哈尔工程大学斯特林小车一等奖

一种基于斯特林发动机原理的工业炉鼓风装置设计说明书 摘 要：随着我国经济社会的发展，对能源的需求量急剧增大，工业锅炉的数量 急速增长。据统计，2007 年全国耗煤 25.8 亿吨，其中锅炉耗煤 22 亿吨，占 85.3%，造成严重的环境污染。因此提高锅炉的热效率、节约燃料和降低排放尤 为重要。为了实现工业燃烧炉鼓风机的节能减排，本装置基于斯特林发动机原 理，将斯特林发动机作为工业炉鼓风机的主要驱动动力，实现了热能到机械能 的直接转化利用，提高了燃料燃烧的热能利用率；设置了辅助电机，实现鼓风 机启动及由常规稳定运行到高速鼓风运转的调节需求；减速发电装置实现鼓风 机由常规稳定运行到低速鼓风运转的调节需求，此时所发的电可直接储存或供 应燃炉电力系统。开发了综合控制系统，实现了动力系统的变速模式自动控制， 使工业炉与鼓风机达到一体化、自动化、智能化、高效化和节能环保的鼓风效 果。 关键字：斯特林发动机；鼓风机；工业燃炉；驱动方式 联系人：徐钱 联系电话EMAIL：377033914 1 研制背景及意义 目前，全国在用工业锅炉保有量 50 多万台，约 180 万蒸吨/ 小时。燃煤锅 炉约 48 万台，占工业锅炉总容量的 85%左右，平均容量约 3.4 蒸吨/ 小时，其 中 20 蒸吨/小时以下超过 80%。113 个大气污染防治重点城市中约有燃煤工业 锅炉 24 万台，90 万蒸吨 /小时，均占全国的 1/2 。燃煤工业锅炉效率低，污染 重，节能潜力巨大。全国工业锅炉年排放 CO2 约 1.6 亿吨，排放烟尘约 380 万 吨，二氧化硫约 600 万吨和大量的 NOx，造成严重的环境污染。 在我国能源消费结构中，煤炭、石油、天然气等能源在生产和消费总量中 分别占 92.1%和 92.7%，而工业能耗占一次能源消费的 70%左右，其中有 90% 以上是通过热能形式而被利用的，而热能转化多在工业炉中进行，因此，对工 业炉进行热力系统分析、优化和技术改造是实现节能减排的重要措施。鼓风机 是工业炉实现高效主要设备，也是主要耗电设备，因此能否提高鼓风机驱动系 统的运行效率是决定能否实现节能减排的关键所在。目前，鼓风机的驱动方式 主要包括电动或汽动两种方式，而这两种驱动方式各有优劣： 1.汽动鼓风方案中，汽动鼓风机由汽轮机直接驱动，能够提高热能利用率， 但其辅助设备和管道系统相对复杂，暖机时间长，其启动时间比电动机组长， 设备出现故障的机率、泄漏率大，岗位人员的维修量大。 2.当采用电动鼓风时，电动鼓风机辅助设备少，操作简单，其启动过程时 间短，但其相关的发电厂热能利用存在较大热能损失，输配电系统存在升压和 降压的电能损耗，投资费用大等。 斯特林发动机又叫热气机，是一种外部燃烧的封闭式活塞发动机，具有燃 料来源广、效率高、污染小、噪音低和维修方便等优点，可以在许多领域中作 为清洁高效的动力机；斯特林发动机的热效率很高，理论上斯特林循环效率等 于相同状态下的卡诺效率，其实际有效效率最高甚至可达 47%；斯特林发动机 运行的污染物排放少，作为外燃机可以在足够的空气下连续燃烧，燃烧比较充 分；发动机的运转比较平稳，扭矩比较均匀，超负荷能力强。因此本项目提出 一种基于斯特林发动机原理的工业炉鼓风装置设计理念，斯特林发动机应用于 工业炉所体现出如下优点： 1.斯特林发动机有较高的热效率，工业炉温度可达 1000左右，炉内外的 高温差有利于斯特林发动机热效率的提高 ，实际有效效率可以达到 45%左右； 2.利用工业炉炉腔内的热源驱动斯特林发动机，无外燃烧热损失，斯特林 发动机实际效率提高了 15%-20%； 该装置能够实现热能到机械能的直接转化利用，提高了燃料燃烧的热能利 用率，通过综合控制系统的开发、控制规律研究和控制策略的优化，实现了动 力系统的变速模式自动控制，使工业炉与鼓风机达到一体化、自动化和智能化 运行，从而实现节能减排目标，具有良好的发展潜力和市场应用前景。 2 整体设计方案 本项目设计的基于斯特林发动机原理的工业炉鼓风装置主要由斯特林发动 机系统，电机驱动系统，减速发电系统，状态监控调节系统组成，各系统在 STC12 单片机的主要控制下，协调工作，实现鼓风机的正常运行和变速调节等 功能，装置结构示意图如图 1 所示。 斯特林动力鼓风机的设计主要利用了斯特林发动机的外燃特性，结合工业 炉内外高温差（约 1000）的特点，将斯特林发动机的受热腔安装在炉内，冷 腔安放在炉外，工质在低温冷腔中压缩, 然后进入高温热腔中进行加热，膨胀 做功。 图 1 装置结构简图 该装置可实现三种运行模式，模式一为斯特林动力模式，由斯特林发动机 为鼓风机提供全部动力，是鼓风机的常态运行模式；当需要增大鼓风机鼓风量 时，通过控制系统将运行模式切换到斯特林发动机-电机混合动力模式，电机为 鼓风机提供加速动力，达到增大鼓风量的目的；当需要减小鼓风机鼓风量时， 控制系统将运行模式切换到减速发电模式，斯特林发动机通过发电机发电，从 而减小鼓风机转速，达到减小鼓风量的目的。为了实现装置的自动化控制，对 控制系统软硬件进行了设计，实现了鼓风机的各种状态参数的监控及变速模式 的自动化控制。 3 动力系统 3.1 斯特林发动机 工业炉主动力系统为斯特林发动机，主要由外部燃烧系统、闭式循环系统 (由热腔、加热器、回热器、冷却器和冷腔组成)、传动系统和调节系统四个部 分组成。其中，闭式循环系统是斯特林发动机的核心部分，斯特林发动机可大 致分为 a 型、 型和 型三种，如图 2 所示。 图 2 斯特林发动机类型 型是传统斯特林发动机设计方案，结构简单和技术成熟等优点，在设计 和加工时能够更好的克服问题，而斯特林发动机以曲柄连杆传动作为传动方式 时传动效率高、阻力小，因此本项目中设计一种 型曲柄连杆传动斯特林发动 机，斯特林发动机结构示意图，如图 3 所示。 图 3 斯特林发动机结构示意图 设计的斯特林发动机结构和性能参数如表 1 所示，实物图如图 4 所示。 表 1 发动机性能和结构参数 结构形式 型 工质 空气 工作温度 高温侧 673K、低温侧 156K 行程容积比 1 活塞直径（ mm） 44 行程（ mm） 40 轴输出功率(W) 12 图 4 斯特林发动机实物图 3.2 斯特林发动机供气与点火系统 斯特林发动机点火系统由主控芯片、电磁阀、继电器、电火花发生器组成， 控制芯片提供信号，控制电磁阀和电火花发生器，实现气体的通断和自动打火。 点火系统分为控制放气，产生电火花两个部分。当外部指令或者程序需要点火 加热斯特林发动机时，STC12 单片机先控制继电器 1 闭合，使电磁阀通电，阀 门持续开启并放气。放气 3 秒以后，单片机再控制电火花模块的继电器 2 闭合 3 秒钟的时间，期间脉冲点火器产生火花，点燃火焰。而当熄火时，单片机控 制放气部分的继电器 1 断开，进而电磁阀断电，阀门闭合。 图 5 供气与点火系统 4 调速系统 在实际生产、工艺等方面的变化，需要经常调节气体的流量、压力、温度 等，因此就涉及鼓风机风量调节的问题，本项目中采用电动机和发电机混合辅 助调速的方式。 4.1 电机调速 除了以斯特林发动机为主要动力装置外，为了满足斯特林发动机的启动及 由常规稳定转速到高速鼓风运转的调节需求，设计了辅助动力装置-电机，采用 混合调速技术，通过控制系统采集动力系统运行状态，对鼓风机的转速适时地 进行实时调节。 电机选用自带编码器的直流减速电机。电机的转速采用脉宽调制（PWM） 的方法来控制。脉宽调制的方法就是将输出信号以方波的形式输出，通过调整 方波的占空比可实现输出电压的变化。占空比是指在一段连续工作时间内脉冲 占用的时间与总时间的比值。占空比越大平均电压就越大。通过这个原理可 实 现电机转速的控制。再通过电机自带的编码器时时检测电机自身的转速，确保 了电机转速的稳定性。 图 4-1 工作原理示意图 图 4-2 占空比示意图 4.2 发电机调速 针对发动机功率调节控制系统较复杂，其减速问题急待解决，为了达到为 鼓风机减速的效果，又不至于产生大量能量浪费，为此设计了减速发电装置， 需要对鼓风机进行减速调节时，启动减速发电系统。该系统控制主轴与离合器 的离合状态，离合器与变速齿轮箱相连，然后齿轮箱带动发动机发电。离合器 由摩擦片、弹簧片、压盘以及动力输出轴组成，它位于斯特林发动机与变速箱 之间，用来将发动机飞轮上储存的力矩传递给变速箱发电，实现变减速发电功 能。 5 状态监测系统 5.1 斯特林发动机工况检测 斯特林发动机运行工况稳定是保证鼓风机正常运行的重要部分。我们主要 从转速，冷却水温度检测、炉温这三方进行检测，并通过外部显示终端（液晶 屏）将其显示出来。 5.1.1 转速测量设计 测速原理：主轴转速用增量型编码器检测，由单片机直接读取脉冲信号来 识别转速,最高可检测 6000r/min 的机械转速。 图 5-1 工作流程示意图 图 5-2 光电编码器原理示意图 增量式编码器是直接利用光电转换原理通过旋转的光栅盘和光耦产生可识 别方向的计数脉冲信号。输出三组方波脉冲 A、B 和 Z 相；A 、B 两组脉冲相 位差 90 相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械 平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高。 图 5-3 编码器波形示意图 5.2.2 冷却水温度检测 该方案是针对斯特林发动机冷却水温度检测要求提出的，实现的功能是 （1）温度检测与现显示；（2）水温过高时报警。首先是温度传感器的选用， DS18B20 属于数字温度传感器，其具有众多优点：1）独特的单线接口方式， DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯，在使用中不需要任何外围元件；2）测温范围 55+125 ， 固有测温分辨率 0.5，符合水温测量的要求。且工作电源:为 35V/DC，可以 由单片机电路直接供电；3）体积小，适用狭小空间设备测温。由此温度检测及 报警电路就变得非常简单，只需在程序中完成数据处理即可，省去 A/D 的模块。 在外围电路加入一个蜂鸣器模块，由单片机直接通过三极管放大电路驱动。 蜂鸣器的电源也由单片机电路提供。另外温度的值由 12864 液晶屏显示出来。 图 5-4 温度检测原理图 5.2.3 工业炉温度检测 温度检测采用热电偶测温技术。利用 k 型热电偶检测温度信息，通过 K 型 热电偶数字转换器 MAX6675 将信号转为数字信号传给单片机。通过单片机读 取温度值。测温范围可达 01024。MAX6675 温度采集程序流程如下： 、 开始 读 M A X 6 6 7 5 串行数据 热电偶开路 ？ 数据处理 调用显示子程序 返回 故障指示灯 是 否 图 5-5 MAX6675 与单片机连接图 图 5-6 MAX6675 温度采集程序流程 6 创新点 1. 提出了一种基于斯特林发动机原理的新型工业炉鼓风机，将斯特林发动 机与工业炉鼓风机相结合，产生了较大的节能效果； 2.相比于电动或汽动鼓风机，其克服了他们两者的主要缺点。首先，利用 工业炉内高温热能驱动斯特林发动机运转，然后通过齿轮传动直接驱动风机的 转动，使热能的利用率提高，同时避免了输配电系统存在升压和降压的电能损 耗； 3.合理的设计的加速电机和减速发电机，优化了鼓风机调速系统，满足了 鼓风机调节需求，同时所发的电可用以储存或直接供应燃炉电力系统。 7 经济性分析 效率分析： 汽动鼓风机效率 =郎肯循环热效率 1*锅炉效率 2*管道效率 3*汽轮机相 对内效率 4*汽轮机机械效率 5 =45% 电动鼓风机 =汽轮机发电效率 1输配电效率 2 电机效率 3 =45%93%95%=40% 斯特林鼓风机=工作循环效率 i机械效率 m外燃效率 f =70%75.6%100%=53% 8 应用前景 在大力倡导节能减排的形势下，本课题提出了一种新理念的斯特林发动机 动力鼓风装置，作品正是一定的理论与工程价值的基础上进行的，对斯特林发 动机新应用和新型动力鼓风机的创新探索具有重要意义。 本装置主要应用于冶金、石化、电力、纺织、船舶等国民经济各领域。本 项目实现了热能到机械能的直接转化利用，提高了能源燃烧的热能利用率，一 定程度上降低了工业鼓风的能源消耗成本；同时利用了斯特林发动机自身的许 多优势特点，表现出了项目的创新性和合理性，鼓风机的辅助调节控制装置也 充分考虑了其实际的鼓风调节需求，满足了鼓风机功能的完整性，基于其炉机 一体化优势明显，设置合理，节能高效，安装方便、造价低廉等突出特点，因 此，此作品在工业炉鼓风机领域具有良好的发展应用前景。 参考文献 1 Can Cinar,Halit Karabulut.Manufacturing and testing of a gamma type Stirling engine J .Renewable Energy,2005,(30):57- 66. 2 郭廷杰.关于斯特林发动机和节能J.江西能源,1997,(4):1- 4. 3 李海伟,石林锁, 李亚奇斯特林发动机的发展与应用，能源技术 2010 年 8 月 4 钱国柱,周增新,等.热气机原理与设计M.北京:国防工业出版社,1987，第 31 卷第 4 期 5 马光宇,蔡九菊,谢国威 不同驱动方式的高炉鼓风机性能分析J.冶