船舶柴油机余热的分析及利用

陈志龙

【摘 要】本文综述了船舶柴油机余热回收利用的现状和发展趋势。简单介绍了余热的定义和特点。进而分别从加热、发电、制冷、动力四个方面详细介绍了余热在船舶上的应用，并对其利用价值及经济性作进一步分析。

【关键词】船舶柴油机；节能减排；余热利用；发电；制冷

节能减排是中国经济和社会发展的长期战略方针，也是一个非常紧迫的任务。通过回收废热来减少能源消耗，对我国实现节能减排的发展战略和环境保护具有重要的现实意义。同时，余热的回收利用对改善工作环境、节约能源、降低生产成本等方面起着无可比拟的作用，已经成为能源利用不可忽略的一部分。在船上，余热的使用大致分为两个方面：一方面是用于加热，比如船员的生活热水，冬天机舱、油箱的加热和保温，远洋船舶的海水加热蒸馏制淡水等[1]。

1 余热的定义和特点

余热是指生产过程中释放出来的可被利用的热能。主要有高温废气等，余热的利用可以通过余热锅炉产生蒸汽，推动热能做机械功或发电，也可用来供暖或生产热水[2]。

余热有品质高低之分。根据“按质用能，各用其所”的原则，如果需要产生动力，应该使用较高品味的余热。如果将高品位余热用于加热，则会导致“大材小用”不合理现象。反之，若将低品位余热用于做功，则也是一种‘能质不匹配的现象。同时在使用热能的过程中，也要遵循“按质供能，能质匹配”的原则，在热能供需过程中，不仅做到数量相等，更重要是在质量上合理搭配[3-4]。

2 船舶柴油机余热构成及分析

2.1 柴油机余热构成

2.1.1 废气余热

船舶柴油机是船舶在海上航行的动力源，它排放的废气余热将近占总热能的40%。其排出的废气余热温度在350℃-410℃之间，如果直接排放到大气中，会大量浪费没有经过利用的热能[5]。

1）柴油机排气热的总量为：

Q=C■■·M·T■-C■■·M·T■

式中：Q——柴油机排气所含的热量；

C■■，C■■——分别为烟气在温度为T1、T2时的定压比热KJ＼Kg·K；

M——为排烟的质量Kg；

T2——为废气涡轮增压器涡轮出口温度；

T1——为环境温度。

综上所述，柴油机排气量愈大，排气温度愈高，废气热量就愈多。因此，若要减少排气热，可以通过减小排气温度，降低过量空气系数。

2）排气中可供利用的热量

当废气温度小于125℃时，废气中的硫与空气中的氧气形成的的氧化物会对柴油机等设备产生低温酸性腐蚀[5]。为了减轻低温腐蚀，废气温度应该大于150℃，所以废气中实际可以利用的余热热量：

Q■=C■■·M·T■-C■■·M·150

式中：C■■=1.083KJ＼Kg·K；

C■■=1.042KJ＼Kg·K。

2.1.2 冷却介质余热

船舶柴油机在工作过程中，许多零部件是处在高温下工作的。为了保证柴油机设备整体的强度以及使用寿命，对金属构件需要进行冷却。因此，在柴油机中往往需要消耗大量的冷却水。此外也有用空气、惰性气体或矿物油作为冷却介质。

通常情况下，计算冷却水带走的总热量为：

Q■=C■·m■·？驻T■+C■·m■·？驻T■=4.2×m■×10+4.2×m■×10

式中：C■、C■——分别为气缸冷却液、活塞冷却液的定压比热；

m■、m■——分别为气缸冷却水和活塞冷却液的质量流量；

T■、T■——分别为气缸冷却水和活塞冷却液的进出口温差。

2.1.3 其余散热

在燃油燃烧产生的总能量中，大约有16%的其他散热。这部分余热大多数通过柴油机本身、空气冷却装置、增压空气、滑油冷却装置等多条途径散失，另外还有一小部分由于燃油发生化学反应所产生的化学反应余热。若利用这部分余热，经济成本较高且操作困难，不实用[6]。

2.2 余热利用的经济性分析

由于高昂的燃油价格直接影响船舶的营运利润，导致越来越多的企业开始在船舶柴油机余热利用方面进行投资。通过余热回收的广义的收益是：减少燃料消耗，从而降低成本；减少废气的排放，以保护环境；减少燃料的存储容量，从而增加船的载货能力。

2.2.1 每年节约的燃油费用

相对于柴油发电机，若使用余热发电机节约燃料消耗可用G表示为：

3 余热在船上的应用

3.1 余热加热

3.1.1 直接加热

1）机组人员和乘客的饮食用水和生活用水预加热，以及燃油加热；

2）对发动机进行暖机预热、解决冷启动问题；

3）余热还可以对船员生活区进行供暖。

3.1.2 余热制淡

近年来，随着经济全球化的发展，海上运输愈来愈多，船舶航行也愈来愈远，此时船舶对淡水的需求量也日益增大。其中，海水淡化装置通常采用蒸馏法获取新鲜淡水。利用废气余热制淡具有可观的经济效益。

3.2 余热发电

船舶柴油机工作过程中，向外排放了大量的高温废气余热资源。一般的余热回收系统是把这些热能转化为热水或水蒸汽，供机器运转或生活所需。但是这种热能利用方式，往往受制于船舶的工作条件，很多情况下并不能将这些热能充分利用。可以通过余热发电技术直接将余热热量转化为使用和传输方便的电能，这样就使船舶运输的经济效益显著提高。

3.3 余热制冷

虽然可以直接将中、低温余热用于生活加热，并且设备简单、经济可行，但是供暖有季节性，在非供暖期这些余热就只能排放掉。如果余热作为低温热源的热泵，热泵增加温度水平，可以扩大使用范围，可以提高低温余热的利用价值[7]。

3.4 余热的动力应用

涡轮增压技术已经有百余年的历史，大中型船用柴油机基本上都采用废气涡轮增压器技术，带有涡轮的小型高速柴油机也迅速发展。由废气涡轮驱动柴油机空气系统的压缩机，向气缸内注入高压气体。由于涡轮增压器利用柴油机的排气能量驱动，而不消耗柴油机本身的功率，从而有助于提高船舶柴油机的经济性，一般可降低燃油消耗3%～10%[8]。

4 余热新型利用及展望

4.1 余热新型利用

燃气轮机是理想的卡诺循环机，由于其排气温度高，导致燃气轮机效率不比汽轮机效率高多少。现代的高温燃气轮机排气温度已达600℃左右，比汽轮机循环的初温都高。这样的高温废气排向大气中，造成能源的巨大浪费，因此用高温废气来加热水产生蒸汽，通向汽轮机带动电机发电。这就构成了燃气-蒸汽联合循环余热再利用系统。

热声制冷技术的基础是热声效应。吸收船舶柴油机余热能量，把热能转化为声能量，然后利用热效应，消耗声能，从而实现制冷。热声制冷系统无移动部件，可靠性高，且不会对环境造成的负面影响。

4.2 余热利用展望

1）随着船员对船舶机舱舒适性要求的提高，余热利用技术的应用将会在各种船舶中得到普及，如船舶机舱加热和船载冰箱的制冷等。

2）余热技术利用在发动机的余热保温上，可以解决高纬度地区及冬季柴油机冷启动的问题，并且可以改善船舶燃油的经济性。

【参考文献】

[1]船舶主机热平衡分析及其余热利用[J].船海工程，2008，37（2）：66-69.

[2][6]吴伯才.船舶柴油机余热的利用[J].浙江海洋学院学报，2002.

[3]姚寿广.船舶热力系统分析[M].北京：科学出版社，2003.

[4]黄志杰.能源管理[M].北京：能源出版社，1984.

[5]董桂田.汽车发动机排气废热的温差发电[J].北京节能，1997（4）：7-9.

[7]陈武，蔡振雄.船舶吸附式空调制冷系统研究[J].水运科技信息，1999.

[8]MAN B&W Diesel A/S. Main Engine Room Data for 12 K 98 ME-C[M].Internal data.

[责任编辑：杨玉洁]