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1、0 大连海事大学大连海事大学 毕毕 业业 论论 文文 二二一二一二 年年 六六 月月 装订线 1 船舶综合节能系统的提出及其船舶综合节能系统的提出及其 管外降膜蒸发器的数值模拟管外降膜蒸发器的数值模拟 专业班级：轮机工程 2008-07 姓 名： 指导教师： 轮机工程学院轮机工程学院 2 内容摘要内容摘要 摘要摘要: 为了解决能源紧缺这一当今世界所面临的难题，同时响应党中央关于对节能减排 的号召，本文针对海洋热能储能巨大及船舶动力系统余热能浪费严重的现状创造性地提出 了一个船舶综合节能系统的的构想，并且以“育鲲“轮为例对该系统进行了热力学分析和 经济性能分析，理论证明该系统是经济可行的。 本文
2、在研究了船舶对海洋热能及动力系统余热能的利用现状之后，对船舶综合节能系 统进行了整体介绍，该系统主要由两个子系统组成。一个是基于有机朗肯循环的主机、焚 烧炉废气高位余热发电系统，该子系统回收主机燃烧废气和焚烧炉燃烧废气中的高品位热 能，根据“按质用能，各用其所”的原则，这部分高品位热能被用作作功发电，以回收动 力；另外一个是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，该子系统回 收船舶低温淡水冷却水中的热能，同时吸收海水中的热能，这部分低品位热能被用作锅炉 热源以产生蒸汽。最后通过对该节能系统与船舶现行系统的对比分析表明该系统每年可以 开发海洋热能，回收余热能，其追加投资回收年限为a
3、kJ /1016 . 2 10 akJ /1077 . 9 10 2.93 年，符合经济性能指标。 最后本文针对于该系统的核心部件管外降膜蒸发器进行了原理分析和数学建模。 水平管外降膜蒸发技术是一种发生相变的高效节能换热技术，具有传热性能好、传热温差 小、换热效率高、可利用余热等优点。因此广泛用于低品位余热回收系统。本文利用大型 通用有限元分析软件 ANSYS 对管外降膜蒸发器的多组分流动场，热应力耦合场和相变温度 场进行了二维和三维数值模拟，计算出了水平换热管和蒸发器的最大热应力及其作用点， 并且通过温度、压力分布云图这一表达形式直观地表现出了整个换热器的工作状态，为船 舶综合节能系统的设计
4、和实现提供了依据。同时对于管外降膜蒸发器的科学研究和工程应 用具有一定的指导和实践意义。 关键词：关键词：船舶节能 经济性 管外降膜蒸发器 数值模拟 3 The proposition of Integrated Energy-saving System of Ships and numerical simulation of Outside Falling-film Heat Exchanger ABSTRACT In order to solve the energy poverty, one of difficult problems the world confronted with,
5、 and respond the governments exhortation about saving energy and reducing emission, considering the fact that the oceans have tremendous reserve in heat energy and waste-heat of power system isnt made good use of aboard, the present study put forward the idea of the Integrated Energy-saving System o
6、f Ships creatively, and take “YUKUN” as a example, thermodynamic analysis and economic performance are studied, it finally proves practical and economical. General introduction to the system is done after a research on the current exploitation situation of ocean heat and waste-heat on board. The sys
7、tem is comprised of two branches, one is based on Organic Rankine Cycle named Diesel Engine、Incinerator Waste Gas High-Grade-Heat Generation System, which recovers the heat in high-temperature gas to generate electricity according to the principal of quality decide how to make use of the heat; anoth
8、er one is based on Double Compressive Heat Pump Cycle named Sea Water、Cooling Water Low-Grade-Heat Steam-Generation System, which recovers the heat in the low-temperature water to heat water and provide steam for the ship. Through the comparison between the energy-saving system and the existing syst
9、em, conclusion is obtained that the energy- saving system totally exploits ocean heat per year, recover waste-heat kJ 10 1016 . 2 per year, and its extra investment compensatory time is 2.93 years, in kJ 10 1077 . 9 line with economic performance rules. At last, principal analysis and numerically mo
10、deling of the core component- Outside Falling-film Heat Exchanger, this technology is a kind of phase-change effective energy-saving technology. The advantages of the high heat transfer capability with small temperature differences and mass transfer potentials at low liquid flow rates helps to utili
11、ze low-grade waste heat. The paper utilize finite-element method, by ANSYS software, numerically simulates multiple species flow field、thermal stress coupling field and phase change temperature field, computing the maximum thermal stress and its location of horizontal tube and exchanger and deliveri
12、ng the working state of the entire exchanger directly through temperature and pressure distribution figure. This provide foundation for the the design and realization of the Integrated Energy-saving System of Ships and has a guiding and practical meaning in research and engineering management of the
13、 Falling-film Heat Exchanger. Keywords: Energy-saving of Ships; Economic Performance; Outside Falling-film Heat Exchanger; Numerical Simulation 0 目目 录录 前言1 1船舶对海洋热能及动力系统余热能的利用现状2 1.1 船舶对海洋热能的利用现状2 1.2 船舶对动力系统余热能的利用现状5 1.2.1 船舶排气损失的利用方案6 1.2.2 船舶冷却损失的利用方案7 2船舶综合节能系统的提出8 2.1 系统整体介绍8 2.2 基于有机朗肯循环的主机、焚烧
14、炉废气高位余热发电系统.10 2.2.1 系统原理分析.11 2.2.2 系统热力学分析.12 2.3 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.13 2.3.1 系统原理分析.13 2.3.2 系统热力学分析.15 2.4 系统经济性分析.18 2.4.1 全年节约燃油费用.19 2.4.2 额外投资成本.22 2.4.3 额外投资回收年限.22 2.4.4 系统经济性数据表.22 3管外降膜蒸发器的数值模拟.23 3.1 降膜蒸发器的工作原理 .24 3.2 降膜蒸发器的数学模型.25 3.2.1 质量守恒方程.25 3.2.2 动量守恒方程.25 3.2.3 能量守恒方程.2
15、6 3.2.4 管内对流换热系数.26 3.2.5 管外换热系数.26 3.3 基于有限元分析软件 ANSYS 的降膜蒸发器数值模拟.27 3.3.1 二维管道模拟.27 3.3.2 三维管道模拟.33 4总结.35 1 参考文献.35 致谢.37 附录.37 附录 1 “育鲲”轮燃油锅炉、柴油发电机组和焚烧炉的主要性能指标 37 附录 2 工质 R134a 的物理性质和热力性质图表 .39 附录 3 水蒸气的焓熵图 .41 附录 4 ANSYS 流固耦合热应力分析命令流41 1 船舶综合节能系统的提出及其船舶综合节能系统的提出及其 降膜蒸发器的数值模拟降膜蒸发器的数值模拟 前言前言 能源和环
16、境是一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一。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。【1】 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（CCS）在“十一五” 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
