船舶柴油机缸套水余热回收装置设计与实现

1、* 大 学本 科 毕 业 设 计（论文） 学 院 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 * 班级学号 *28 指导教师 * 二零*年六月*学本科毕业论文船舶柴油机缸套水余热回收装置设计与实现 Design and Realization of Marine Diesel Engine Cylinder Liner Water Waste Heat Recovery Device*技大学      毕业设计（论文）任务书  学院名称：机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化学生姓名： * 学 号： 1*

2、 指导教师： * 职 称： * 毕业设计（论文）题目： 船舶柴油机缸套水余热回收装置设计与实现一、毕业设计（论文）内容及要求（包括原始数据、技术要求、达到的指标和应做的实验等） 1.提供条件：船舶柴油机缸套水余热回收装置的设计要求。 2.主要内容与要求:(1) 查阅国内外相关文献，了解船舶柴油机的构造、缸套水的循环路径、板式换热器的选型设计流程、水泵的选型设计流程以及各种传感器的相关用途等参考资料，撰写文献综述，撰写船舶柴油机缸套水余热回收的研究现状以及研究意义； (2) 根据给定的实际参数，设计回收装置的总体结构；并分别对装置中的关键零部件（包括板式换热器、管道、阀门、传感器、水泵等相关部件

3、）技术与设计； (3) 采用三维CAD构建模拟试验系统平台，并完成相关工程图； (4) 搭建余热回收模拟实验装置平台； (5)撰写毕业论文，详细阐述实验平台选型搭建过程，并进行毕业设计答辩。二、完成后应交的作业（包括各种说明书、图纸等） 1. 毕业设计论文一份（不少于1.5万字）； 2. 外文译文一篇（不少于5000英文单词）； 3.余热回收模拟装置部件选型计算说明书一份； 4.余热回收模拟装置三维装配图；5.余热回收模拟装置实验平台搭建成品。三、完成日期及进度2*3月19日至2016年6月1日。进度安排：1. 2016年3月19日3月31日：阅读相关文献、准备开题报告。提交开题报告、外文文献

4、翻译。2. 4月1日4月10日：综合分析余热回收模拟装置所需部件，确定实验平台搭建过程中的总体方案。3. 4月11日4月20日：计算并选型模拟回收实验装置的所需部件，绘制各部件的三围示意图，并利用三维软件绘制模拟试验装置的虚拟装配图。4. 4月21日5月10日：采购余热回收模拟实验装置零部件，搭建模拟试验装置，并能保证与控制系统并行运行。5. 5月11日5月25日：总结前期研究工作，撰写毕业设计论文，提交指导老师审阅，并准备答辩材料。6. 5月26日6月1日：论文修改与毕业设计答辩。四、主要参考资料（包括书刊名称、出版年月等）:1. 刘飞.船用低速柴油机缸套水冷却及处理J.广船科技,2005,

5、4:42-45.2. Alberto Boretti.Improving the Efficiency of LPG Compression Ignition Engines for Passenger Cars throughWasteHeatRecoveryJ.SEL International,2011,4(2)3.梅磊.船舶柴油机新型余热回收利用系统研究D.武汉：武汉理工大学,2011.4. 姚金源,潘永亮.发动机余热利用技术J.成都科技大学报,1987,3:95-98.5. 支浩,汤慧萍,朱纪磊.换热器的研究发展现状J.2009，28：338-342.6.杨立平,宋恩哲,石兴超等.一

6、种基于排气能量回收的船用气体/双燃料发动机LNG气化系统及其控制方法P.中国专利：103899440A,2014-07-02.7.王立席.货船空调利用柴油机缸套水余热研究D.大连：大连海事大学,20088. 袁春元,王琪.LNG船用二冲程低俗双燃料发动机实验装置R.中国南京：江苏省汽车工程学会,2010.*学本科毕业设计（论文）摘 要船舶柴油机的能源利用率问题一直是各国研究的热点，因为柴油机的能源利用率不高，导致很多能源的浪费，能源问题已然成为经济发展中一个非常重要的问题。不断提高能源利用率，减少排放船舶柴油机废气，对人类赖以生存的环境进行保护是许多人致力研究的课题。本文第一章介绍了船舶柴油机

7、缸套水余热回收利用的现实意义和国内外回收利用该部分能源的现状。第二章对船舶柴油机余热回收系统的总体方案进行了设计，包括三个子系统，模拟余热源系统，余热回收系统和控制系统。第三章对船舶柴油机缸套水余热回收系统的关键部件进行了设计，其中包括对冷热管管道的计算和设计、水泵设计、燃气炉的选型和换热器的设计，第四章对控制元件进行了选型，主要包括对温度传感器、流量传感器、液体比例调节阀、采集卡、PLC控制器等进行了选型。第五章对该实验平台进行三维模型的构建和实物平台的搭建。本文提出了一套新的运用于船舶柴油机缸套水余热回收的系统设计方案，并在此方案的基础上，着重对管道、水泵、燃气炉、换热器、温度传感器、流量

8、传感器、液体比例调节阀、采集卡和PLC控制器等进行设计计算与选型，并完成实物平台的搭建。关键字：船舶柴油机；余热回收；换热器。AbstractMarine diesel engine energy utilization rate has been hot spot of the world, because diesel engine energy utilization rate can be better, resulting in a lot of energy waste, energy problem has already become a very important issu

9、e in the process of economic development. Continuously improve energy efficiency, reduce emissions of marine diesel engine exhaust, the survival of the human environment is to protect the environment for many people to study the subject. In this paper, the first chapter introduces the practical sign

10、ificance of the waste heat recovery of marine diesel engine cylinder liner water and the current situation of domestic and foreign recovery and utilization of this part of energy. In the second chapter, the overall scheme of the marine diesel engine waste heat recovery system is designed. The system

11、 mainly includes three subsystems, which are simulation and heat source system, waste heat recovery system and control system. The third chapter of marine diesel engine jacket water heat recovery system of key parts of the design, including to cold and hot pipe design and calculation of the pipeline

12、 and pump design, selection of gas furnace and heat exchanger design. The fourth chapter on the control components were designed, including on temperature sensor, flow sensor, a liquid proportional regulating valve, data acquisition card, PLC controller for the selection of design. In the fifth chap

13、ter, the three-dimensional model of the experimental platform is built and the physical platform is built. This paper presents a new application in marine diesel engine jacket water heat recovery system design program, on the basis of this scheme, focusing on the pipeline, a water pump, a gas stove,

14、 change heat exchanger, temperature sensor, flow sensor, the proportion of liquid control valve, data acquisition card and PLC control system for the calculation and selection of and complete physical platform is built. Key words: marine diesel engine; waste heat recovery; Heat exchanger.目 录第1章 绪论11

15、.1 引言11.2 项目的应用价值和现实意义21.3国内外船舶缸套水余热回收研究现状21.3.1国内研究现状21.3.2国外研究现状31.4本章小结4第2章 系统总体方案设计52.1 系统结构设计52.1.1 模拟余热源系统62.1.2 余热回收系统72.1.3控制系统92.2本章小结9第3章 关键零部件设计103.1冷热管管道计算与设计103.1.1 实验装置所需管道基本要求：103.1.2 流量的确定123.2 水泵设计133.2.1 泵的扬程计算133.2.2局部阻力计算：153.2.3泵的选择173.3燃气炉的初步选型193.4换热器的设计193.4.1设计方案203.4.2初步选定2

16、03.4.3验证223.4.4核算233.4.5设计结果233.5本章小结24第4章 控制元件选型254.1温度传感器的初步选型254.2流量传感器的选择254.3液体比列调节阀选型264.4采集卡的选择274.5 PLC控制器284.6温度扩展模块284.7触摸屏294.8本章小结29第5章 三维模拟试验平台以及实物平台的构建305.1 SolidWorks简介305.1.1Solidworks软件的来源305.1.2Solidworks软件各主要模块的介绍315.1.3零件设计模块315.1.4装配模块315.2三维模型的构建315.3实物平台的搭建325.4本章小结33总结与展望34致谢

17、35参考文献36IV第1章 绪论1.1 引言随着全球经济的快速发展，世界各国的联系日益密切，无论是人员的流动，还是物资的运输，都会触及航运，而柴油机则是航运中的主要动力来源。柴油机的能源利用率问题一直是各国研究的热点，因为柴油机的能源利用率不高，导致很多能源的浪费，能源问题已然成为经济发展中一个非常重要的问题。从1973年世界发生石油危机以来，环境污染越来越严重，节能问题慢慢进入人们的视野。不断提高能源利用率，减少排放船舶柴油机废气，对人类赖以生存的环境进行保护是许多人致力研究的课题。船舶运输耗能巨大，这不仅提高了航运的成本，还对环境造成了很严重的影响。船舶是航运中的耗能大户，现在主要是运用废

18、气涡轮增压器来讲废气能量转变成空气压力，这样能够使柴油机的功率和效率得到大幅度提高，同时还能将废气锅炉产生的饱和水蒸气用来作为满足航运过程中的生活用水，还能够对油舱进行保温，但是却忽略了柴油机缸套水水中也有大量的热能未能被利用。这样不合理地利用废热很大程度上造成了能源的浪费。现在船舶发展的趋势为大型化、高速化，柴油机的额定功率最大的已超过37285 kW，柴油机缸套水的出口温度也从20世纪60年代的6065升高到现在的8085，有些高速机更是高达90以上。冷却水出口温度的升高大大提高冷却水热能的品质，也为冷却水余热的利用创造了更好的条件。因此将柴油机余热进行回收利用，无论在经济上还是环保上都具

19、有重大价值1。现在，所有热机中效率最高的是最先进的船用二冲程柴油机主机，其热效率已经接近50%，但是还是浪费了大部分能源，这部分能源所产生的热能，随着废气和冷却水排放到环境中去了，造成了很大的浪费。采取何种方式才能在发电和辅助设备热源提供蒸汽过程中利用好船舶柴油机废气和冷却水，在资源日益紧张、船运成本不断提高的今天，是船舶制造商、运营商商和海事组织等都十分关心的问题。船舶柴油机有效热效率低于50%，剩余热量均通过缸套水、烟气等带走。如何回收利用这部分被带走的热量已成为研究的热点。而船舶柴油机的工况非常复杂（含启动、怠速、部分负荷和全负荷等工况），导致缸套水携带的热量时大时小。如果回收缸套水废热

20、的工质参数不随船舶柴油机工况变化而变化，缸套水温度就会偏离最佳工作温度范围，对整机性能非常不利。因此，本项目旨在以缸套水废热回收装置为研究对象，基于工程热力学和传热学等原理深入研究船舶柴油机工况、缸套水热力循环和工质热力循环，建立起工质参数（流量、温度等）与缸套水参数（流量、温度等）之间的关系；而后，基于现代控制技术设计一控制系统，使得工质参数能自主适应船舶主机工况的变化，在没有影响主机性能的条件下获得回收热量最大。1.2 项目的应用价值和现实意义根据卡诺循环可知，船舶柴油机有效热效率低于50%，其余作为废热主要通过两种方式散发到大气中，一是高温废气，温度大约为500600，由于废气密度小，要

21、回收其热量换热设备空间大，在有限船体上难以实施；二是缸套冷却水，温度大约8595和润滑油的冷却水，温度大约为5060，可直接用来进行热交换，为船员和游客提供热水。本项目开发的控制系统应用于缸套水的废热回收装置中，使得废热回收装置能自适应船舶柴油机的工况变化，在不影响其性能的情况下，提高热效率15%以上。因此，本课题对促进船舶柴油机热效率的提高具有应用价值和现实意义。世界各国把能源综合利用摆到十分重要的位置，我国还颁布了新节约能源法和节约能源管理暂行条例，使节约资源成为我国的基本国策，节能减排工作大范围展开。因此，柴油机作为国民经济生产活动中重要的动力装备，节能极为重要，是关系到国民经济发展的问

22、题，余热回收利用技术的重要性倍受关注。能源综合利用与智能控制是实践国家节约能源政策的重要举措，目前市场需求尚处于起步阶段，相关产品和技术都主要以国外引进为主。余热回收技术与智能控制技术的集成化正在日益发展，也是当前国内外学者研究的热点问题，因此对余热回收技术的研究有很着重大意义。1.3国内外船舶缸套水余热回收研究现状1.3.1国内研究现状宁波大学的吴伯才通过分析船舶余热的成分，阐述了船舶节能的重要性和经济价值，提出了合理利用余热的途径。他在分析的同时指出余热的利用不仅要看余热利用的多少，而且要根据余热的品质好坏，提升余热利用的经济型。余热的品质在温度升高的同时也会大大提高，其品质越好，利用的价

23、值也就越高。企业期待带来的收益是否超过投资是刺激企业在船舶柴油机余热方面进行投资的主要原因。上海沪东重机有限公司的吴安明和周伟中，研发了一套用于柴油机余热利用的新型系统，在计算分析之后对系统的性能和经济性进行了改进，这套系统可以提高6.03%的余热利用系统热效率，并且回收了相当主机效率12.5%的电能，这些增加的成本可以在三年内回收。第一台带废热回收系统的7RTA84TD柴油机于2008年12月8日在大连船用柴油机有限公司生产成功，这台机器安装在由渤船重工为新加坡环球航运公司建造的犯万吨VLCC上，单机功率则高达29400kW。该系统包括低压蒸发器、高压蒸发器和高压过热器三部分，采用双压余热锅

24、炉，在Wartsila余热回收技术基础上取消了Wartsila方案中的动力涡轮，利用废气余热锅炉蒸汽发电或供船舶使用2。到目前，二艘32万吨VLCC已经由该厂安装上了余热利用系统，该系统在负荷大于55%时，可以产生1 100 kW电量。20世纪90年代初，可以满足办公楼、餐厅、酒楼、超级市场等中央空调的需求的制冷机组的工程在广东最早开展，该工程为陆用柴油机余热发电综合改造工程，该工程完成后，余热发电功率约为柴油发电机组功率的4%左右，采用嗅化铿吸收式制冷方式，可满足实现了利用柴油机余热进行发电、供热、制冷的三联供3。1.3.2国外研究现状Siemens公司在推进装置的基础上开发了一种带有余热回

25、收的装置。这种装置可以将船舶主机的余热能量回收，并将回收的能量输送到船舶能量网络中去，该装置可以大幅度提高能源利用率，提高船舶运输的能力，有很高的经济效益，并且可以大幅度提高船舶系统的推进和电力性能，有12%的主机功率可以通过该装置得以回收，而且延长了船舶主机和发电机的维护周期，节约了人力资源。柴油机排气余热全套发电设备在20世纪80年代初在科隆研制成功，包括大型柴油机、废气锅炉、蒸汽涡轮等，研发一开始的目标为通过发电的方式回收利用柴油机余热，减少燃油的消耗，这套设备在柏林大学船舶这套设备由柏林大学船舶柴油机动力装置研究所和西德KHD动力设备公司合作研发出来，这套装置可回收利用柴油机余热发电，

26、减少燃油消耗，这是对柴油机动力装置总能利用进行的尝试4。ABBA公司和Wartsila公司在多年之间通过不同的方式来回收排气中的热能，如用过安装大量的动力涡轮在发动机上来回收多冲程柴油机剩余的能量，可以回收百分之十的主机功率，每年可以节约8000t的燃油，对于大型的集装箱船。Wartsila公司则通过装置优化布置，可回收利用11%的柴油机功率，减少有害气体的排放，主要优化了涡轮和锅炉的布置方案。MAN公司围绕船舶主机开发出新型的余热回收系统，能够大大提高主机排温温度，该系统主要根据汽轮机和余热锅炉使用过程中的蒸汽压力情况分为单压TES系统和双压TES系统5。1.4本章小结本章主要介绍了船舶柴油

27、机在能源利用方面的不足，能源利用率低。在能源逐渐匮乏的今天，国内外的目光也已经投向了这一领域，表明缸套水余热回收对提高船舶柴油机能源利用率的重要性。第2章 系统总体方案设计船舶柴油机缸套水余热回收装置设计目的为在船舶柴油机原有的缸套水循环系统基础上，将空冷和水冷部分换为余热回收装置，实现余热回收。船舶柴油机本身拥有一套缸套水循环系统，但是这套循环系统将缸套水引流到空冷池或水冷池，进行冷却，这部分引流出来的冷却水将会由冷却达到适宜温度的冷却水进行补偿。这套水循环系统不仅占用很大的空间，而且不能回收缸套水中的热量，大量的热量散发到空气中，造成了非常严重的浪费。船舶柴油机缸套水余热回收装置取代空冷（

28、水冷）池，将大大节约系统所使用的空间，而且可以将缸套水中的热量进行回收利用，大大提高了船舶柴油机的能源利用效率。在实验室中，我们用挂壁式燃气炉加热产生的热水来模拟船舶柴油机中的缸套水，用水泵驱动热水进行循环。水泵带动挂壁式燃气炉排出的热水通过换热器将热水放出的热量对自来水进行预加热，换热后的热水又回到燃气炉中，形成一个循环系统，以达到模拟双燃料发动机缸套水余热回收的目的。2.1 系统结构设计船舶柴油机缸套水余热回收装置目的在于将船舶柴油机缸套水中的热量进行回收，因此，在本装置中，需要由换热器将船舶柴油机缸套水与冷却液体进行热量的交换，这是整个装置的核心。在设计本装置时，我们使用挂壁式煤气炉产生

29、的热水来模拟船舶柴油机产生的缸套水。船舶柴油机缸套水余热回收装置在实现余热回收的同时，还能利用比例调节阀对换热介质的流量进行控制，将回流到船舶柴油机缸套中的冷却水保持在船舶柴油机所需要的最佳冷却温度，保证船舶柴油机的最佳工作状态。本系统可以分为三个子系统，分别为：模拟余热源系统、余热回收系统、控制系统。 整体系统分别由以下部件组成：1.挂壁式煤气炉，2.流量传感器Q1 ，3.温度传感器C1 ，4.温度传感器C2，5.温度传感器C3，6. 温度传感器C4，7.换热器，8.流量传感器Q2，9.电控阀，10.自来水龙头，11.PLC控制系统，12.储液罐，13.手动阀，14.水泵，15.压力传感器，

30、16.煤气泄漏传感器以及各连接管路，17.数据采集卡。下面是整个系统的工作原理图：图2-1 系统工作原理图2.1.1 模拟余热源系统 船舶柴油机在运行过程中会使船舶柴油机缸套水温度升高，船舶柴油机本身的缸套水循环系统可以将缸套水引流至空冷池或水冷池进行冷却，再将冷却到适宜温度的水循环进入船舶柴油机缸套中，达到控制船舶柴油机缸套水温度的目的。本装置中需要模拟柴油机缸套水的循环过程，因此需要有加热热水的装置对水进行加热来模拟船舶柴油机缸套水，在这里，我们选用挂壁式燃气炉对水加热来模拟高温状态下的缸套水。本子系统的工作过程是：挂壁式燃气炉对水进行加热，通过水泵对加热后的水进行运送，水经换热器换热、然

31、后经过储液罐，换热后的水最后又回到燃气炉里，形成一个热水的循环系统。在这里挂壁式煤气炉的作用是模拟双燃料发动机，燃气炉加热的水即是模拟发动机的缸套水。我们选用林内牌的挂壁式燃气炉，相关参数可以通过燃气炉的说明书获取。在这里温度传感器3的温度即为煤气炉1出水口温度，流量传感器2测量的流量即为整个泵循环水系统的流量，温度传感器4测量的温度是热水经过换热器7换热后的出口温度（双燃料发动机的出口温度大致为95左右，最佳缸套水的进口温度为75左右，由于本系统的最高温度达不到上述要求的温度，所以我们将对进出口的温差进行模拟只要将换热器进出口的温度控制在20左右即可，即按比例模拟缸套水放出的热量。）储液罐1

32、2的作用是储存从换热器出来的热水，并为挂壁式煤气炉提供热水，它的容量V要满足模拟余热源系统整个管路水的容量要求，手动阀13的作用是模拟双燃料发动机的不同工况（怠速、减速、加速）。水泵14是带动整个泵循环系统的原动件，它的选用要根据模拟余热源系统的管路直径D，以及管路中水的流速v来决定，D和v这两个参数值都由我们根据经验自己选择，我们可以根据D和v的值求出管路的流量Q，从而根据Q的值来选择泵的扬程，最终选择合适的泵的型号。压力传感器15是为了测量管路水压。2.1.2 余热回收系统船舶柴油机缸套水余热回收装置最主要的目的就是将缸套水中的热量进行回收，因此余热回收系统是本装置的核心系统，其承载着整个

33、装置的热量交换，将船舶柴油机缸套水中的热量与冷却介质进行能量的交换。本系统的工作过程是：自来水龙头放出常温的自来水，常温自来水在换热器中吸收热水放出的热量，使水温升高，最后排放到环境中去。本系统是为了模拟液态天然气的受热气化而设计的系统。在实际情况中，双燃料发动机所使用的主要燃料是LNG，既常压液态天然气，其存储温度为-162。由于液态天然气储罐价格昂贵，暂时只能以水来模拟液态天然的流动，此余热回收系统存在可扩展性，今后可以将此系统进行改造，将水换成液态的天然气，从而达到真实的模拟效果。换热器的种类繁多，其中包括管式换热器、板式换热器、螺旋板式换热器、空气换热器、容积式换热器、管板式换热器等。

34、由于此系统占用空间小，选用水为热介质，且热介质的温度相对来说较低，优先选用板式换热器作为此系统的换热元件。板式换热器的特点：（1）总传热系数高板式换热器板与板之间的流通路径是截面不断变化的，且流通路径曲折。这种流道可以使流通介质更容易的变成湍流，因此这种流道减小了液膜的热阻；板片通常使用0.6-0.8mm的薄金属板制作，这样可以使壁面的热阻减小，不会产生像管壳式换热器那样的旁路流。因此，板式换热器的传热系数很大，约为管壳式换热器的3-5倍左右。（2）占地面积小在同一工作状况下，管壳式换热器的占地面大约是板式换热器的使用面积的5倍，是因为板式换热器换热时的总传热系数高，管壳式换热器在单位体积内的

35、换热总面积为板式换热器的0.5倍左右，板式换热器不需额外的检修场地。（3）在板式换热器当中，如果放置了中间的隔板，就能够同时完成多种换热介质的热交换，管壳式换热器是很难完成此特点的。（4）对数平均温差大在板式换热器换热版之间流通的冷流体与热流体，是平行流通的，且通常采用相逆流动的形式，所以板式换热器的温差修正系数高于管壳式换热器的温差修正系数，其中管壳式换热器的流体以错流形式进行流通。（5）末端温差小末端温度差指的是一种流体的入口温度与另外一种流体的出口温度差值。因为板式换热器的流通路径是互相平行的，一程中的流体（程内存在很多流通路径）即使流量配送的并不平均，但程与程之间不会有短路旁路等情况发

36、生的。所以，尾端温差不会因为流体在流通路径内的流动而受到制约。相对于水与水之间的热交换来说，板式换热器的尾端温度很低，一般为1-2左右，但是管壳式换热器想要将尾端温度差值降至5以下是很难做到的。（6）使用方便只需卸下板式换热器的紧固螺柱，就可拿出换热器的板片或者挪开板束，因此对清洗、维修（换更板片、垫片等），对于增多或者减少板片数目（即改变换热面积），改变流道组合都非常的便利。（7）工作压力板式换热器的各层换热版上面都存在一个经弹性材料制做的密封圈，密封的周长略长，密封圈的刚度差、构造相对特别，尤其是在导流区的第二道封闭处，换热器的板片支撑强度弱，又远离紧固螺栓，从而板片不能得到充足的压力。尽

37、管当下存在的产品的设计压力可以达到2.5MP，但并不是每台换热器都能够在2.5MP的环境下运行。对板式换热器单块板面积小，并且在单机内装配换热版的数目不是很多时，就能够升至很高的压力，如果实际使用压力小于2.5MP，生产厂家将会在板式换热器上标出具体的许用压力值。（8）工作温度密封圈的最高承受温度决定了板式换热器的实际工作温度。如橡胶类的垫圈，对于不一样的橡胶种类，则有与之相对应的工作温度区间，且都不超出200；并且石棉制垫圈的最高温度一般在250-260之间。（9）含固体的介质因为换热板板间流道的平均间隔一般为3-5mm，并且板间的流道弯曲且变化多，当有较大的颗粒或纤维含于换热介质当中时，板

38、间流通路径容易被阻塞。因此对于这种情况下的换热，要将过滤器装在换热器的进口处，或者选用的板式换热器的板间间距比较大。对于该船舶柴油机缸套水余热回收系统的换热系统，要求换热器的换热效率高，占地面积小，且该系统在运行时的实际压力小，换热时的最高温度不超过100，因此，将选用板式换热器作为该余热回收系统的热交换装置。换热器7的四个进出口温度已知，又知道关内水的流量Q，以及其他等参数，可以对板式换热器进行设计计算，最后按照最大原则进行选型。在这里流量传感器8是为了测量自来水的流量，电控阀9是用来调节自来水的流量，温度传感器5是为了测量换热器7一端的进口水温度，温度传感器6是用来测量换热器7的另一端出口

39、水温度（C1-C2C4-C3，两者的温度差值前者的大，温度C4的值由自己确定，但一定要达到模拟的效果，只有这样才能对换热器的选型进行初步的设计）自来水经过换热器7后将排到环境中去。2.1.3控制系统船舶柴油机缸套水余热回收装置需要对再次循环进入缸套水的温度进行合理的调节，使用的是PID模糊控制策略，在温度传感器采集到管道中的水的基础上，通过PLC发送指令对比例调节阀开度进行调节，控制换热介质的流量大小，使循环进入缸套中的冷却水的温度保持在最佳的冷却温度范围。控制系统主要包括PLC，触摸屏和扩展模块。PLC中存储着预先编写的程序，在各个温度传感器传入温度信息时，经过计算，再经过扩展模块，输出信号

40、，控制液体比例调节阀。2.2本章小结本章主要介绍船舶柴油机缸套水余热回收装置的工作原理以及该装置的系统结构设计。该系统主要包括了模拟余热源系统，余热回收系统和控制系统。模拟余热源系统主要用于模拟船舶柴油机缸套水，余热回收系统则用于将缸套水与换热介质进行交换，控制系统的主要目的为保持循环进入缸套中的冷却水的温度维持在最佳冷却温度范围。第3章 关键零部件设计3.1冷热管管道计算与设计在本装置中，冷却液和缸套水需要在管道中流动，因此，对管道的选型需要考虑到冷却液和缸套水在管道中流动时所受到的阻力等因素。PVC管（PVC-U管）硬聚氯乙烯管，是由聚氯乙烯树脂与稳定剂、润滑剂等配合后用热压法挤压成型，是

41、最早得到开发应用的塑料管材。PVC-U管抗腐蚀能力强、易于粘接、价格低、质地坚硬。塑料管道用于排水，废水，化学品，加热液和冷却液，食品，超纯液体，泥浆，气体，压缩空气和真空系统的应用6。3.1.1 实验装置所需管道基本要求：(1)介质的特性、介质名称、比重、粘度、腐蚀性、毒性等。介质是水，比重是1，黏度是：0.8007×10-3N·s·m-2（30），0.4688×10-3N·s·m-2（60）腐蚀性：自来水ph偏低，无毒性。(2)介质中所含固体的颗粒直径、含量多少。（假设介质中没有固体）(3)介质温度：（） 两种流体的温度分别为30

42、，60(4)所需要的流量一般工业用泵在工艺流程中可以忽略管道系统中的泄漏量，但必须考虑工艺变化时对流量的影响。农业用泵如果是采用明渠输水，还必须考虑渗漏及蒸发量。在这里初选水管外径为32mm，内径为26mm，壁厚为3mm的U-PVC管材（国标）7。如表3-1所示：表3-1 塑料水管规格表公称压力公称外径0.6Mpa0.8Mpa1.0Mpa1.25Mpa1.6Mpa2.5Mpa长度NominaipipeSize壁厚Length（m）202.0+0.42.3+0.44252.0+0.42.8+0.4322.0+0.42.4+0.5402.0+0.42.4+0.53.0+0.5502.0+0.42.

43、4+0.53.0+0.53.7+0.6632.0+0.42.5+0.53.0+0.53.8+0.6752.2+0.52.9+0.53.6+0.64.5+0.7902.7+0.53.5+0.64.3+0.75.4+0.81103.2+0.63.9+0.64.8+0.75.7+0.81404.1+0.74.9+0.76.1+0.96.7+0.961604.7+0.75.6+0.67.0+0.97.7+1.02005.9+0.87.3+1.08.7+1.19.6+1.22507.3+1.08.8+1.110.9+1.311.9+1.43159.2+1.211.0+1.313.7+1.615.0+1.

44、740010.6+1.314.0+1.615.3+1.819.1+2.250019.1+2.256021.4+2.463021.4+2.7查文献所知，一般淡水冷却管流速的推荐流速为1.2 m/s -2.7 m/s，而水龙头的水流速一般为1.5 m/s -3 m/s，在这里将模拟余热源系统的最高管流速初定为1.2m/s8。根据水管的内径以及水的流速可以通过公式（3-1）计算初步求出水的流量 式中 为流量 ， 为流速。 由式（3-1）得到式（3-2）： 式中D为管内径。 所以初步计算出管内流量为0.23m3/h。(5)压力：吸水池中的压力，排水池中的压力，管道系统中的压力降（扬程损失）。(6)管道

45、系统数据（管径、长度、管道附件种类及数目，吸水池至压水池的几何标高等）。经过三维建模可知，在模拟余热源系统中管子总长度L1=300+100+200+300+300+600+300+350+500+300+300=3550mm，弯头个数初定为6个，弯头尺寸L2=600mm则管路总长度L=L1+L2=3550+600=4150mm 如果需要的话还应作出装置特性曲线。在设计布置管道时，应注意如下事项： A合理确定管道的直径大小，为提高选用管道的性价比，我们应考虑管道选择对水泵扬程的影响，管道直径越大，在流量相同的情况下，液体流速小、阻力损失小，但价格高，管道直径小，会导致阻力损失

46、的迅速增大，加大所选用泵的扬程，配带功率会因此增加，成本和运行费用也都会增加。 B排出管及其管接头应考虑所能承受的最大压力。 C在管道布置中，赢尽可能使用直管道，尽量缩短管道的长度和减少管道中的附件，必须转弯的时候，弯头的弯曲半径应该是管道直径的35倍，角度尽可能大于90。 D应该在泵的排出侧安装阀门（球阀或截止阀等）和逆止阀。阀门用来调节泵的工况点，逆止阀在液体倒流时可防止泵反转，并使泵避免水锤的打击。（当液体倒流时，会产生巨大的反向压力，使泵损坏）3.1.2 流量的确定（1）如果生产工艺中已给出最小、正常、最大流量，应按最大流量考虑。（2）如果生产工艺中只给出

47、正常流量，应考虑留有一定的余量。对于>100的大流量低扬程泵，流量余量取5%，对<50的小流量高扬和泵，流量余量取10%，50100的泵，流量余量也取5%，对质量低劣和运行条件恶劣的泵，流量余量应取10%。（3）如果基本数据只给重量流量，应换算成体积流量。在这里、计算的流量为0.23m3/h，设定流量余量取10%，故水泵的设计最大流量=0.23x10%+0.23=0.253m3/h。3.2 水泵设计水泵在本装置中的作用是将储液罐中的水泵入燃气炉，燃气炉对水进行加热，来模拟船舶柴油机中的缸套水。3.2.1 泵的扬程计算泵主要是依据扬程来选择型号的，这是由管道网络系统的操作和安装环境决

48、定的。计算之前应该绘制出流程草图，平、立面布局图，算出管道的长度、管道的直径和管件的型式和数量。一般管网如下图所示，（更多图例可参考化工工艺设计手册）。排出几何高度，m； 取值：高于泵入口中心线：为正；低于泵入口中心线：为负；吸入几何高度，m； 取值：高于泵入口中心线：为负；低于泵入口中心线：为正；容器内操作压力，m液柱（表压）； 取值：以表压正负为准；直管阻力损失，m液柱；管件阻力损失，m液柱；进出口局部阻力损失，m液柱； 泵的扬程，m液柱。 图3-2水泵布置图1图3-3 水泵布置图2图3-4 水泵布置图3由上图所示：本系统是图3-2所示的系统，故扬程的计算公式(3-3)如下： (3-3)经

49、计算泵的排出几何高度=600+350+300=1250mm，吸入几何高度=150mm。容器内操作压力可以忽略不及，故：=0mH2O，=0mH2O表3-1计算式中各参数符号的意义符号意义单位d管内径m长度mQ液体的体积流量m3/sRe雷诺准数T时间sv液体的流速m/s密度Kg/m3粘度Pa.s局部阻力系数绝对粗糙度m摩擦因数3.2.2局部阻力计算表3-2某些工业管材的管道类别绝对粗糙度/mm管道类别绝对粗糙度/mm金属管无缝黄铜管、钢管、铅管0.010.05非金属管干净玻璃管0.00150.01新的无缝钢管、镀锌铁管0.10.2橡皮软管0.010.03新的铸铁管0.3木管道0.251.25具有轻

50、度腐蚀的无缝钢管0.20.3陶土排水管0.456.0具有显著腐蚀的无缝钢管0.5以上很好整平的水泥管0.33旧的铸铁管0.85以上石棉水泥管0.030.8表3-3 常用管件和阀件底局部阻力系数值管件和阀件名称值标准弯头45°，0.3590°，0.7590°方形弯头1.3180°回转头1.5活接管0.4(1)计算Re准数Re计算公式（3-3） 故当Re2000时为滞流（层流），则当Re2000时为湍流，则以上是克尔布鲁公式克尔布鲁克（Colebrook）公式试用范围 Re4×103108，Re=47561在范围之内所以符合要求。1.142lg（+

51、）=1.14-21×9.8×（0.01×10-3÷2.6×10-2+）1.41（在这里把水管看成为塑胶软管，绝对粗糙度选择为0.01mm）9。（2）计算直管阻力： 故mH2O（3）管件阻力损失计算： 所以=0.75×4÷20=0.15mH2O，初步预算模拟余热回收系统中有9个弯头，所以总的管件阻力损失=6×0.15=0.9mH2O。（4）进出口局部阻力计算： 突然缩小： 0.5 ， 突然扩大：扩大或收缩前后管的的尺寸、：小管、大管管径在这里视管子直径不发生变化故=0，所以h f3=0。由上述计算所知管子的总阻力：得

52、知mH2O因为：所以：mH2O在这里系统中还加入了板式换热器，所以板式换热器的阻力也要算进泵的扬程： 由换热器说明书可知，换热器的压降为0.25mH2O，所以=14.1+0.25=14.35mH2O。3.2.3泵的选择泵是一类可以运输流体和增加流体压力的机械设备。它可以将外部能源的原动力机械能传递给液体，可以提升液体的能量，主要用于输送液体，包括水、油、酸、碱液、乳液、挂乳液和液态金属等，还可输送液体、气体混合物和含有固体颗粒悬浮于液体中的液体。泵的性能参数主要包括流量、吸程、扬程、轴功率、水功率、效率等，根据不同的工作原理，可分为容积泵、叶片泵等类型。容积泵主要是利用容积变化来传递能量；叶片

53、泵是利用旋转叶片和水相互作用来传递能量，可分为离心泵、轴流泵和混流泵等类型10。以上是对直流水泵的初步计算，水泵具体参数如下列图3-5所示：图3-5水泵尺寸图图3-6 不同系列水泵扬程表型号电压最大负数电流最大流量最大扬程功耗VAL/HMWDC50E-1250T121.98205.022.8DC50E-1250SDC50E-1250ADC50E-1280S123.610008.043.2DC50E-1280ADC50E-2480T241.810008.043.2DC50E-2480SDC50E-2480ADC50E-24150S243.6120015.086.4DC50E-24150A备注上述电流为水泵的开口电流，当水泵接上系统之后水泵的电流会降低到最大负载电流的55-