摘要：二冲程船舶发动机的能源利用问题已经成为全国炽手可热的问题，能源消耗量大然而利用率低下，导致能源日益紧缺，因此提高能源利用率势在必行。此项设计的主要目的是选择合适换热器并对换热器进行设计，以对二冲程船舶发动机缸套水的余热进行高效回收。本文先是分析了国内外余热回收技术的发展情况及余热回收在二冲程船舶能源利用方面的重要意义；其次根据使用环境等问题选择合适的换热器并分析结构和性能；最终根据已知的热传递要求以及缸套水的工作条件进行换热器计算，计算主要包括换热器的传热工艺计算和结构设计计算，以保证设计的换热器在传热及尺寸方面不仅满足传热要求还能最大程度的降低成本。

　　伴随着全球经济交往的日益密切，作为重要的运输手段，船舶发挥了无与伦比的用处。柴油机作为船舶的主要动力来源，关于其能源利用率不高的问题已经成为世界关注的焦点。能源消耗率过大，除了严重造成了能源的浪费，还使世界能源短缺危机进一步恶化。为了使这一严峻形势得到有效遏制，解决能源利用率不高的问题刻不容缓。自从世界性的石油危机发生以后，人们对节能减排投以越来越多的关注。目前船舶节能减排取得的主要成就仅仅只是将其排放的废气进行转化控制，从而提高柴油机的功率以及将释放出的水蒸气加工成人们航行过程中所需要的水资源，但与此同时，大家却没注意到船舶发动机中的缸套水所蕴含的巨大热能。随着船舶行业的快速发展，柴油机缸套水的出口温度也得到了极大程度的提高，冷却水热能的质量也因此有所提高，同时也更方便于冷却水的余热利用。是以对柴油机缸套水余热进行回收，不仅能够有效缓解经济危机还能极大效率地改善环境问题[1]。

　　由于发动机启动，怠速等特殊情况，使得缸套水具有的热能忽高忽低，若不受这些特殊情况的影响，缸套水温度离最佳温度范围就会有所差距，导致发动机性能降低。因此若能将缸套水的余热进行回收，充分利用这一巨大能源，既能缓解能源危机又能减小航运过程的能源消耗，减小成本。此次设计就是为了选择合适的换热器对缸套水余热进行回收，这对于缓解世界性的能源紧张问题及巨大的成本消耗问题无疑是一个很好地选择。

　　余热，顾名思义，就是多余的热量。严格定义为受一些不可逆的因素，在已投运的耗能设备中，未被发现使用的热能。余热回收就是将这一部分热量进行回收利用，提高能源利用率。

　　对于船舶行业来说，船舶柴油发动机的热效率甚至不及50%，大部分废热通过高温废气与缸套水两种形式释放到大气中，不仅严重浪费能源还造成了严重的环境污染。由于高温废气密度小，若对其热量进行回收需要有足够大的换热设备，这项尝试在空间有限的船只上难以付诸实践。而缸套水可直接用于热交换，为船上人员提供生活所需的水资源，再利用缸套内的水的热量，除了能节约将近15%的能源，还能充分的改善环保问题。

　　根据2017年《第十三个五年规划》，规划明确提出要加快生态环境改善的步伐，促进资源保护和利用，提高环境综合治理强度。将节能减排作为主要目标和任务。作为一大重要交通运输工具且能源消耗量巨大，如果船舶的节能减排工作可以得到一定的改善和增加，会有很多的好处，比如航运的成本会降低，并且环境也会得到改善。其中，关于船舶用柴油发动机废热回收技术的研究，加速了中国船舶节能减排的道路。如今，能源紧缺的形势越来越严峻，运输费用越来越高。若能综合利用船内各种能源，不仅能减少经济上的支出，还能降低船舶发动机污染物的排放。因此，对船舶缸套水废热回收的研究极具重要意义。

　　宁波大学的吴伯才经过对船舶余热的观察研究，阐释了提高船舶能源利用率的必要性以及带来的巨大经济效益，并指出了该如何合理利用余热。此外，他还提到废热的利用除了取决于废热的使用量，还取决于废热的质量，改善废热利用的经济效益。在废热温度上升时，其质量也会大幅度提高，质量越高，其利用价值也就越高。公司的期望收入能否超过投资，是决定公司是否投资船舶柴油发动机废热的首要因素。

　　李嵘峰基于对燃气轮机内部水输送的热量的分析，设计了换热器，证明了用燃气轮机内部水加热燃机天然气进气的方法切实可行，最终实现回收燃气轮机内部水余热，节约能源的目标。

　　2008年12月8日，首批搭载废热回收系统的7RTA84TD柴油机是由大连马林柴油发动机股份有限公司成功生产的。该系统三个部分组成，分别为低压蒸发器、高压蒸发器以及高压过热器。该系统利用双重压力的废热锅炉，基于Wartsila废热回收技术，Wartsila方案的动力涡轮被废止，使用双重压力的废热锅炉的蒸汽生产电力，以供船舶上人员使用[2]。截止现在，已经设置了2台32万吨的VLCC，均引进了废热利用系统，在负荷超过55%时，能够产生1100KW电能。

　　大连海事大学的郝俊利研究计算了一艘实际船只可利用的废热以及使用船的柴油机的废热加热和处理装载水的技术。将原来的闭水系统变更为开放系统，实现了冷凝式的均匀换热大气压节能，通过更换原生态发生器，入口水温约为14℃。换热后的出口水温增加到60℃以上的话，节能器的效率会增加，锅炉的煤气消耗量会减少5.1%以上，可以有效地节省煤气能源。

　　西门子集团基于推进器开发了废热回收装置。这个设备可以回收船上主引擎的废热能量，并将回收的能量传送到船上的能量网络。这个装置可以很大程度的提高能源利用率，还能充分的提高船舶的承载力度，取得令人满意的紧急效益。大大改善了船舶系统的动力和电气性能，12%的主发动机输出来自设备，增加了船舶主发动机和发电机的修理时长，减少劳动力消耗。20世纪80年代初，一套用于柴油发动机排热的完整发电装置在科隆开发成功，由大型柴油机、废气锅炉、汽轮机等构成。研究开发的最初目标是，通过发电实现柴油废热的再利用和燃料消费的削减。该装置组套由柏林大学海洋柴油发动机发电所研究所和西德KHD电力设备公司开发。此装置可以二次利用柴油机的废热进行发电，降低燃料消耗量[4]。ABBA和Wartsila多年来利用各种方法回收废气的热能。例如，在发动机上安装了很多功率涡轮回收多余的能量，能回收10%的主发动机功率，正因此，大型集装箱船每年的燃油消耗量可减少8000t左右。Wartsila主要通过优化涡轮和锅炉的布局，回收利用了柴油发动机输出功率的11%，有效减少了有害气体排放。关于船舶主机，MAN研发出了一种新型的废热回收系统，可以使主机组温度大幅上升。这个系统是以蒸汽轮机和废热锅炉使用时的蒸汽压力为基础，主要由单压力TES系统和双压力TES系统[8]组成。

　　热交换器是在存在温度差的流体之间实现物质之间的热传递的一种装置，它能够将高温流体所具有的热能传递至低温流体，使最终温度达到理想要求。除此之外，换热器还能够用于提高能源利用率。在众多领域有着举足轻重的地位。

　　间壁式换热器是指用固体壁(管或板)将高温流体与低温流体隔开的一种装备，经过固体壁进行热量的传递与交换。主要有夹套式换热器、蛇管式换热器、管壳式换热器、板式换热器等几种形式。

　　这种换热器属于管式换热器，并且使一种设计简单方便的换热器其，通过不规则形状的圆柱形或平板形的蛇形管子来传递热量。这种蛇管的形状主要是由容器的形状来决定的。这种换热器按结构形状可以分为两种，沉浸式（如图2-1）和喷淋式两种（如图2-2）。

　　优点：结构简单；方便安装、清洗、维护；价格便宜；适用于高压流体的冷却、冷凝。

　　管壳式换热器（如图2-3）别称是列管式换热器，其实就是管子和管板相连，然后通过壳体固定的一种换热器。

　　优点：造价便宜；维修检查方便；结构坚固；弹性大；适用范围广；可靠程度高。

　　板式热交换器（如图2-4）是一种新型的高效热交换器，是按照一定的排列间隙，把传热板通过垫片压紧而形成的。板片交叉排列，并且在他们之间会形成较小的网形流道。高温流体与低温流体被密封垫片封锁在换热器里，合理又准确的将这两种流体在各个通道里分开，这两种流体在流道里，可以逆流，也可以合流，板片在流动过程中起到换热作用。板式热交换器是实现液-液及液-蒸汽热交换的理想装置。

　　板式换热器和其他换热器相比，板式换热器有很多的优点，结构紧密，并且制造成本低，流体之间的热交换也很顺畅，而且体积较小，安装过程操作简单，运行稳定。充分满足船舶发动机废热回收的技术要求。

　　设计计算主要是要确定给定工况下的板片设计及其流程组合或者是确定设计是否符合给定工况的要求。

　　板片上会进行热量传递和交换，正因如此，所以板片是板式换热器的重要零件，所以其是板式换热器中重要的传热元件。此外，板片还需要承受板片两端的压力差。它主要是为了两个因素而设计的: （1）改善流体低速出现湍流时的传热量。（2）提高板块刚度抗压能力。由于板式热交换器的出现，各种形式的波形板被设想为实现高板热传递效率、低流体阻力和高压力容量的工具。最常用的是人字形波纹板片[如图3-1-(a)]和水平平直波纹板片[如图3-1-(b)]。

　　除船舶体积有限，缸套水的工作压力也相对较低，并且人字形波纹板相接触时，承受压力范围较大，且传热效率高，因此优先考虑选择人字形波纹板片。

　　对于较大的换热器，在确定板块类型时，如果板的数量过多，就会产生流速变慢，板之间的热传递系数变低等问题，所以不建议选择板面积过小的板。

　　流程就是在一种流体的一个方向上的一种横向的流动通道。两个相靠近的板块之间会有空隙供给介质通过，这样就是流道。流动的通道有不同的组合，根据连接的方式，比如并行或串联连接，就会有高温和低温介质流动通道。为了根据特定的要求使流体在板块带之间流动，会在每个板条的四个角上开一个洞然后粘贴垫片，板片上的四个角孔，形成了流体的分配管和汇集管。之后，它们排列整齐，形成一个叫做流程组合的流体通道。

　　换热器可以分成单流程、双流程、三流程及多流程等种类（如图3-2），其划分主要依据是介质的流量和温差之间的差异。

　　流程组合可以在热交换和流体阻力计算的基础上进行初步估计，最终在符合所需要求时候进行最终确定。为了获得最佳的热传递效果，获得较大的传热系数值，要求使冷水和热水流道的对流热传递系数相同或近似。虽然板块热交换器的板块间流速不相等，但在热传递和流体电阻的计算中，继续使用平均流量计算。一般来说，使用并联U型的流程组合，即单流程组合。通过这个过程的组合，可以将冷流体和热流体的入口和出口安装在同一侧，便于分解和清洗。

　　板片的材料不仅需要考虑成形时候所需的材料刚度，韧性等，还必须考虑材料的耐腐蚀能力。

　　因为板片是由非常薄的金属板制成的，最薄的部分厚度约为0.5mm。长时间工作下的冷却水在高温下具有一定程度的腐蚀性。因此板片的加工需要选择耐腐蚀材料。

　　垫片能承受的温度即板式换热器的工作温度；垫片会因为工作的压力而受到影响。

　　能够让设计的热交换器在符合传热方程时同时，又能满足所需的热传递面积、热传递系数、总热传递系数、平均温差等方面的其他综合计算，这就是热力计算的目的。对数平均温差法时的计算过程框图（如图4-1）。

　　软化水或蒸馏水 城市用硬水（加热时） 0.000009 机器夹套水 0.000052

　　在逆流的情况下可以采用修正对数平均温差来确定平均温差，即先考虑逆流后进行修正。

　　其中Δtmax和Δtmin——逆流换热时冷热两流体端部温差的大值和小值，℃；

　　（1）处理能力：处理主机负荷100%，25300kg/h的柴油机缸套水；

　　根据表4-1可知，板式换热器水—水介质总传热系数K在2900~4650W/m2·K范围内，根据已知条件，预选总传热系数K’=3000W/m2·K。