回收船用柴油机废热能促进废气低炭排放

工作时，燃料在气缸中燃烧放出大量的热能，气缸内燃烧温度正常在300～400 ℃，瞬时可高达1000～2000 ℃；除约35%的热能被转换成为有效的机械能外，为保证不致因高温热涨力度大降低机油的润滑性能，减少零件的强度、硬度及弹性，破坏各个运动机件相互之间的正常配合间隙，消除一系列的严重后果（死机），它通常是利用空气、水或排放废气来带走约65%的热能。它的废热气释放量多，到处排放含有污染性的物质，也往往因船舶的移动被忽视，因此回收柴油排放的废气热能尤显重要。本文依据物理学中汽化潜热概念，结合船舶舱室布局，思索着利用船底压舱水量举措柴油机的冷却系与排气系，回收这部分被水和废气带走的热能，最大化地减少废气排放量。

关键词 汽化潜热 回收热能 减排废气

一、柴油机

柴油机由缸盖部件、减压机构、配气机构、气缸体部件和油底壳部件、曲柄连杆机构、传动机构、燃料供给系统、润滑系统、冷却系统、电起动系统所组成，附加排气系统。

1.冷却系统

船用柴油机的水冷却方式通常为闭式，为进一步利用冷却后的95～105 ℃的流水量、回收废气夹带的热能量，有必要将闭式改革成为开式的水冷却方式。

采用开式水冷却方式的耗水量是闭式的6倍，这符合启用船底的压舱水量作为用水资源，但必须将冷却系原有的蒸汽空气阀（节温器）简化成为温控出水阀来适应，并可以拆掉散热器和发电机，使驱动它们的功率转让给水泵，以增加压输水的流量（或以提高储水箱的液面高度来增加）。

（1）水的性质。冷却水以软性淡水为佳，尽量少用海水，采用硬性水时应将它煮沸，以免整个装置内严重积蓄水垢。

（2）储水箱。以船底的压舱水量为源点，积蓄在箱内的水液面应当高于水泵。输水温度必须掌控在45～55 ℃，低于45 ℃或超过55 ℃时，热芯管及时通电或断电。以海水作为冷却水时，必须降低储水箱的蓄水温度约10 ℃，降低温控出水阀的输出水温度约20 ℃。

（3）水泵。额定施压输出水量为原有出水量的1.5倍，设置在水泵离心率作用下由2个节量的输出口分别向冷却系灌输2/3水量，向排气段灌输1/3水量。当冷却系流通水量暂时处在饱满状态时，它的支管道回流量是前者的2/3的流水量。

（4）温控出水阀。柴油机工作时机体内的正常水温在85～95 ℃，当输出水口的流水温度达到70 ℃时阀门开始开启，达到80 ℃时阀门全开，通过止回阀门管道向排气段的蓄水潜热箱输流。

当输出水口的流水温度未达到70 ℃或输出管道的止回阀关闭时，则回流孔口阀门全开，流水返归储水箱内；当输出水口的流水温度达到70 ℃时，该阀门开始关闭，80 ℃时全关闭。

2.排气系统

它置身在柴油机的体外，这是一个很有利于改编其构造的基础条件。柴油机燃烧时，约25%～30%的热能是随着它的废气排走的，回收这部分热能需优先保持它原有的排放废气性能。

（1）构造

柴油机排气管道的首部构造通常为直角弯节形，中部构造管道内通常设置着消声器械；使得这些部位的热能，随着废气在排放过程中在此处受阻减速，聚集的热能度极高；其废气温度可高达185～235 ℃。

采用冷却系的尾水，添加一定量较低温度的水，两者共同潜载吸取废气中的热能。它改编后的构造和汽化潜热举措内容，在船舶轮机舱中改革柴油机排气系后的汽化潜热装置截面示意图如图所示。它分成两个部分：一部分是在船舶轮机舱的汽化潜热装置，包括储汽室、蓄水潜热箱、热蒸水器、混淆汽化器、废气净化器；另一部分是在船舶压水舱的，悬置在压舱水液面之上的水汽化器装置。

①储汽室。它由蒸气（动力）输出阀口、自动减压（安全）阀、仪表、蒸汽输入口、器壳等零件组成的器械。

②蓄水潜热箱。它由液面压板、过渡汽室、带止回阀的消气输出管口、总输入水口、带止回阀的输出水口、箱体壳等零件组成。通常为直角弯节形的、首口部分的排气管道潜行在箱内饱和性的蓄水量中。

③热蒸水器。内容积约0.5～0.8 m3，后一部分的排气管道在器内。它有内外双层器壁壳（内壁壳为青铜材质），壁壳面之间的间隔在0.8～1.2 cm形成包容性的水套，两组以上的、孔径在1.5～2 cm的青铜材质U形管道，水套和U形管带止回阀的总输入水口和总输出水口，金属线导热体（以青铜材质为佳）和金属网罗，壁壳清杂口与其密封门等零部件；并与整套的废气净化器组合成为一个共同体的器械。

④混淆汽化器。内容积约1～1.25 m3，废气净化器中的1个对本装置的排放口向它的内容积贯通。由热汽水输入口、≥75%废气量的输入口、涡轮室、动力轴壁壳轴承密封座（驱动柴油机原有的发电机）、释放水压槽室、槽底表面上的偏形出水口、≥5.5 m2面积的陀螺式的流水渠槽板、混淆室、化解室、沸热汽水输出口等零部件组成。

⑤废气净化器。它安装在水潜热器内，并与其形成一个整体。由网罗式的进气口、金属丝材质的滤芯、 不小于1/2废气量的、向本装置内和1个可调控开闭度的向外（露天）排放口、壁壳清理杂质口与其密封门、器壳等零件组成。

⑥水汽化器。似上半个椭圆球形体为佳，安装位置高过于船底压舱水液面之上，充当了从轮机舱通往压水舱的流水渠道，是混淆汽化器的一套延续工作容积器械，可以由单节或多节联通体器械组成。

水汽化器由输入水口、蒸汽过渡室、蒸汽输出口、流水渠道室、多片的渠道中截面栏板、输出水口、器壳等零件组成。

⑦冷却与返还水量器。它是个固定泊位浮箱，上半体积浮现在压舱水的液面上，下半体积被压舱水淹没。由输进沸点水口、潜水泵、浮球式自动添加压舱水阀器、壳体等零件组成的容水器械。

（2）汽化潜热过程

①来自冷却系两种温度（45～55 ℃与95～105 ℃）的水，以1：2的比例进入到蓄水潜热箱混合后水温≤65 ℃，排气管道首口段内的废热能潜热后水温达到95～105 ℃，废气温度也同时从185～235 ℃下降到约150～180 ℃。

②沸水与废气一起进入热蒸水器，形成以汽势蒸煮沸水和金属线导热体的状态，前者在水泵的贯输力和U形管道与水套的约束力作用下，其水沸点继续腾高至120～140 ℃，密度增大后的水流在出水口压强为1.3～1.45 kg/m2；后者温度也同时从150～180 ℃下降到125～145 ℃，然后进入到混淆汽化器，多于75%的废气进入废气净化器稍作过滤后回到混淆汽化器；少于25%的废气在热蒸水器继续承受着金属导热体机械式的压抑、过筛、潜热吸能力的作用，之后进入废气净化器通过金属滤芯净化，以温度约为105 ℃的废气从外（露天）排放口释出。

这个外（露天）排放口或大或小的调控度值得注意，它所释排废气量的多少关系到柴油机是否能正常运行，不致因“堵气”影响到输出额定功率的程度。废气通过金属丝机械性的滤净化后余蓄在混淆汽化器和废气净化器的污染物，应定期开启壁壳清理口的密封门进行清洁。

③水与多于75%通过净化了的废气共同进入混淆汽化器，前者的压强被涡轮叶片离心力之反作用力，消耗去65%。通过释压槽时，U形管道与水套的约束力基本消失。通过槽底偏形出水口，在陀螺式的、≥5 m2面积的渠槽板流行，内应力随着流行状态被机械式强化为薄面化而消除。其水密度扩稀，沸腾水液表面上聚然升起蒸汽，水温渐渐下降，但还是高过100 ℃进入到水汽化器。

后者进入到混淆汽化器时与蒸汽和蒸馏水雾气溶合，形成了浓溶于稀、稀包涵着浓的混淆蒸汽进入到储汽室。

④超过100 ℃的沸水进入到水汽化器承受到栏板机械式阻拦力，成为波浪面的流水带，其水密度更加稀疏，液表面上聚然升起蒸汽被引渡到储汽室，最终的输出水口应当不高于100 ℃。

⑤完成上述输流行程的95～105 ℃的水，与补足耗水量的压舱水汇总在冷却与返还水量器，受到整个压水舱室温和压舱水的冷却；潜水泵在前者约降到55 ℃的水时，将大于水泵输压流量之水量输送回到柴油机的储水箱。

（3）注意事项

管道与器壁壳焊接之处，必须不漏水和气，焊后的缝迹位置最好能再涂上一层氧化铜粘固剂。

流通于容器内的水在长期的高温工作后会使容器内壁面上产生水垢，造成流通时的阻力增大，汽化潜热性能下降（水垢导热参数仅为青铜材料的1/200）。输水管外壁表面、金属导热线条和网罗等零件在长期与废气热能接触中，管壁外表面容易产生积碳，也会影响以流水通过媒介体对热能的汽化潜热性能。

二、可行性分析

1.对柴油机油水冷却系统的蒸汽空气阀（节温器）简化成为温控出水阀，并拆掉散热器和发电机，使驱动它们的功率转让给水泵增加压输水流量（或以提高储水箱的液面高度来增加），这与早期固定式的4135柴油机的冷却系工作原理一致。50%的冷却水增加量是针对置身在柴油机体外的排气系统起作用，而不是发生在机体内部，因此它不影响柴油机正常工作时机体内的正常水温（85～95 ℃）。简化后的温控出水阀具有纯真实性什调控能力，在它直接调控下的柴油机工作时燃料的燃烧值会更为完满。

2.对上述排气系统的举措解析：采用这种沸水与废气经过“水潜热→汽蒸水→混淆汽+水汽化”轮替交换并合成混淆汽体的整个过程，来达到回收柴油机废气热能的目的，在理论上完全符合物理学的汽化潜热的概念。

3.所有的内燃机正常工作时，约25%～30%的热能是随着它的废气给排走的。如6135G柴油机额定功率为120马力/12 h（占用了燃料总热能的35%），则随着它正常工作时的废气量为35～40道/s，给排走热能应届额定功率约是100马力/12 h。

上述理论上探索性质之举措后：当实现了不少于75%的废气量被利用情况下，扣除实际过程中其他层次应该消耗的25%热能量，则至少可以回收到废气夹带热能量=（75%-25%）×100马力×0.735 kW/马力≈36.75 kW。

4.通过上述以水潜热的举措后，废气中的污染物在机械式金属丝滤芯高效率的过滤下，其净化能力的显著性是客观存在的，这些举措共同促使了柴油机的废气夹带热温下降度≥100 ℃。

不小于75%的废气量在混淆汽化器内，受到1.5倍水泵输水流量每分钟≥5.5 m2水液面上，所冒升的蒸汽量的洗漱和混淆后，则不少于混淆汽体比重的污染物会自然堕落或随蒸馏水积蓄在其器具的底盘表面上，漂浮的油污也会随着沸水被输进水汽化器内，最终流到船舶的压水舱内，从而确立了这部分不小于75%的废气量不露天排放的可行性。

这里值得注意的问题是露天排放不大于25%的废气量，虽然废气热温是下降了100 ℃以上，并得到强制性的净化，符合了低炭排放标准，但它的排放量和整个过程是否会造成柴油机正常工作时排废发生堵气呢？这就需要考虑到金属丝网和金属滤芯通道制造时的密度，也必须适时掌控好露天排放口的开启程度来确保柴油机排气系的顺畅功能得到发挥。

5.如果在水汽化器上安装太阳能（或在船停泊时的风能蓄电池）的热芯管，对释放蒸汽后基础水温还在95～105 ℃的流水量继续进行加热，延时续产的蒸汽量对船舶动力（似利用尾气为能源的汽轮机）工程的用途，可包括提高船舶的航行能力等其他用途的项目。

总之上述这些木笔方言之举措，距离兑现实质的东西显然还是相当遥远。但以6135G柴油机的个例，说明了的本文理论上的可行性，值得从业者去艰辛发奋的探索（包括对当今诸多的海岛、山区的柴油机发电机进行开拓）。

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