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

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

0 引言

船用發(fā)動機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、改善能源短缺問題所帶來的經(jīng)濟壓力和環(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)的熱動力循環(huán)的總稱，該循環(huán)通過工質(zhì)濃度的不同和工質(zhì)溫度的不同，使得整個循環(huán)過程中，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、高溫回熱器和專用泵等。系統(tǒng)的工作流程是先由工質(zhì)經(jīng)過蒸發(fā)器和煙氣進行換熱作用，等到氣化蒸發(fā)后，氣體進入分離器中實現(xiàn)分離，然后通過透平環(huán)節(jié)膨脹對外做功實現(xiàn)對外輸出，然后膨脹做功過的氣體與熱量交換后的液體相互混合，再通過回熱器中冷卻后的介質(zhì)實現(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)器形成一個完整的循環(huán)過程。

1.2 有機朗肯循環(huán)方法[2]

有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)是在原有的朗肯循環(huán)系統(tǒng)上，通過使用有機物為工質(zhì)的一種循環(huán)系統(tǒng)。有機朗肯循環(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，有機循環(huán)介質(zhì)用預(yù)熱器加熱，等達到所測試溫度后，再流過蒸發(fā)器進行等溫蒸發(fā)，汽化后直接進入膨脹機進行膨脹做功，隨著膨脹做功的持續(xù)，循環(huán)介質(zhì)壓力不斷降低，再通過冷卻水進行冷卻液化直至完全液態(tài)，最后再進入專用泵，提高工作壓力，完成整個循環(huán)過程。

2 船舶余熱回收方法分析與改進

2.1 兩種方法的對比分析

與卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)相比，有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的流程工藝更簡便，這是因為有機工質(zhì)的不同，卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)是氨水，氨水在沒有進入蒸發(fā)器時，是氣態(tài)和液態(tài)兩種狀態(tài)同時存在的，需要設(shè)置不同的裝置進行儲存；并且進入蒸發(fā)器后，蒸發(fā)過程是變溫過程，不同狀態(tài)的氨水蒸發(fā)時溫度不同[3]。所以選用有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)對尾氣余熱的回收利用更有效。

2.2 方法的改進

2.2.1 有機工質(zhì)的改進

不同的工質(zhì)對循環(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，結(jié)合環(huán)境保護的理念，尋找既可以滿足循環(huán)效率而且能夠減少對環(huán)境的影響的有機工質(zhì)。

選擇工質(zhì)時，有以下幾點需要考慮的因素：

①工質(zhì)必須選擇對人體危害少的。當工質(zhì)進入系統(tǒng)后，受到高溫作用，工質(zhì)將會揮發(fā)，揮發(fā)出來的氣體會對人體機能產(chǎn)生傷害。

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

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

2.2.2 裝置的改進

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)過冷凝器后快速升溫，以達到進入第二次循環(huán)的條件，這有利于減少蒸發(fā)器的工作負荷，延長蒸發(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)一個熱電轉(zhuǎn)換組件，該組件的冷端用來吸收經(jīng)過冷凝器傳遞到換熱器中冷凝液體的冷卻溫度，然后通過該組件中間的N型和P型的半導體材料，借助冷熱兩端的溫度差異從而進行發(fā)電，進一步增大對外輸送電能的大小，也可以將冷凝水的溫度適當轉(zhuǎn)移，減少換熱器中換熱的材料使用，達到了節(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、蒸發(fā)器、膨脹器、發(fā)電機、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)的運行流程

3.2.1 系統(tǒng)中尾氣走向

本系統(tǒng)中尾氣走向過程如下，從船用柴油機中產(chǎn)生的尾氣余熱熱量首先被由蒸發(fā)器加熱過的工質(zhì)吸收，然后通過蒸發(fā)器將吸收了尾氣余熱的工質(zhì)進行汽化；然后一小部分尾氣在蒸發(fā)器中散發(fā)掉，余熱蘊含在汽化后的工質(zhì)中通過管道進入膨脹器，推動膨脹器內(nèi)的桿件進行做功[5]；接下來高溫工質(zhì)氣體通過管道輸送進入冷凝器中進行冷卻，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)輸送進換熱器，通過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；最后通過工質(zhì)泵重新傳送進蒸發(fā)器進行汽化，進行新的一輪循環(huán)。

3.2.2 系統(tǒng)的運行過程

從柴油機中產(chǎn)生的尾氣余熱熱量首先被由蒸發(fā)器加熱過的工質(zhì)吸收進一步汽化，吸收尾氣余熱的工質(zhì)溫度最高可以達到300-400℃左右，這些高溫氣態(tài)工質(zhì)通過管道輸送至膨脹器，送入膨脹器的氣體推動膨脹器中的桿件進行做功，膨脹器對外做功也可以產(chǎn)生電能進行發(fā)電，做完功的高溫氣態(tài)工質(zhì)將被運送到冷凝器中進行放熱工序，經(jīng)過冷凝后的工質(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)送進換熱器通過換熱原理，將熱量從高溫物體傳遞到低溫的流體工質(zhì)，使得工質(zhì)溫度達到50-60℃，冷凝后的工質(zhì)通過轉(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]，并且通過輸電導線一輸送到發(fā)電機進行供電，然后將加熱后的工質(zhì)通過工質(zhì)泵重新輸送至蒸發(fā)器汽化，進行新的一輪循環(huán)。

4 系統(tǒng)的效率分析

4.1 工況參數(shù)假定

選用WP12C450-21柴油機進行數(shù)據(jù)計算，確定柴油機初始功率為274kW，轉(zhuǎn)速確定為1900r/min，當轉(zhuǎn)速達到1900r/min時，便可以得到柴油機此時系統(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)效率的計算

4.2.1 計算方法

整個循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)所涉及裝置的熱力學公式[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)器進口處的熵值[kJ/（kg·K）]，TH——系統(tǒng)的最高溫度（K）。

4.2.2 計算結(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對比表

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

4.3 系統(tǒng)效率的分析

4.3.1 原有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的效率

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

表3 R123和R245fa參數(shù)對比

4.3.2 所設(shè)計系統(tǒng)的效率

上述研究改進前的效率時，確定了所選用的工質(zhì)。因此本節(jié)將仍用R123工質(zhì)進行實驗研究，直接用以下公式進行計算。

①換熱器[8]。

換熱量.Qmh（kW）：

式中，tg2——柴油機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。

兩個導體接觸段面之間吸熱或放熱的速率Q與導體中流過的電流I成正比，可以用表示：

上式中：Π為兩不同導體之間的帕爾貼系數(shù)之差。[2]

根據(jù)上式可以計算得到以下數(shù)據(jù)，見表4。

表4 選用R123工質(zhì)時改進后系統(tǒng)工況參數(shù)表

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

5 結(jié)論

以有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過工質(zhì)的選擇、裝置的改進等，搭建了一種新型船舶余熱回收利用系統(tǒng)，并通過系統(tǒng)效率的計算，驗證了該系統(tǒng)較有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)熱回收效率更高。