一种对利用斯特林循环的船舶柴油机尾气余热制冷装置的相关分析
时间：2020-12-18 20:05:25 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：斯特林循环对于能量转换效率的提升有着重要的意义，是一种效果较好的节能设计。基于此，本文设计了一种基于斯特林循環的船舶柴油机尾气余热制冷装置，对其中的结构设计进行了重点的说明，并进行了利用斯特林循环的船舶柴油机尾气余热制冷装置的设计计算。
关键词：斯特林循环；尾气余热回收；制冷装置
中图分类号：TK403 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）35-0231-02
引 言
随着传统能源煤炭、石油等不断消耗减少，人们的节能意识不断提升，对于海洋活动中船舶的能源消耗优化更加重视。其中，船舶柴油机尾气可达到400℃，约占燃油30%的热能未有效利用。在这样的情况下，对船舶尾气中的余热能源进行利用成为了研究人员愈加重视的工作。作为节能设备，斯特林发动机有较高的转换效率、能够适应各种燃料、低噪声等优点。本文设计了一种基于斯特林循环的船舶柴油机尾气余热制冷装置，并对其运行进行了分析与计算。
1 基于斯特林循环的船舶柴油机尾气余热制冷装置的设计
1.1 斯特林循环装置的设计
斯特林循环装置中包含膨胀区、加热区、回热管、冷却系统以及压缩区。其中，不同结构的具体设计如下：
（1）膨胀区。在斯特林装置中，膨胀区与加热腔相通，因此温度较高，当工质与外部热源（尾气余热）换热，工质发生相变，由液态变为气态推动活塞运动。由于此过程温度和压力均较高，所以要求膨胀腔能承受较高压力和温度[1]。
（2）加热区。柴油机尾气与斯特林循环系统进行换热，达到对乙醇加热产生相变膨胀的目的，与尾气进行换热的加热腔与活塞腔相通，同时，这两区域又与回热装置相通，加热腔因为直接接触较高温度的尾气，需要保证装置内的工质不泄漏，即要求能承受循环装置内高压和尾气高温。
（3）回热管。回热管串联在加热区和冷却区间，是斯特林循环系统中的一个换热器，当乙醇工质被加热汽化膨胀，回热管与乙醇汽态工质进行换热，在工质压缩过程，其通过回热管流向加热区时，工质又从回热管吸收热量，达到气态工质预冷，液态工质预热的目的。
（4）冷却系统。冷却区位于回热管和压缩区之间，其功能在于能够将气态工质携带的热量传递到到外界，保证工质重新液化，通过回流管回到加热区，完成循环。一般来说，冷却区的工作条件比加热区和回热管平和，工作温度相对较低，但因冷却水系统是海水，需要耐海水腐蚀的材料[2]。
（5）压缩区。由于曲轴的惯性作用，活塞对内运动压缩工质，同时压缩区与外部冷却水系统换热，使工质重气态相变回液态，压缩过程，工质压力下降，工作环境平稳，主要对气密性要求高。
1.2 制冷装置的设计
该制冷装置由压缩机，冷凝器，膨胀阀和蒸发器构成。当制冷剂工作条件在低于被冷却介质的温度和压力下，制冷剂发生沸腾，斯特林装置活塞不间断运动，抽吸蒸发器中产生的蒸气，并将制冷剂压缩到冷凝压力。然后，会将制冷剂送往冷凝器，在冷凝器内，制冷剂与冷却介质换热，制冷剂释放热量，制冷剂在恒压下冷却，冷凝成液态。在冷凝压力条件下，其冷凝温度要高于冷却介质的温度，冷凝后的液态制冷剂，通过膨胀阀进入蒸发器，从被冷却物体（海水）中吸热。制冷剂蒸汽重新被吸入压缩机，完成一个制冷循环。
1.3 冷却水系统运行方式的设计
当柴油发动机不启动时，装置本身无运行，容器内乙醇工质为常温液态。工质没有发生相变，曲柄连杆机构静止，此时系统不进行制冷制冰。启动制冷系统中的备用电制动压缩机，能够保证柴油机在停运时，依然有足够制冷量保证海产品新鲜。
在这一过程中，等温压缩、等容吸热、等温膨胀和等容冷却构成了一个完整的斯特林循环。活塞行程的把控主要由乙醇工质进行斯特林循环所产生的膨胀以及压缩进行，其次由曲轴平衡重存储的惯性提供，活塞往复运动，对外输出功率，由活塞顶部完成对制冷剂的压缩做功，进而完成制冷循环，完成余能的回收利用。
2 基于斯特林循环的船舶柴油机尾气余热制冷装置的设计计算
经过对该装置的分析计算，能够得出以下的结果：斯特林循环装置设计有效功率为4kW；设计的加热量为12.12kW；功率转换系数为0.33；活塞平均滑动速度为10cm/s；尾气输入量为23.7g/s；曲轴转速为60r/min；活塞行程容积为141cm3；平均循环压力为9MPa；回热器的无益容积为122.9cm3；加热器的无益容积为103.2cm3；尾气进口温度为300℃；冷却器的无益容积为197cm3；尾气出口温度为130℃；乙醇的质量流量为0.02kg/s；尾气的定压比热容为1.1kJ/kg·K；乙醇在常温常压下的比热容为2.4kJ/（kg·℃）；针肋效率为0.7；针肋长度为5mm；换热扰流肋传热系数为355W/（m2·K）；换热总面积为0.12m2；尾气表面传热系数为50W/m2·k；换热平面厚度为3mm；冷却水系统的冷凝负荷为2382kJ；冷却水量流量为0.08kg/s；冷却的传热面积为0000.5m2；柴油机尾气定性温度为215℃；回热装置换热总面积为157cm2；系统输入热量为14.3kW；中速柴油机尾气换热量为47.8kW；斯特林循环装置的输出功率为3.9kW；换热损失为11.95kW；热量学完善度（热效率）为0.30。
3 总 结
综上所述，本系统将斯特林发动机与对置式活塞相结合，进而实现尾气余热的平稳回收利用。通过对尾气剩余能量回收装置的设计，实现了尾气余热和残余压力的有效利用。制冷系统配备辅助压缩机，当船舶停航时，也能够完成制冷工作。所设计装置的运行工况要求低，低品位的热能均可以运行。可以说，本系统有着加高的应用价值。
参考文献
[1]饶启超，任博文，刘 沛，迟国春.斯特林制冷机技术研究进展综述[J].低温与超导，2018，46（02）：19～24+33.
[2]李红霞，张文孝，任 莉.船舶动力装置的余热利用研究综述[J].造船技术，2013（02）：4～6+17.
收稿日期：2018-11-4
