朗肯循环和蒸发式热泵技术从低品位的海水热能、冷却水余热和高品位的废气余热三个能量源处吸收热量，按照“按质用能，各用其所”的原则将回收的热能用于动力作功发电和用作加热热源。将大大提高船舶的经济性。船舶综合节能系统的提出 系统整体介绍图

38、10即为作者提出的船舶综合节能系统的系统简图。 1汽轮发电机；2流量计；3离心式压缩机；4变速装置；5电动机 6低压节流阀；7高压节流阀 图10 船舶综合节能系统简图该系统主要由两个子系统组成。一个是基于有机朗肯循环的主机、焚烧炉废气高位余热发电系统，该子系统回收的是主机燃烧废气和焚烧炉燃烧废气中的高品位热能，根据“按质用能，各用其所”的原则，这部分高品位热能被用作作功发电，以回收动力；另外一个是基于两级压缩式热泵循环的海水、冷却水低位余热供汽系统，该子系统回收船舶低温淡水冷却水中的低品位热能，同时吸收海水中的低品位热能，根据“按质用能，各用其所”的原则，这部分低品位热能被用作产生加热热源即蒸

39、汽，该系统仍然采用目前在船舶上广泛使用的废气锅炉作为燃油锅炉附加受热面的配合方式，所不同的就是采用热泵锅炉（即蒸发压缩式热泵的冷凝器）替代了燃油锅炉向全船供汽，节省燃油消耗。图11为船舶海水源热泵余热回收系统整体的能量转化简图。冷却水 热能冷却水 热能主机废气热能焚烧炉废气热能循环工质压力能 热能蒸汽轮机机 械 能发电机电 能海 水 热能滑油冷却器空气冷却器缸套水冷却器热泵工质 热能压缩机 电能热泵锅炉 热能废气锅炉 热能锅炉蒸汽 热 能图11 系统能量转化简图该系统相对于目前船舶广泛使用的动力系统有如下优点:节能 以育鲲轮为例，在正常航行过程中，主机平均每天消耗重油18t，发电机平均每天消耗

40、1.8t，锅炉平均每天消耗1.5t（在不使用废气锅炉的情况下）。其中主机燃油燃烧产生热量的3037%被排烟带走，15%被冷却水带走。如果利用本节能系统回收这部分主要的热量，以燃油量为单位计算，取废气热量占燃油热量的30%，汽轮发电机效率10%估算。那么可回收的余热发电热能为取冷却水热量占15%，制热效率COP=4，那么可回收的余热供汽热能为综上，利用本系统每天至少可以节约相当于燃油的热量。节能效果显著。【14】经济根据后文系统经济性能的分析，可知使用该系统后船舶全年可以节约1.89105kg燃油量，即节约2.131010kJ电量，冷却效果不受外界影响由于育鲲轮使用的中央冷却系统中的低温淡水是在

41、中央冷却器被海水冷却，所以其冷却效果很大程度上受外界海水温度影响，例如育鲲轮在琼州海峡航行时，除起动所有海水泵之外，还需要起动造水机才能达到预定的冷却效果。然而本系统可以弥补这个缺点，正如可以保持伙食冷库温度恒定一样，本系统可以使冷却水保持在一定温度而不受外界影响。下面将逐个介绍和分析这两个子系统。2.2 基于有机朗肯循环的主机、焚烧炉废气高位余热发电系统该系统的设计思路来源于日本的一色尚次首先提出的利用发动机废热的氟里昂汽轮机发电装置，该装置利用一种在比较低的温度下能成为高压气体的低沸点物质(通常为氟利昂)作为工质，使其在吸收发动机废热后由液态变为高压蒸汽从而推动汽轮机发电。此种装置在利用低

42、品位热能力方面有优势，其缺陷是系统较为复杂笨重且无工质回收装置。【15】本系统采用的工质为氟里昂R134a。2.2.1 系统原理分析有机朗肯循环就是在传统朗肯循环中采用有机循环工质（ORC）代替水做循环工质，推动涡轮机作功。有机朗肯循环低温热发电系统主要由余热锅炉、汽轮机、冷凝器和泵4个热力设备组成。循环的流程图和温熵图如图12所示。【16】 图12 有机朗肯循环余热发电系统原理图和温熵图理想的有机朗肯循环主要包括四个热力过程：等压吸热过程( 4561)。有机工质在蒸发器中被余热流预热、蒸发、汽化；等熵膨胀过程(12s)。有机工质在汽轮发电机中膨胀作功；等压放热过程(2s3)。由膨胀机排出的乏

43、气进入冷凝器被冷却水冷凝；等熵压缩过程(34)。冷凝后的液体工质进入储液罐，通过工质泵升压并送至蒸发器。在实际的热力循环中，所有过程都是不可逆的，尤其是等熵膨胀过程，实际的有机朗肯循环为1234561。图13为本系统的系统简图，对应于上述有机朗肯循环原理，本系统有机朗肯循环的四个过程为: 在废气余热蒸发器（余热锅炉）中，R134a被废气流预热、汽化，变成过热R134a蒸汽，吸收了经废气锅炉之后的主机排烟余热能，可视为等压吸热过程；在蒸汽轮机中，过热R134a蒸汽通过喷嘴将压力能转化为动能从而推动叶片转动，叶片带动透平发电机旋转产生电能。蒸汽在汽轮机中膨胀作功的过程可视为可逆绝热膨胀过程；在冷凝

44、器中，由汽轮机排出的低压乏气进入冷凝器被冷却水冷却为液态，可视为可逆等压放热过程；循环工质在经过储液罐和工质泵过程中，工质蒸汽被冷却为液态进入储液罐，通过工质泵升压并送至废气余热蒸发器（余热锅炉），此过程可视为可逆绝热压缩过程。【17】图13 基于有机朗肯循环的主机废气余热发电系统简图2.2.2 系统热力学分析在正常工作时，工质处于稳定流动状态，下面分析单位质量工质的热力过程，乘以工质的质量流量（；为工质泵的额定流量，为效率）即为总量，表 为根据附录 查得的各状态点状态参数。表2 各状态点状态参数点号P/MPat/h/(kJ/kg)v/( m3/kg)s/kJ/(Kkg)12.38775.06

45、19.790.00744.014820.848601.232s0.85233.0595.870.02384.014830.151-17.4371.890.000743.253942.387-17.4338.643.2539各热力过程的能量关系如下：单位质量吸热量：每千克工质从余热源吸取的热量。单位理论膨胀功：理想循环过程中工质对外输出的功。单位实际膨胀功：实际循环过程中工质对外输出的有效功。其中，汽轮机的等熵效率， 汽轮机的机械效率，取90%单位理论放热量：理想循环过程中每千克工质在冷凝器中放出的热量。单位实际放热量：实际循环过程中每千克工质在冷凝器中放出的热量。单位工质泵作功：外界（工质泵）

46、对工质作功。理想循环的热效率： 实际循环的热效率： 2.3 基于两级压缩式热泵循环的海水、冷却水低位余热供汽系统 该系统的设计思路来源于瑞典已建成的大型海水源热泵空调系统，【18】其供热、供冷系统是由海水取水构造物、海水泵站、热泵站、供热与供冷管网、用户末端供热、供冷系统组成。瑞典的海水源热泵站中安装的大型热泵机组单机容量有10MW、11MW、15MW、25MW。瑞典Vartan Ropsten热泵站安装六台瑞士AXIMA制冷公司生产的整机离心式热泵制冷机组（R22）,2003年，用R134a制冷剂更换了一台机组，本系统的模型即基于本机组，另外本系统在单级蒸发压缩式热泵循环原理的基础上采用两级

47、压缩、两级节流的系统设计，有效利用船舶冷却水余热，提高了冷凝温度（锅炉加热温度），使热泵锅炉的蒸汽压力能够满足船舶用汽需要。大大提高了经济性。本系统采用的热泵工质为氟里昂134a（R134a）。图14 蒸气压缩式制冷原理图14 蒸气压缩式制冷原理冷凝器蒸发器液管排气管压缩机膨胀阀QeQh 单级蒸发压缩式热泵循环的原理可参照图14【19】。系统由压缩机、冷凝器、节流阀（或膨胀阀）和蒸发器组成。他们之间用管道连接成一个封闭系统，热泵工质在系统内不断地循环流动。其工作过程是：蒸发器内产生的低压低温热泵工质蒸汽，经过压缩机压缩使其压力和温度升高后排入冷凝器；在冷凝器内热泵工质蒸汽在压力不变的情况下与被

48、加热的水或者空气进行热量交换，发出热量而冷凝成温度和压力都较高的液体；高压液体热泵工质流经节流阀，压力和温度同时降低而进入蒸发器；低压低温热泵工质液体在压力不变的情况下不断吸收低位热源（空气或水）的热量而又汽化成蒸汽，蒸汽又被压缩机吸入。这样就完成了一个热泵循环，热泵循环在lgP-h图与T-s图上的表示如图15所示。QeQhTTs12345ph12345图15 单级蒸发压缩热泵循环lgP-h图与T-s图从图中可以看出，为冷凝器的单位质量制热量，为蒸发器中的单位质量吸热量，为压缩机所作的单位理论压缩功。图16显示了基于上述蒸发压缩式热泵循环原理的系统简图，本系统整体上为全船供汽系统，它由热泵锅炉

49、和废气锅炉组成，两者之间的关系为废气锅炉是热泵锅炉的附加受热面，废气锅炉的供给水由热泵锅炉经强制循环泵供给，即二者构成锅炉水强制循环。热泵锅炉是压缩式海水、冷却水源热泵系统的冷凝器，蒸发器吸收的海水热量和冷却水热量加上离心式压缩机的作功在冷凝器（热泵锅炉）中集中传递给锅炉水使其蒸发向全船供汽。图16 基于压缩式热泵循环的海水、冷却水低位余热供汽系统简图本系统在单级蒸发压缩式热泵循环原理的基础上采用两级压缩、两级节流的系统设计，提高了冷凝温度（锅炉加热温度），使热泵锅炉的蒸汽压力能够满足船舶用汽需要。图17显示了两级压缩、两级节流压缩式热泵的lgP-h图。系统工作过程为：蒸发器出来的制冷剂蒸汽经

50、离心式压缩机压缩到中间压力（过程1-2），而后与闪发器来的饱和气体制冷剂混合到2点（6与2混合），再次经离心式压缩机压缩到冷凝压力（过程2-3），而后送入冷凝器中冷凝到饱和液体（过程3-4）。经过过冷器过冷（过程4-5），在冷凝器和过冷器中实现了供热产生蒸汽的目的。状态5的制冷机经高压节流阀节流（过程5-6），在闪发器中分离出的饱和液体制冷剂（状态6）经低压节流阀节流（过程6hhP1226356647图17 两级压缩、两级节流压缩式热泵系统lgP-h图2.3.2 系统热力学分析（1）确定工作参数【20】在热力分析计算之前首先应该确定热泵循环的工作温度及工作压力，其中最重要的就是蒸发温度te(蒸

51、发压力pe)和冷凝温度tc(蒸发压力pc)。蒸发温度te蒸发温度即工质在蒸发器中沸腾吸热时的温度，它主要取决于低温热源的温度和蒸发器的结构形式。对于以液体（如水或者盐水）为介质的蒸发器，其传热温差为46，取5式中 蒸发器进口液体的进口温度（）。对于“育鲲”轮，该系统式中 中央冷却器的海水进口温度（），取10 中央冷却器的冷却水进口温度（），取36冷凝温度tc冷凝温度即工质在冷凝器中凝结放热时的温度，它也取决于所采用的供热介质和冷凝器的结构形式。对于以水为介质的冷凝器，冷凝温度为式中 冷凝器供热水进口温度（）；取37冷凝器供热水出口温度（）。取16由于该系统两级压缩，所以有两个冷凝温度，一个为热

52、泵锅炉中的冷凝温度；另一个为高压节流阀之后的闪发器中的冷凝温度。对于“育鲲”轮，热泵锅炉的运行参数取燃油锅炉的参数，闪发器的工作参数按照最大性能系数COP原则取热泵锅炉冷凝温度的47.6%计算，即48.89吸气温度t1工质蒸汽进入压缩机前的温度应根据低压蒸汽离开蒸发器时的状态及吸气管道中的传热情况来确定。一般情况下过冷温度tg液体过冷后的温度取决于供热介质的温度和过冷器的传热温差。通常取过冷温度较同压力下的冷凝温度低35（2）压缩热泵循环的热力计算确定热泵的工作参数之后，根据工作温度绘制热泵循环的压焓图如图18所示。PPh1226356647图18 压缩式热泵循环P-h图查R134a的热力性质

53、图表得到各状态点的状态参数如表3所示表3 各状态点状态参数点号P/MPat/h/(kJ/kg)v/( m3/kg)s/kJ/(Kkg)10.63423.0600.970.032234.036821.40225.6658.4721.40224.1648.2334.069104.2685.4844.069102.7576.960.001823.874754.06997.7483.1261.30648.89483.120.0011323.594261.30648.89466.450.00090353.558361.30648.89612.700.0151154.027570.54318.0413.0

54、30.0008123.4030单位质量吸收热：每千克工质蒸发器中从低温热源吸取的热量单位理论压缩功：压缩机输送每千克工质所消耗的理论功单位实际压缩功：压缩机输送每千克工质所消耗的实际功式中 考虑不可逆损失的指示效率考虑摩擦的机械效率，取95%压缩机轴效率，取90%单位理论制冷量：压缩机输送每千克工质蒸汽在冷凝器中放出的理论热量单位实际制冷量：压缩机输送每千克工质蒸汽在冷凝器中放出的实际热量工质循环流量式中 压缩机理论输气量（m3/s），效率较高的流量范围为0.0150.035m压缩机的吸气状态下工质的比体积（m3/kg）压缩机的输气系数，取90%热泵制冷量压缩机实际功率热泵实际制热效率【21】

55、图19 热泵系统的基本能量转换关系热泵的经济性评价是一个重要的问题，正确评价热泵的经济性才能使这一机械得到合理的应用与健康的发展。评价的方法有多种，但总的原则是围绕“节能”与图19 热泵系统的基本能量转换关系在图19表示了热泵的能量转换关系。按热力学第一定律： 其中 排出热量，W；吸收热量，W； 输入有用能，W；显然，希望加入有用能愈来愈少排出热愈多愈好。为说明这种能量转换的优劣，我们用性能系数 COP(Coefficient Of Performance)来表示，它定义为:“排出热量”与“输入有用能”之比，即在压缩式热泵中，输入的有用能为电能或机械能所作之功为W，其性能系数特称为“供热系数”

56、，用符号表示，即本系统中 2.4 系统经济性分析采用船舶综合节能系统能有效地回收余热和开发利用海洋热能，节约大量燃料。但是，它要增加额外的设备投资。采用节能系统是否可行，需要根据具体条件进行技术经济分析。最简单而又常用的技术经济比较的方法是追加投资回收年限法。【22】如果采用节能系统，额外投资将增加，而每年可带来的节约燃料等运行费用为，如果投资回收期不超过允许的回收年限，那么该系统就是经济可行的，即其中，、配置了节能系统的动力系统和未配置节能系统的投资；、配置了节能系统的动力系统和未配置节能系统的运行费（能源费及设备维修费等）。这里不考虑维修费用的差别，只考虑运行费中最主要的燃油费的差别。下面

57、就利用追加投资回收年限法分析系统的经济性。【23】2.4.1 全年节约燃油费用余热汽轮发电机与柴油发电机组 “育鲲”轮主发电机原动机为瓦西兰公司生产的Auxpac 520W4L20型4缸发电柴油机，发电机是采用德国西门子技术由汾西机器厂制造的三相无刷交流同步发电机，额定功率为520KW，其主要性能指标见附录1。设该柴油发电机向船舶供电的有效功率为(kw)。则根据副机日志4月1日至4月13日的有效功率与燃油消耗量Bcf(kg)的数据，利用matlab多项式拟合函数polyfit可以拟合出二者之间的对于余热汽轮发电机，设船舶每年回收的主机和焚烧炉排气余热能为，则有其中，每年回收的主机排气热能，kJ

58、/a，每年回收的焚烧炉排气热能，kJ/a；每天回收的主机排气热能，按正常航行时每天燃烧18t标准燃油，其中25.5%的热量转化为排气热能计算， 每天回收的焚烧炉排气热能，按污油处理能力为24 l/h，污油的80%转化为排气热能计算，每年主机运行时间，d；在此取每年运行120天；每年焚烧炉运行时间，d；在此取每年运行40天； 综上，船舶每年回收的主机和焚烧炉排气余热能：在2.2.2中已经分析得到实际循环的热效率，所以可以得到余热汽轮发电机每年的净发电量 可知，柴油发电机发出这部分电量所消耗的燃油量即为余热汽轮发电机相对于柴油发电机组节约的燃油量 节约的燃油费用 $其中，标准燃料单价。这里取国际燃

59、油价格450$/t。热泵锅炉与燃油锅炉船舶冷却水余热和海水热量，用于全船蒸汽的供应，可以代替燃油锅炉，可以节约很大一部分能量。“育鲲”轮使用的针形管式燃油锅炉为德国生产的SAACKE KLN/VM-2.5/7型，其主要性能指标见附录1，该燃油锅炉每天向船舶供给蒸汽的有效热量为，需要消耗的燃油量为Brg，二者之间的关系为：【24】其中，标准燃油的热值，这里同上，取41820kJ/kg 燃油锅炉的热效率，该值可以根据锅炉铭牌上的数据计算得到 其中，G蒸发量，2500kg/h； ，工作压力7.0bar环境下，水与水蒸气的比焓，根据附录查=2763.29kJ/kg，=697.32 kJ/kg；燃油消耗

60、率，184kg/h。对于热泵锅炉，设船舶每年回收的冷却水余热量和利用的海水热量为，则有 kJ/a其中，热泵系统全年回收的冷却水余热量，kJ/a；热泵系统全年利用的海水热量，kJ/a；热泵系统回收的冷却水余热量，kJ/d；热泵系统利用的海水热量，kJ/d；热泵锅炉年运行时间，d；在此取每年运行300天，由公式得出其中，冷却水、海水的比热容，； 在此取=4.2，=4.3；，冷却水、海水的质量流量，；在此取冷却水流量，海水流量来计算。，冷却水出口温度和进口温度，； 在此取=25, =36。，海水出口温度和进口温度，； 在此取=10, =7。热泵运行全年所需的电量为其中，热泵的制热系数，即COP值。才