船舶綜合節(jié)能系統(tǒng)的提出及其管外降膜蒸發(fā)器的數(shù)值模擬

1、<p><b>　　大連海事大學(xué)</b></p><p><b>　　畢 業(yè) 論 文</b></p><p>　　二○一二 年 六 月</p><p>　　船舶綜合節(jié)能系統(tǒng)的提出及其管外降膜蒸發(fā)器的數(shù)值模擬</p><p>　　專業(yè)班級：輪機(jī)工程2008-07</p><

2、;p>　　姓 名： 趙 寶 強(qiáng) </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p><b>　　輪機(jī)工程學(xué)院</b></p><p><b>　　內(nèi)容摘要</b></p><p>　　摘要: 為了解決能源緊缺這一當(dāng)今世界所面臨的難題，同時響應(yīng)黨中央關(guān)

3、于對節(jié)能減排的號召，本文針對海洋熱能儲能巨大及船舶動力系統(tǒng)余熱能浪費(fèi)嚴(yán)重的現(xiàn)狀創(chuàng)造性地提出了一個船舶綜合節(jié)能系統(tǒng)的的構(gòu)想，并且以“育鯤“輪為例對該系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析和經(jīng)濟(jì)性能分析，理論證明該系統(tǒng)是經(jīng)濟(jì)可行的。</p><p>　　本文在研究了船舶對海洋熱能及動力系統(tǒng)余熱能的利用現(xiàn)狀之后，對船舶綜合節(jié)能系統(tǒng)進(jìn)行了整體介紹，該系統(tǒng)主要由兩個子系統(tǒng)組成。一個是基于有機(jī)朗肯循環(huán)的主機(jī)、焚燒爐廢氣高位余熱發(fā)電系統(tǒng)，該子系

4、統(tǒng)回收主機(jī)燃燒廢氣和焚燒爐燃燒廢氣中的高品位熱能，根據(jù)“按質(zhì)用能，各用其所”的原則，這部分高品位熱能被用作作功發(fā)電，以回收動力；另外一個是基于兩級壓縮式熱泵循環(huán)的海水、冷卻水低位余熱供汽系統(tǒng)，該子系統(tǒng)回收船舶低溫淡水冷卻水中的熱能，同時吸收海水中的熱能，這部分低品位熱能被用作鍋爐熱源以產(chǎn)生蒸汽。最后通過對該節(jié)能系統(tǒng)與船舶現(xiàn)行系統(tǒng)的對比分析表明該系統(tǒng)每年可以開發(fā)海洋熱能，回收余熱能，其追加投資回收年限為2.93年，符合經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)。<

5、;/p><p>　　最后本文針對于該系統(tǒng)的核心部件——管外降膜蒸發(fā)器進(jìn)行了原理分析和數(shù)學(xué)建模。水平管外降膜蒸發(fā)技術(shù)是一種發(fā)生相變的高效節(jié)能換熱技術(shù)，具有傳熱性能好、傳熱溫差小、換熱效率高、可利用余熱等優(yōu)點。因此廣泛用于低品位余熱回收系統(tǒng)。本文利用大型通用有限元分析軟件ANSYS對管外降膜蒸發(fā)器的多組分流動場，熱應(yīng)力耦合場和相變溫度場進(jìn)行了二維和三維數(shù)值模擬，計算出了水平換熱管和蒸發(fā)器的最大熱應(yīng)力及其作用點，并且通過溫

6、度、壓力分布云圖這一表達(dá)形式直觀地表現(xiàn)出了整個換熱器的工作狀態(tài)，為船舶綜合節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)提供了依據(jù)。同時對于管外降膜蒸發(fā)器的科學(xué)研究和工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)和實踐意義。</p><p>　　關(guān)鍵詞：船舶節(jié)能 經(jīng)濟(jì)性 管外降膜蒸發(fā)器 數(shù)值模擬</p><p>　　The proposition of Integrated Energy-saving System of Ships

7、 and numerical simulation of Outside Falling-film Heat Exchanger </p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　In order to solve the energy poverty, one of difficult problems the world confront

8、ed with, and respond the government’s exhortation about saving energy and reducing emission, considering the fact that the oceans have tremendous reserve in heat energy and waste-heat of power system isn’t made good use

9、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 studi</p><p>　

10、　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 nam

11、ed Diesel Engine、Incinerator Waste Gas High-Grade-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;

12、another one is based on Double Compressive Heat Pump Cycle na</p><p>　　At last, principal analysis and numerically modeling of the core component-Outside Falling-film Heat Exchanger, this technology is a kin

13、d of phase-change effective energy-saving technology. The advantages of the high heat transfer capability with small temperature differences and mass transfer potentials at low liquid flow rates helps to utilize low-grad

14、e waste heat. The paper utilize finite-element method, by ANSYS software, numerically simulates multiple species flow field、thermal stress coupl</p><p>　　Keywords: Energy-saving of Ships; Economic Performanc

15、e; Outside Falling-film Heat Exchanger; Numerical Simulation</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　前言1</b></p><p>　　1船舶對海洋熱能及動力系統(tǒng)余熱能的利用現(xiàn)狀2</p><p>

16、;　　1.1 船舶對海洋熱能的利用現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2 船舶對動力系統(tǒng)余熱能的利用現(xiàn)狀5</p><p>　　1.2.1 船舶排氣損失的利用方案6</p><p>　　1.2.2 船舶冷卻損失的利用方案7</p><p>　　2船舶綜合節(jié)能系統(tǒng)的提出8</p><p>　　2.1系統(tǒng)整體介紹

17、8</p><p>　　2.2 基于有機(jī)朗肯循環(huán)的主機(jī)、焚燒爐廢氣高位余熱發(fā)電系統(tǒng)10</p><p>　　2.2.1 系統(tǒng)原理分析11</p><p>　　2.2.2 系統(tǒng)熱力學(xué)分析12</p><p>　　2.3 基于兩級壓縮式熱泵循環(huán)的海水、冷卻水低位余熱供汽系統(tǒng)13</p><p>　　2.3.1 系

18、統(tǒng)原理分析13</p><p>　　2.3.2 系統(tǒng)熱力學(xué)分析15</p><p>　　2.4 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析18</p><p>　　2.4.1 全年節(jié)約燃油費(fèi)用19</p><p>　　2.4.2 額外投資成本22</p><p>　　2.4.3 額外投資回收年限22</p><p&

19、gt;　　2.4.4 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)表22</p><p>　　3管外降膜蒸發(fā)器的數(shù)值模擬23</p><p>　　3.1降膜蒸發(fā)器的工作原理24</p><p>　　3.2 降膜蒸發(fā)器的數(shù)學(xué)模型25</p><p>　　3.2.1 質(zhì)量守恒方程25</p><p>　　3.2.2 動量守恒方程25<

20、;/p><p>　　3.2.3 能量守恒方程26</p><p>　　3.2.4 管內(nèi)對流換熱系數(shù)26</p><p>　　3.2.5 管外換熱系數(shù)26</p><p>　　3.3 基于有限元分析軟件ANSYS的降膜蒸發(fā)器數(shù)值模擬27</p><p>　　3.3.1 二維管道模擬27</p><

21、;p>　　3.3.2 三維管道模擬33</p><p><b>　　4總結(jié)35</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)35</b></p><p><b>　　致謝37</b></p><p><b>　　附錄37</b></

22、p><p>　　附錄1 “育鯤”輪燃油鍋爐、柴油發(fā)電機(jī)組和焚燒爐的主要性能指標(biāo)37</p><p>　　附錄2 工質(zhì)R134a的物理性質(zhì)和熱力性質(zhì)圖表39</p><p>　　附錄3 水蒸氣的焓熵圖41</p><p>　　附錄4 ANSYS流固耦合熱應(yīng)力分析命令流41</p><p>　　船舶綜合節(jié)能系統(tǒng)的

23、提出及其</p><p>　　降膜蒸發(fā)器的數(shù)值模擬</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　能源和環(huán)境是一個國家或社會可持續(xù)發(fā)展的重要支柱，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國家安全和人民健康生活的重要保障。然而，能源的緊缺和環(huán)境的惡化是當(dāng)今世界所面臨的兩大難題。隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和能耗的增加，能源和環(huán)境問題己成為全世界關(guān)注的焦點。在我國，近年

24、來隨著經(jīng)濟(jì)的高速增長，能源消費(fèi)呈持續(xù)上升趨勢，能源問題已成為制約國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要問題之一。人均能源資源占有量少、能源利用效率遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家水平是我國能源利用的現(xiàn)狀，實施先進(jìn)節(jié)能技術(shù)、提高能源利用效率，是目前我國能源領(lǐng)域中最重要、最迫切的問題。堅持科技先行、高效節(jié)約、國際合作、多元發(fā)展、清潔環(huán)保的中國特色能源發(fā)展道路是實現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)在高效低耗中健康發(fā)展的關(guān)鍵，也是我國能源領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略思路?！?】</p>&

25、lt;p>　　為貫徹落實黨中央國務(wù)院關(guān)于“節(jié)能減排”的號召，中國船級社（CCS）在“十一五”期間將啟動“綠色船舶計劃”，以滿足我國船舶工業(yè)由海洋大國向海洋強(qiáng)國發(fā)展的需要，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。屆時中國船級社將發(fā)起成立跨部門、跨行業(yè)的船舶節(jié)能減排研究小組，聯(lián)合我國政府有關(guān)部門、船舶工業(yè)和航運(yùn)界的力量共同發(fā)展相關(guān)研究工作，全面提升中國船級社在節(jié)能、環(huán)保和減排方面的現(xiàn)代技術(shù)服務(wù)能力。在開展國際國內(nèi)節(jié)能、環(huán)保、減排政策研究的基礎(chǔ)上，針對我國節(jié)能

26、減排技術(shù)整體實力較為薄弱的現(xiàn)狀，推進(jìn)新造船和現(xiàn)有船舶節(jié)能減排相關(guān)措施?！?】</p><p>　　船舶動力裝置為船舶航行提供所需的一切動力，目前，柴油機(jī)因其具有較高的熱效率、功率覆蓋面大、啟動迅速、經(jīng)濟(jì)性好等特點，在商用船舶動力裝置中得到了廣泛應(yīng)用．隨著船用柴油機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，目前，現(xiàn)代低速二沖程柴油機(jī)的熱效率可高達(dá)50％以上，但仍有約50％的熱量不能轉(zhuǎn)化為有用功，存在著大量的熱能損失和浪費(fèi)，其中最主要的就是船

27、舶主機(jī)排放的高溫廢氣中的熱能損失和船舶冷卻水中的熱能損失。柴油機(jī)排氣溫度一般在350～400℃之間，冷卻損失主要包括缸套冷卻損失、增壓空氣冷卻損失和滑油冷卻損失?！?】</p><p>　　除此之外，船舶航行于海洋之中，有廣闊的潛在能源可以利用，即海洋能。海洋作為容量巨大的可再生能源庫，以熱能形式儲存在海水中的太陽能尚未得到充分的開發(fā)和利用。進(jìn)人海洋的太陽輻射能一部分轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ａ鞯膭幽?，而更多的是以熱能的形式儲存?/p>

28、海水中，且海水的比熱容較大為3996kJ/(m3·K)。如果船舶可以有效地開發(fā)和利用海洋中的熱能，不僅可大大節(jié)約船舶消耗的常規(guī)能源，緩解日趨緊張的能源壓力，同時海洋能清潔環(huán)保減少了船舶污染物排放，在取得經(jīng)濟(jì)效益的同時又解決了環(huán)境污染問題，這是一個綜合效益。</p><p>　　針對上述所描述的情況，本文就以大連海事大學(xué)遠(yuǎn)洋實習(xí)船“育鯤”輪為例，對該船舶提出了船舶綜合節(jié)能系統(tǒng)，利用發(fā)展成熟的熱泵技術(shù)開發(fā)利

29、用海洋中的熱能，同時回收船舶動力裝置的余熱，利用有機(jī)朗肯循環(huán)使高溫高壓的工質(zhì)蒸汽驅(qū)動汽輪-發(fā)電機(jī)發(fā)電。以“育鯤”輪的航行工況參數(shù)為依據(jù)計算分析系統(tǒng)的熱力學(xué)參數(shù)和經(jīng)濟(jì)性。為在此基礎(chǔ)上，本文又建立了管外降膜蒸發(fā)器的數(shù)學(xué)模型，并且利用大型通用有限元分析軟件ANSYS對管外降膜蒸發(fā)器進(jìn)行了全面的數(shù)值模擬，為船舶綜合節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)提供了依據(jù)。</p><p>　　船舶對海洋熱能及動力系統(tǒng)余熱能的利用現(xiàn)狀</p&

30、gt;<p>　　1.1 船舶對海洋熱能的利用現(xiàn)狀</p><p>　　海洋是巨大的能源寶庫, 蘊(yùn)藏著波浪能、潮汐能、海流能、海洋熱能、海洋鹽差能等多種可再生能源。為保證社會所需能源得到穩(wěn)定持久的發(fā)展而不危害生態(tài)和子孫后代的生存, 各國從上世紀(jì)70年代后期加強(qiáng)了海洋能的利用研究。</p><p>　　海水吸收與儲存的太陽輻射就是海洋熱能，浩瀚無垠的海洋中儲藏著豐富的太陽能，據(jù)

31、估計，海洋接受的太陽能，按平均功率計，約為60萬億千瓦以上，按熱量計，為每秒14萬億千卡，相當(dāng)于200萬噸優(yōu)質(zhì)煤燃燒時放出的全部熱量，若取其千分之一，即有600億千瓦，相對于全世界3000年的全部能源需要，如果把表層海水的溫度降低1℃，則可得600億千瓦的功率，因此海洋熱能是目前海洋資源開發(fā)中的重要課題。</p><p>　　對整個世界大洋而言，約75％的水體溫度在0～6℃之間，50％的水體溫度在1.3～3.8℃

32、之間，整體水溫平均為3.8℃。其中，太平洋平均為3.7℃，大西洋4.0℃，印度洋為3.8℃。大洋表層水溫變化于-2～30℃之間，年平均值為17.4℃。太平洋最高，平均為19.1℃；印度洋次之，為17.0℃；大西洋為16.9℃。相比各大洋的總平均溫度而言，大洋表層是相當(dāng)溫暖的。其熱量占總海水總熱量的60%。圖1和表1顯示了全球各大洋表層的溫度分布。</p><p>　　圖1 全球海洋表層溫度分布圖</p>

33、;<p>　　表1 三大洋每10°緯度帶內(nèi)表面水溫的年平均值(℃)(據(jù)Defant，1961)</p><p>　　圖2和圖3以世界上最大的海洋—太平洋為例，顯示了太平洋在冬季（1月）和夏季（7月）時的海洋表層的溫度分布。</p><p>　　圖2 太平洋海洋表層溫度分布圖（A-冬季，B-夏季）</p><p>　　圖3 太平洋海洋表層平均溫

34、度分布圖</p><p>　　除此之外，全球溫室效應(yīng)對海洋的影響越來越明顯，自2000年至2011年，全球經(jīng)歷了有氣象記錄以來最熱的十年。美國宇航局地區(qū)過程中今日公布了一張測繪地圖，顯示了2011年的全球氣溫變化。【4】</p><p>　　圖4 2011年全球氣溫變化圖</p><p>　　折線圖(地圖下方)顯示了從1880年到現(xiàn)在每年的溫度變化(相對于基期平均值

35、)。</p><p>　　圖5 1880年到現(xiàn)在每年的溫度變化(相對于基期平均值)</p><p>　　目前，海水源熱泵系統(tǒng)在我國剛剛處于探索階段的起步位置，近些年在國內(nèi)的沿海城市中，青島、大連、天津以及香港等地將海水作為空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源使用在海水源熱泵的使用與研究方面做了較多的工作。近日，大連市【5】被國家建設(shè)部選為全國唯一的水源熱泵技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用示范城市，這標(biāo)志著大連今后將有望以海水為

36、能源，進(jìn)行室內(nèi)空氣的冷熱調(diào)節(jié)。圖6為海水熱泵系統(tǒng)簡圖。然而國內(nèi)在船舶利用海洋熱能方面的研究也僅限于船舶海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)和海水淡化系統(tǒng)的初步研究，中國船舶重工集團(tuán)公司第704研究所的史學(xué)增等人通過對冬季的渤海、黃海、東海海域水溫狀況分析以及空調(diào)熱泵設(shè)備的初投資和運(yùn)行費(fèi)用的比較，對海水源空調(diào)熱泵在船舶上的適用性作出了一個初步的研究結(jié)論，并提出了擴(kuò)大空調(diào)熱泵應(yīng)用海域的初步方法。【6】西北工業(yè)大學(xué)的周景峰對熱泵式海水淡化系統(tǒng)中的性能進(jìn)行了數(shù)值

37、模擬和實驗研究?！?】</p><p>　　圖6 海水熱泵系統(tǒng)簡圖</p><p>　　國外在海水源熱泵系統(tǒng)的研究已經(jīng)發(fā)展地比較成熟，瑞典，挪威，日本等國家都以成功利用海水源熱泵為城市提供區(qū)域供熱供冷，并且國外在海洋熱能發(fā)電方面的研究也已相對成熟。然而在船舶利用海洋熱能方面的研究卻相對較少，美國科羅拉多大學(xué)的JEFFREY D.MIROCHA等人對船舶利用垂直熱交換系統(tǒng)開發(fā)海洋熱能做了初步

38、研究?！?】挪威TeamTec AS研究所的N.R. KRISTIANSEN等人對船舶通過熱電發(fā)電機(jī)（Thermoelectric Generators）利用海洋熱能發(fā)電的可行性與發(fā)展?jié)摿M(jìn)行了探索?！?】</p><p>　　總體來說，由于海水溫度相對較低，屬低品位熱能，開發(fā)難度相對較大，同時還存在腐蝕，波浪，潮汐等干擾，加大了利用難度，但是由于其巨大的能量儲備加之清潔、環(huán)保、可再生等優(yōu)點。對海洋熱能的開發(fā)利用

39、必定有著廣闊的發(fā)展空間。</p><p>　　1.2 船舶對動力系統(tǒng)余熱能的利用現(xiàn)狀</p><p>　　相對于船舶對海洋熱能的利用現(xiàn)狀，船舶對動力系統(tǒng)余熱能的利用比較廣泛，船舶在運(yùn)營過程中，每天消耗大量的燃油，一條萬噸級的遠(yuǎn)洋船舶，每天耗重油15～25t(根據(jù)航速而定)，發(fā)電機(jī)消耗船用柴油1.5～2.5t，其中燃油燃燒產(chǎn)生的熱量的30～37％ 被排煙帶走，15％ 被冷卻水帶走?！?0】&

40、lt;/p><p>　　從柴油機(jī)熱平衡計算和試驗結(jié)果可知，柴油機(jī)燃油燃燒產(chǎn)生的全部熱量中，轉(zhuǎn)化為輸出機(jī)械功的熱效率大約40％，而其排放的廢熱大約60％。表l所列為幾種排熱組成及其溫度。</p><p>　　柴油機(jī)排放的廢熱主要包括排氣廢熱與冷卻水廢熱。其中排氣廢熱的溫度高達(dá)300～400℃左右。排氣帶走的廢熱大約占燃料燃燒總熱量的3O％；而其冷卻水溫度大約40～1O0℃，冷卻水帶走的廢熱大約占

41、燃料燃燒總熱量的20％ 。柴油機(jī)排氣既具有極大的熱量，又有較高的溫度，是很有用的熱源。但由于廢氣傳熱特性低，難以直接使用，而只能通過廢氣鍋爐產(chǎn)生的蒸汽作為吸收式制冷裝置的熱源。柴油機(jī)的冷卻水和增壓空氣溫度雖低，但有相當(dāng)大的熱量，且冷卻水系統(tǒng)是一個閉式回路，熱回收率高，可直接作為吸收制冷的熱源，如圖1，冷卻水帶走的廢熱不但數(shù)值巨大．而且其廢熱的品位也相當(dāng)高。利用這種廢熱水制冷，不但意義重大，而且技術(shù)上也相當(dāng)成熟?！?1】</p>

42、;<p>　　下面就主要介紹船舶最主要的兩項余熱損壞—排氣損失和冷卻損失。</p><p>　　1.2.1 船舶排氣損失的利用方案</p><p>　　國際燃油價格的大幅上漲，使得燃油成本成為各航運(yùn)公司的主要營運(yùn)成本之一。航運(yùn)公司要獲取更高的利潤，控制主機(jī)燃油成本就顯得非常重要。主機(jī)廢熱利用則可以提高主機(jī)燃油利用率。圖7是MAN B&W公司在沒有配置主機(jī)廢熱利用系統(tǒng)的

43、情況下，針對12K98ME/MC機(jī)型燃油利用率的研究成果。從圖中可知，最終輸出的軸功率也只有49.3%，約50%的燃油能量未被利用，其中主機(jī)廢氣部分所帶走的熱量就占了25.5%?！?2】</p><p><b>　　圖7 主機(jī)熱平衡圖</b></p><p>　　主機(jī)排煙溫度一般在260～400℃之間，屬于高品位熱能。柴油機(jī)排氣通常通過廢氣鍋爐來加以利用，在不開輔助鍋

44、爐或者減少輔助鍋爐的蒸汽產(chǎn)量的情況下由廢氣鍋爐生產(chǎn)蒸汽，不僅可以用于船舶上的熱水系統(tǒng)、艙室取暖和生活上的需要，而且還可以用于主機(jī)啟動前的暖缸、燃油和滑油的加熱等，有時還可以用作熱源，用于加熱，如在吸附式空調(diào)制冷中加熱制冷工質(zhì)；隨著船舶業(yè)的快速發(fā)展，船舶柴油機(jī)的功率也在不斷加大，排煙溫度進(jìn)一步升高，余熱熱量如不充分加以利用，將會造成很大的浪費(fèi)。廢氣余熱的最佳利用方式是用于產(chǎn)生蒸汽，然后用蒸汽來驅(qū)動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，供給船舶的用電裝置，從而減

45、少柴油發(fā)電機(jī)的發(fā)電量，甚至在不開柴油發(fā)電機(jī)的情況下，僅靠余熱發(fā)電機(jī)組所產(chǎn)生的電量就可以滿足船舶用電的需要，多余的電能還可以用于主機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)。柴油機(jī)高溫排氣由于品質(zhì)較高可以用來產(chǎn)生電能。除此之外，柴油機(jī)廢氣余熱還可以用于渦輪增壓技術(shù)，改良燃料，制冷等。圖8為國內(nèi)外利用柴油機(jī)廢氣余熱的方案圖。</p><p>　　圖8 柴油機(jī)廢氣余熱利用方案圖</p><p>　　1.2.2 船舶冷卻損失的利

46、用方案</p><p>　　冷卻損失主要包括缸套冷卻損失、增壓空氣冷卻損失和滑油冷卻損失。主機(jī)缸套冷卻水溫度在65～85℃左右。溫度相對較低，所以只能用于對溫度要求較低的場合，如用于加熱生活用水或取暖，作為海水淡化的熱源等等。一般船舶柴油機(jī)余熱回收利用的途徑和方法可以用圖9表示。</p><p>　　圖9 船舶柴油機(jī)余熱利用的途徑與方法</p><p>　　除主機(jī)缸

47、套冷卻水之外，國內(nèi)外對增壓空氣和滑油等冷卻水余熱的回收利用還處于空白狀態(tài)，主要原因仍是品位低，難回收。目前，由于中央冷卻系統(tǒng)的諸多優(yōu)勢已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于船舶上，船舶各部分冷卻水的余熱都集中于中央冷卻器，在中央冷卻器中被海水冷卻帶走，這部分低品位余熱可以集中回收利用。</p><p>　　余熱有品質(zhì)高低之分。根據(jù)“按質(zhì)用能，各用其所”的原則，對于有動力利用價值的較高品位的余熱從節(jié)能角度考慮應(yīng)該作功以回收動力。若單純用

48、作加熱熱源，就會產(chǎn)生高級能干低級活的不合理現(xiàn)象。反之，若將低品位余熱用于作功，則也是一種能質(zhì)不匹配的得不償失現(xiàn)象。這就必須根據(jù)用熱設(shè)各的需要按質(zhì)提供熱能，做到熱能供需不僅在數(shù)量上相等，而且在質(zhì)量上匹配。在需要低品位能的場合，盡量不供給高品位能量，做到“熱盡其用”。除了考慮余熱的品位高低外，在組織全船供能和用能過程中，還要考慮余熱的數(shù)量大小。在大功率船上，數(shù)量較大的余熱熱量如果僅用作船上加熱熱源，是不能充分地回收余熱的，多余部份將被排到外

49、界而廢棄掉。這時可采用余熱發(fā)電或轉(zhuǎn)換成機(jī)械能輸入推進(jìn)系統(tǒng)。在余熱量不大的中、小型船舶上，利用余熱所回收的動力是有限的，卻要設(shè)置一套余熱動力回收裝置，增加了初投資和維修管理等費(fèi)用，將導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)上得不償失，所以在中、小型船舶上余熱僅作為加熱熱源使用?！?3】</p><p>　　針對以上情況，本文將提出一種船舶海水源熱泵余熱回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)將利用有機(jī)朗肯循環(huán)和蒸發(fā)式熱泵技術(shù)從低品位的海水熱能、冷卻水余熱和高品位的廢氣余

50、熱三個能量源處吸收熱量，按照“按質(zhì)用能，各用其所”的原則將回收的熱能用于動力作功發(fā)電和用作加熱熱源。將大大提高船舶的經(jīng)濟(jì)性。</p><p>　　船舶綜合節(jié)能系統(tǒng)的提出</p><p><b>　　系統(tǒng)整體介紹</b></p><p>　　圖10即為作者提出的船舶綜合節(jié)能系統(tǒng)的系統(tǒng)簡圖。</p><p>　　1—汽輪發(fā)電

51、機(jī)；2—流量計；3—離心式壓縮機(jī)；4—變速裝置；5—電動機(jī)</p><p>　　6—低壓節(jié)流閥；7—高壓節(jié)流閥</p><p>　　圖10 船舶綜合節(jié)能系統(tǒng)簡圖</p><p>　　該系統(tǒng)主要由兩個子系統(tǒng)組成。一個是基于有機(jī)朗肯循環(huán)的主機(jī)、焚燒爐廢氣高位余熱發(fā)電系統(tǒng)，該子系統(tǒng)回收的是主機(jī)燃燒廢氣和焚燒爐燃燒廢氣中的高品位熱能，根據(jù)“按質(zhì)用能，各用其所”的原則，這部分

52、高品位熱能被用作作功發(fā)電，以回收動力；另外一個是基于兩級壓縮式熱泵循環(huán)的海水、冷卻水低位余熱供汽系統(tǒng)，該子系統(tǒng)回收船舶低溫淡水冷卻水中的低品位熱能，同時吸收海水中的低品位熱能，根據(jù)“按質(zhì)用能，各用其所”的原則，這部分低品位熱能被用作產(chǎn)生加熱熱源即蒸汽，該系統(tǒng)仍然采用目前在船舶上廣泛使用的廢氣鍋爐作為燃油鍋爐附加受熱面的配合方式，所不同的就是采用熱泵鍋爐（即蒸發(fā)壓縮式熱泵的冷凝器）替代了燃油鍋爐向全船供汽，節(jié)省燃油消耗。圖11為船舶海水源

53、熱泵余熱回收系統(tǒng)整體的能量轉(zhuǎn)化簡圖。</p><p>　　圖11 系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化簡圖</p><p>　　該系統(tǒng)相對于目前船舶廣泛使用的動力系統(tǒng)有如下優(yōu)點:</p><p><b>　　節(jié)能 </b></p><p>　　以育鯤輪為例，在正常航行過程中，主機(jī)平均每天消耗重油18t，發(fā)電機(jī)平均每天消耗1.8t，鍋爐平均每天消

54、耗1.5t（在不使用廢氣鍋爐的情況下）。其中主機(jī)燃油燃燒產(chǎn)生熱量的30～37%被排煙帶走，15%被冷卻水帶走。如果利用本節(jié)能系統(tǒng)回收這部分主要的熱量，以燃油量為單位計算，取廢氣熱量占燃油熱量的30%，汽輪發(fā)電機(jī)效率10%估算。那么可回收的余熱發(fā)電熱能為</p><p>　　取冷卻水熱量占15%，制熱效率COP=4，那么可回收的余熱供汽熱能為</p><p>　　綜上，利用本系統(tǒng)每天至少可以

55、節(jié)約相當(dāng)于燃油的熱量。節(jié)能效果顯著?！?4】</p><p><b>　　經(jīng)濟(jì)</b></p><p>　　根據(jù)后文系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能的分析，可知使用該系統(tǒng)后船舶全年可以節(jié)約1.89×105kg燃油量，即節(jié)約2.13×1010kJ電量，每年節(jié)約費(fèi)用達(dá)85100$。</p><p>　　冷卻效果不受外界影響</p>&

56、lt;p>　　由于育鯤輪使用的中央冷卻系統(tǒng)中的低溫淡水是在中央冷卻器被海水冷卻，所以其冷卻效果很大程度上受外界海水溫度影響，例如育鯤輪在瓊州海峽航行時，除起動所有海水泵之外，還需要起動造水機(jī)才能達(dá)到預(yù)定的冷卻效果。然而本系統(tǒng)可以彌補(bǔ)這個缺點，正如可以保持伙食冷庫溫度恒定一樣，本系統(tǒng)可以使冷卻水保持在一定溫度而不受外界影響。</p><p>　　下面將逐個介紹和分析這兩個子系統(tǒng)。</p><

57、;p>　　2.2 基于有機(jī)朗肯循環(huán)的主機(jī)、焚燒爐廢氣高位余熱發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　該系統(tǒng)的設(shè)計思路來源于日本的一色尚次首先提出的利用發(fā)動機(jī)廢熱的氟里昂汽輪機(jī)發(fā)電裝置，該裝置利用一種在比較低的溫度下能成為高壓氣體的低沸點物質(zhì)(通常為氟利昂)作為工質(zhì)，使其在吸收發(fā)動機(jī)廢熱后由液態(tài)變?yōu)楦邏赫羝麖亩苿悠啓C(jī)發(fā)電。此種裝置在利用低品位熱能力方面有優(yōu)勢，其缺陷是系統(tǒng)較為復(fù)雜笨重且無工質(zhì)回收裝置?！?5】本系統(tǒng)

58、采用的工質(zhì)為氟里昂R134a。</p><p>　　2.2.1 系統(tǒng)原理分析</p><p>　　有機(jī)朗肯循環(huán)就是在傳統(tǒng)朗肯循環(huán)中采用有機(jī)循環(huán)工質(zhì)（ORC）代替水做循環(huán)工質(zhì)，推動渦輪機(jī)作功。有機(jī)朗肯循環(huán)低溫?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)主要由余熱鍋爐、汽輪機(jī)、冷凝器和泵4個熱力設(shè)備組成。循環(huán)的流程圖和溫—熵圖如圖12所示?！?6】</p><p>　　圖12 有機(jī)朗肯循環(huán)余熱發(fā)電系統(tǒng)原

59、理圖和溫—熵圖</p><p>　　理想的有機(jī)朗肯循環(huán)主要包括四個熱力過程：等壓吸熱過程( 4—5—6—1)。有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器中被余熱流預(yù)熱、蒸發(fā)、汽化；等熵膨脹過程(1－2s)。有機(jī)工質(zhì)在汽輪發(fā)電機(jī)中膨脹作功；等壓放熱過程(2s—3)。由膨脹機(jī)排出的乏氣進(jìn)入冷凝器被冷卻水冷凝；等熵壓縮過程(3－4)。冷凝后的液體工質(zhì)進(jìn)入儲液罐，通過工質(zhì)泵升壓并送至蒸發(fā)器。在實際的熱力循環(huán)中，所有過程都是不可逆的，尤其是等熵膨脹

60、過程，實際的有機(jī)朗肯循環(huán)為1－2－3－4－5－6－1。</p><p>　　圖13為本系統(tǒng)的系統(tǒng)簡圖，對應(yīng)于上述有機(jī)朗肯循環(huán)原理，本系統(tǒng)有機(jī)朗肯循環(huán)的四個過程為: 在廢氣余熱蒸發(fā)器（余熱鍋爐）中，R134a被廢氣流預(yù)熱、汽化，變成過熱R134a蒸汽，吸收了經(jīng)廢氣鍋爐之后的主機(jī)排煙余熱能，可視為等壓吸熱過程；在蒸汽輪機(jī)中，過熱R134a蒸汽通過噴嘴將壓力能轉(zhuǎn)化為動能從而推動葉片轉(zhuǎn)動，葉片帶動透平發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能。

61、蒸汽在汽輪機(jī)中膨脹作功的過程可視為可逆絕熱膨脹過程；在冷凝器中，由汽輪機(jī)排出的低壓乏氣進(jìn)入冷凝器被冷卻水冷卻為液態(tài)，可視為可逆等壓放熱過程；循環(huán)工質(zhì)在經(jīng)過儲液罐和工質(zhì)泵過程中，工質(zhì)蒸汽被冷卻為液態(tài)進(jìn)入儲液罐，通過工質(zhì)泵升壓并送至廢氣余熱蒸發(fā)器（余熱鍋爐），此過程可視為可逆絕熱壓縮過程?！?7】</p><p>　　圖13 基于有機(jī)朗肯循環(huán)的主機(jī)廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)簡圖</p><p>　　2.

62、2.2 系統(tǒng)熱力學(xué)分析</p><p>　　在正常工作時，工質(zhì)處于穩(wěn)定流動狀態(tài)，下面分析單位質(zhì)量工質(zhì)的熱力過程，乘以工質(zhì)的質(zhì)量流量（；為工質(zhì)泵的額定流量，為效率）即為總量，表 為根據(jù)附錄 查得的各狀態(tài)點狀態(tài)參數(shù)。</p><p>　　表2 各狀態(tài)點狀態(tài)參數(shù)</p><p>　　各熱力過程的能量關(guān)系如下：</p><p>　　單位質(zhì)量吸熱量：

63、每千克工質(zhì)從余熱源吸取的熱量。</p><p>　　單位理論膨脹功：理想循環(huán)過程中工質(zhì)對外輸出的功。</p><p>　　單位實際膨脹功：實際循環(huán)過程中工質(zhì)對外輸出的有效功。</p><p>　　其中，——汽輪機(jī)的等熵效率，</p><p>　　——汽輪機(jī)的機(jī)械效率，取90%</p><p>　　單位理論放熱量：理想循

64、環(huán)過程中每千克工質(zhì)在冷凝器中放出的熱量。</p><p>　　單位實際放熱量：實際循環(huán)過程中每千克工質(zhì)在冷凝器中放出的熱量。</p><p>　　單位工質(zhì)泵作功：外界（工質(zhì)泵）對工質(zhì)作功。</p><p>　　理想循環(huán)的熱效率： </p><p>　　實際循環(huán)的熱效率： </p><p>　　2.3 基于兩級壓縮式熱泵

65、循環(huán)的海水、冷卻水低位余熱供汽系統(tǒng)</p><p>　　該系統(tǒng)的設(shè)計思路來源于瑞典已建成的大型海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，【18】其供熱、供冷系統(tǒng)是由海水取水構(gòu)造物、海水泵站、熱泵站、供熱與供冷管網(wǎng)、用戶末端供熱、供冷系統(tǒng)組成。瑞典的海水源熱泵站中安裝的大型熱泵機(jī)組單機(jī)容量有10MW、11MW、15MW、25MW。瑞典Vartan Ropsten熱泵站安裝六臺瑞士AXIMA制冷公司生產(chǎn)的整機(jī)離心式熱泵制冷機(jī)組（R22）,

66、2003年，用R134a制冷劑更換了一臺機(jī)組，本系統(tǒng)的模型即基于本機(jī)組，另外本系統(tǒng)在單級蒸發(fā)壓縮式熱泵循環(huán)原理的基礎(chǔ)上采用兩級壓縮、兩級節(jié)流的系統(tǒng)設(shè)計，有效利用船舶冷卻水余熱，提高了冷凝溫度（鍋爐加熱溫度），使熱泵鍋爐的蒸汽壓力能夠滿足船舶用汽需要。大大提高了經(jīng)濟(jì)性。本系統(tǒng)采用的熱泵工質(zhì)為氟里昂134a（R134a）。</p><p>　　2.3.1 系統(tǒng)原理分析</p><p>　　單級

67、蒸發(fā)壓縮式熱泵循環(huán)的原理可參照圖14【19】。系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥（或膨脹閥）和蒸發(fā)器組成。他們之間用管道連接成一個封閉系統(tǒng)，熱泵工質(zhì)在系統(tǒng)內(nèi)不斷地循環(huán)流動。其工作過程是：蒸發(fā)器內(nèi)產(chǎn)生的低壓低溫?zé)岜霉べ|(zhì)蒸汽，經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮使其壓力和溫度升高后排入冷凝器；在冷凝器內(nèi)熱泵工質(zhì)蒸汽在壓力不變的情況下與被加熱的水或者空氣進(jìn)行熱量交換，發(fā)出熱量而冷凝成溫度和壓力都較高的液體；高壓液體熱泵工質(zhì)流經(jīng)節(jié)流閥，壓力和溫度同時降低而進(jìn)入蒸發(fā)器；低壓

68、低溫?zé)岜霉べ|(zhì)液體在壓力不變的情況下不斷吸收低位熱源（空氣或水）的熱量而又汽化成蒸汽，蒸汽又被壓縮機(jī)吸入。這樣就完成了一個熱泵循環(huán)，熱泵循環(huán)在lgP-h圖與T-s圖上的表示如圖15所示。</p><p>　　圖15 單級蒸發(fā)壓縮熱泵循環(huán)lgP-h圖與T-s圖</p><p>　　從圖中可以看出，為冷凝器的單位質(zhì)量制熱量，為蒸發(fā)器中的單位質(zhì)量吸熱量，為壓縮機(jī)所作的單位理論壓縮功。</p&

69、gt;<p>　　圖16顯示了基于上述蒸發(fā)壓縮式熱泵循環(huán)原理的系統(tǒng)簡圖，本系統(tǒng)整體上為全船供汽系統(tǒng)，它由熱泵鍋爐和廢氣鍋爐組成，兩者之間的關(guān)系為廢氣鍋爐是熱泵鍋爐的附加受熱面，廢氣鍋爐的供給水由熱泵鍋爐經(jīng)強(qiáng)制循環(huán)泵供給，即二者構(gòu)成鍋爐水強(qiáng)制循環(huán)。熱泵鍋爐是壓縮式海水、冷卻水源熱泵系統(tǒng)的冷凝器，蒸發(fā)器吸收的海水熱量和冷卻水熱量加上離心式壓縮機(jī)的作功在冷凝器（熱泵鍋爐）中集中傳遞給鍋爐水使其蒸發(fā)向全船供汽。</p>

70、<p>　　圖16 基于壓縮式熱泵循環(huán)的海水、冷卻水低位余熱供汽系統(tǒng)簡圖</p><p>　　本系統(tǒng)在單級蒸發(fā)壓縮式熱泵循環(huán)原理的基礎(chǔ)上采用兩級壓縮、兩級節(jié)流的系統(tǒng)設(shè)計，提高了冷凝溫度（鍋爐加熱溫度），使熱泵鍋爐的蒸汽壓力能夠滿足船舶用汽需要。圖17顯示了兩級壓縮、兩級節(jié)流壓縮式熱泵的lgP-h圖。系統(tǒng)工作過程為：蒸發(fā)器出來的制冷劑蒸汽經(jīng)離心式壓縮機(jī)壓縮到中間壓力（過程1-2），而后與閃發(fā)器來的飽和

71、氣體制冷劑混合到2’點（6’’與2混合），再次經(jīng)離心式壓縮機(jī)壓縮到冷凝壓力（過程2’-3），而后送入冷凝器中冷凝到飽和液體（過程3-4）。經(jīng)過過冷器過冷（過程4-5），在冷凝器和過冷器中實現(xiàn)了供熱產(chǎn)生蒸汽的目的。狀態(tài)5的制冷機(jī)經(jīng)高壓節(jié)流閥節(jié)流（過程5-6），在閃發(fā)器中分離出的飽和液體制冷劑（狀態(tài)6’）經(jīng)低壓節(jié)流閥節(jié)流（過程6’-7），進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱汽化，實現(xiàn)了提取海水中熱量和冷卻水中余熱能的目的。</p><p>

72、;　　圖17 兩級壓縮、兩級節(jié)流壓縮式熱泵系統(tǒng)lgP-h圖</p><p>　　2.3.2 系統(tǒng)熱力學(xué)分析</p><p>　　（1）確定工作參數(shù)【20】</p><p>　　在熱力分析計算之前首先應(yīng)該確定熱泵循環(huán)的工作溫度及工作壓力，其中最重要的就是蒸發(fā)溫度te(蒸發(fā)壓力pe)和冷凝溫度tc(蒸發(fā)壓力pc)。</p><p><b&g

73、t;　　蒸發(fā)溫度te</b></p><p>　　蒸發(fā)溫度即工質(zhì)在蒸發(fā)器中沸騰吸熱時的溫度，它主要取決于低溫?zé)嵩吹臏囟群驼舭l(fā)器的結(jié)構(gòu)形式。對于以液體（如水或者鹽水）為介質(zhì)的蒸發(fā)器，其傳熱溫差為4~6℃，取5℃，即</p><p><b>　　℃</b></p><p>　　式中 ——蒸發(fā)器進(jìn)口液體的進(jìn)口溫度（℃）。</p&g

74、t;<p>　　對于“育鯤”輪，該系統(tǒng)</p><p>　　式中 ——中央冷卻器的海水進(jìn)口溫度（℃），取10℃</p><p>　　——中央冷卻器的冷卻水進(jìn)口溫度（℃），取36℃</p><p><b>　　冷凝溫度tc</b></p><p>　　冷凝溫度即工質(zhì)在冷凝器中凝結(jié)放熱時的溫度，它也取決于所采

75、用的供熱介質(zhì)和冷凝器的結(jié)構(gòu)形式。對于以水為介質(zhì)的冷凝器，冷凝溫度為</p><p><b>　　℃</b></p><p>　　式中 ——冷凝器供熱水進(jìn)口溫度（℃）；取37℃</p><p>　　——冷凝器供熱水出口溫度（℃）。取160.4℃</p><p>　　由于該系統(tǒng)兩級壓縮，所以有兩個冷凝溫度，一個為熱泵鍋爐中

76、的冷凝溫度；另一個為高壓節(jié)流閥之后的閃發(fā)器中的冷凝溫度。對于“育鯤”輪，熱泵鍋爐的運(yùn)行參數(shù)取燃油鍋爐的參數(shù)，閃發(fā)器的工作參數(shù)按照最大性能系數(shù)COP原則取熱泵鍋爐冷凝溫度的47.6%計算，即48.89℃</p><p><b>　　吸氣溫度t1</b></p><p>　　工質(zhì)蒸汽進(jìn)入壓縮機(jī)前的溫度應(yīng)根據(jù)低壓蒸汽離開蒸發(fā)器時的狀態(tài)及吸氣管道中的傳熱情況來確定。一般情況下

77、</p><p><b>　　℃</b></p><p><b>　　過冷溫度tg</b></p><p>　　液體過冷后的溫度取決于供熱介質(zhì)的溫度和過冷器的傳熱溫差。通常取過冷溫度較同壓力下的冷凝溫度低3~5℃左右，即</p><p><b>　　℃</b></p>

78、;<p>　?。?）壓縮熱泵循環(huán)的熱力計算</p><p>　　確定熱泵的工作參數(shù)之后，根據(jù)工作溫度繪制熱泵循環(huán)的壓焓圖如圖18所示。</p><p>　　圖18 壓縮式熱泵循環(huán)P-h圖</p><p>　　查R134a的熱力性質(zhì)圖表得到各狀態(tài)點的狀態(tài)參數(shù)如表3所示</p><p>　　表3 各狀態(tài)點狀態(tài)參數(shù)</p>

79、;<p>　　單位質(zhì)量吸收熱：每千克工質(zhì)蒸發(fā)器中從低溫?zé)嵩次〉臒崃?lt;/p><p>　　單位理論壓縮功：壓縮機(jī)輸送每千克工質(zhì)所消耗的理論功</p><p>　　單位實際壓縮功：壓縮機(jī)輸送每千克工質(zhì)所消耗的實際功</p><p>　　式中 ——考慮不可逆損失的指示效率</p><p>　　——考慮摩擦的機(jī)械效率，取95%<

80、;/p><p>　　——壓縮機(jī)軸效率，取90%</p><p>　　單位理論制冷量：壓縮機(jī)輸送每千克工質(zhì)蒸汽在冷凝器中放出的理論熱量</p><p>　　單位實際制冷量：壓縮機(jī)輸送每千克工質(zhì)蒸汽在冷凝器中放出的實際熱量</p><p><b>　　工質(zhì)循環(huán)流量</b></p><p>　　式中 ——

81、壓縮機(jī)理論輸氣量（m3/s），效率較高的流量范圍為0.015～0.035m3/s</p><p>　　——壓縮機(jī)的吸氣狀態(tài)下工質(zhì)的比體積（m3/kg）</p><p>　　——壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)，取90%</p><p><b>　　熱泵制冷量</b></p><p><b>　　壓縮機(jī)實際功率</b>

82、;</p><p>　　熱泵實際制熱效率【21】</p><p>　　熱泵的經(jīng)濟(jì)性評價是一個重要的問題，正確評價熱泵的經(jīng)濟(jì)性才能使這一機(jī)械得到合理的應(yīng)用與健康的發(fā)展。評價的方法有多種，但總的原則是圍繞“節(jié)能”與“省錢”。</p><p>　　在圖19表示了熱泵的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。</p><p>　　按熱力學(xué)第一定律： </p>

83、;<p>　　其中 ——排出熱量，W；</p><p><b>　　——吸收熱量，W；</b></p><p>　　——輸入有用能，W；</p><p>　　顯然，希望加入有用能愈來愈少排出熱愈多愈好。為說明這種能量轉(zhuǎn)換的優(yōu)劣，我們用性能系數(shù) COP(Coefficient Of Performance)來表示，它定義為:“排出熱

84、量”與“輸入有用能”之比，即</p><p>　　在壓縮式熱泵中，輸入的有用能為電能或機(jī)械能所作之功為W，其性能系數(shù)特稱為“供熱系數(shù)”，用符號表示，即</p><p>　　本系統(tǒng)中 </p><p>　　2.4 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析</p><p>　　采用船舶綜合節(jié)能系統(tǒng)能有效地回收余熱和開發(fā)利用海洋熱能，節(jié)

85、約大量燃料。但是，它要增加額外的設(shè)備投資。采用節(jié)能系統(tǒng)是否可行，需要根據(jù)具體條件進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。最簡單而又常用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的方法是追加投資回收年限法。【22】如果采用節(jié)能系統(tǒng)，額外投資將增加，而每年可帶來的節(jié)約燃料等運(yùn)行費(fèi)用為，如果投資回收期不超過允許的回收年限，那么該系統(tǒng)就是經(jīng)濟(jì)可行的，即</p><p><b>　　其中，，</b></p><p>　　、——

86、配置了節(jié)能系統(tǒng)的動力系統(tǒng)和未配置節(jié)能系統(tǒng)的投資；</p><p>　　、——配置了節(jié)能系統(tǒng)的動力系統(tǒng)和未配置節(jié)能系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)（能源費(fèi)及設(shè)備維修費(fèi)等）。這里不考慮維修費(fèi)用的差別，只考慮運(yùn)行費(fèi)中最主要的燃油費(fèi)的差別。</p><p>　　下面就利用追加投資回收年限法分析系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性?！?3】</p><p>　　2.4.1 全年節(jié)約燃油費(fèi)用</p><

87、;p>　　余熱汽輪發(fā)電機(jī)與柴油發(fā)電機(jī)組</p><p>　　“育鯤”輪主發(fā)電機(jī)原動機(jī)為瓦西蘭公司生產(chǎn)的Auxpac 520W4L20型4缸發(fā)電柴油機(jī)，發(fā)電機(jī)是采用德國西門子技術(shù)由汾西機(jī)器廠制造的三相無刷交流同步發(fā)電機(jī)，額定功率為520KW，其主要性能指標(biāo)見附錄1。</p><p>　　設(shè)該柴油發(fā)電機(jī)向船舶供電的有效功率為(kw)。則根據(jù)副機(jī)日志4月1日至4月13日的有效功率與燃油消耗

88、量Bcf(kg)的數(shù)據(jù)，利用matlab多項式擬合函數(shù)polyfit可以擬合出二者之間的線性關(guān)系大致為：</p><p>　　對于余熱汽輪發(fā)電機(jī)，設(shè)船舶每年回收的主機(jī)和焚燒爐排氣余熱能為，則有</p><p>　　其中，——每年回收的主機(jī)排氣熱能，kJ/a，</p><p>　　——每年回收的焚燒爐排氣熱能，kJ/a；</p><p>　　—

89、—每天回收的主機(jī)排氣熱能，按正常航行時每天燃燒18t標(biāo)準(zhǔn)燃油，其中25.5%的熱量轉(zhuǎn)化為排氣熱能計算， </p><p>　　——每天回收的焚燒爐排氣熱能，按污油處理能力為24 l/h，污油的80%轉(zhuǎn)化為排氣熱能計算，</p><p>　　——每年主機(jī)運(yùn)行時間，d；在此取每年運(yùn)行120天；</p><p>　　——每年焚燒爐運(yùn)行時間，d；在此取每年運(yùn)行40天；

90、</p><p>　　綜上，船舶每年回收的主機(jī)和焚燒爐排氣余熱能：</p><p>　　在2.2.2中已經(jīng)分析得到實際循環(huán)的熱效率，所以可以得到余熱汽輪發(fā)電機(jī)每年的凈發(fā)電量 </p><p>　　可知，柴油發(fā)電機(jī)發(fā)出這部分電量所消耗的燃油量即為余熱汽輪發(fā)電機(jī)相對于柴油發(fā)電機(jī)組節(jié)約的燃油量 </p><p>

91、　　節(jié)約的燃油費(fèi)用 $</p><p>　　其中，——標(biāo)準(zhǔn)燃料單價。這里取國際燃油價格450$/t。</p><p><b>　　熱泵鍋爐與燃油鍋爐</b></p><p>　　船舶冷卻水余熱和海水熱量，用于全船蒸汽的供應(yīng)，可以代替燃油鍋爐，可以節(jié)約很大一部分能量?！坝H”輪使用的針形管式燃油鍋爐為德國生產(chǎn)的SAACKE KL

92、N/VM-2.5/7型，其主要性能指標(biāo)見附錄1，該燃油鍋爐每天向船舶供給蒸汽的有效熱量為，需要消耗的燃油量為Brg，二者之間的關(guān)系為：【24】</p><p>　　其中，——標(biāo)準(zhǔn)燃油的熱值，這里同上，取41820kJ/kg</p><p>　　——燃油鍋爐的熱效率，該值可以根據(jù)鍋爐銘牌上的數(shù)據(jù)計算得到</p><p>　　其中，G——蒸發(fā)量，2500kg/h；<

93、;/p><p>　　，——工作壓力7.0bar環(huán)境下，水與水蒸氣的比焓，根據(jù)附錄查=2763.29kJ/kg，=697.32 kJ/kg；</p><p>　　——燃油消耗率，184kg/h。</p><p>　　對于熱泵鍋爐，設(shè)船舶每年回收的冷卻水余熱量和利用的海水熱量為，則有</p><p><b>　　kJ/a</b>

94、</p><p>　　其中，——熱泵系統(tǒng)全年回收的冷卻水余熱量，kJ/a；</p><p>　　——熱泵系統(tǒng)全年利用的海水熱量，kJ/a；</p><p>　　——熱泵系統(tǒng)回收的冷卻水余熱量，kJ/d；</p><p>　　——熱泵系統(tǒng)利用的海水熱量，kJ/d；</p><p>　　——熱泵鍋爐年運(yùn)行時間，d；在此取每

95、年運(yùn)行300天，</p><p><b>　　由公式得出</b></p><p>　　其中，，——冷卻水、海水的比熱容，；</p><p>　　在此取=4.2，=4.3；</p><p>　　，——冷卻水、海水的質(zhì)量流量，；</p><p>　　在此取冷卻水流量，海水流量來計算。</p>

96、;<p>　　，——冷卻水出口溫度和進(jìn)口溫度，℃；</p><p>　　在此取=25℃, =36℃。</p><p>　　，——海水出口溫度和進(jìn)口溫度，℃；</p><p>　　在此取=10℃, =7℃。</p><p>　　熱泵運(yùn)行全年所需的電量為</p><p>　　其中，——熱泵的制熱系數(shù)，即COP

97、值。才有熱力計算結(jié)果=2.7</p><p>　　產(chǎn)生這些電能所消耗的標(biāo)準(zhǔn)燃油量為</p><p><b>　　熱泵鍋爐供汽熱量為</b></p><p>　　燃油鍋爐供給熱量所需的燃料消耗量為</p><p><b>　　每年的節(jié)約的燃料量</b></p><p>　　每年

98、節(jié)約的運(yùn)行費(fèi)（主要是燃料費(fèi)）為</p><p><b>　　($/a)</b></p><p>　　2.4.2 額外投資成本</p><p>　　余熱發(fā)電系統(tǒng)的額外投資主要包括汽輪發(fā)電機(jī)，工質(zhì)泵，冷凝器，余熱鍋爐的投資，熱泵鍋爐系統(tǒng)的額外投資主要包括電動熱泵（離心式壓縮機(jī)），管外降膜換蒸發(fā)器和熱泵鍋爐。</p><p>

99、<b>　　汽輪發(fā)電機(jī)的功率為</b></p><p><b>　　汽輪發(fā)電機(jī)投資為</b></p><p><b>　　119250$</b></p><p>　　其中，C為熱泵價格，在此取C=100$/kW.</p><p><b>　　電動熱泵的功率為</

100、b></p><p><b>　　熱泵投資為</b></p><p><b>　　17010$</b></p><p>　　其中，C為熱泵價格，在此取C=300$/kW.</p><p>　　管外降膜蒸發(fā)器和冷凝器的投資為=5000$</p><p>　　余熱鍋爐和熱泵

101、鍋爐的投資為108000$</p><p>　　總的增加投資為++249260$</p><p>　　2.4.3 額外投資回收年限</p><p><b>　　額外投資回收年限為</b></p><p><b>　　2.93</b></p><p>　　一般的容許投資回收年限

102、為5年。所以，從經(jīng)濟(jì)上看，船舶綜合節(jié)能系統(tǒng)是經(jīng)濟(jì)可行的，對船舶節(jié)能減排的發(fā)展具有一定指導(dǎo)和實踐意義。</p><p>　　2.4.4 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)表</p><p>　　表4為育鯤輪綜合節(jié)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析沒有配置節(jié)能系統(tǒng)的動力系統(tǒng)和配置了節(jié)能系統(tǒng)的動力系統(tǒng)的對比數(shù)據(jù)表</p><p>　　表4 育鯤輪綜合節(jié)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析數(shù)據(jù)表</p><p&

103、gt;　　管外降膜蒸發(fā)器的數(shù)值模擬</p><p>　　水平管外降膜蒸發(fā)技術(shù)是一種發(fā)生相變的高效節(jié)能換熱技術(shù)，具有傳熱性能好、蒸發(fā)強(qiáng)度大、傳熱溫差小、換熱效率高、設(shè)備體積較小、耗能少、可利用余熱等優(yōu)點，因而廣泛應(yīng)用于海水淡化系統(tǒng)、化工系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、海洋熱能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及低品位余熱利用等領(lǐng)域。在能源形勢日益緊迫的今天，研究和發(fā)展這種高效節(jié)能換熱技術(shù)意義重大。</p><p>　　3.1降膜蒸

104、發(fā)器的工作原理</p><p>　　圖20所示為基于壓縮式熱泵循環(huán)海水、冷卻水低品位熱能回收系統(tǒng)中的三組分降膜蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)示意圖。通過圖20我們可以看出降膜蒸發(fā)器的工作原理。</p><p>　　1—低溫冷卻淡水和海水進(jìn)口；2—水槽；3—熱水泵；4—熱水分配腔；5—水平管；6—噴淋管；7—工質(zhì)分配器；8—抽氣管；9—連通管；10—汽液分離器；11—工質(zhì)蒸汽出口；12—低溫冷卻淡水和海水出口

105、；13—內(nèi)置回?zé)崞鳎?4—循環(huán)泵；15—送氣管；16—排污閥；17—冷凝腔；18—泄放閥；19—?dú)獗茫?0—蒸汽腔</p><p>　　圖20 水平管降膜蒸發(fā)器原理示意圖</p><p>　　工作過程為：待冷卻的低溫冷卻淡水和海水經(jīng)進(jìn)口1被泵入蒸發(fā)部分20的水平管內(nèi)。在水平管內(nèi)流動過程中，低溫冷卻淡水和海水釋放熱量，用來加熱水平管外噴淋下來的熱泵工質(zhì)R134a。熱泵工質(zhì)首先由氣液分離器10

106、進(jìn)入系統(tǒng)，在盤管內(nèi)流經(jīng)內(nèi)置回?zé)崞?3時，得到水平管內(nèi)的低溫冷卻淡水和海水釋放出的熱量，進(jìn)行初步加熱。之后蒸發(fā)器底部蒸發(fā)后殘留的熱泵工質(zhì)與初步加熱后的熱泵工質(zhì)液體混合后經(jīng)循環(huán)泵14泵入蒸發(fā)腔的頂部，在蒸發(fā)腔中，液態(tài)熱泵工質(zhì)被工質(zhì)布液裝置7中的噴淋管6均勻噴灑在水平管外形成降膜流動并蒸發(fā)。水平管外的液膜在重力作用下以不同的流動模態(tài)沿著水平管壁面向下流動。蒸發(fā)后剩余的工質(zhì)進(jìn)入蒸發(fā)腔底部與初步加熱后的熱泵工質(zhì)一起再次被循環(huán)泵泵入蒸發(fā)腔的頂部。&

107、lt;/p><p>　　工質(zhì)在水平管外降膜流動過程中，吸收水平管內(nèi)的低溫冷卻淡水和海水釋放出的大量熱量，蒸發(fā)產(chǎn)生水蒸汽，水蒸汽被蒸發(fā)器頂部的蒸汽管8抽出，由氣泵19送入下部的再熱管8中進(jìn)行再次加熱，然后從工質(zhì)蒸汽出口11排出。而水平管內(nèi)冷凝下來的冷卻水和海水在蒸汽的帶動下，進(jìn)入右側(cè)回?zé)崞髦?，而后從低溫冷卻淡水和海水出口12排出。</p><p>　　圖21所示為水平管降膜蒸發(fā)器剖面圖。在水平管

108、降膜換熱器中，溶液從布液器中均勻地噴淋到水平布置的換熱管束上，在管壁上形成一層液體薄膜。管外液膜吸收管內(nèi)熱源釋放出的熱量而發(fā)生相變蒸發(fā)，未蒸發(fā)的溶液進(jìn)行循環(huán)再利用。水平管降膜蒸發(fā)技術(shù)由于其傳熱性能好、蒸發(fā)強(qiáng)度大、傳熱溫差小、換熱效率高、設(shè)備體積較小、耗能少、可利用余熱等優(yōu)點非常適合應(yīng)用于本系統(tǒng)的海洋熱能轉(zhuǎn)換以及低品位余熱利用中。【25】今后管式降膜蒸發(fā)器將會成為國內(nèi)蒸發(fā)站的第一選擇。</p><p>　　圖21

109、水平管降膜蒸發(fā)器剖面圖</p><p>　　3.2 降膜蒸發(fā)器的數(shù)學(xué)模型 </p><p>　　本文采用對于計算時間依賴的兩相流VOF模型對水平管降膜式蒸發(fā)器內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，VOF模型跟蹤穿過區(qū)域的每一部分流體的體積分?jǐn)?shù)，從而模擬氣液兩相流場流體動力學(xué)控制方程是求解流體流動的依據(jù)和基礎(chǔ)，其基本思想是將質(zhì)量、動量和能量守恒定律用于流體運(yùn)動所得到的聯(lián)系流體速度、壓力、密度和溫度等物理量

110、的關(guān)系式。對于系統(tǒng)和控制體都可以建立流體動力學(xué)基本方程。 絕大多數(shù)的流動和傳熱問題都可以用數(shù)學(xué)方程來描述?！?6】【27】</p><p>　　3.2.1 質(zhì)量守恒方程</p><p>　　質(zhì)量守恒定律可表述為：控制體內(nèi)流體質(zhì)量的增加等于單位時間流入控制體的質(zhì)量。對于某一微元體，質(zhì)量守恒定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：</p><p>　　式中為密度，kg/m3；t為時間，s；

111、、、是矢量在x、y、z方向上的分量；木文假設(shè)計算流體為不可壓縮性流體。對于不可壓縮性流體，其流體密度為常數(shù)，連續(xù)性方程矢量形式可以簡化為：</p><p>　　3.2.2 動量守恒方程</p><p>　　動量守恒定律可表述為：單位時間內(nèi)，流入控制體的動量與作用于控制面和控制體上的外力之和，等于控制體內(nèi)動量的增加。對于粘性為常數(shù)的不可壓縮流體，x，y，z方向的動量守恒方程分別為：</