船舶余熱回收效率改善研究

趙淼 ZHAO Miao；金益晨 JIN Yi-chen；繆紅建 MIAO Hong-jian

（①南通理工學(xué)院，南通 226002；②江蘇南通申通機(jī)械有限公司，南通 226001）

0 引言

船用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的船舶尾氣中熱量占總熱量的30%～45%，并且排出尾氣的溫度高達(dá)600～800℃。如果能有效地將這部分熱量重新循環(huán)利用，將大大減少能源的消耗、改善能源短缺問(wèn)題所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)壓力和環(huán)境壓力。

1 船舶余熱回收現(xiàn)狀

1.1 卡琳娜方法[1]

卡琳娜方法又叫卡琳娜循環(huán)，該循環(huán)主要是以氨的液態(tài)物為工質(zhì)的熱動(dòng)力循環(huán)的總稱，該循環(huán)通過(guò)工質(zhì)濃度的不同和工質(zhì)溫度的不同，使得整個(gè)循環(huán)過(guò)程中，冷源和熱源有較合適的熱量轉(zhuǎn)化匹配關(guān)系。

卡琳娜循環(huán)中設(shè)備主要包括有分離器、冷凝器、蒸發(fā)器、透平、高溫回?zé)崞骱蛯Ｓ帽玫取Ｏ到y(tǒng)的工作流程是先由工質(zhì)經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器和煙氣進(jìn)行換熱作用，等到氣化蒸發(fā)后，氣體進(jìn)入分離器中實(shí)現(xiàn)分離，然后通過(guò)透平環(huán)節(jié)膨脹對(duì)外做功實(shí)現(xiàn)對(duì)外輸出，然后膨脹做功過(guò)的氣體與熱量交換后的液體相互混合，再通過(guò)回?zé)崞髦欣鋮s后的介質(zhì)實(shí)現(xiàn)換熱，然后冷凝器中的低溫液體將混合氣體重新冷卻成液體，最后由專用泵回流回蒸發(fā)器形成一個(gè)完整的循環(huán)過(guò)程。

1.2 有機(jī)朗肯循環(huán)方法[2]

有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)是在原有的朗肯循環(huán)系統(tǒng)上，通過(guò)使用有機(jī)物為工質(zhì)的一種循環(huán)系統(tǒng)。有機(jī)朗肯循環(huán)模型包括預(yù)熱器、蒸發(fā)器、冷凝器以及專用泵等。如圖1所示，首先，有機(jī)循環(huán)介質(zhì)用預(yù)熱器加熱，等達(dá)到所測(cè)試溫度后，再流過(guò)蒸發(fā)器進(jìn)行等溫蒸發(fā)，汽化后直接進(jìn)入膨脹機(jī)進(jìn)行膨脹做功，隨著膨脹做功的持續(xù)，循環(huán)介質(zhì)壓力不斷降低，再通過(guò)冷卻水進(jìn)行冷卻液化直至完全液態(tài)，最后再進(jìn)入專用泵，提高工作壓力，完成整個(gè)循環(huán)過(guò)程。

2 船舶余熱回收方法分析與改進(jìn)

2.1 兩種方法的對(duì)比分析

與卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)相比，有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的流程工藝更簡(jiǎn)便，這是因?yàn)橛袡C(jī)工質(zhì)的不同，卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)是氨水，氨水在沒(méi)有進(jìn)入蒸發(fā)器時(shí)，是氣態(tài)和液態(tài)兩種狀態(tài)同時(shí)存在的，需要設(shè)置不同的裝置進(jìn)行儲(chǔ)存；并且進(jìn)入蒸發(fā)器后，蒸發(fā)過(guò)程是變溫過(guò)程，不同狀態(tài)的氨水蒸發(fā)時(shí)溫度不同[3]。所以選用有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)對(duì)尾氣余熱的回收利用更有效。

2.2 方法的改進(jìn)

2.2.1 有機(jī)工質(zhì)的改進(jìn)

不同的工質(zhì)對(duì)循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)效率產(chǎn)生的影響是不同的，因此，在原有機(jī)朗肯循環(huán)的基礎(chǔ)上，以循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的轉(zhuǎn)化效率為著眼點(diǎn)，結(jié)合環(huán)境保護(hù)的理念，尋找既可以滿足循環(huán)效率而且能夠減少對(duì)環(huán)境的影響的有機(jī)工質(zhì)。

選擇工質(zhì)時(shí)，有以下幾點(diǎn)需要考慮的因素：

①工質(zhì)必須選擇對(duì)人體危害少的。當(dāng)工質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)后，受到高溫作用，工質(zhì)將會(huì)揮發(fā)，揮發(fā)出來(lái)的氣體會(huì)對(duì)人體機(jī)能產(chǎn)生傷害。

②工質(zhì)必須選擇對(duì)環(huán)境影響低的。工質(zhì)進(jìn)入蒸發(fā)器后，有一部分工質(zhì)會(huì)受壓變成氣體排出，直接會(huì)排放進(jìn)室外，因此環(huán)境友好型的工質(zhì)也是必不可少的。

③工質(zhì)要選擇有利于整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能，可以從傳熱、自我消耗、流體流阻損失等方面為參考標(biāo)準(zhǔn)，選擇最有經(jīng)濟(jì)性的工質(zhì)。

2.2.2 裝置的改進(jìn)

首先，將換熱器應(yīng)用到廢氣余熱回收系統(tǒng)中，能使工質(zhì)經(jīng)過(guò)冷凝器后快速升溫，以達(dá)到進(jìn)入第二次循環(huán)的條件，這有利于減少蒸發(fā)器的工作負(fù)荷，延長(zhǎng)蒸發(fā)器壽命，加快循環(huán)速度，能夠快速提供所需要的電能等。

2.2.3 熱電轉(zhuǎn)換組件

在換熱器后裝設(shè)一個(gè)熱電轉(zhuǎn)換組件，該組件的冷端用來(lái)吸收經(jīng)過(guò)冷凝器傳遞到換熱器中冷凝液體的冷卻溫度，然后通過(guò)該組件中間的N型和P型的半導(dǎo)體材料，借助冷熱兩端的溫度差異從而進(jìn)行發(fā)電，進(jìn)一步增大對(duì)外輸送電能的大小，也可以將冷凝水的溫度適當(dāng)轉(zhuǎn)移，減少換熱器中換熱的材料使用，達(dá)到了節(jié)約能源的目的。

3 新型船舶余熱回收利用系統(tǒng)的搭建

3.1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)是由以下裝置組合而成，分別是柴油機(jī)、蒸發(fā)器、膨脹器、發(fā)電機(jī)、冷凝器、換熱器、熱電轉(zhuǎn)換組件以及工質(zhì)泵[4]，如圖2和圖3所示。

3.2 系統(tǒng)的運(yùn)行流程

3.2.1 系統(tǒng)中尾氣走向

本系統(tǒng)中尾氣走向過(guò)程如下，從船用柴油機(jī)中產(chǎn)生的尾氣余熱熱量首先被由蒸發(fā)器加熱過(guò)的工質(zhì)吸收，然后通過(guò)蒸發(fā)器將吸收了尾氣余熱的工質(zhì)進(jìn)行汽化；然后一小部分尾氣在蒸發(fā)器中散發(fā)掉，余熱蘊(yùn)含在汽化后的工質(zhì)中通過(guò)管道進(jìn)入膨脹器，推動(dòng)膨脹器內(nèi)的桿件進(jìn)行做功[5]；接下來(lái)高溫工質(zhì)氣體通過(guò)管道輸送進(jìn)入冷凝器中進(jìn)行冷卻，將工質(zhì)從氣態(tài)變成液態(tài)，將工質(zhì)溫度降低；隨后將溫度很低的液態(tài)工質(zhì)輸送進(jìn)換熱器，通過(guò)換熱原理重新給液態(tài)工質(zhì)加熱，使得該液體具有一定的熱量；最后通過(guò)工質(zhì)泵重新傳送進(jìn)蒸發(fā)器進(jìn)行汽化，進(jìn)行新的一輪循環(huán)。

3.2.2 系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程

從柴油機(jī)中產(chǎn)生的尾氣余熱熱量首先被由蒸發(fā)器加熱過(guò)的工質(zhì)吸收進(jìn)一步汽化，吸收尾氣余熱的工質(zhì)溫度最高可以達(dá)到300-400℃左右，這些高溫氣態(tài)工質(zhì)通過(guò)管道輸送至膨脹器，送入膨脹器的氣體推動(dòng)膨脹器中的桿件進(jìn)行做功，膨脹器對(duì)外做功也可以產(chǎn)生電能進(jìn)行發(fā)電，做完功的高溫氣態(tài)工質(zhì)將被運(yùn)送到冷凝器中進(jìn)行放熱工序，經(jīng)過(guò)冷凝后的工質(zhì)溫度從100多度降低至30-40℃并且發(fā)生了液化，變成液態(tài)的工質(zhì)送進(jìn)換熱器通過(guò)換熱原理，將熱量從高溫物體傳遞到低溫的流體工質(zhì)，使得工質(zhì)溫度達(dá)到50-60℃，冷凝后的工質(zhì)通過(guò)轉(zhuǎn)換組件的冷端和熱端根據(jù)塞貝克效應(yīng)產(chǎn)生電能[6]，并且通過(guò)輸電導(dǎo)線一輸送到發(fā)電機(jī)進(jìn)行供電，然后將加熱后的工質(zhì)通過(guò)工質(zhì)泵重新輸送至蒸發(fā)器汽化，進(jìn)行新的一輪循環(huán)。

4 系統(tǒng)的效率分析

4.1 工況參數(shù)假定

選用WP12C450-21柴油機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，確定柴油機(jī)初始功率為274kW，轉(zhuǎn)速確定為1900r/min，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1900r/min時(shí)，便可以得到柴油機(jī)此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)所具有的熱量為148.5kW。具體參數(shù)見表1。

表1 工況所選取的初始數(shù)據(jù)

4.2 系統(tǒng)效率的計(jì)算

4.2.1 計(jì)算方法

整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)所涉及裝置的熱力學(xué)公式[7]，如下：

①單螺桿膨脹器。

②冷凝器。

式中，h3——工質(zhì)在冷凝器出口處的焓值（kJ/kg）。

由于不可逆引起的功損失.Ic（kW）

式中，s3——工質(zhì)在冷凝器出口處的熵值[kJ/（kg·K）]，TL——系統(tǒng)的最低溫度。

③蒸發(fā)器。

換熱量Qh（kW）. ：

式中，h4——工質(zhì)在蒸發(fā)器進(jìn)口處的焓值（kJ/kg）。

由于不可逆引起的功損失.Ih（kW）：

式中，s4——工質(zhì)在蒸發(fā)器進(jìn)口處的熵值[kJ/（kg·K）]，TH——系統(tǒng)的最高溫度（K）。

4.2.2 計(jì)算結(jié)果

工質(zhì)初步選定干流體中的R123和R245fa兩種流體，這兩種流體的相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 R123和R245fa對(duì)比表

從表2中可以得出，在相同冷熱源條件下，控制主機(jī)轉(zhuǎn)速、工質(zhì)溫度，兩個(gè)工質(zhì)達(dá)到最佳性能時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)R123有機(jī)工質(zhì)對(duì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率比R245fa更高。而且在系統(tǒng)中時(shí)，R123所受到的蒸汽壓力更少，導(dǎo)熱性能更好。

4.3 系統(tǒng)效率的分析

4.3.1 原有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的效率

根據(jù)上述計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，以R123為觀察對(duì)象；當(dāng)R123工質(zhì)的溫度達(dá)到395K左右時(shí)，系統(tǒng)效率最大，可以達(dá)到8.1%。當(dāng)R245fa工質(zhì)的溫度達(dá)到375K左右時(shí)，系統(tǒng)效率最大，可以達(dá)到7.7%。由此可見改進(jìn)前系統(tǒng)最大效率是用R123工質(zhì)時(shí)的8.1%左右，因此本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)也將采用R123作為工質(zhì)。表3為兩種工質(zhì)計(jì)算得到的具體參數(shù)。

表3 R123和R245fa參數(shù)對(duì)比

4.3.2 所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的效率

上述研究改進(jìn)前的效率時(shí)，確定了所選用的工質(zhì)。因此本節(jié)將仍用R123工質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，直接用以下公式進(jìn)行計(jì)算。

①換熱器[8]。

換熱量.Qmh（kW）：

式中，tg2——柴油機(jī)尾氣在換熱器出口處的溫度（℃），h2l——工質(zhì)在換熱器出口處的焓值（kJ/kg）。

由于不可逆引起的功損失.Ic（kW）：

式中，s2l——工質(zhì)在換熱器出口處的熵值[kJ/（kg·k）]。

②熱電轉(zhuǎn)換組件。

兩個(gè)導(dǎo)體接觸段面之間吸熱或放熱的速率Q與導(dǎo)體中流過(guò)的電流I成正比，可以用表示：

上式中：Π為兩不同導(dǎo)體之間的帕爾貼系數(shù)之差。[2]

根據(jù)上式可以計(jì)算得到以下數(shù)據(jù)，見表4。

表4 選用R123工質(zhì)時(shí)改進(jìn)后系統(tǒng)工況參數(shù)表

從表中可以看出本文設(shè)計(jì)的循環(huán)系統(tǒng)熱力學(xué)效率比傳統(tǒng)的有機(jī)朗肯循環(huán)效率更高，輸出功率更快。

5 結(jié)論

以有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過(guò)工質(zhì)的選擇、裝置的改進(jìn)等，搭建了一種新型船舶余熱回收利用系統(tǒng)，并通過(guò)系統(tǒng)效率的計(jì)算，驗(yàn)證了該系統(tǒng)較有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)熱回收效率更高。