主机焚烧炉废气高位余热发电系统系统原理分析系统热力学分析基于两级压缩式热泵循环的海水冷却水低位余热供汽系统系统原理分析系统热力学分析系统经济性分析全年节约燃油费用额外投资成本额外投资回收年限系统经济性数据表管外降膜蒸发器的数值模拟降膜蒸发器的工作原理降膜蒸发器的数学模型质量守恒方程动量守恒方程能量守恒方程管内对流换热系数管外换热系数基于有限元分析软件的降膜蒸发器数值模拟二维管道模拟三维管道模拟总结参考文献致谢附录附录育鲲轮燃油锅炉柴油发电机组和焚烧炉的主要性能指标附录工质的物理性质和热力性质图表附录水蒸气的焓熵图附录流固耦合热应力分析命令流船舶综合节能系统的提出及其降膜蒸发器的数值模拟前言能源和环境是个国家或社会可持续发展的重要支柱，是经济发展国家安全和人民健康生活的重要保障。然而，能源的紧缺和环境的恶化是当今世界所面临的两大难题。随着世界经济的发展和能耗的增加，能源和环境问题己成为全世界关注的焦点。在我国，近年来随着经济的高速增长，能源消费呈持续上升趋势，能源问题已成为制约国民经济可持续发展的主要问题之。人均能源资源占有量少能源利用效率远低于发达国家水平是我国能源利用的现状，实施先进节能技术提高能源利用效率，是目前我国能源领域中最重要最迫切的问题。坚持科技先行高效节约国际合作多元发展清洁环保的中国特色能源发展道路是实现社会经济在高效低耗中健康发展的关键，也是我国能源领域可持续发展的重要战略思路。为贯彻落实党中央国务院关于节能减排的号召，中国船级社在十五期间将启动绿色船舶计划，以满足我国船舶工业由海洋大国向海洋强国发展的需要，实现可持续发展。届时中国船级社将发起成立跨部门跨行业的船舶节能减排研究小组，联合我国政府有关部门船舶工业和航运界的力量共同发展相关研究工作，全面提升中国船级社在节能环保和减排方面的现代技术服务能力。在开展国际国内节能环保减排政策研究的基础上，针对我国节能减排技术整体实力较为薄弱的现状，推进新造船和现有船舶节能减排相关措施。船舶动力装置为船舶航行提供所需的切动力，目前，柴油机因其具有较高的热效率功率覆盖面大启动迅速经济性好等特点，在商用船舶动力装置中得到了广泛应用随着船用柴油机技术的快速发展，目前，现代低速二冲程柴油机的热效率可高达以上，但仍有约的热量不能转化为有用功，存在着大量的热能损失和浪费，其中最主要的就是船舶主机排放的高温废气中的热能损失和船舶冷却水中的热能损失。柴油机排气温度般在之间，冷却损失主要包括缸套冷却损失增压空气冷却损失和滑油冷却损失。除此之外，船舶航行于海洋之中，有广阔的潜在能源可以利用，即海洋能。海洋作为容量巨大的可再生能源库，以热能形式储存在海水中的太阳能尚未得到充分的开发和利用。进人海洋的太阳辐射能部分转变为海流的动能，而更多的是以热能的应于上述有机朗肯循环原理，本系统有机朗肯循环的四个过程为在废气余热蒸发器余热锅炉中，被废气流预热汽化，变成过热蒸汽，吸收了经废气锅炉之后的主机排烟余热能，可视为等压吸热过程在蒸汽轮机中，过热蒸汽通过喷嘴将压力能转化为动能从而推动叶片转动，叶片带动透平发电机旋转产生电能。蒸汽在汽轮机中膨胀作功的过程可视为可逆绝热膨胀过程在冷凝器中，由汽轮机排出的低压乏气进入冷凝器被冷却水冷却为液态，可视为可逆等压放热过程循环工质在经过储液罐和工质泵过程中，工质蒸汽被冷却为液态进入储液罐，通过工质泵升压并送至废气余热蒸发器余热锅炉，此过程可视为可逆绝热压缩过程。余热锅炉冷凝器储液罐焚烧炉大气冷却水燃烧废气热泵工质冷却水液态气态废气锅炉图基于有机朗肯循环的主机废气余热发电系统简图系统热力学分析在正常工作时，工质处于稳定流动状态，下面分析单位质量工质的热力过程，乘以工质的质量流量为工质泵的额定流量，为效率即为总量，表为根据附录查得的各状态点状态参数。表各状态点状态参数点号各热力过程的能量关系如下单位质量吸热量每千克工质从余热源吸取的热量。单位理论膨胀功理想循环过程中工质对外输出的功。单位实际膨胀功实际循环过程中工质对外输出的有效功。其中，汽轮机的等熵效率，汽轮机的机械效率，取单位理论放热量理想循环过程中每千克工质在冷凝器中放出的热量。单位实际放热量实际循环过程中每千克工质在冷凝器中放出的热量。单位工质泵作功外界工质泵对工质作功。理想循环的热效率实际循环的热效率基于两级压缩式热泵循环的海水冷却水低位余热供汽系统该系统的设计思路来源于瑞典已建成的大型海水源热泵空调系统，其供热供冷系统是由海水取水构造物海水泵站热泵站供热与供冷管网用户末端供热供冷系统组成。瑞典的海水源热泵站中安装的大型热泵机组单机容量有。瑞典热泵站安装六台瑞士制冷公司生产的整机离心式热泵制冷机组,年，用制冷剂更换了台机组，本系统的模型即基于本机组，另外本系统在单级蒸发压缩式热泵循环原理的基础上采用两级压缩两级节流的系统设计，有效利用船舶冷却水余热，提高了冷凝温度锅炉加热温度，使热泵锅炉的蒸汽压力能够满足船舶用汽需要。大大提高了经济性。本系统采用的热泵工质为氟里昂。系统原理分析单级蒸发压缩式热泵循环的原理可参照图。系统由压缩机冷凝器节流阀或膨胀阀和蒸发器组成。他们之间用管道连接成个封闭系统，热泵工质在系统内不断地循环流动。其工作过程是蒸发器内产生的低压低温热泵工质蒸汽，经过压缩机压缩使其压力和温度升高后排入冷凝器在冷凝器内热泵工质蒸汽在压力不变的情况下与被加热的水或者空气进行热量交换，发出热量而冷凝成温度和压力都较高的液体高压液体热泵工质流经节流阀，压力和温度同时降低而进入蒸发器低压低温热泵工质液体在压力不变的情况下不断吸收低图蒸气压缩式制冷原理冷凝器蒸发器液管排气管压缩机膨胀阀位热源空气或水的热量而又汽化成蒸汽，蒸汽又被压缩机吸入。这样就完成了个热泵循环，热泵循环在图与图上的表示如图所示。图单级蒸发压缩热泵循环图与图从图中可以看出，为冷凝器的单位质量制热量，为蒸发器中的单位质量吸热量，为压缩机所作的单位理论压缩功。图显示了基于上述蒸发压缩式热泵循环原理的系统简图，本系统整体上为全船供汽系统，它由热泵锅炉和废气锅炉组成，两者之间的关系为废气锅炉是热泵锅炉的附加受热面，废气锅炉的供给水由热泵锅炉经强制循环泵供给，即二者构成锅炉水强制循环。热泵锅炉是压缩式海水冷却水源热泵系统的冷凝器，蒸发器吸收的海水热量和冷却水热量加上离心式压缩机的作功在冷凝器热泵锅炉中集中传递给锅炉水使其蒸发向全船供汽。蒸发器闪发器热水井预热器热泵锅炉燃烧废气热泵工质锅炉水海水冷却水液态气态主机蒸汽总管加热燃油空调生活用汽分油机等滑油冷却器缸套水冷却器空气冷却器空压机等滑油冷却器缸套水冷却器空气冷却器空压机等废气锅炉图基于压缩式热泵循环的海水冷却水低位余热供汽系统简图本系统在单级蒸发压缩式热泵循环原理的基础上采用两级压缩两级节流的系统设计，提高了冷凝温度锅炉加热温度，使热泵锅炉的蒸汽压力能够满足船舶用汽需要。图显示了两级压缩两级节流压缩式热泵的图。系统工作过程为蒸发器出来的制冷剂蒸汽经离心式压缩机压缩到中间压力过程，而后与闪发器来的饱和气体制冷剂混合到点与混合，再次经离心式压缩机压缩到冷凝压力过程，而后送入冷凝器中冷凝到饱和液体过程。经过过冷器过冷过程，在冷凝器和过冷器中实现了供热产生蒸汽的目的。状态的制冷机经高压节流阀节流过程，在闪发器中分离出的饱和液体制冷剂状态经低压节流阀节流过程，进入蒸发器吸热汽化，实现了提取海水中热量和冷却水中余热能的目的。图两级压缩两级节流压缩式热泵系统图系统热力学分析确定工作参数在热力分析计算之前首先应该确定热泵循环的工作温度及工作压力，其中最重要的就是蒸发温度蒸发压力和冷凝温度蒸发压力。蒸发温度蒸发温度即工质在蒸发器中沸腾吸热时的温度，它主要取决于低温热源的温度和蒸发器的结构形式。对于以液体如水或者盐水为介质的蒸发器，其传热温差为，取，即式中蒸发器进口液体的进口温度。对于育鲲轮，该系统式中中央冷却器的海水进口温度，取中央冷却器的冷却水进口温度，取冷凝温度冷凝温度即工质在冷凝器中凝结放热时的温度，它也取决于所采用的供热介质和冷凝器的结构形式。对于以水为介质的冷凝器，冷凝温度为式中冷凝器供热水进口温度取冷凝器供热水出口温度。取由于该系统两级压缩，所以有两个冷凝温度，个为热泵锅炉中的冷凝温度另个为高压节流阀之后的闪发器中的冷凝温度。对于育鲲轮，热泵锅炉的运行参数取燃油锅炉的参数，闪发器的工作参数按照最大性能系数原则取热泵锅炉冷凝温度的计算，即吸气温度工质蒸汽进入压缩机前的温度应根据低压蒸汽离开蒸发器时的状态及吸气管道中的传热情况来确定。般情况下过冷温度液体过冷后的温度取决于供热介质的温度和过冷器的传热温差。通常取过冷温度较同压力下的冷凝温度低左右，即压缩热泵循环的热力计算确定热泵的工作参数之后，根据工作温度绘制热泵循环的压焓图如图所示。图压缩式热泵循环图查的热力性质图表得到各状态点的状态参数如表所示表各状态点状态参数点号单位质量吸收热每千克工质蒸发器中从低温热源吸取的热量单位理论压缩功压缩机输送每千克工质所消耗的理论功单位实际压缩功压缩机输送每千克工质所消耗的实际功式中考虑不可逆损失的指示效率考虑摩擦的机械效率，取压缩机轴效率，取单位理论制冷量压缩机输送每千克工质蒸汽在冷凝器中放出的理论热量单位实际制冷量压缩机输送每千克工质蒸汽在冷凝器中放出的实际热量工质循