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利用柴油机余热改善客船空气调节质量
任 威,程向新,孔秀华,吕 静
(山东交通学院海运学院,山东威海 264200)
摘要:从船舶节能和环境保护的角度出发,论述了船舶节能和利用余热的必要性。分析了利用船舶动力装置余热提升客船空气调节质量的可行性,分析计算表明:溴化锂吸收式空调系统可利用的余热达到了燃油总热量的27·1%;利用分离型热管换热器和两级发生的溴化锂吸收式制冷装置,在不增加柴油机负荷的情况下,采用较低的回风比就可以利用柴油机余热改善客船空气调节质量。
关 键 词:柴油机;余热利用;船舶节能;空气调节
中图分类号:U664·86文献标识码:A文章编号:1672-0032(2008)04-0009-05
柴油机排气中含有SO2,其中有一部分会进一步氧化成SO3,并与烟气中的水蒸气结合生成硫酸,一旦烟气的温度低于硫酸的露点温度,就会引起低温腐蚀;另外还会使排气阻力增大,排气背压上升,造成气缸内残存废气系数增大,使柴油机的动力性和经济性下降。因此,排入大气中的废气温度应不低于150℃(硫酸的露点温度)。但柴油机排气通过废气锅炉后,温度仅降到270℃左右,离150℃的露点还有120℃的温差,完全可以再利用。目前船舶柴油机余热的利用主要集中在以下几个方面:利用主机冷却水的热量进行海水淡化;利用废气涡轮增压器将废气能量转换成扫气空气的压力能,以此来提高柴油机的功率和效率;利用废气锅炉产生饱和蒸汽来满足船舶航行时船员的日常生活用水及油舱的加热和保温等。但目前柴油机余热的利用还不尽充分和合理。如:空压机及废气涡轮增压器将空气压缩后,还要通过空气冷却器将其冷却,主要是利用海水进行冷却,将热量释放到环境中而被浪费掉,这部分热量没有得到有效利用。理论上,船舶柴油机余热被吸收利用后排气温度可降到环境温度,但目前的科技水平还达不到。
同时,为保障船员和旅客生活、工作环境的舒适,客船一直延用消耗电能的机械压缩型空调装置或系统。但为了节约运行成本,通常采用降低空调的一次风量的办法降低电能消耗,这就无法确保客船内的空气质量。将柴油机的余热在空调系统中加以利用,可以很好解决这一矛盾。夏天可以利用余热以溴化锂吸收式制冷的原理服务于空调系统,冬天可以直接利用余热对空气加热。同时,还可以在冬季提供热水、夏季提供冷水。
1 溴化锂吸收式空调系统在客船上应用的可行性
1)溴化锂吸收式空调系统对能源要求低,可以利用低势热能,凡温度超过75℃的载热体都可用为热源,如废蒸汽、内燃机排气、高温冷却水等。船舶航行期间,船舶柴油发动机(以下简称主机)及至少2台柴油发电机处于运行状态;停泊作业期间,一般也至少有2台柴油发电机处于运行状态。柴油机排出废气的温度均超过350℃,柴油机缸套水的温度为65~80℃,润滑油温度为50~80℃。因此,柴油机排气及冷却水中的余热通过溴化锂吸收式空调系统加以利用,既可以保证船舶航行及停航期间船员、旅客良好的生活、工作环境,又可节约能源。
2)溴化锂吸收式空调系统整个机组除屏蔽泵外没有运转部件,振动、噪音小。
3)整个装置是在真空状态下工作,运转安全,没有爆炸的危险。
4)以水为制冷剂,无毒、无刺激性、不燃烧,当制冷剂管路发生泄漏时,对人无害。由于以水作为制冷剂,所以只能制取高于0℃的冷气。
5)操作简单、维护保养方便,便于实现自动化运转。适当添加自控装置,就能在l0%~l00%范围内进行冷量的无级调节,而且在部分负荷时,机组的热力系数并不明显下降。
6)对冷却水温度不像其它型式的制冷机那样敏感,当冷却水进口温度达37~38℃时,机器仍能运转。
7)不需要对原有空调系统进行改造,只简单地将溴化锂吸收式制冷装置产生的冷媒水管直接与中央空调处理器的空气冷却器进出管连接,热水管与中央空调处理器的空气加热器进出管连接即可[1]。对于典型的空调机组,冷媒水最常用的是7℃的供水温度和13℃的回水温度。热水系统的温度范围是27~121℃。既要考虑到泵与管路的经济性,减小流量可以减小管径、降低泵能耗,又能充分利用柴油机余热,选取热水的供水温度为65℃,回水温度55℃。
2 溴化锂吸收式空调系统可利用的柴油机余热
2. 1 柴油机的热平衡
柴油机热效率一般为35%~40%,排气余热(废气)所占比例一般为30%左右,冷却水带走的余热一般为20%左右,其余为柴油机机体、壳体等热辐射形式的散热。
柴油机的热平衡方程为[2]
Q吸入=Qe+Qr+Qw+Qw′+Qs, (1)
式中 Q吸入为燃油总热量;Qe为有效热功当量;Qr为排气热损失;Qw为冷却水热损失;Qw′为润滑油热损失;Qs为热平衡余项损失。
下面以客滚船S轮其中1台柴油发电机为例,分析各项热损失的大小及其占燃油总热量的比例,以确定溴化锂吸收式空调系统可利用的柴油机余热。
该柴油发电机有关参数为:标定功率P为700 kW,标定工况时燃油消耗率b为224. 5 g/(kW·h),燃油低热值Hu为41 860 kJ/kg,过量空气系数α为1·9,排气温度th为450℃,烟气的比热容Cp烟为1·05kJ/(kg·K),环境温度t1为30℃,冷却水进、出口平均温差△t1为10℃(△T1=10 K),冷却水的流量qm为26 000 kg /h,水的比热容Cp水为4·18 kJ/(kg·K),润滑油的比热容Cp油为1·95 kJ/(kg·K),润滑油的流量qm′为7 085 kg/h,润滑油进、出口平均温差△t2为10℃(△T2=10 K)。
Q吸入,Qe,Qr的计算公式分别为
Q吸入=PbHu, (2)
Qe= 3 600P, (3)
Qr=mCp烟△T, (4)
式中 m为烟气的质量,m=(1+Lα)Pb,L为理论空燃比,为14·3;△T为排气温度与环境温度之差, 420 K。
Qw与Qw′的计算公式为
Qw=qmCp水△T1, (5)
Qw′=qm′Cp油△T2·(6)
将柴油发电机的有关参数代入式(2)~(6)分别得
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)式得热平衡余项损失Qs(包括热辐射损失、不完全燃烧损失、部分机械损失、换气损失及泄露损失)为:Qs=Q吸入-(Qe+Qr+Qw+Qw′)=0.882 GJ/h。Qe,Qr,Qw,Qw′,Qs占燃油总热量的比例分别为:38·3%,29·7%,16·5%,2·1%,13·4%。
2. 2 可利用的柴油机余热
1)热平衡余项损失Qs。余热利用较困难,经济价值不高。但若改善发动机绝热性能则可以减少这部分热损失。
2)排烟热损失Qr。因为是中温余热,据合理用能原则,可以先作动力利用,再作热利用。最合理的方法是废气先通过废气涡轮增压器,再通过废气锅炉。柴油机排气通过废气锅炉后,温度降到270℃左右,这个温度与150℃露点的温度有△T′=120 K的温差,其温差余热Qr′=mCp烟△T′=0. 558 GJ/h,占燃油总热量的比例为qr′=Qr′/Q吸入=8·5%,这部分热量可以通过热管换热器再利用,作为溴化锂吸收式空调系统的热源。
3)冷却水热损失Qw与润滑油热损失Qw′。Qw+Qw′=1.086 GJ/h+0.138 GJ/h=1.224 GJ/h。溴化锂吸收式空调系统可利用的柴油机余热为冷却水热损失Qw、润滑油热损失Qw′与烟气实际可利用的热量Qr′之和。即:Qw+Qw′+Qr′=1.783 GJ/h。占燃油总热量的比例为: (Qw+Qw′+Qr′) /Q吸入=27·1%。
在计算中没有考虑可利用的余热在管道中的能量损失,但计算所得可利用余热没有包括空气冷却器的余热利用,因此计算结果和实际可利用的余热不会相差很大。
该客滚船的动力配置为: 1台功率为8 379 kW的主机; 3台柴油机发电机,其中700 kW的2台, 52kW的1台。上述仅分析了其中1台柴油发电机的余热利用情况。船舶正常航行期间,主机及至少2台柴油发电机处于运行状态。以80%的负荷率计算,可利用的烟气余热为(8 379 kW+700 kW×2)×80%×8·5% /38·3%×3·6×103=6·25 GJ/h,这部分余热,夏季可作为溴化锂吸收式制冷装置的热源,冬季可用来提供生活热水;可利用的冷却水和润滑油余热为: (8 379 kW +700 kW×2)×80%×(16·5% +2·1% ) /38·3%×3·6×103=13·7 GJ/h,这部分余热虽然较大,但因热源的温度较低,其热品质较差,利用成本很高,故投资回报率低,所以暂不建议采用。
3·柴油机余热利用系统
柴油机余热利用系统如图1所示。
烟气中的余热先被废气涡轮增压器利用,再被废气锅炉利用,最后被热管换热器收集。由于排放的烟气换热系数较小,如果采用普通的换热器,则需要较大的换热面积;而采用热管换热器,则可使余热回收装置结构紧凑。常见的热管换热器采用的是分离型热管结构,如图2所示。
分离型热管换热器的优点是:可以实现冷、热流体完全隔开,仅将烟气的余热传递给高压发生器中的溴化锂溶液,同时又避免了烟气与溴化锂吸收式制冷装置直接接触,提高了制冷装置的安全可靠性[3]。通过三通开关阀门既可以自动控制,也可采用手动控制,夏天使用冷凝段B作溴化锂吸收式制冷装置的热源;冬天使用冷凝段A可作空调热风、生活水热源。
4·两级发生吸收式制冷机
在热工学中,吸收式制冷机的热力系数,通常为0·55~0·70,发生温度愈低,热力系数愈小。热源温度较高时,可采用两效机组,热力系数增加至1·0~1·2。发生温度通常为150℃左右。由于柴油机烟气的温度比较高,所以采用两效机组。
两级发生的溴化锂吸收式制冷装置采用分离型热管将柴油机排烟中的余热传递到溴化锂吸收式制冷装置的高压发生器中去。热管的蒸发段安装在烟道中,冷凝段安装在溴化锂吸收式制冷装置的高压发生器中。在热管的蒸发段,热管中的工质从烟气中吸收热量,然后蒸发,热管工质将热量带到高压发生器中的冷凝段,加热溴化锂溶液而冷凝成液体回流到热管蒸发段重新蒸发,其流程图如图3所示[4]。
1—高压发生器;2—冷凝器;3—蒸发器;4—U形管;5—吸收器;6—蒸发器泵;7—抽气装置;8—发生器泵;9—吸收器泵;10—第2热交换器;11—溶液调节器;12—低压发生器;13—凝结水热交换器;14—第1热交换器
图3溴化锂吸收式制冷装置流程图
该客滚船空调机组压缩机功率为200 kW,制冷量为2·88 GJ/h。采用两级发生吸收式制冷机,按热力系数1·0计算,可作为溴化锂吸收式制冷装置热源的烟气余热为6·25 GJ/h,可制冷6·25×GJ/h,远大于该船空调机组的2·88×GJ/h制冷量。空调的供热情况亦是如此。由此可见,使用柴油机余热为热源的溴化锂吸收式空调系统在不增加柴油机负荷的情况下,可以采用较低的回风比β,即β=二次风(室内空气) /一次风(室外新风)。获得的更加新鲜的空气,为船员、旅客提供良好的生活、工作环境。
5 结 论
1)船舶上利用柴油机余热做热源使用溴化锂吸收式空调系统是切实可行的,这种方法不仅可以节约能源,还可改善舱室的空气质量。
2)计算表明,船舶用柴油机系统可利用的余热达到了燃油总热量的27·1%。但考虑到热品质的高低及投资回报率等问题,建议采用溴化锂吸收式空调装置,充分利用占燃油总热量8·5%的排烟余热。
3)利用分离型热管换热器和两级发生的溴化锂吸收式制冷装置,在不增加柴油机负荷的情况下,采用较低的回风比就可以利用柴油机余热改善空气调节质量。
参考文献:
[1]李松寿·制冷原理与设备[M]·上海:上海科学技术出版社, 1988: 310·
[2]杜荣铭·船舶柴油机[M]·大连:大连海事大学出版社·1999: 98·
[3]刘春燕·换热器设计、运行及CAD系统[M]·北京:冶金工业出版社, 1998: 56·
[4]吴业正·制冷原理及设备[M]·第2版·西安:西安交通大学出版社, 2004: 170·
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