【《船舶柴油机排气余热系统的分析案例》4400字】

船舶柴油机排气余热系统的分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u18577船舶柴油机排气余热系统的分析案例 1191411.1余热的定义和特点 2292491.2余热系统的构成 361351.1.1余热系统的组成 379381.1.2余热主要来源 3315611.3余热利用的经济分析 5175203排气余热的合理利用 6308393.1排气余热利用途径 6290843.2典型排气余热回收利用案例 71.1余热的定义和特点余热是指在工作生产条件下，其他能源利用设备中没有被利用的能源，也就是剩下来的、多余的能源。主要有高温废气等，余热的利用可以通过余热锅炉产生蒸汽，推动热能做机械功或发电，也可用来供暖或生产热水[9]。它是提高经济性、节约燃料的一条重要途径。余热质量有高有低。在利用余热时，一般按照“物有所用”的原则，高质量排气余热应该用于产生动力和发电。如果将高质量的余热用于供暖等低质量的场合，将会导致“产能过剩，利用不足”不合理现象出现，也要遵循“按质供能，能质匹配”的原则，在利用废热时，要做到量、质的匹配[10]。1.2余热系统的构成1.1.1余热系统的组成排气余热利用系统是指能够利排气余热的设备的总称。其中包含了通过流体将余热转化为其他用途的所有设备。其组成包括以下设备:(1)利用排气余热产生热水、蒸汽的废气锅炉；(2)利用废气余热加热介质作功原理来实现各种操作的主要有海水淡化装置、汽轮发电机组、空调设备等；(3)利用流体吸热作功释放能量后回收利用的给水装置和排汽冷凝水装置。这三种主要设备之间用管路连接，工作介质在其中进行循环流动，再加上使余热供应与消耗之间自动保持平衡的控制设备就组成完整的排气余热利用系统[11]。1.1.2余热主要来源（1）排气余热船舶运行和航行离不开船舶柴油机，其中会浪费很大一部分能源，而这些能源是可以被利用的。若这部分热量直接释放到大气中，不仅浪费能源而且不利于可持续和友好型社会的发展。1)船舶柴油机排气余热总量为:（1）式中，是船舶柴油机排气余热总量；分别为排气温度为、状态下的定压比热，为环境温度，为废气蜗轮增压器出口温度；M为排气质量。2）可利用的排气余热量当排出气体的温度小于125℃时，排出的废气会对柴油机等设备产生低温酸性腐蚀，其原因是空气中的氧气会与废气中的硫分形成的的硫氧化物，这种硫氧化物具有腐蚀性。为了减轻低温腐蚀，废气温度应该大于150℃，所以废气中实际可以利用的余热热量[12]：（2）式中=1.083KJ/Kg·K；为余热可回收利用的排气，分别为排气温度为、时的定压比热，为环境温度，为废气蜗轮增压器出口温度；M为排气质量。3）实际计算根据船舶实际测算参数：=370℃，=30℃，查阅资料，过量空气系数取1.26时，完全燃烧1㎏燃油约需18㎏空气，燃油低热值取41860KJ/㎏，可知=1.144KJ/㎏·K，=1.083KJ/㎏·K，=1.042KJ/㎏·K[13]。在此条件下，排气余热占产生的总发热量比为：％=17.8％真正可利用的排气余热占比为：％=11.8％（2）冷却水余热冷却在柴油机的正常运行中是极其重要的一环，但是冷却也有弊端会降低热效率，带走一些可利用热量，大大增加了冷却水的热能。为了提高船舶运行效率，被冷却水带走的热量应该进行再次回收利用。1)冷却水带走的热量为:(3)式中，、分别为活塞、气缸冷却水的定压比热容;、分别为气缸、活塞冷却水的质量流量;、分别为气缸、活塞冷却水的进出口的温度差。2）实际计算根据船舶实际测量数据，指示功率为6487kw，平均压力为1407.25kPa，气缸进口温度为63℃，出口温度为73℃，转速为78.2r/min，冷却水压力为0.21MPa，油耗为1.17t/h，冷却水流量为196m³/h。气缸冷却水和活塞冷却水供水时使用同一淡水泵。在这些条件下，一个小时冷却水带走的热量为：KJ占总发热量比例为：×100％=×100％=16.8％柴油机的热效率为：×100％=×100％=49.6％（3）其余散热在船舶柴油机运行时产生能量的过程中，船舶柴油机本身、滑油冷却器、空冷器等不可抗因素产生损失，另外还有一部分由于燃油未燃烧时与空气接触发生反应所产生的余热也会损失一部分的热量。这部分散热量占燃油发热量比例为100％-49.6％-17.7％-16.8％=15.9％这部分热量不容易收集，难以发现，所占总热量比较少，一般不作考虑。1.3余热利用的经济分析“亿辉”轮的船舶柴油机功率为6487kw，船舶运行时会产生大量的烟气，而大量烟气的直接对外排放又会带走许多未利用的热能，这也造成了不能完全利用船舶柴油机正常工作时能量。如果能重新获得那部分失去的能量，这将会是一种增加能量利用和减少环境影响的多赢方式。一方面船舶柴油机排余热利用能够有效回收船舶柴油机的废气热量，同时可以减少船舶的燃油消耗量，减少运营成本，达到船舶节能减排的目的。另一方面受全球燃油价格影响，迫使船舶航运业越来越多的企业开始意识到船舶柴油机余热利用技术的重要性。而排气余热利用的长期的好处是：减少燃油消耗，减少了有害气体的排放，为建设绿色友好型环境做出贡献，同时减少了需要储存大量燃油的麻烦，可以使船舶拥有更大的载货量。长此以往，船舶就会产生额外的经济效益。3排气余热的合理利用3.1排气余热利用途径利用废热不仅仅是利用排气余热的量，更重要的是能根据废热的质量来获得更多的运营利润。排气余热的温度越高，可利用能量比较容易，质量也就比较好。一般来说排气余热利用需经过以下两个途径：第一阶段：将热能尽可能高效地转换为机械能或电能。第二阶段：在机械能转化过程中释放出的热能进行合理有效地利用[14]。根据常见余热利用途径做成如下结构图：图2-1余热利用系统途径方式由于建造船舶时对其空间、成本有限制，可以将多种排气余热利用装置进行行之有效地结合。例如，对于中小型船舶，不适宜大型发电系统，因为可供回收利用的烟气余热比较小，用于排气余热利用系统的安装空间比较狭小，该系统可以使用高效的热管换热器回收热量再进行发电。而热管换热器回收的热量不仅可以为发电系统回收热量，而且可以供船上的空调供暖、用于水加热来满足船上生活需要等多种设备需要。对于大型船舶，可利用排气余热发电技术将热能转化为电能，实现对废热的回收利用，以此供给船舶电力系统用于日常使用。要注意对不同工作用途的进行热源补充，来提高系统的可靠性，延长使用寿命，制定合理的能源利用方式的技术路线。3.2典型排气余热回收利用案例本文以船舶余热在空调系统方面的利用进行介绍。图2-2为船舶排气余热蒸汽喷射式制冷空调系统简图。该系统由11个部件组成，包括：压力调节阀1，蒸汽喷射器组2，冷凝器3，集液器4，膨胀阀5，蒸发器6，锅炉水供给泵7，止回阀8，余热锅炉9，冷媒水泵10，冷风机11。图2-2船舶排气余热蒸汽喷射式制冷空调系统简图3.1.1排气余热蒸汽喷射式制冷空调系统特点（1）相比传统船舶空调，装设了压力调节阀，能够调节喷射器的工作蒸汽压力并维持稳定。（2）采用了4组完全一样的蒸汽喷射器，可以提高制冷量，也可以调节制冷量的多少，重要的是提升了可靠性。每个蒸汽喷射器按船舶空调所需功率的1/4来设计因此，在系统中可以实现一组或多组喷射器组合使用的制冷量工况点上工作。（3）集液器的作用是防止冷凝器积液影响换热面积和提高锅炉供给水泵的吸入性能，使系统工作正常。（4）冷却水供给泵的流量根据制冷量大小进行调节。低负荷小流量高负荷大流量。按需调节使系统得到充分的利用。3.1.2排气余热蒸汽喷射式制冷空调系统的分析本文通过在“亿辉”轮的实习经历，结合文献资料，分析蒸汽喷射式制冷空调系统的性能，如图2-3所示的蒸汽喷射式制冷制冷循环系统。该系统主要由发生器、冷凝器、喷射器、蒸发器、节流阀以及循环泵等装置组成。蒸发器、发生器分别产生低温低压蒸汽与高温高压蒸汽。壳管式冷凝器用恒温水做冷却水，易于调节冷却水温度，进而冷凝压力的调节。蒸汽喷射器采用可调喉嘴距型[15]。此系统的工作热源为排气余热，这些热量进入发生器中产生高温高压蒸汽制冷剂，将此蒸汽作为工作流体。当其经过喷嘴时，速度达到超音速，此时为超音速流体，同时在喷嘴出口处产生低压，从而进入混合室，这样蒸发器的压力将降低，从而制冷剂蒸发而实现制冷。在喷射制冷系统中，喷射器的与传统制冷系统中的压缩机是类似的，所适用的制冷剂种类也较多，用于传统系统中的制冷剂也能用于喷射系统中。图2-3蒸汽喷射式制冷循环系统图系统的冷凝压力随COP关系的变化如图2-4。根据研究可知该系统临界冷凝压力为4.15kPa[16]。由实验结果可知，在给定蒸汽喷射器的条件下，工作时的每一个蒸发温度和蒸气温度都有相应的临界冷凝压力。而且只有在冷凝压力小于临界冷凝压力时系统才能正常工作。否则，系统失去制冷能力进入不稳定工作区域。由此可知，对蒸汽喷射式制冷系统来说，临界冷凝压力对其影响很大。所有情况下，系统的临界冷凝压力都要高于相同工况下的冷凝压力，否则会导致系统工作不稳定，甚至失效[17]。在一定临界冷凝压力条件下，要有稳定的工作系统来产生制冷，必须对系统的工作条件做一些规定。在工作蒸汽温度和蒸发温度取若干温度值后，系统临界冷凝压力与系统的COP关系如图2-5。如果临界冷凝压力是一个固定值，工作蒸汽温度和蒸发温度对应的工作点必须在给定的等临界冷凝压力线的左侧，这样系统才能得到系统在运行条件下的稳定性。同时发现，当系统冷凝压力小于临界冷凝压力且工作蒸汽温度保持不变时，需要提高蒸发温度才能获得较高的系统COP。冷凝压力（kPa）图2-4冷凝压力随COP的变化关系图临界冷凝压力（kPa）图2-5临界冷凝压力与系统COP关系图在工作蒸汽温度和蒸发温度分别取若干温度值后，得到了系统制冷量与临界冷凝压力之间的关系如图2-6。由图可以得到，当工作蒸汽温度恒定，临界冷凝压力超过系统冷凝压力时，随着蒸发温度的升高，系统的制冷量也增加；但在蒸发温度为定值时，工作蒸汽温度的变化影响系统的冷却，功率效应小。从一般情况看，系统的冷却能力基本上不随工作蒸汽温度的变化而变化。图2-6临界冷凝压力与系统制冷量关系图通过实验还发现，提高系统的临界冷凝压力的方法是提高工作蒸汽温度和蒸发温度，如图2-7所示。从结果中发现工作蒸汽温度对临界冷凝压力影响最大。图2-7工作蒸汽温度与临界冷凝压力的关系图对以上实验结果的分析表明，蒸汽喷射制冷空调系统正常运行的重要影响因素是临界冷凝压力。如果系统运行时冷凝压力高于临界冷凝压力，系统将无法正常工作，冷凝压力过高时会失去制冷功能；如果冷凝压力低于临界冷凝压力，则系统COP有改进空间，冷凝压力越低，COP提升空间越大；要想提高系统的临界冷凝压力可以通过工作蒸气温度和蒸发温度的提升来改变，但由于临界冷凝压力的自身影响，工作蒸气温度对临界冷凝压力有更大影响力。因此，系统临界冷凝压力的参数应由工作蒸汽温度决定比较合适。3.1.3排气余热蒸汽喷射式制冷空调系统能源可利用率根据排气余热蒸汽喷射式制冷空调系统测算