船用柴油机余热利用的试验研究

船用柴油机余热利用的试验研究

现代船舶的挖掘机正在产生高度的热量，但通常只有大约50%。其他50%左右的热量通过通风和冷却相传输。因此，充分利用这种废弃物是船舶节能的关键。柴油机热平衡一般是以试验的方法进行研究,研究的主要目的是:1)了解热量分配情况,为提高柴油机的经济性指明方向,便于对废热利用的研究。2)为冷却系统和排气系统提供原始的数据。3)对新型强化柴油机高温零件的热负荷进行评价。1国外定远商用车主机的热平衡分析1.1缸数、行程和滑油循环泵主机型号:MANB&W6S70MC-C;最大持续功率:18630kW,转速:91.0r/min;正常持续功率:15835kW,转速,86.2r/min;缸数:6;缸径:700mm;行程:2800mm;主机单缸排量:1077L。主机淡水冷却泵:2台,单台功率,26kW;转速,1800r/min;单台流量,165m3/h。主机滑油循环泵(其中仅65%的滑油供主机本体润滑冷却用):2台,单台功率,110kW;转速,1800r/min;单台流量,395m3/h。1.2出机温度扫气总管温度/℃39;机舱温度/℃38;汽缸冷却水进机温度/℃71;汽缸冷却水出机温度/℃81;主机滑油进机温度/℃45;滑油出机平均温度/℃54;燃油进机温度/℃134;海水温度/℃30;增压空气温度/℃170;增压器废气进气平均温度/℃402;增压器废气排气平均温度/℃279。1.3总热量qf柴油机的热平衡方程可表示为:Qf=Qe+Qex+Qcw+Qco+Qr(1)式中:Qf——柴油机燃料燃烧产生的总热量;Qe——转化为有效功的热量;Qex——排气带走的热量;Qcw——冷却水带走的热量;Qco——润滑油带走的热量;Qr——其他热量损失。1.3.1重油使用性能Qf=Mf×Hu(2)式中:Mf——燃油的消耗量,kg/h;Hu——燃油的低热值,kJ/kg。该船主机所用燃油(重油)为:ρ=0.964×103kg/m3,其低发热值Hu=40780kJ/kg,记录该船24h的燃油消耗为G=60t,Mf=2500kg/h,则:Qf=Mf×Hu=40780×2500=101.95×106kJ/h=28.32×103kW1.3.2柴油效率peQe=3.6×103Pe(3)式中:Pe——柴油机输出功率,kW。在本记录工况时,Pe=14850kW,则:Qe=53.46×106kJ/h。1.3.3增加配气充压机及丰富后计算条件Qex=Mex×cpex×(t1排-t1进)(4)式中:Mex——表排气的质量流量,kg/h;cpex——排气的平均比定压热容,kJ/(kg·℃);t1进——主机进气温度,℃;t1排——主机排气温度,℃。由于排气温度较高,常用流量计无法满足测量条件的需求,根据质量守恒定律,Mex可以用下面的等式代替,即:Mex=Ma+Mf=0.001Pe·b+n·ρ·Vs·i·ϕe·ϕa×1(0.06/k)(5)式中:Ma——进气的质量流量,kg/h;Mf——燃油的质量流量,kg/h;Pe——柴油机的输出功率,kW;b——柴油机的燃油消耗率,g/(kW·h);n——柴油机的额定转速,r/min;ρ——进气密度,kg/m3;Vs——柴油机单缸排量,L;i——柴油机气缸数;ϕe——柴油机的充气效率;ϕa——柴油机的过量空气系数;k——机型计算系数,二冲程机为1,四冲程机为2。此工况条件下,Pe=14850kW,b=168.35g/(kW·h),n=85.6r/min,ρ=1.29kg/m3,Vs=1077L,i=6,ϕe=0.9,ϕa=2.3,k=1(主机是二冲程直流扫气)。将上述参数代入式(5),得:Mex=91124.13kg/h取排气的平均比定压热容cpex=1.05kJ/(kg·℃),t1排=402℃(取增压器前排气管中的温度),t1进=38℃(取机舱温度),将上述参数及计算出的Mex代入式(4)中,则:Qex=91124.13×1.05×(402-38)=34.83×106kJ/h1.3.4冷却水的加标试验Qcw=Mcw×cpw×(t2排-t2进)(6)式中:Qcw——柴油机冷却水带走的热量,kJ/h;Mcw——冷却水的质量流量,kg/h;cpw——冷却水的平均比定压热容,kJ/(kg·℃);t2进——冷却水的进机温度;t2排——冷却水的出机温度。取水的密度ρ=1×103kg/m3,水的平均比定压热容cpw=4.192kJ/(kg·℃),t2排=81℃,t2进=71℃,冷却水泵的质量流量Mcw=165m3/h×103kg/m3=165×103kg/h,则:Qcw=165×103×4.192×(81-71)=6.92×106kJ/h1.3.5cpo—Qco的计算Qco=Mco×cpo×(t3排-t3进)(7)式中:Qco——柴油机滑油带走的热量,kJ/h;Mco——滑油的质量流量,kg/h;cpo——滑油的平均比定压热容,kJ/(kg·K);t3进——滑油的进机温度;t3排——滑油的出机温度。取滑油的密度ρ=0.86×103kg/m3,平均比定压热容cpo=2.0kJ/(kg·℃),t3排=54℃,t3进=45℃,有供给主机本体滑油的质量流量Mco=395×0.65×0.86×103=220.81×103kg/h,则:Qco=220.81×103×2.0×(54-45)=3.97×106kJ/h1.3.6消耗的热量相关的计算余项损失Qr包括机体散热损失、不完全燃烧损失、部分机械损失(未被冷却介质带走的摩擦热、驱动辅助机械消耗的热量等)及废气动能损失等,此部分热量难以测量,只能用下面公式进行计算,即:Qr=Qf-(Qe+Qex+Qcw+Qco(8)将上述的计算结果分别代入式(8)中,得:Qr=101.95×106-(53.46+34.83+6.92+3.97)×106=2.77×106kJ/h=769.44kW1.4热平衡通过以上的计算,可得:Qe/Qf=52.4%Qex/Qf=34.2%Qcw/Qf=6.8%Qco/Qf=3.9%Qr/Qf=2.7%即柴油机的发热量仅有50%左右的变成了有效功,而排气、冷却介质及其他途径带走的热量约占到50%,本船主机的热平衡图见图1。2余热锅炉作余热回收船舶柴油机余热的利用,应该按照其品质的高低进行合理的利用,一般以“按质供能,各用其所”的原则,对于动力利用价值较大、品位较高的余热,从节能角度应该用于作功以回收动力,通常是通过余热锅炉产生蒸汽驱动汽轮发电机产生电能;对于低品质的余热,一般直接作为其它设备的加热热源使用,如在海水淡化装置和船用溴化锂吸收式制冷机中的应用,这样才能做到对船舶余热的合理利用,提高热能利用率和节约能源。2.1废气锅炉利用的能量该船主机缸套冷却水余热的利用是作为造水机的加热热源,主机排气余热的利用是使用了废气涡轮增压器和废气锅炉,其中排气余热的利用情况计算如下。1)增压器利用的能量(Qex1)计算。Qex1=Mex×cpex×(t4进-t4排)(9)式中:Mex=91124.13kg/h,cpex=1.05kJ/(kg·℃),t4进=402℃,t4排=279℃,则:Qex1=91124.13×1.05×(402-279)=11.77×106kJ/h2)废气锅炉利用的能量(Qex2)计算。Qex2=Mex×cpex×(t5进-t5排)(10)式中,Mex=91124.13kg/h,cpex=1.05kJ/(kg·℃),t5进=273℃(t5进比t4排低6℃,原因是考虑到管路的散热损失),t5排=175℃(防止低温腐蚀),则:Qex2=91124.13×1.05×(273-175)=9.38×106kJ/h3)排气没有被利用能量(Qex3)的计算:Qex3=Qex-Qex1-Qex2=(34.83-11.77-9.38)×106kJ/h=13.68×106kJ/h根据上面的计算,则有:Qex1/Qex=33.8%Qex2/Qex=26.9%Qex3/Qex=39.3%其排气余热的能量利用情况见图2。2.2主机冗余使用限制2.2.1压力和温度理论上讲,锅炉的排气温度越低,受热面积越大,排气余热利用越完全,但是,实际锅炉的加热面积和排气温度受以下3个条件限制,即:1)锅炉加热面积受排气阻力的限制。加热面积过大,则主机排气阻力过大,会造成背压过高,引起柴油机燃烧不良,导致柴油机故障。加装锅炉时,对四冲程柴油机,流程阻值不能大于(4~7)kPa,二冲程机不能大于(3~5)kPa;对已装有增压器的柴油机再加装废气锅炉,其流程阻值应在2kPa水柱以内为好。2)锅炉排气温度受低温腐蚀的限制。由于柴油机燃用的燃油含有硫分,燃烧后在排气中产生含有二氧化硫和三氧化硫等腐蚀性气体,这些气体一旦与水蒸气结合就会生成硫酸。当锅炉受热面的温度低于硫酸蒸汽的露点温度时,硫酸蒸气就在管壁上凝结而产生低温腐蚀。一般排气所形成的硫酸蒸气露点温度为130~140℃,考虑热偏差引起的温度不均匀,排气温度应留有一定的裕度,即一般情况下废气的出口温度不低于165~175℃。3)锅炉排气温度受窄点温差的限制。窄点温差是指废气锅炉蒸发段出口端燃气侧的废气温度与循环水侧的饱和蒸汽温度的最小温差,它是决定锅炉受热面的一个重要参数,也影响余热回收率和热力循环的热效率。窄点温差减少,可提高热循环效率和余热回收率,但太小,会引起成本增加和安装的问题,所以一般大于15~20℃。2.2.2溶剂溶剂的影响船舶柴油机的冷却余热包括缸套冷却、滑油冷却和增压空气的中间冷却3部分。缸套冷却水的出口温度一般在70~90℃之间,润滑油和活塞冷却油为45~55℃,最大持续功率时增压空气温度约为140~180℃。但是,实际利用这些冷却热量要受下面因素的限制,即:1)作为船上的低温余热(t≤60℃),由于其温度较低,直接使用会导致换热器面积较大,流程阻力增加。而且滑油冷却余热由于其温度较低、热容量小及滑油的污染作用,所以一般不利用滑油的冷却余热。2)柴油机缸套冷却水温度的上限值受限制。理论上讲,提高缸套冷却水的温度既能减少柴油机的冷却热损失,也能增加冷却热的利用程度。但缸套冷却水温度过高,会使润滑的边界条件变坏,柴油机的强度和可靠性变差,实船使用还没有足够的运行经验。3)增压空气余热的品质虽然很高,但使用时要受到以下两个条件的限制,即柴油机气缸的进气温度和进气阻力限制。当提高冷却水温去满足加热需要时,会引起进气温度的升高,造成充气系数降低;同时,附加的冷却管道会增加空气的流动阻力,也会造成进气量减少,最终都会引起柴油机的燃烧不良。4)受被加热对象的温度和热负荷等条件限制。由于加热对象的不同,在进行冷却热量分析时,必须考虑这些热量能否满足加热对象的需要。比如,利用缸套冷却热作为吸收式制冷装置的加热热源时,必须考虑制冷装置的热源温度限制,因为热源温度th是吸收式装置的一个重要参数,装置的制冷量大体上与热源温度的变化成线性关系,按照这些参数的常用情况,热源温度th可写成:th=84.547-0.719tx式中:tx——所制取冷媒水的温度。从上式可以看出,冷媒水出口温度愈低,则其热源的