《船舶冷卻水余熱的利用探究》9000字（論文）

船舶冷卻水余熱的利用研究目錄0引言 41冷卻水系統(tǒng)的分類(lèi)和構(gòu)成 51.1冷卻水系統(tǒng)的作用 51.2冷卻水系統(tǒng)介紹 51.3本章小結(jié) 82冷卻水余熱的構(gòu)成 92.1海水系統(tǒng) 92.2低溫冷卻水系統(tǒng) 92.3高溫淡水系統(tǒng) 103冷卻水余熱的利用 113.1冷卻水余熱制冷 113.2冷卻水余熱制熱技術(shù) 133.3冷卻水余熱淡化海水 133.4冷卻水余熱發(fā)電 154冷卻水余熱利用實(shí)例 165結(jié)論與展望 18參考文獻(xiàn) 200引言中國(guó)是一個(gè)發(fā)展中的大國(guó)。保護(hù)海洋環(huán)境是我國(guó)發(fā)展過(guò)程中必不可少的，因此國(guó)家對(duì)于開(kāi)發(fā)和保護(hù)海洋環(huán)境的項(xiàng)目非常器重。海洋企業(yè)的昌盛發(fā)展也是國(guó)家發(fā)展的重點(diǎn)。加強(qiáng)海洋資源管理，完成和積極推進(jìn)海洋科學(xué)和教育。法律制度也在發(fā)展過(guò)程中不斷完善。船運(yùn)行業(yè)隨著國(guó)家的重視高速發(fā)展，而主機(jī)作為船舶主要?jiǎng)恿敵?，排放的尾氣?duì)大氣的污染也日益增加。船舶主機(jī)余熱大約占燃燒總能量的50%[1]。其中船舶主機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于零部件運(yùn)動(dòng)摩擦和燃油的燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的熱，使得船舶柴油機(jī)各個(gè)零部件的工況變差，需要對(duì)主機(jī)各種構(gòu)件冷卻，而對(duì)主機(jī)各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行冷卻后的冷卻水會(huì)與構(gòu)件交換得到大量的熱量，這一部分熱量就屬于冷卻水余熱。如果這部分熱量有效利用，油耗水平可以大大降低.降低艦艇和航運(yùn)的燃油成本，也可以減少艦艇的空氣污染，實(shí)現(xiàn)“節(jié)能減排，造福未來(lái)”。1冷卻水系統(tǒng)的分類(lèi)和構(gòu)成在船舶主機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，由于零部件的運(yùn)動(dòng)摩擦和燃油的燃燒，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，使船舶柴油機(jī)零部件的運(yùn)行條件惡化。因此，有必要冷卻主機(jī)的各個(gè)部件。1.1冷卻水系統(tǒng)的作用1）可以保持受熱件的工作溫度在合適的范圍內(nèi)（即低于材料允許的限制），進(jìn)而達(dá)到受熱部件即使在高溫條件下也能保持足夠強(qiáng)度的目的；2）可以降低受熱件的熱應(yīng)力；3）可以保證運(yùn)動(dòng)部件的間隙適當(dāng)；4）可以保證運(yùn)動(dòng)部件工作表面潤(rùn)滑油膜的正常工作狀態(tài)[2]。1.2冷卻水系統(tǒng)介紹冷卻水系統(tǒng)的冷卻方式是，柴油機(jī)被干凈淡水強(qiáng)制冷卻，淡水以及其他冷卻介質(zhì)被海水強(qiáng)制冷卻。船舶主機(jī)的冷卻水系統(tǒng)主要分為以下幾個(gè)模式：開(kāi)式、半封閉式和中央冷卻系統(tǒng)。其中中央冷卻系統(tǒng)是目前使用最多的冷卻水系統(tǒng)[3]。1）開(kāi)式冷卻水系統(tǒng)開(kāi)式冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行的方式是：用舷外海水對(duì)柴油機(jī)直接冷卻。安裝開(kāi)式系統(tǒng)的好處是設(shè)備簡(jiǎn)易，管理維修方便。壞處是水質(zhì)不佳、存在雜質(zhì)的情況下，容易產(chǎn)生堵塞。并且海水中有很多氯化鹽，容易使構(gòu)件腐蝕。堵塞、腐蝕和沉淀會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)熱效率降低。為防鹽類(lèi)析出，進(jìn)入冷卻水系統(tǒng)的海水溫度不能高于50~55℃，故海水不能用來(lái)冷卻高溫部件。由于柴油機(jī)對(duì)冷卻水溫度的需求較高，一般在60℃，高速柴油機(jī)可能達(dá)到80℃~90℃。所以如今除了內(nèi)河的小船之外，都已不使用開(kāi)式系統(tǒng)。圖1-2-1為典型的開(kāi)式冷卻水系統(tǒng)：圖1-2-1典型開(kāi)式冷卻水系統(tǒng)如圖，海水經(jīng)1-高位海底門(mén)2-低位海底門(mén)3-海底門(mén)濾器進(jìn)入4-主海水泵，海水由主海水泵輸送流經(jīng)5-主機(jī)空冷器6-主機(jī)滑油冷卻器7-主機(jī)缸套水冷卻器8-大氣冷凝器9-其它輔助機(jī)械冷卻后的海水經(jīng)11-出海閥排出舷外。當(dāng)海水泵出口溫度低于25攝氏度時(shí)，一些高溫海水經(jīng)冷卻后，從10-溫度調(diào)節(jié)閥返回主海水泵吸口，主海水泵一般設(shè)置兩臺(tái)，均采用大排量離心泵，應(yīng)急艙底水吸口通常布置在一臺(tái)主海水泵的吸入口，以用于預(yù)備機(jī)艙大量進(jìn)水的緊急情況下可以應(yīng)急排水。2）閉式冷卻水系統(tǒng)與開(kāi)式冷卻水系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)。閉式冷卻水系統(tǒng)用淡水冷卻柴油機(jī)，再用外部水冷卻淡水。閉式系統(tǒng)中的淡水在其中是一個(gè)封閉的循環(huán)，吸收了熱量的淡水在開(kāi)式系統(tǒng)中冷卻。因而它具有很多優(yōu)點(diǎn)：（1）機(jī)內(nèi)循環(huán)的水為干凈的水，不易堵塞現(xiàn)象。（2）清潔水產(chǎn)生結(jié)垢現(xiàn)象的可能性較低，傳熱效果可以得到較好的保證，部件的使用年限也將相對(duì)延長(zhǎng)。（3）高溫冷卻水可用于提高熱效率，并且不受海水中沉淀鹽溫度的限制。（4）減少了暖缸時(shí)間，提高機(jī)動(dòng)性。閉式冷卻系統(tǒng)主要用于氣缸套，氣缸蓋，噴油器，增壓器的冷卻，冷卻介質(zhì)為淡水。淡水在淡水泵，冷卻器，待冷卻設(shè)備，膨脹水箱之間循環(huán)，構(gòu)成封閉的系統(tǒng)，因此稱(chēng)為閉式冷卻系統(tǒng)。下圖1-2-2為典型的閉式冷卻系統(tǒng)。圖1-2-2典型閉式冷卻系統(tǒng)柴油機(jī)正常工作時(shí)，冷卻水經(jīng)5-缸套水泵輸送至1-主機(jī)和副機(jī)，冷卻主機(jī)和副機(jī)的淡水經(jīng)3-缸套水冷卻器冷卻后返回缸套水泵吸口，備車(chē)時(shí)需要通過(guò)加熱冷卻水對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行暖缸，以確保柴油機(jī)的正常啟動(dòng)，暖缸時(shí)，冷卻水經(jīng)缸套水預(yù)熱泵，7-缸套水預(yù)熱器輸送至主機(jī)，對(duì)主機(jī)進(jìn)行加溫后，返回6-缸套水預(yù)熱泵吸口，按照?qǐng)D中的設(shè)計(jì)，還可以利用副機(jī)高溫淡水對(duì)主機(jī)進(jìn)行暖缸。2-造水機(jī)的作用是利用高溫淡水加熱海水制造淡水，同時(shí)用海水冷卻高溫高溫淡水。4-除氣箱和8-報(bào)警裝置箱用于監(jiān)測(cè)冷卻水中的含氣量，在含氣量較大時(shí)觸發(fā)警報(bào)，比如缸套出現(xiàn)裂縫時(shí)，高溫高壓的氣體進(jìn)入冷卻水中，導(dǎo)致冷卻水中含氣量升高，冷卻水中的氣體在除氣箱中聚集，并經(jīng)報(bào)警裝置箱進(jìn)入9-膨脹水箱，當(dāng)大量氣體經(jīng)過(guò)報(bào)警裝置箱時(shí)，報(bào)警被觸發(fā)。膨脹水箱主要用來(lái)投藥、補(bǔ)水、放氣、膨脹和加熱（上圖中A-主機(jī)缸套水進(jìn)口；B-主機(jī)缸套水出口；C-來(lái)自副機(jī)缸套水；D-去往副機(jī)缸套水）。3）中央冷卻系統(tǒng)中央冷卻系統(tǒng)相比上述兩種系統(tǒng)，是系統(tǒng)中最常見(jiàn)的。中央冷卻系統(tǒng)的基本原理是對(duì)高溫和低溫淡水冷卻系統(tǒng)的利用，工作溫度分別約為80℃~85℃、30℃~40℃。高溫淡水用于冷卻主機(jī)缸套，低溫淡水用于與高溫淡水和各種輔助機(jī)械交換熱[4]。在低溫冷卻回路中，舷外海水在中央冷卻器中被用于冷卻低溫淡水，海水與低溫淡水之間存在熱交換的過(guò)程，熱交換后的海水從船上排出，低溫冷卻回路因而冷卻。中央冷卻系統(tǒng)的特點(diǎn)包括：維修海水管系及海水冷卻器的工作量降至最低。氣缸冷卻水受海水溫度變化的影響較小，溫度相對(duì)穩(wěn)定，使得柴油機(jī)能夠運(yùn)行在最佳冷卻狀態(tài)下。淡水循環(huán)可多年保持清潔，維修工作量極少。多中冷器及附助設(shè)備與管系，因此造價(jià)較高。由于附加管系的阻力損失，泵送耗功也有所增加[5]。圖1-2-3為典型的中央冷卻系統(tǒng)：圖1-2-3典型中央冷卻系統(tǒng)1.3本章小結(jié)本章主要通過(guò)冷卻的特點(diǎn)和方式和冷卻系統(tǒng)的組成及其相關(guān)設(shè)備管路來(lái)介紹冷卻水系統(tǒng)。2冷卻水余熱的構(gòu)成船舶冷卻水系統(tǒng)是船舶機(jī)艙的重要組成部分，主要由海水系統(tǒng)，低溫冷卻水系統(tǒng)，高溫冷卻水系統(tǒng)三大系統(tǒng)組成。2.1海水系統(tǒng)海水系統(tǒng)主要功能是海水通過(guò)熱交換的方式來(lái)冷卻低溫淡水，組合便捷。主海水泵將海水泵入低溫淡水冷卻器進(jìn)行換熱。一部分海水直接由水管壓入，另一部分海水在海水溫度調(diào)節(jié)器的作用下中返回海水泵進(jìn)口。2.2低溫冷卻水系統(tǒng)低溫水系主要由主機(jī)滑油冷卻器、主機(jī)高溫淡水冷卻器、低溫淡水冷卻器、空冷器、空壓機(jī)等設(shè)備組成。（1）主機(jī)滑油冷卻器主機(jī)滑油冷卻器是船舶主機(jī)潤(rùn)滑的組成部分。在這個(gè)系統(tǒng)中，主機(jī)的活塞，主軸承，大端軸承和十字頭軸承在運(yùn)動(dòng)時(shí)，各個(gè)接觸面會(huì)發(fā)生摩擦產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致溫度升高。溫度過(guò)高時(shí)，一定要冷卻，才可以繼續(xù)工作。熱傳遞在主潤(rùn)滑油冷卻器中與低溫水潤(rùn)滑油一起，然后傳遞到冷卻水中冷卻。主機(jī)潤(rùn)滑油冷卻器是板式換熱器與中央冷卻器，傳熱理論和中央冷卻器沒(méi)有差別，但不同之處在于熱交換器結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)。（2）低溫淡水冷卻器一般為板式換熱器，板式換熱器具有傳熱效率高的優(yōu)點(diǎn)。節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)緊湊、拆裝清洗、操作方便等，已廣泛應(yīng)用于化工、冶金、電力、造船、集中供電及余熱利用、食品飲料、醫(yī)藥、核工業(yè)等行業(yè)。板式換熱器由相鄰固體換熱板、框架結(jié)構(gòu)和換熱板螺栓密封，避免出現(xiàn)兩種密封液體混合在一起。冷卻液和凹槽設(shè)置在換熱板的兩側(cè)，通過(guò)多塊換熱板的冷卻液通過(guò)壓緊壓力將板的兩側(cè)壓在一起，形成一個(gè)獨(dú)立的空間，相互隔開(kāi)密封圈?？臻g之間通過(guò)換熱板相互隔開(kāi)，以增強(qiáng)傳熱，增加板坯的剛度，通常在鋼板上壓出波紋，其中最常見(jiàn)的是人型波紋。通過(guò)實(shí)施熱交換，冷卻劑和待冷卻劑從熱交換板的兩邊空間內(nèi)反向流動(dòng)。在板式換熱器中，強(qiáng)制流動(dòng)換熱系數(shù)可達(dá)7000w/（mk）的水合物。熱交換面積約有40~150m2/m3，具有裂化裝置，易于清洗，適用于含有污垢的換熱流體?？臻g構(gòu)成了冷卻劑或冷卻劑的平行關(guān)系，數(shù)量之間的關(guān)系可以根據(jù)板的具體情況來(lái)選擇調(diào)節(jié)傳熱能力。海水淡水冷卻器和淡水流經(jīng)液體，低溫水吸熱降溫，低溫放熱降溫。低溫水冷卻器只有水流過(guò)系統(tǒng)中的冷卻器。（3）主機(jī)空氣冷卻器主機(jī)空冷器屬于肋片換熱器，而管殼式換熱器，換熱器外部有翅片管，降低了外管的熱阻，強(qiáng)化了傳熱。空氣冷卻器被加壓以冷卻新鮮空氣，通常進(jìn)氣溫度約為55℃，排氣溫度約為35℃?？諝庠诔崞嶂g流動(dòng)。用于冷卻加壓空氣的冷卻水從管道流出，不斷吸收熱空氣溫升。（4）其他冷卻設(shè)備除上述幾種主要冷卻設(shè)備外，還有制冰機(jī)，空氣壓縮機(jī)和冷凝器空調(diào)采用管式冷油器方式，水冷設(shè)備采用低溫水冷卻。2.3高溫淡水系統(tǒng)就是缸套水冷卻系統(tǒng)。功能是冷卻柴油機(jī)燃燒室構(gòu)件，維持燃燒室構(gòu)件的工作溫度，從而使主機(jī)工作平穩(wěn)。出口溫度調(diào)節(jié)器能將主機(jī)的冷卻水的出口溫度保持在70℃左右。然后進(jìn)入支架，去除水中的空氣，到造水機(jī)。由于冷冷卻器通過(guò)高溫水缸套中的低溫冷水，冷卻水溫度下降，重新進(jìn)入主燃燒室總成進(jìn)行冷卻，然后循環(huán)。高溫水回路換熱設(shè)備中主要構(gòu)成如下：發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套，高溫水系和發(fā)電機(jī)三通閥。（1）主缸內(nèi)膽冷卻。主缸氣缸套冷卻水冷卻主要是指氣缸襯套靠近氣缸套的上腔，氣缸蓋和排氣閥冷卻。冷卻套中的冷卻水由中心氣缸襯套流入，氣缸套的圓柱面冷卻，后通過(guò)氣缸蓋的冷卻套，并通過(guò)氣缸蓋的冷卻水通道進(jìn)入排氣閥座的高溫部件進(jìn)行冷卻，從主機(jī)冷卻水進(jìn)入保持架。（2）高溫淡水系統(tǒng)三通閥。如果熱水進(jìn)入主機(jī)溫度高，增加淡水流入缸套水冷卻器；如果熱水進(jìn)入主機(jī)溫度低，減少熱水進(jìn)入缸套水冷卻器的流量。（3）造水機(jī)。造水機(jī)具有高溫水量熱量加熱水，淡水和鹽水在海水中實(shí)現(xiàn)分離。經(jīng)過(guò)過(guò)濾后的水蒸汽進(jìn)入上層另一個(gè)換熱器，通過(guò)冷凝冷凝成水至淡水。水泵將淡水冷凝至淡水儲(chǔ)存罐后，噴射泵將蒸發(fā)后的海水排出造水機(jī)。

3冷卻水余熱的利用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)通常作為船舶的主機(jī)使用。在使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)程中，約有45%~50%的燃油燃燒的熱量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，剩余的熱量散失。損耗中，廢氣將帶走一半（至多30%）的熱量，冷卻介質(zhì)帶走剩下的熱量。若這些余熱排放到空氣中，造成能源浪費(fèi)的同時(shí)也會(huì)造成環(huán)境污染。柴油機(jī)的余熱主要由廢氣余熱與冷卻水余熱兩個(gè)方面組成[7]。其中冷卻水余熱屬于低溫余熱，溫度在65℃~85℃范圍內(nèi)，隨柴油機(jī)工況而變。因此，要對(duì)這部分熱源加以利用以避免船舶能源浪費(fèi)。船舶冷卻水的余熱可以為船舶上的日常生活提供熱水，也可以為船舶上的油箱提供熱源。它也可以在海水淡化或冷卻時(shí)作為熱源提供。3.1冷卻水余熱制冷（1）吸收式制冷吸收式制冷在1824年由英國(guó)學(xué)者發(fā)現(xiàn)。1945年美國(guó)的Carrier.Co制造出首臺(tái)LiBr-H2O吸收式制冷機(jī)。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展研發(fā)，吸收式制冷主要因工質(zhì)對(duì)不一樣而主要分為L(zhǎng)iBr-H2O和NH3-H2O循環(huán)系統(tǒng)[8]。LiBr-H2O循環(huán)系統(tǒng)雖然在性能系數(shù)方面比NH3-H2O循環(huán)系統(tǒng)要稍微好一點(diǎn)，但是因?yàn)樗嬖诟g、結(jié)晶等缺點(diǎn)，所以之前在船舶上所做的實(shí)驗(yàn)均已失敗告終。相較而言NH3-H2O循環(huán)系統(tǒng)因?yàn)樗倪\(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定、所需要的維護(hù)管理的工作量較低、設(shè)備造價(jià)成本低、可靠性相對(duì)較強(qiáng)等特點(diǎn)更適合運(yùn)用于船舶。吸收式制冷的原理是靠吸收熱量來(lái)制取冷氣，液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器中的汽化和吸熱[9]。是常用的制冷方法之一。它使用由兩種不同沸點(diǎn)的組成的溶液進(jìn)行制冷循環(huán)。當(dāng)溶液受熱時(shí)，由于溫度上升導(dǎo)致大量制冷劑汽化，高壓蒸汽與吸收劑被分離出來(lái)。高壓蒸汽進(jìn)入冷凝器中被凝結(jié)為液態(tài)；蒸發(fā)器內(nèi)的液體制冷劑經(jīng)過(guò)節(jié)流閥的節(jié)流作用。在低氣壓低溫度的條件下蒸發(fā)，熱量由被冷卻物體提供，產(chǎn)生低溫；來(lái)自發(fā)生器的減壓液體吸收劑和低壓制冷劑蒸汽混合，吸收器提供冷卻的環(huán)境。吸收器吸收制冷劑蒸汽形成兩種不同沸點(diǎn)的組成的溶液，然后送至發(fā)生器，由循環(huán)泵加熱，構(gòu)成循環(huán)。根據(jù)工質(zhì)不同，主要有NH3-H2O吸收式制冷和LiBr-H2O吸收式制冷兩種[10]。吸收式制冷的工作原理是直接利用熱能，具有能耗少，噪聲小，安全等級(jí)高，調(diào)節(jié)范圍廣和使用年限長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。適用于有熱源或有余熱可供利用的某些場(chǎng)合。由此可知，吸收式制冷系統(tǒng)可以將船舶冷卻水的余熱充分利用起來(lái)，同時(shí)做到滿(mǎn)足船舶制冷要求、有效降低運(yùn)營(yíng)成本以及油耗兩個(gè)方面的需求。（2）蒸汽噴射式制冷蒸汽噴射式制冷是一種依靠熱量的制冷方式，這種方式制冷的制冷劑僅使用一種物質(zhì)，盡管理論上可以使用常見(jiàn)的制冷劑，如氨、氟利昂等。不過(guò)目前為止，蒸汽噴射式制冷劑只采用水作為制冷劑。通常，當(dāng)使用水作為制冷劑時(shí)。低溫必須在0℃以上，故蒸汽噴射式制冷劑目前只用于空調(diào)裝置或用來(lái)制取某些工藝過(guò)程需要的冷媒水。圖3-1蒸汽噴射式制冷機(jī)工作原理如圖3-1是蒸汽噴射式制冷循環(huán)工作原理。蒸汽噴射式制冷循環(huán)基本工作過(guò)程是：高溫高壓水蒸汽由鍋爐A提供。叫做工作蒸汽。工作蒸汽輸送至主噴射器。在噴嘴B中，絕熱膨脹并迅速降壓而獲得1000m/s以上的流速;在蒸發(fā)器E中，由于制取冷量Q0而汽化的水蒸汽被引入噴射器的混合室C中[11]。與絕熱膨脹后的高速工作蒸汽混合，一同進(jìn)入擴(kuò)壓管D?；旌险羝跀U(kuò)散管中，將速能轉(zhuǎn)化為壓能。并壓縮至適當(dāng)?shù)睦淠龎毫k，然后進(jìn)入冷凝器H將熱量Qk帶到環(huán)境中。凝結(jié)水從冷凝器中分為兩個(gè)方向流出。一個(gè)方向通過(guò)節(jié)流閥I節(jié)流降壓p0，然后在蒸發(fā)器E中蒸發(fā)吸熱，另一個(gè)方向通過(guò)凝水泵F回到鍋爐，繼續(xù)加熱循環(huán)。蒸汽噴射式制冷利用制冷劑在低壓下的相變汽化吸熱來(lái)制取冷量，與其他制冷循環(huán)相比，具有如下特點(diǎn)：1）蒸汽噴射式制冷機(jī)具有簡(jiǎn)單的設(shè)備設(shè)計(jì)，較低的金屬耗材，低成本，較高的運(yùn)行可靠性，壽命長(zhǎng)，通常不需要備用設(shè)備；2）制冷系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，維修量少；3）蒸汽噴射式制冷循環(huán)耗電量少，特別適用于有較多工業(yè)余汽的場(chǎng)合，能節(jié)約能源；4）蒸汽噴射式制冷以水作為制冷劑，根據(jù)需要可使制冷劑與載冷劑合為一體，或者采用開(kāi)式循環(huán)形式。由于水具有汽化潛熱大，無(wú)毒等優(yōu)越性，所以系統(tǒng)安全可靠；5）用水作為制冷劑制取低溫時(shí)受到水的凝固點(diǎn)的限制；6）蒸汽噴射器的加工精度要求較高，循環(huán)中的工作蒸汽消耗量較大，制冷循環(huán)效率較低。這一切都限制了蒸汽噴射式制冷的實(shí)際應(yīng)用。3.2冷卻水余熱制熱技術(shù)逆卡諾循環(huán)是回收利用低品位熱源的一種非常有用的手段。冷卻水制熱技術(shù)也運(yùn)用到逆卡諾循環(huán)。其工作流程為：在蒸發(fā)器中液體制冷劑因吸收低品位熱源熱量而蒸發(fā)變?yōu)闅怏w，再由壓縮機(jī)壓縮至高溫高壓狀態(tài)，經(jīng)冷凝器傳出熱量變?yōu)榈蜏馗邏籂顟B(tài)的液體制冷劑，后經(jīng)過(guò)膨脹閥降壓再進(jìn)入蒸發(fā)器成為一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)。由此可知，通過(guò)上述技術(shù)即可將船舶冷卻水余熱更佳地回收，經(jīng)熱力循環(huán)后，熱循環(huán)水由制冷劑加熱。產(chǎn)生高溫蒸汽供應(yīng)船舶日常所需的熱源。通過(guò)計(jì)算研究表明，以R123或R245fa為循環(huán)工質(zhì)可吸收大量冷卻水熱量，滿(mǎn)足船上設(shè)備以及日常使用的需要。3.3冷卻水余熱淡化海水海水淡化即是除去海水中所含的NaCl、MgCl2等鹽類(lèi)或雜質(zhì)。淡化后的海水可用于飲用或滿(mǎn)足生活用水需求。目前常采用蒸餾法，原理為：利用鹽不溶于低壓蒸汽，加熱海水使海水氣化使鹽水分離，再將加熱后產(chǎn)生的蒸汽冷凝成水，得到符合生活標(biāo)準(zhǔn)以及飲用需求的淡水。在蒸發(fā)過(guò)程中，若蒸發(fā)溫度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致鹽類(lèi)在蒸發(fā)表面結(jié)垢，增大傳熱熱阻，換熱效率降低。結(jié)垢也會(huì)腐蝕金屬表面面，其中硫酸鈣鹽最為常見(jiàn)。因此實(shí)際上常采用低溫海水蒸發(fā)，海水在第一效的最高蒸發(fā)溫度不高于70℃，就能降低結(jié)晶速率，減少表面結(jié)垢。如此，就可以利用冷卻水作為淡化海水的熱源。為了節(jié)省能源和提高產(chǎn)水量，蒸發(fā)分為單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)，主要根據(jù)船舶水量的需求情況做出選擇。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)研究，蒸發(fā)設(shè)備的效率以及產(chǎn)水量會(huì)隨水溫的升高而升高，換言之，余熱的水溫越高海水的蒸發(fā)就更簡(jiǎn)單。在需求量不大的情況下常采用單效蒸發(fā)。為了節(jié)能效益得到更大的提升，海水淡化裝置需要采用多效蒸發(fā)造水（串聯(lián)單效裝置），研究人員設(shè)計(jì)了熱梯級(jí)利用海水淡化系統(tǒng)方案，該方法可以將船舶余熱充分利用起來(lái)。由于單效裝置不能合理利用冷卻水的余熱，而多效裝置過(guò)于復(fù)雜難于維護(hù)修理，這里介紹利用船舶余熱制淡的二效裝置的工藝流程圖。圖中一效蒸發(fā)器用余熱水余熱對(duì)低溫海水進(jìn)行一效蒸發(fā)，蒸發(fā)后的蒸汽用來(lái)加熱二效蒸發(fā)器中的海水，一效和二效蒸發(fā)器中的蒸汽在冷凝器中凝結(jié)成水,用鹽度計(jì)檢測(cè)合格后即可使用（鹽度小于7×10-6）。由于余熱水溫度達(dá)不到水的沸點(diǎn)溫度，所以一效和二效蒸發(fā)時(shí)的蒸發(fā)壓力需要降低。所以在冷凝海水的出口設(shè)置了真空泵。如果能使得分離室的壓力低于分離室溫度下海水的蒸發(fā)壓力，該裝置就能一直制造淡水。圖3-3利用余熱蒸發(fā)海水淡化工藝流程3.4冷卻水余熱發(fā)電工質(zhì)泵、預(yù)熱器、蒸發(fā)器、冷凝器及透平組成有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個(gè)閉式循環(huán)系統(tǒng)，利用有機(jī)工質(zhì)在透平中做工發(fā)電。工作原理為：在工作液泵的作用下，液體有機(jī)工質(zhì)進(jìn)入預(yù)熱器。它被蒸發(fā)器加熱蒸發(fā)，形成過(guò)熱蒸汽。透平機(jī)由工作流體的蒸汽驅(qū)動(dòng)工作，最后在冷凝器中凝結(jié)成液體有機(jī)工作流體。由于有機(jī)物和水的不同，與蒸汽循環(huán)相比，有機(jī)朗肯循環(huán)可以吸收多余的熱量。但有機(jī)朗肯循環(huán)的工作效率在吸收低品位熱源時(shí)較低，若使用兩套循環(huán)又會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜，因此，用冷卻水余熱預(yù)熱有機(jī)工質(zhì)，用主機(jī)廢氣對(duì)有機(jī)工質(zhì)加熱蒸發(fā)的優(yōu)化方案，優(yōu)化后的系統(tǒng)的最大輸出功率只比之前少1.4%[11]。不過(guò)，優(yōu)化后的成本較之前更低，操作維修也更加簡(jiǎn)單方便。同時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水作為預(yù)熱熱源，可以在發(fā)動(dòng)機(jī)低功耗運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣提供更多的熱量。4冷卻水余熱利用實(shí)例4.1排氣熱能回收系統(tǒng)下面是大型船舶主機(jī)Sulzer12RT-flex96C排氣熱能回收系統(tǒng)（圖4-1）為例進(jìn)行熱平衡分析[12]。此系統(tǒng)是雙段雙壓式余熱發(fā)電系統(tǒng)的一種。主要包括雙壓式廢氣鍋爐、多級(jí)雙壓段蒸汽和動(dòng)力透平、由蒸汽和動(dòng)力透平驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)、給水預(yù)熱統(tǒng)等。系統(tǒng)工作原理：給水用給水泵經(jīng)預(yù)熱器吸熱后，分成兩部分，一部分進(jìn)入低壓汽水分離器，由循環(huán)水泵送入低壓蒸發(fā)器吸熱后，再回入低壓汽水分離器，所分離的低壓飽和蒸汽經(jīng)低壓過(guò)熱蒸汽吸熱，送入蒸汽透平低壓級(jí)中作功發(fā)電；從預(yù)熱器流出的另一部分給水通過(guò)主機(jī)的空氣冷卻器吸收熱量。然后進(jìn)入高壓汽水分離器，由給水循環(huán)泵泵入高壓蒸發(fā)器吸熱，再回入高壓汽水分離器。汽水分離后，部分高壓飽和蒸汽用于加熱整艘船。另一大部分進(jìn)入高壓過(guò)熱器吸熱，然后高壓過(guò)熱蒸汽經(jīng)蒸汽透平高壓級(jí)中作功發(fā)電[13]。圖4-1Sulzer12RT-flex96C廢氣熱能回收系統(tǒng)工作原理圖4.2吸附式制冷的艦艇應(yīng)用分析目前海軍艦艇上使用的柴油機(jī)大多是中高速四沖程柴油機(jī)。排氣溫度約為250℃~350℃，冷卻水出口溫度約為80℃~95℃。功率為幾百千瓦的發(fā)電柴油機(jī)，其尾氣排出溫度一般為300℃~400℃，冷卻水出口溫度為65℃~80℃。其中，柴油機(jī)的排煙余熱能夠帶走約占總?cè)剂习l(fā)熱量的30％，冷卻水余熱能夠帶走約占總?cè)剂习l(fā)熱量的25％，燃料燃燒發(fā)出熱量的一半以上被氣缸冷卻水和排氣帶走，因此艦艇上有著相當(dāng)可觀的廢氣余熱和高溫淡水等低品位熱源可供利用，為吸附式制冷提供了低品位熱源。下面舉例分析吸附式制冷應(yīng)用于艦艇冷庫(kù)的可行性。艦艇食品冷庫(kù)為艦艇員提供新鮮的蔬菜、水果、魚(yú)肉等生活必須食品，對(duì)保持艦艇的續(xù)航力和戰(zhàn)斗力具有重要作用。食品冷庫(kù)需要連續(xù)不間斷工作，穩(wěn)定持久的熱源是吸附式制冷食品冷庫(kù)的基本要求。艦艇發(fā)電柴油機(jī)除塢修外，基本上處于一直不間斷工作狀態(tài)。因此發(fā)電柴油機(jī)的排煙余熱或冷卻水余熱用作吸附式制冷冷庫(kù)的熱源是非常適合的。以海警618B型艦的發(fā)電柴油機(jī)YC6M240C為例進(jìn)行可行性分析。該艦食品冷庫(kù)主要有兩個(gè)庫(kù)：菜庫(kù)溫度在0~5℃，肉庫(kù)溫度-10~-15℃。根據(jù)該艦冷庫(kù)制冷系統(tǒng)的參數(shù)，其制冷量Q=5.3kW。該艦正常航行時(shí)發(fā)電柴油機(jī)的有效功率Pe=177kW，取該型發(fā)電柴油機(jī)的有效功率占燃油燃燒總放熱量的一半，那么燃油在氣缸中燃燒所釋放的能量QZ=354kW。燃油燃燒放出能量的25％~40％為排煙熱量損失，本文取30％，則排煙中的余熱Q1如式4-1：Q1=Qz×30％=106.2kW （4-1）一般固體吸附式制冷系數(shù)在0.3~0.6之間本文取0.3，則采用吸附式制冷方式，所需的熱量Q2如式4-2：Q2=Q/0.3≈17.7kW （4-2）可以看出，艦艇發(fā)電柴油機(jī)排煙余熱Q1遠(yuǎn)大于吸附式制冷所需的熱量Q2，因此它能夠充分滿(mǎn)足固體吸附式制冷的需要，這也說(shuō)明艦艇上冷庫(kù)采用固體吸附式制冷技術(shù)是可行的。對(duì)于艦艇若執(zhí)行較長(zhǎng)時(shí)間巡航任務(wù)或者處于戰(zhàn)斗狀態(tài)，冷庫(kù)補(bǔ)充伙食的周期比較長(zhǎng)。剛剛補(bǔ)充伙食的冷庫(kù)，由于伙食的溫度較高，一開(kāi)始需要在降溫工況下進(jìn)行工作，但溫度降低后的大部分時(shí)間里冷庫(kù)都是在保溫工況下工作。大部分時(shí)間里艦艇食品冷庫(kù)的熱負(fù)荷差別不大，但是降溫工況的熱負(fù)荷遠(yuǎn)高于保溫工況下的熱負(fù)荷。如果冷庫(kù)工作在高負(fù)荷的降溫工況，則可能會(huì)出現(xiàn)發(fā)電柴油機(jī)的排煙余熱無(wú)法滿(mǎn)足吸附式制冷的要求，為了解決這一矛盾，可以在吸附式制冷余熱的供給上，增加電加熱作為輔助熱源共同提供熱量，在必要時(shí)開(kāi)啟電加熱模式，在低負(fù)荷的保溫工況時(shí)關(guān)閉電加熱，這種做法為吸附式制冷應(yīng)用艦艇食品冷庫(kù)連續(xù)不間斷工作提供了充分保障。5結(jié)論與展望隨著船舶行業(yè)的發(fā)展，航運(yùn)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)日漸加大，當(dāng)今社會(huì)對(duì)船舶節(jié)能的要求日益加大，因此想方設(shè)法發(fā)展船舶節(jié)能工作，開(kāi)發(fā)船舶節(jié)能新途徑是促進(jìn)船舶行業(yè)更快更好地發(fā)展的關(guān)鍵，也是降低船舶開(kāi)發(fā)運(yùn)行成本的必經(jīng)之路。解決能源問(wèn)題主要有節(jié)約現(xiàn)有的能源和開(kāi)發(fā)有效能源兩個(gè)途徑。國(guó)際航運(yùn)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，船舶運(yùn)力與運(yùn)量的矛盾也日漸明顯。在地球能源儲(chǔ)存量一定的情況下，隨著人們的需求量日益增多，剩余能量?jī)?chǔ)備日益減少，進(jìn)一步做好船舶節(jié)能工作刻不容緩。由于燃油在氣缸內(nèi)燃燒后只有小部分熱量能被直接利用，大部分會(huì)被排走或被冷卻水帶走。因此以減小損耗為主要方向達(dá)到節(jié)能的目的是大有可為的。提高了人們的節(jié)能環(huán)保意識(shí)后，會(huì)有更多的船舶主機(jī)冷卻水余熱利用技術(shù)涌現(xiàn)。充分利用冷卻水余熱可以在減少船舶燃油消耗的同時(shí)達(dá)到減少?gòu)U氣排放污染大氣環(huán)境，節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本的作用。參考文獻(xiàn)[1