船舶柴油机尾气余热应用于 取暖工况的设计

范浩 杨健 于鹏法 李德品 通讯作者盛善智

烟台大学海洋学院，山东省 烟台市  264005

摘要：船舶柴油机尾气再利用是将船舶主机的尾气余热用来取暖与船舶现有取暖系统匹配使用：利用散热取暖系统原理，借用已有取暖系统的部件，在不提高经济费用的基础上，开发新型的取暖系统。如此一来提高了能源的利用效率，降低了能源浪费，使得船舶各系统能够高效、安全和稳定地运行。既满足船东对船舶运营经济性的要求，更是顺应了节能减排的潮流与新方向。

关键词：柴油机；余热；取暖；散热器；CPU控制模块

0引言

新 时期对能源利用效率有更高要求，减少污染物的排放，提高能源利用率是新的方向.为提高船舶运营的经济效益，现代船舶对于柴油机尾气利用的地方很多：比如说废气涡轮增压器的使用，不仅提高了大型二冲程柴油机的进气密度，而且节约了能源，进而有效地提升了船舶柴油机的工作效率；再者是废气锅炉的使用，大大减少了高温尾气热量的浪费。考虑到以上对柴油机尾气利用的实例，联系到到一个问题，同样可以利用船舶主机的尾气余热来取暖。

1取暖系统原理

柴油机取暖系统由集气总管（涂有反射涂层或和耐热涂层），旁通管路，散热器，进排气扇，加湿器选配（利用现有管路的加湿器，或者可以集成加湿器），CPU控制单元，温度传感器，湿度传感器，空气过滤器，取暖管路等部件组成，为船员舱室及船舱需要供暖的场所供暖。

供暖系统工作原理如下，由散热器从排气总管取得热量，这部分热量用来加热集气总管里的空气，所用的空气由进气扇提供，空气在集气总管里被加热，待空气被加热至设定温度，随后由排气扇送至需要供暖的场所。

送风的温度由温度传感器探测，并实时发送至CPU控制与监测模块，在该模块中进行判别，数值低于设定的温度值，则不供风；数值高于设定温度，则启动旁通管路的风机，并控制风门的开度，来进行空气的混合，然后将温度适宜的加热空气输送到供暖管路。

送风的湿度由湿度传感器探测，并实时发送至CPU控制与监测模块，在该模块中进行判别，数值低于设定的湿度值，则开大加湿器，提高空气的含湿量；数值高于设定值，则关小加湿器，降低相对湿度，达到适宜的供风湿度。

图
1 环形阵列式散热片换热原理二维线框示意

2 系统组成设备

2.1散热器

(1)散热器的组成：

散热器由散热片、进气扇、排气扇、集气总管几大部件组成.散热器是安装在船舶主机的排期总管上的，用来吸收燃烧废气的热量，进而为取暖系统供暖使用。

(2)散热片的结构形式：

散热片是散热器的核心组件，散热片的材料，结构和形式的优劣极大地影响换热效率，更是决定供暖效果的关键一环。考虑到散热片安装位置的特殊性，所以建议将散热片设计成这种环形结构，采用这种结构可以十分方便地套接在船舶主机的排气总管上，同时便于标准化生产，在实际的使用过程中可以根据自己的需求和情况来进行组合使用，可长可短。

第二个要点是环形散热片采用了凹槽设计，这是一种普遍接受的结构，在突起部分还做了分叉处理，这样很大程度上增加了换热面的面积，提高了换热效率。同时，我们还可以将散热片突起的翅形进行弯曲处理^{[1] [2]}，这样可以进一步地增加换热面的面积，但是这种结构的工艺要求是比较高的，根据情况进行处理，大部分散热片有凹槽结构和突起部分分叉结构就已经足够满足换热的需求量^[3] [4] ，所以，弯曲处理并不是必须要求的。

表1 取暖系统散热器各部分典型尺寸

2.2风扇

风扇的选择对供风量的影响较大。风扇有很多的分类，按用途可以分为家用和工业用排气扇两大类。工业用排气扇的工作原理是利用空气对流来进行换气，它是向外界排出室内的污浊空气，同时从外界吸入新鲜的空气.工业用排气扇的原理并不复杂，和家用风扇的原理基本一致。

换气扇的好处有以下几个方面，第一，常见的换气扇工艺比较成熟，价格比较便宜，收益比较大，运营的成本比较低，寿命也比较长。第二点，是一种环保的选择，基本上不会产生污染.第三点，通过不断地换气，使得集气管路的空气清新，比较符合船舶取暖的用气标准。以上三点都是换气扇优于中央空调的优势。

但是在日常的使用过程中，需要做好维修和保养的工作。第一个就是需要定期风机和集气管路中的灰尘，油污等等杂质，保证使用的过程中，输气通畅，供气充足。

换气扇的安装需要格外重视，第一点需要检查扇叶是否存在变形，外壳是否存在损坏，如果已经发生了损坏情况，那么就需要进行更换新的备件，或者修复.第二点需要注意的是，安装时的尺寸是否对中，在工作之前要进行检查，是否存在阻碍扇叶旋转的杂物，如果存在杂物阻碍扇叶的转动，那么就要采取相应的方法进行清理；查看相应的螺丝是否存在松动的现象，如果存在松动的现象，那么就要及时的进行更正，保证在安装后能够稳定和良好运行。

2.3 CPU控制模块

CPU控制模块是整个取暖系统的关键，对风门的调节，对加湿器的调节，对系统温度和湿度的监测都是由该模块来实现。

在供暖初期，散热器获取热量不足，导致空气加热温度达不到设定值，那么风机不启动，这个功能是由单片机CPU控制模块来实现的，散热器温度直到被加热至适宜温度，风机启动，系统其他部分也相继投入工作，但是这里需要考虑到一个问题，船舶主机的功率很高，那么其尾气温度也是居高不下，在实际的工作过程中，往往是空气的被加热温度超过设定值，这个时候，就需要旁通管路的空气来混合加热空气，使其温度下降到一个适宜的数值，混合后的加热空气才会被供给到船舶各个舱室和取暖舱室。这个功能的实现同样离不开单片机CPU控制单元的协调工作，温度过高时，控制单元主动调大旁通管路的风门开度和风机转速，增加进气量，温度较低时，控制单元主动调小旁通管路的风门开度和风机转速，减小进气量。

风机转速的调节和风门开度的调节，是由CPU控制单元来控制的，在这个过程中，离不开温度传感器的配合，温度传感器安装在集气管路中，即散热片的后部，来实现实时的温度监测，并及时将检测值发送至CPU控制单元，进行数值的判断。

同样的，湿度传感器也是不可缺少的，空气的相对湿度，直接影响人的舒适度，所以，系统中同时需要安装湿度传感器，来和温度传感器配合使用，实时检测送暖管路中暖气的相对湿度，并将检测值发送到CPU控制单元，控制单元根据情况，来向执行机构发送指令，调节加湿器的开度，增加或减少暖气的含湿量，使得暖气的相对湿度满足人的需求。

图2 CPU控制模块各部分原件关联图

2.4温度传感器

系统中对供风温度的监测必不可少，在加热初期，温度可能达不到设定值，加热的过程中有可能温度过高，都需要温度传感器将检测值发送至CPU控制模块，由模块来实现进一步的调节。

温度传感器种类众多，但是为了配合CPU控制模块使用，通常采用热敏电阻这种形式，将温度的变化，转化成电压的变化，以便控制模块能够迅速做出反应。

2.5湿度传感器

空气中含湿量的多少直接影响人的舒适度，那么就需要湿度传感器来检测空气湿度。将信号发送至CPU控制模块，由模块来实现进一步的调节。

大部分情况下都是采用湿敏元件作为湿度传感器.湿敏元件可以分为电阻式、电容式两大类.为了配合CPU控制模块使用，需要采用湿敏电阻来检测系统内湿度。湿敏电阻的原理是在基片上覆盖一层膜，这层膜是用感湿材料制成的，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，使得元件的电阻率和电阻值发生变化，原件将检测值迅速发送至CPU控制单元，由控制单元做出判断，那么利用这一特性即可测量湿度。

图3 常见湿度传感器结构组成

2.6加湿器

湿度是一个重要指标，比较抽象，但是湿度实则与大家的生活关系密切，湿度过低，人们就会感觉到干燥；湿度过低，人们就会感觉到潮湿。只有湿度保持在一个合适的范围，环境才会让人感觉舒适。通常湿度保持在百分之五十到百分之六十这个范围内，是一个较为理想的状态。加湿器就是用来控制供暖系统中空气的相对湿度，使得取暖空气的湿度满足取暖的需求。

工业用加湿器，与民用加湿器的区别还是存在的，工业用加湿器的加湿量一般比较大，而且需要连续运转，对设备的运行稳定性有着比较高的要求。工业用加湿器的种类比较多，所以建议采用超声波加湿器。

超声波加湿器的原理并不复杂^[7]，简单地说就是利用雾化片的高频振荡，使得加湿器里的水脱离水面，产生水雾，从而实现加湿的功能.从超声波加湿器的原理来看，它对水质的要求比较高，所以需要使用船舶造水机的产水，来用来加湿取暖空气。

相对与其他形式的加湿器，超声波加湿器具有诸多好处。第一点，它的加湿效率很高，接近百分之百，这一点是其他加湿器难以相比的。第二点，该加湿器的能耗特别低，大大低于其他形式的加湿器能耗，大概是其他加湿器的十分之一左右，这一点也是符合设计取暖系统的初衷，降低能耗，绿色节能。体积小是超声波加湿器的第三个优势，正是由于超声波加湿器的体积小，所以能够极好的匹配散热器系统，不会给管路带来过大负担，方便安装与维护，节约了占地空间，提高了使用率.第四点是控制方式多样，为了与CPU控制单元匹配使用，所以建议使用湿度自动控制的方式。第五点是超声波加湿器响应及时，能够及时对管路系统中的湿度状态，及时做出调整.第六点，超声波加湿器加湿效果极好，雾化均匀。

加湿器种类较多，可以选装，也可不安装，建议直接使用船舶现有取暖管路中的加湿器。

图4 超声波加湿器结构原理

3结论

取暖系统的良好运转，离不开系统中各个组件的相互协调和配合。取暖系统的关键是集气管路中的散热器，散热器的好坏，直接影响换热效率。所以系统中，散热器的结构设计是重中之重，第一个要考虑到的是散热器如何增加换热面的面积，在设计之初考虑了许多形式，认为采用圆环形式的散热器结构是比较科学的，首先这种形式不占用过多的空间，而且能够和船舶主机排期总管良好接触，再者，通过圆环阵列式的凹槽排列，的确是极大地增加了换热面地面积，那么散热效率的提高是在预料之中的了。散热器设计第二个需要重点考虑的是散热器的材质，传热效率的快慢当然是第一指标，所以建议考虑的材料是铝合金材质，考虑这种材料的原因是纯铜材料的导热性能固然好，但是它的造价比较贵，而且它的质量比较大，从多个方面来说，纯铜材质是不合理的，但是在排气总管与散热片接触的位置，还是建议使用纯铜材料进行良好的贴合。不仅仅如此，还要在两者接触的位置进行涂抹相应的硅脂类材料，增加散热片和排气总管的接触面积，接触良好自然换热效率随之提高。还有一点不能忽视，那就是质量问题，散热片的材料质量不能够过大，如果散热器的材料质量过大，那么就给安装工作带来了很大压力，而且严重影响着系统运行的稳定性，对排气总管的支撑强度和结构强度来说，都存在潜在的危险性。

取暖系统的核心在于CPU控制模块中的各个部件协调配合，温度传感器能够及时探测加热空气的温度，并将检测值发送至控制单元；同样的湿度传感器能够及时检测加热空气的相对湿度，并将检测值，及时发送至控制模块，由控制单元来对数值进行分析，温度未达到设定值，风机不启动，取暖系统不工作，温度达到设定值，控制单元向旁通管路发送信号，调节旁通管路的风机和风门，调大风机，调大风门，使得加热空气和外界空气良好混合，满足取暖空气的温度要求。同时间，湿度传感器及时检测系统中加热空气的相对湿度，并将数值发送至CPU控制单元，由控制单元进行判断，向加湿器发送信号，自动调节加湿器的开度，增加加热空气的含湿量，或者减少系统中的含湿量。

CPU控制模块中整合各种传感器，上文中并未对烟雾报警器和PM2.5传感器进行具体的论述，在实际的工作中，船舶取暖系统中可以进行选装。总结，就是由众多的传感器和控制模块的相互协调和配合，取暖系统才能够按照既定的需求进行良好的运转，所以说，CPU控制模块是取暖系统的核心。

通过对上述内容的综合分析，不仅仅设计了相关核心部件的三维模拟草图，用来更好的阐述有关部件在系统中工作的原理和情形，同时考虑到了新型取暖系统与现有船舶取暖体系的关系，努力使得新型取暖系统，更好地配合现有取暖系统工作。综合上述内容，可以得出一个比较科学的结论，即利用船舶主机的尾气余热来取暖是可以行得通的。

参考文献：

[1]郭健忠，吴佳锦，张麒麟，张华伟，毛永.变角度翅片结构对散热器性能的影响分析[J].现代制造工程.2019

[2]吴学红，张林.连续变攻角百叶窗翅片的传热及流动特性[J].工程热物理学报.2016

[3]刘明月，沙毅，王宇.发动机散热器传热及内部流动试验研究[J].浙江科技学院学报.2018

[4]郭健忠，徐敏，张光德等.汽车散热器的性能分析及翅片结构优化[J].科学技术与工程.2016

[5]王天垚，窦华书等.不同设计气流落后角对轴流式通风机性能的影响[C].江苏: 中国工程热物理会热机气动热力学和流体机械学术会议论文集.2016

[6]王天垚，窦华书，徐金秋等.一种降噪减涡轴流风机.中国 2016

[7]尹溪，涂起龙. 基于单片机液晶显示模块LCM12232的接口设计［J］.煤矿机械.2010

通讯作者：

盛善智（1969.12--），男，汉族，山东济南人，副教授，船舶高级轮机长，研究方向：船舶柴油机、船舶防污染及船舶管理等

作者信息：

范浩、杨健、于鹏法、李德品：烟台大学海洋学院学生