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利用柴油機余熱改善客船空氣調節質量點擊：1760 日期：[ 2014-04-26 21:39:42 ] |
| 利用柴油機余熱改善客船空氣調節質量 任 威,程向新,孔秀華,呂 靜 (山東交通學院海運學院,山東威?！?64200) 摘要:從船舶節能和環境保護的角度出發,論述了船舶節能和利用余熱的必要性。分析了利用船舶動力裝置余熱提升客船空氣調節質量的可行性,分析計算表明:溴化鋰吸收式空調系統可利用的余熱達到了燃油總熱量的27·1%;利用分離型熱管換熱器和兩級發生的溴化鋰吸收式制冷裝置,在不增加柴油機負荷的情況下,采用較低的回風比就可以利用柴油機余熱改善客船空氣調節質量。 關 鍵 詞:柴油機;余熱利用;船舶節能;空氣調節 中圖分類號:U664·86文獻標識碼:A文章編號:1672-0032(2008)04-0009-05 柴油機排氣中含有SO2,其中有一部分會進一步氧化成SO3,并與煙氣中的水蒸氣結合生成硫酸,一旦煙氣的溫度低于硫酸的露點溫度,就會引起低溫腐蝕;另外還會使排氣阻力增大,排氣背壓上升,造成氣缸內殘存廢氣系數增大,使柴油機的動力性和經濟性下降。因此,排入大氣中的廢氣溫度應不低于150℃(硫酸的露點溫度)。但柴油機排氣通過廢氣鍋爐后,溫度僅降到270℃左右,離150℃的露點還有120℃的溫差,完全可以再利用。目前船舶柴油機余熱的利用主要集中在以下幾個方面:利用主機冷卻水的熱量進行海水淡化;利用廢氣渦輪增壓器將廢氣能量轉換成掃氣空氣的壓力能,以此來提高柴油機的功率和效率;利用廢氣鍋爐產生飽和蒸汽來滿足船舶航行時船員的日常生活用水及油艙的加熱和保溫等。但目前柴油機余熱的利用還不盡充分和合理。如:空壓機及廢氣渦輪增壓器將空氣壓縮后,還要通過空氣冷卻器將其冷卻,主要是利用海水進行冷卻,將熱量釋放到環境中而被浪費掉,這部分熱量沒有得到有效利用。理論上,船舶柴油機余熱被吸收利用后排氣溫度可降到環境溫度,但目前的科技水平還達不到。 同時,為保障船員和旅客生活、工作環境的舒適,客船一直延用消耗電能的機械壓縮型空調裝置或系統。但為了節約運行成本,通常采用降低空調的一次風量的辦法降低電能消耗,這就無法確?？痛瑑鹊目諝赓|量。將柴油機的余熱在空調系統中加以利用,可以很好解決這一矛盾。夏天可以利用余熱以溴化鋰吸收式制冷的原理服務于空調系統,冬天可以直接利用余熱對空氣加熱。同時,還可以在冬季提供熱水、夏季提供冷水。 1 溴化鋰吸收式空調系統在客船上應用的可行性 1)溴化鋰吸收式空調系統對能源要求低,可以利用低勢熱能,凡溫度超過75℃的載熱體都可用為熱源,如廢蒸汽、內燃機排氣、高溫冷卻水等。船舶航行期間,船舶柴油發動機(以下簡稱主機)及至少2臺柴油發電機處于運行狀態;停泊作業期間,一般也至少有2臺柴油發電機處于運行狀態。柴油機排出廢氣的溫度均超過350℃,柴油機缸套水的溫度為65~80℃,潤滑油溫度為50~80℃。因此,柴油機排氣及冷卻水中的余熱通過溴化鋰吸收式空調系統加以利用,既可以保證船舶航行及停航期間船員、旅客良好的生活、工作環境,又可節約能源。 2)溴化鋰吸收式空調系統整個機組除屏蔽泵外沒有運轉部件,振動、噪音小。 3)整個裝置是在真空狀態下工作,運轉安全,沒有爆炸的危險。 4)以水為制冷劑,無毒、無刺激性、不燃燒,當制冷劑管路發生泄漏時,對人無害。由于以水作為制冷劑,所以只能制取高于0℃的冷氣。 5)操作簡單、維護保養方便,便于實現自動化運轉。適當添加自控裝置,就能在l0%~l00%范圍內進行冷量的無級調節,而且在部分負荷時,機組的熱力系數并不明顯下降。 6)對冷卻水溫度不像其它型式的制冷機那樣敏感,當冷卻水進口溫度達37~38℃時,機器仍能運轉。 7)不需要對原有空調系統進行改造,只簡單地將溴化鋰吸收式制冷裝置產生的冷媒水管直接與中央空調處理器的空氣冷卻器進出管連接,熱水管與中央空調處理器的空氣加熱器進出管連接即可[1]。對于典型的空調機組,冷媒水最常用的是7℃的供水溫度和13℃的回水溫度。熱水系統的溫度范圍是27~121℃。既要考慮到泵與管路的經濟性,減小流量可以減小管徑、降低泵能耗,又能充分利用柴油機余熱,選取熱水的供水溫度為65℃,回水溫度55℃。 2 溴化鋰吸收式空調系統可利用的柴油機余熱 2. 1 柴油機的熱平衡 柴油機熱效率一般為35%~40%,排氣余熱(廢氣)所占比例一般為30%左右,冷卻水帶走的余熱一般為20%左右,其余為柴油機機體、殼體等熱輻射形式的散熱。 柴油機的熱平衡方程為[2] Q吸入=Qe+Qr+Qw+Qw′+Qs, (1) 式中 Q吸入為燃油總熱量;Qe為有效熱功當量;Qr為排氣熱損失;Qw為冷卻水熱損失;Qw′為潤滑油熱損失;Qs為熱平衡余項損失。 下面以客滾船S輪其中1臺柴油發電機為例,分析各項熱損失的大小及其占燃油總熱量的比例,以確定溴化鋰吸收式空調系統可利用的柴油機余熱。 該柴油發電機有關參數為:標定功率P為700 kW,標定工況時燃油消耗率b為224. 5 g/(kW·h),燃油低熱值Hu為41 860 kJ/kg,過量空氣系數α為1·9,排氣溫度th為450℃,煙氣的比熱容Cp煙為1·05kJ/(kg·K),環境溫度t1為30℃,冷卻水進、出口平均溫差△t1為10℃(△T1=10 K),冷卻水的流量qm為26 000 kg /h,水的比熱容Cp水為4·18 kJ/(kg·K),潤滑油的比熱容Cp油為1·95 kJ/(kg·K),潤滑油的流量qm′為7 085 kg/h,潤滑油進、出口平均溫差△t2為10℃(△T2=10 K)。 Q吸入,Qe,Qr的計算公式分別為 Q吸入=PbHu, (2) Qe= 3 600P, (3) Qr=mCp煙△T, (4) 式中 m為煙氣的質量,m=(1+Lα)Pb,L為理論空燃比,為14·3;△T為排氣溫度與環境溫度之差, 420 K。 Qw與Qw′的計算公式為 Qw=qmCp水△T1, (5) Qw′=qm′Cp油△T2·(6) 將柴油發電機的有關參數代入式(2)~(6)分別得 Q吸入=6.578 GJ/h,Qe=2.520 GJ/h,Qr=1.952 GJ/h,Qw=1.086 GJ/h,Qw′=0.138 GJ/h。由(1)式得熱平衡余項損失Qs(包括熱輻射損失、不完全燃燒損失、部分機械損失、換氣損失及泄露損失)為:Qs=Q吸入-(Qe+Qr+Qw+Qw′)=0.882 GJ/h。Qe,Qr,Qw,Qw′,Qs占燃油總熱量的比例分別為:38·3%,29·7%,16·5%,2·1%,13·4%。 2. 2 可利用的柴油機余熱 1)熱平衡余項損失Qs。余熱利用較困難,經濟價值不高。但若改善發動機絕熱性能則可以減少這部分熱損失。 2)排煙熱損失Qr。因為是中溫余熱,據合理用能原則,可以先作動力利用,再作熱利用。最合理的方法是廢氣先通過廢氣渦輪增壓器,再通過廢氣鍋爐。柴油機排氣通過廢氣鍋爐后,溫度降到270℃左右,這個溫度與150℃露點的溫度有△T′=120 K的溫差,其溫差余熱Qr′=mCp煙△T′=0. 558 GJ/h,占燃油總熱量的比例為qr′=Qr′/Q吸入=8·5%,這部分熱量可以通過熱管換熱器再利用,作為溴化鋰吸收式空調系統的熱源。 3)冷卻水熱損失Qw與潤滑油熱損失Qw′。Qw+Qw′=1.086 GJ/h+0.138 GJ/h=1.224 GJ/h。溴化鋰吸收式空調系統可利用的柴油機余熱為冷卻水熱損失Qw、潤滑油熱損失Qw′與煙氣實際可利用的熱量Qr′之和。即:Qw+Qw′+Qr′=1.783 GJ/h。占燃油總熱量的比例為: (Qw+Qw′+Qr′) /Q吸入=27·1%。 在計算中沒有考慮可利用的余熱在管道中的能量損失,但計算所得可利用余熱沒有包括空氣冷卻器的余熱利用,因此計算結果和實際可利用的余熱不會相差很大。 該客滾船的動力配置為: 1臺功率為8 379 kW的主機; 3臺柴油機發電機,其中700 kW的2臺, 52kW的1臺。上述僅分析了其中1臺柴油發電機的余熱利用情況。船舶正常航行期間,主機及至少2臺柴油發電機處于運行狀態。以80%的負荷率計算,可利用的煙氣余熱為(8 379 kW+700 kW×2)×80%×8·5% /38·3%×3·6×103=6·25 GJ/h,這部分余熱,夏季可作為溴化鋰吸收式制冷裝置的熱源,冬季可用來提供生活熱水;可利用的冷卻水和潤滑油余熱為: (8 379 kW +700 kW×2)×80%×(16·5% +2·1% ) /38·3%×3·6×103=13·7 GJ/h,這部分余熱雖然較大,但因熱源的溫度較低,其熱品質較差,利用成本很高,故投資回報率低,所以暫不建議采用。 3·柴油機余熱利用系統 柴油機余熱利用系統如圖1所示。 煙氣中的余熱先被廢氣渦輪增壓器利用,再被廢氣鍋爐利用,最后被熱管換熱器收集。由于排放的煙氣換熱系數較小,如果采用普通的換熱器,則需要較大的換熱面積;而采用熱管換熱器,則可使余熱回收裝置結構緊湊。常見的熱管換熱器采用的是分離型熱管結構,如圖2所示。 分離型熱管換熱器的優點是:可以實現冷、熱流體完全隔開,僅將煙氣的余熱傳遞給高壓發生器中的溴化鋰溶液,同時又避免了煙氣與溴化鋰吸收式制冷裝置直接接觸,提高了制冷裝置的安全可靠性[3]。通過三通開關閥門既可以自動控制,也可采用手動控制,夏天使用冷凝段B作溴化鋰吸收式制冷裝置的熱源;冬天使用冷凝段A可作空調熱風、生活水熱源。 4·兩級發生吸收式制冷機 在熱工學中,吸收式制冷機的熱力系數,通常為0·55~0·70,發生溫度愈低,熱力系數愈小。熱源溫度較高時,可采用兩效機組,熱力系數增加至1·0~1·2。發生溫度通常為150℃左右。由于柴油機煙氣的溫度比較高,所以采用兩效機組。 兩級發生的溴化鋰吸收式制冷裝置采用分離型熱管將柴油機排煙中的余熱傳遞到溴化鋰吸收式制冷裝置的高壓發生器中去。熱管的蒸發段安裝在煙道中,冷凝段安裝在溴化鋰吸收式制冷裝置的高壓發生器中。在熱管的蒸發段,熱管中的工質從煙氣中吸收熱量,然后蒸發,熱管工質將熱量帶到高壓發生器中的冷凝段,加熱溴化鋰溶液而冷凝成液體回流到熱管蒸發段重新蒸發,其流程圖如圖3所示[4]。 1—高壓發生器;2—冷凝器;3—蒸發器;4—U形管;5—吸收器;6—蒸發器泵;7—抽氣裝置;8—發生器泵;9—吸收器泵;10—第2熱交換器;11—溶液調節器;12—低壓發生器;13—凝結水熱交換器;14—第1熱交換器 圖3溴化鋰吸收式制冷裝置流程圖 該客滾船空調機組壓縮機功率為200 kW,制冷量為2·88 GJ/h。采用兩級發生吸收式制冷機,按熱力系數1·0計算,可作為溴化鋰吸收式制冷裝置熱源的煙氣余熱為6·25 GJ/h,可制冷6·25×GJ/h,遠大于該船空調機組的2·88×GJ/h制冷量?？照{的供熱情況亦是如此。由此可見,使用柴油機余熱為熱源的溴化鋰吸收式空調系統在不增加柴油機負荷的情況下,可以采用較低的回風比β,即β=二次風(室內空氣) /一次風(室外新風)。獲得的更加新鮮的空氣,為船員、旅客提供良好的生活、工作環境。 5 結 論 1)船舶上利用柴油機余熱做熱源使用溴化鋰吸收式空調系統是切實可行的,這種方法不僅可以節約能源,還可改善艙室的空氣質量。 2)計算表明,船舶用柴油機系統可利用的余熱達到了燃油總熱量的27·1%。但考慮到熱品質的高低及投資回報率等問題,建議采用溴化鋰吸收式空調裝置,充分利用占燃油總熱量8·5%的排煙余熱。 3)利用分離型熱管換熱器和兩級發生的溴化鋰吸收式制冷裝置,在不增加柴油機負荷的情況下,采用較低的回風比就可以利用柴油機余熱改善空氣調節質量。 參考文獻: [1]李松壽·制冷原理與設備[M]·上海:上?？茖W技術出版社, 1988: 310· [2]杜榮銘·船舶柴油機[M]·大連:大連海事大學出版社·1999: 98· [3]劉春燕·換熱器設計、運行及CAD系統[M]·北京:冶金工業出版社, 1998: 56· [4]吳業正·制冷原理及設備[M]·第2版·西安:西安交通大學出版社, 2004: 170· |
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