一種對利用斯特林循環(huán)的船舶柴油機(jī)尾氣余熱制冷裝置的相關(guān)分析

摘 要：斯特林循環(huán)對于能量轉(zhuǎn)換效率的提升有著重要的意義，是一種效果較好的節(jié)能設(shè)計(jì)?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一種基于斯特林循環(huán)的船舶柴油機(jī)尾氣余熱制冷裝置，對其中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了重點(diǎn)的說明，并進(jìn)行了利用斯特林循環(huán)的船舶柴油機(jī)尾氣余熱制冷裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算。

關(guān)鍵詞：斯特林循環(huán)；尾氣余熱回收；制冷裝置

中圖分類號：TK403 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）35-0231-02

引 言

隨著傳統(tǒng)能源煤炭、石油等不斷消耗減少，人們的節(jié)能意識不斷提升，對于海洋活動中船舶的能源消耗優(yōu)化更加重視。其中，船舶柴油機(jī)尾氣可達(dá)到400℃，約占燃油30%的熱能未有效利用。在這樣的情況下，對船舶尾氣中的余熱能源進(jìn)行利用成為了研究人員愈加重視的工作。作為節(jié)能設(shè)備，斯特林發(fā)動機(jī)有較高的轉(zhuǎn)換效率、能夠適應(yīng)各種燃料、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種基于斯特林循環(huán)的船舶柴油機(jī)尾氣余熱制冷裝置，并對其運(yùn)行進(jìn)行了分析與計(jì)算。

1 基于斯特林循環(huán)的船舶柴油機(jī)尾氣余熱制冷裝置的設(shè)計(jì)

1.1 斯特林循環(huán)裝置的設(shè)計(jì)

斯特林循環(huán)裝置中包含膨脹區(qū)、加熱區(qū)、回?zé)峁?、冷卻系統(tǒng)以及壓縮區(qū)。其中，不同結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)如下：

（1）膨脹區(qū)。在斯特林裝置中，膨脹區(qū)與加熱腔相通，因此溫度較高，當(dāng)工質(zhì)與外部熱源（尾氣余熱）換熱，工質(zhì)發(fā)生相變，由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)推動活塞運(yùn)動。由于此過程溫度和壓力均較高，所以要求膨脹腔能承受較高壓力和溫度[1]。

（2）加熱區(qū)。柴油機(jī)尾氣與斯特林循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行換熱，達(dá)到對乙醇加熱產(chǎn)生相變膨脹的目的，與尾氣進(jìn)行換熱的加熱腔與活塞腔相通，同時，這兩區(qū)域又與回?zé)嵫b置相通，加熱腔因?yàn)橹苯咏佑|較高溫度的尾氣，需要保證裝置內(nèi)的工質(zhì)不泄漏，即要求能承受循環(huán)裝置內(nèi)高壓和尾氣高溫。

（3）回?zé)峁??；責(zé)峁艽?lián)在加熱區(qū)和冷卻區(qū)間，是斯特林循環(huán)系統(tǒng)中的一個換熱器，當(dāng)乙醇工質(zhì)被加熱汽化膨脹，回?zé)峁芘c乙醇汽態(tài)工質(zhì)進(jìn)行換熱，在工質(zhì)壓縮過程，其通過回?zé)峁芰飨蚣訜釁^(qū)時，工質(zhì)又從回?zé)峁芪諢崃浚_(dá)到氣態(tài)工質(zhì)預(yù)冷，液態(tài)工質(zhì)預(yù)熱的目的。

（4）冷卻系統(tǒng)。冷卻區(qū)位于回?zé)峁芎蛪嚎s區(qū)之間，其功能在于能夠?qū)鈶B(tài)工質(zhì)攜帶的熱量傳遞到到外界，保證工質(zhì)重新液化，通過回流管回到加熱區(qū)，完成循環(huán)。一般來說，冷卻區(qū)的工作條件比加熱區(qū)和回?zé)峁芷胶?，工作溫度相對較低，但因冷卻水系統(tǒng)是海水，需要耐海水腐蝕的材料[2]。

（5）壓縮區(qū)。由于曲軸的慣性作用，活塞對內(nèi)運(yùn)動壓縮工質(zhì)，同時壓縮區(qū)與外部冷卻水系統(tǒng)換熱，使工質(zhì)重氣態(tài)相變回液態(tài)，壓縮過程，工質(zhì)壓力下降，工作環(huán)境平穩(wěn)，主要對氣密性要求高。

1.2 制冷裝置的設(shè)計(jì)

該制冷裝置由壓縮機(jī)，冷凝器，膨脹閥和蒸發(fā)器構(gòu)成。當(dāng)制冷劑工作條件在低于被冷卻介質(zhì)的溫度和壓力下，制冷劑發(fā)生沸騰，斯特林裝置活塞不間斷運(yùn)動，抽吸蒸發(fā)器中產(chǎn)生的蒸氣，并將制冷劑壓縮到冷凝壓力。然后，會將制冷劑送往冷凝器，在冷凝器內(nèi)，制冷劑與冷卻介質(zhì)換熱，制冷劑釋放熱量，制冷劑在恒壓下冷卻，冷凝成液態(tài)。在冷凝壓力條件下，其冷凝溫度要高于冷卻介質(zhì)的溫度，冷凝后的液態(tài)制冷劑，通過膨脹閥進(jìn)入蒸發(fā)器，從被冷卻物體（海水）中吸熱。制冷劑蒸汽重新被吸入壓縮機(jī)，完成一個制冷循環(huán)。

1.3 冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行方式的設(shè)計(jì)

當(dāng)柴油發(fā)動機(jī)不啟動時，裝置本身無運(yùn)行，容器內(nèi)乙醇工質(zhì)為常溫液態(tài)。工質(zhì)沒有發(fā)生相變，曲柄連桿機(jī)構(gòu)靜止，此時系統(tǒng)不進(jìn)行制冷制冰。啟動制冷系統(tǒng)中的備用電制動壓縮機(jī)，能夠保證柴油機(jī)在停運(yùn)時，依然有足夠制冷量保證海產(chǎn)品新鮮。

在這一過程中，等溫壓縮、等容吸熱、等溫膨脹和等容冷卻構(gòu)成了一個完整的斯特林循環(huán)?；钊谐痰陌芽刂饕梢掖脊べ|(zhì)進(jìn)行斯特林循環(huán)所產(chǎn)生的膨脹以及壓縮進(jìn)行，其次由曲軸平衡重存儲的慣性提供，活塞往復(fù)運(yùn)動，對外輸出功率，由活塞頂部完成對制冷劑的壓縮做功，進(jìn)而完成制冷循環(huán)，完成余能的回收利用。

2 基于斯特林循環(huán)的船舶柴油機(jī)尾氣余熱制冷裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算

經(jīng)過對該裝置的分析計(jì)算，能夠得出以下的結(jié)果：斯特林循環(huán)裝置設(shè)計(jì)有效功率為4kW；設(shè)計(jì)的加熱量為12.12kW；功率轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.33；活塞平均滑動速度為10cm/s；尾氣輸入量為23.7g/s；曲軸轉(zhuǎn)速為60r/min；活塞行程容積為141cm3；平均循環(huán)壓力為9MPa；回?zé)崞鞯臒o益容積為122.9cm3；加熱器的無益容積為103.2cm3；尾氣進(jìn)口溫度為300℃；冷卻器的無益容積為197cm3；尾氣出口溫度為130℃；乙醇的質(zhì)量流量為0.02kg/s；尾氣的定壓比熱容為1.1kJ/kg·K；乙醇在常溫常壓下的比熱容為2.4kJ/（kg·℃）；針肋效率為0.7；針肋長度為5mm；換熱擾流肋傳熱系數(shù)為355W/（m2·K）；換熱總面積為0.12m2；尾氣表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為50W/m2·k；換熱平面厚度為3mm；冷卻水系統(tǒng)的冷凝負(fù)荷為2382kJ；冷卻水量流量為0.08kg/s；冷卻的傳熱面積為0000.5m2；柴油機(jī)尾氣定性溫度為215℃；回?zé)嵫b置換熱總面積為157cm2；系統(tǒng)輸入熱量為14.3kW；中速柴油機(jī)尾氣換熱量為47.8kW；斯特林循環(huán)裝置的輸出功率為3.9kW；換熱損失為11.95kW；熱量學(xué)完善度（熱效率）為0.30。

3 總 結(jié)

綜上所述，本系統(tǒng)將斯特林發(fā)動機(jī)與對置式活塞相結(jié)合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)尾氣余熱的平穩(wěn)回收利用。通過對尾氣剩余能量回收裝置的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了尾氣余熱和殘余壓力的有效利用。制冷系統(tǒng)配備輔助壓縮機(jī)，當(dāng)船舶停航時，也能夠完成制冷工作。所設(shè)計(jì)裝置的運(yùn)行工況要求低，低品位的熱能均可以運(yùn)行?？梢哉f，本系統(tǒng)有著加高的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)

[1]饒啟超，任博文，劉 沛，遲國春.斯特林制冷機(jī)技術(shù)研究進(jìn)展綜述[J].低溫與超導(dǎo)，2018，46（02）：19～24+33.

[2]李紅霞，張文孝，任 莉.船舶動力裝置的余熱利用研究綜述[J].造船技術(shù)，2013（02）：4～6+17.

收稿日期：2018-11-4