船舶柴油机缸套水余热回收装置设计与实现(附件)【字数:13775】

摘 要摘 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。
目 录
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 项目的应用价值和现实意义 2
1.3国内外船舶缸套水余热回收研究现状 2
1.3.1国内研究现状 2
1.3.2国外研究现状 3
1.4本章小结 4
第2章 系统总体方案设计 5
2.1 系统结构设计 5
2.1.1 模拟余热源系统 6
2.1.2 余热回收系统 7
2.1.3控制系统 9
2.2本章小结 9
第3章 关键零部件设计 10
3.1冷热管管道计算与设计 10
3.1.1 实验装置所需管道基本要求: 10
3.1.2 流量的确定 12
3.2 水泵设计 13
3.2.1 泵的扬程计算 13
3.2.2局部阻力计算: 15
3.2.3泵的选择 17
3.3燃气炉的初步选型 19
3.4换热器 style="display:inline-block;width:630px;height:85px" data-ad-client="ca-pub-6529562764548102" data-ad-slot="6284556726"> (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({ });

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的设计 19
3.4.1设计方案 20
3.4.2初步选定 20
3.4.3验证 22
3.4.4核算 23
3.4.5设计结果 23
3.5本章小结 24
第4章 控制元件选型 25
4.1温度传感器的初步选型 25
4.2流量传感器的选择 25
4.3液体比列调节阀选型 26
4.4采集卡的选择 27
4.5 PLC控制器 28
4.6温度扩展模块 28
4.7触摸屏 29
4.8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 30
5.1 SolidWorks简介 30
5.1.1Solidworks软件的来源 30
5.1.2Solidworks软件各主要模块的介绍 31
5.1.3零件设计模块 31
5.1.4装配模块 31
5.2三维模型的构建 31
5.3实物平台的搭建 32
5.4本章小结 33
总结与展望 34
致谢 35
参考文献 36
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60~65℃升高到现在的80~85℃,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500~600℃,由于废气密度小,要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85~95℃和润滑油的冷却水,温度大约为50~60℃,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。

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