文丨漫仔说

编辑丨漫仔说

前言

随着现在柴油发动机逐渐成为船只的主要动力来源，所以迫切需要开发能够有效解决能源短缺和环境污染问题的新技术。

为此，本研究设计并建模了结合二冲程船用柴油机、余热回收、吸收式制冷、海水淡化、海水脱硫的多级集成系统，可合理利用各种形式的发动机余热，满足船舶日常供应和更严格的排放要求，提高热效率。通过与现有实验数据的比较，验证了仿真结果的准确性。

在展示柴油机优良的瞬态响应特性的基础上，讨论了循环燃油喷射增量比、膨胀比、蒸发压力等参数对综合系统性能的影响，此外，还在最佳运行条件下计算了热效率、火用效率、冷却能力和淡水产量。

最后，研究了脱硫性能和综合系统对能效设计指标的影响，结果表明，该综合系统的脱硫率超过94%，且EEDI满足2020年的排放要求，因此，该设计是可用的和有效的，为研究船舶的能源消耗和排放问题提供了一个可行的思路。

研究背景

近几十年来，世界一直面临着严重的环境问题和严重的能源危机，这从燃料价格的上涨、空气质量和化石燃料储备的下降中就可以明显看出。

因此，迫切需要提高能源效率的新技术来节约能源和减少排放。由于全球船舶数量的显著增加，以及一些地区的海上贸易的蓬勃发展，能源消耗量正在以惊人的速度增长，这加剧了能源短缺的问题。

为了减少船舶造成的污染，国际海事组织通过了《防止船舶污染的国际公约》，此外，国际海事组织还颁布了关于在严格排放控制区域航行的船舶降低氮氧化物和硫化物排放的三级执行条例。

国际海事组织还提出了用EEDI来建立一个最低能效标准来评估船舶的能源效率，为了满足节能减排和EEDI的要求，余热回收技术被认为是降低柴油发动机能耗最有效的手段之一。

二冲程船用发动机的高效率尽管有一定的改善作用，但还是有很大一部分未使用的能源以各种形式的损失，为了减轻这些能量损失，研究人员提出了各种方法来提高船用发动机的能源利用，如多种形式的废热交换技术。

总的来说，在大型船舶上广泛使用的更成熟的项目之一是WHR技术，它通常包含一个余热锅炉和发电部件，利用WHR技术将废气能量转化为机械能或电能，可以提高发动机的效率，并减少污染物的排放。

同时，WHB产生的蒸汽除了可以满足汽轮机对工作流体的需求外，还可以为维持船舶的日常生活提供热能。

此外，许多新型的集成系统和工作流体也在等众多领域引起了广泛的关注。为了提高船用柴油机的热效率，科研人员研究了微藻生产的生物乙醇作为循环工作液的使用，结果表明生物乙醇材料在提高热效率方面效果更好。

为了满足船舶的日常需求，还开发了一种综合冷却、加热和动力（CHP）系统，可以实现不同能源利用的目的，上述材料作为工作流体使用的有机物在热回收效率方面比传统的工作流体具有明显的优势。

然而，从安全、稳定性和环境保护方面来看，水更适合作为循环工作流体在WHR系统中的实际应用。

实验思路

大型长途船舶不仅需要足够的加热来满足日常需求，而且在复杂的航行条件下还需要充足的冷却能力和淡水供应，为此在研究当中开发了一种含氨-水/水-libr工作液的单热余热制冷循环，用于研究不同方案下的最佳运行参数。

并且为了能够更加精确的反应出系统在实际应用过程当中的精确性，将一个由中低温热源驱动的制冷设备集成到一个发电系统中。

经济学方面，建立了RC与CHP相结合的系统进行数值分析和优化，仿真结果表明该耦合系统的性能优于单级系统，同样，许多研究人员也试图通过海水淡化技术来解决船上淡水供应充足的问题。

采用商业膜进行海水淡化实验。他们发现，反渗透技术消耗的能量最少，与其他方法不同的是，利用能用经济学原理，对与双回路钢筋混凝土和海水淡化装置集成的WHR系统进行了更深入的研究。值得注意的是，海水腐蚀等问题限制了海水淡化技术的广泛应用。

随着全球化程度的加剧，各国之间的贸易和海上运输正变得越来越频繁。虽然方便，但海上贸易和运输造成了大量的污染，对环境造成了不利的影响。

对于污染物，硫是环境污染的主要来源，因此引起了研究者的关注，为了减少船舶硫排放的上限，国际海事组织发布了2020年的硫排放政策，建立了一个测试台来分析替代燃料，他们的实验结果表明，废气中的硫的量明显低于常规燃料。

许多研究人员使用低硫燃料或替代燃料来减少废气源上的硫排放，而另一些研究人员则使用技术手段来减少废气产生过程中的硫排放，然而，就现有的技术条件来看，脱硫技术仍处于起步阶段，需要额外的工作来提高效率。

尽管WHR技术已经成熟并广泛应用于船舶，但没有研究人员或工程师设法确定一种减少硫污染的方法，同时满足冷却能力和淡水供应的日常需求，此外，国际组织提出的EEDI等有意义的指标在分析过程中往往被忽略。

本研究的主要目的是为了解决上述问题。基于热力学理论和简化的化学动力学机理，建立了一个多级集成系统的理论模型，包括二冲程海洋发动机模型、传统的WHR模型、吸收式制冷、海水淡化和海水脱硫。

同时，重点分析了余热回收综合系统中的夹点温度、酸露点等限制因素。由于所提出的集成系统是一个新的概念，因此还没有实验研究进行比较。

因此，通过对子分量的实验比较，验证了各子模型的准确性。对于数值结果，分析和讨论了各种参数，如发动机循环燃油喷射增量比、动力涡轮膨胀比、高压蒸发器蒸发压力对各部件性能的影响，以确定最佳运行条件。

在最优运行条件下，对综合系统的冷却量、子系统的淡水输出量、热效率和火用效率进行了数值分析和计算。最后，计算了海水脱硫的性能和有无WHRIS时的EEDI值。数值结果表明，该模型可为提高船舶能量回收的技术提供指导。

系统描述

多级WHRIS的原理图中包括一个二冲程船用发动机、WHB、发电机组件、吸收式制冷系统、海水淡化系统、海水脱硫系统。本研究提出的系统包括三个循环。

值得注意的是，在本研究中，来自发动机的废气作为高温热源，而WHB出口和护套冷却水的废气作为中低温热源。

废气回路：旁路阀安装在排气管出口，将废气分成两部分，以提高温度，一部分进入PT直接发电，另一部分进入废气涡轮增压器（EGT）以提高压缩机压力，该双路废气在进入WHB前将被混合。

随后，高温废气通过过热器、高压蒸发器和低压蒸发器的废气通道与来自水回路的蒸汽交换热量，最后，来自WHB出口的废气进入制冷系统的发电机，与制冷剂交换热量，然后进入脱硫装置，最终排入大气层中。

蒸气环管：循环水箱（CWT）中的水，由润滑油冷却水（LOCW）和中冷器冷却水（ICW）加热，分为两部分，其中一部分进入低压汽包，然后通过废气加热到低压饱和蒸汽，然后作为ST的气体供应。

另一部分进入高压汽包，并通过废气加热到高压蒸汽，然后它在SH中变成过热的蒸汽，最终进入ST，从ST出口排出的蒸汽通过JCW加热，作为中低温热源，在低压条件下在海水淡化装置中蒸发海水，最终进入CWT。

制冷剂和海水回路：与前两个循环相比，制冷剂循环和海水循环在多级WHRIS中只起到了很小的作用，但与集成系统同等重要。

水-liBr溶液通过WHB出口的废气加热，产生制冷剂蒸汽。然后，制冷剂蒸汽在冷凝器中冷凝，并进入蒸发器以吸收热量，从而实现制冷。

在另一个循环中，泵入蒸发器的海水被来自JCW的中低温水加热。部分海水蒸发成水蒸气，最终冷凝成淡水，储存在污水处理中，剩余的海水变成浓缩海水，进入脱硫装置，为海水脱硫提供原料。

实验结果与讨论

本节在传统WHR模型的基础上结合制冷和脱盐模型，充分利用中低温热源。首先，研究了发动机的瞬态响应特性。

然后，分析了各零部件的参数对工作性能的影响，研究了最佳运行条件。利用热力学原理和火用分析原理，研究了该系统的废热转换能力。最后，对脱硫性能和EEDI进行了详细的分析，为满足严格的排放法规提供了一种可行的技术手段。

由于海洋航行环境的复杂性和可变性，船用发动机的非设计工作特性是影响速度、扭矩、排气温度和排气质量流量的一个重要特征。

事实上，排气温度和排气质量流对WHRIS的效率有显著的影响，如何将载荷情况与上述两者联系起来是建立精确模型的基础。

然而，发动机负载并不是影响排气温度的唯一因素，后者在轻负载情况下仍然很高。这两种趋势之间的区别可以解释如下。所需的进气量随着发动机负荷的增加而增加，这最终导致排气质量流量的增加。

然而，发动机燃烧在轻负载情况下恶化，导致排气温度高，另外，每次发动机负荷情况发生变化时，排气温度和排气质量流量都表现出边际偏差，持续约15 s，之后又恢复稳定。数值计算结果表明，所提出的发动机模型具有良好的瞬态响应特性。

提高性能和减少污染物排放一直是研究人员和工程师的目标。本节研究了提高输出功率和热效率的最佳运行参数；

但是，由于WHRIS的计算复杂和过多的参数，我们只研究少数关键参数，包括柴油机循环燃油喷射的增量比、PT的ER和WHB中的高压蒸发压力。最后，根据最优参数确定冷却量和淡水产量。

笔者观点

定义了一个不包括制冷系统、海水淡化系统和脱硫系统的原始系统。在确定最佳运行条件后，可以准确地对WHRIS和等效WHRIS的整体性能进行全面的评价，并在热效率和火用效率方面与原系统进行比较。

本研究建立了一种新型的多级WHRIS，旨在充分利用发动机的余热，节约能源，减少有害排放，并满足船舶的日常需求。

参考文献

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