船舶余热回收效率改善研究

赵淼 ZHAO Miao；金益晨 JIN Yi-chen；缪红建 MIAO Hong-jian

（①南通理工学院，南通 226002；②江苏南通申通机械有限公司，南通 226001）

0 引言

船用发动机排出的船舶尾气中热量占总热量的30%～45%，并且排出尾气的温度高达600～800℃。如果能有效地将这部分热量重新循环利用，将大大减少能源的消耗、改善能源短缺问题所带来的经济压力和环境压力。

1 船舶余热回收现状

1.1 卡琳娜方法[1]

卡琳娜方法又叫卡琳娜循环，该循环主要是以氨的液态物为工质的热动力循环的总称，该循环通过工质浓度的不同和工质温度的不同，使得整个循环过程中，冷源和热源有较合适的热量转化匹配关系。

卡琳娜循环中设备主要包括有分离器、冷凝器、蒸发器、透平、高温回热器和专用泵等。系统的工作流程是先由工质经过蒸发器和烟气进行换热作用，等到气化蒸发后，气体进入分离器中实现分离，然后通过透平环节膨胀对外做功实现对外输出，然后膨胀做功过的气体与热量交换后的液体相互混合，再通过回热器中冷却后的介质实现换热，然后冷凝器中的低温液体将混合气体重新冷却成液体，最后由专用泵回流回蒸发器形成一个完整的循环过程。

1.2 有机朗肯循环方法[2]

有机朗肯循环系统是在原有的朗肯循环系统上，通过使用有机物为工质的一种循环系统。有机朗肯循环模型包括预热器、蒸发器、冷凝器以及专用泵等。如图1所示，首先，有机循环介质用预热器加热，等达到所测试温度后，再流过蒸发器进行等温蒸发，汽化后直接进入膨胀机进行膨胀做功，随着膨胀做功的持续，循环介质压力不断降低，再通过冷却水进行冷却液化直至完全液态，最后再进入专用泵，提高工作压力，完成整个循环过程。

2 船舶余热回收方法分析与改进

2.1 两种方法的对比分析

与卡琳娜循环系统相比，有机朗肯循环系统的流程工艺更简便，这是因为有机工质的不同，卡琳娜循环系统内工质是氨水，氨水在没有进入蒸发器时，是气态和液态两种状态同时存在的，需要设置不同的装置进行储存；并且进入蒸发器后，蒸发过程是变温过程，不同状态的氨水蒸发时温度不同[3]。所以选用有机朗肯循环系统对尾气余热的回收利用更有效。

2.2 方法的改进

2.2.1 有机工质的改进

不同的工质对循环系统的循环效率产生的影响是不同的，因此，在原有机朗肯循环的基础上，以循环系统内的转化效率为着眼点，结合环境保护的理念，寻找既可以满足循环效率而且能够减少对环境的影响的有机工质。

选择工质时，有以下几点需要考虑的因素：

①工质必须选择对人体危害少的。当工质进入系统后，受到高温作用，工质将会挥发，挥发出来的气体会对人体机能产生伤害。

②工质必须选择对环境影响低的。工质进入蒸发器后，有一部分工质会受压变成气体排出，直接会排放进室外，因此环境友好型的工质也是必不可少的。

③工质要选择有利于整个系统的经济性能，可以从传热、自我消耗、流体流阻损失等方面为参考标准，选择最有经济性的工质。

2.2.2 装置的改进

首先，将换热器应用到废气余热回收系统中，能使工质经过冷凝器后快速升温，以达到进入第二次循环的条件，这有利于减少蒸发器的工作负荷，延长蒸发器寿命，加快循环速度，能够快速提供所需要的电能等。

2.2.3 热电转换组件

在换热器后装设一个热电转换组件，该组件的冷端用来吸收经过冷凝器传递到换热器中冷凝液体的冷却温度，然后通过该组件中间的N型和P型的半导体材料，借助冷热两端的温度差异从而进行发电，进一步增大对外输送电能的大小，也可以将冷凝水的温度适当转移，减少换热器中换热的材料使用，达到了节约能源的目的。

3 新型船舶余热回收利用系统的搭建

3.1 系统的整体结构

系统整体结构是由以下装置组合而成，分别是柴油机、蒸发器、膨胀器、发电机、冷凝器、换热器、热电转换组件以及工质泵[4]，如图2和图3所示。

3.2 系统的运行流程

3.2.1 系统中尾气走向

本系统中尾气走向过程如下，从船用柴油机中产生的尾气余热热量首先被由蒸发器加热过的工质吸收，然后通过蒸发器将吸收了尾气余热的工质进行汽化；然后一小部分尾气在蒸发器中散发掉，余热蕴含在汽化后的工质中通过管道进入膨胀器，推动膨胀器内的杆件进行做功[5]；接下来高温工质气体通过管道输送进入冷凝器中进行冷却，将工质从气态变成液态，将工质温度降低；随后将温度很低的液态工质输送进换热器，通过换热原理重新给液态工质加热，使得该液体具有一定的热量；最后通过工质泵重新传送进蒸发器进行汽化，进行新的一轮循环。

3.2.2 系统的运行过程

从柴油机中产生的尾气余热热量首先被由蒸发器加热过的工质吸收进一步汽化，吸收尾气余热的工质温度最高可以达到300-400℃左右，这些高温气态工质通过管道输送至膨胀器，送入膨胀器的气体推动膨胀器中的杆件进行做功，膨胀器对外做功也可以产生电能进行发电，做完功的高温气态工质将被运送到冷凝器中进行放热工序，经过冷凝后的工质温度从100多度降低至30-40℃并且发生了液化，变成液态的工质送进换热器通过换热原理，将热量从高温物体传递到低温的流体工质，使得工质温度达到50-60℃，冷凝后的工质通过转换组件的冷端和热端根据塞贝克效应产生电能[6]，并且通过输电导线一输送到发电机进行供电，然后将加热后的工质通过工质泵重新输送至蒸发器汽化，进行新的一轮循环。

4 系统的效率分析

4.1 工况参数假定

选用WP12C450-21柴油机进行数据计算，确定柴油机初始功率为274kW，转速确定为1900r/min，当转速达到1900r/min时，便可以得到柴油机此时系统内所具有的热量为148.5kW。具体参数见表1。

表1 工况所选取的初始数据

4.2 系统效率的计算

4.2.1 计算方法

整个循环系统内所涉及装置的热力学公式[7]，如下：

①单螺杆膨胀器。

②冷凝器。

式中，h3——工质在冷凝器出口处的焓值（kJ/kg）。

由于不可逆引起的功损失.Ic（kW）

式中，s3——工质在冷凝器出口处的熵值[kJ/（kg·K）]，TL——系统的最低温度。

③蒸发器。

换热量Qh（kW）. ：

式中，h4——工质在蒸发器进口处的焓值（kJ/kg）。

由于不可逆引起的功损失.Ih（kW）：

式中，s4——工质在蒸发器进口处的熵值[kJ/（kg·K）]，TH——系统的最高温度（K）。

4.2.2 计算结果

工质初步选定干流体中的R123和R245fa两种流体，这两种流体的相关参数见表2。

表2 R123和R245fa对比表

从表2中可以得出，在相同冷热源条件下，控制主机转速、工质温度，两个工质达到最佳性能时，可以发现R123有机工质对系统转化效率比R245fa更高。而且在系统中时，R123所受到的蒸汽压力更少，导热性能更好。

4.3 系统效率的分析

4.3.1 原有机朗肯循环系统的效率

根据上述计算可以发现，以R123为观察对象；当R123工质的温度达到395K左右时，系统效率最大，可以达到8.1%。当R245fa工质的温度达到375K左右时，系统效率最大，可以达到7.7%。由此可见改进前系统最大效率是用R123工质时的8.1%左右，因此本文所设计系统也将采用R123作为工质。表3为两种工质计算得到的具体参数。

表3 R123和R245fa参数对比

4.3.2 所设计系统的效率

上述研究改进前的效率时，确定了所选用的工质。因此本节将仍用R123工质进行实验研究，直接用以下公式进行计算。

①换热器[8]。

换热量.Qmh（kW）：

式中，tg2——柴油机尾气在换热器出口处的温度（℃），h2l——工质在换热器出口处的焓值（kJ/kg）。

由于不可逆引起的功损失.Ic（kW）：

式中，s2l——工质在换热器出口处的熵值[kJ/（kg·k）]。

②热电转换组件。

两个导体接触段面之间吸热或放热的速率Q与导体中流过的电流I成正比，可以用表示：

上式中：Π为两不同导体之间的帕尔贴系数之差。[2]

根据上式可以计算得到以下数据，见表4。

表4 选用R123工质时改进后系统工况参数表

从表中可以看出本文设计的循环系统热力学效率比传统的有机朗肯循环效率更高，输出功率更快。

5 结论

以有机朗肯循环系统为基础，通过工质的选择、装置的改进等，搭建了一种新型船舶余热回收利用系统，并通过系统效率的计算，验证了该系统较有机朗肯循环系统热回收效率更高。