（动力机械及工程专业论文）提高dy渔船柴油机尾气制冰系统性能的实验研究.pdf

塑堕茎堂垫垄垫塑墨三望童些堡圭堑塑兰主堡丝苎一 摘要 y 3 9 8 s 盆s 作为在余热制硷及吸附制冷的领域中有很大突破d y 渔船柴油机尾 气制冷系统，还处在试制产品阶段，它的很多性能还有待于去研究和提 高。本文主要任务是研究并建立一个模拟多热源实验台，并通过多热源 和d y 发生器的匹配实验研究，为给定热源条件下设计最佳d y 发生器 提供一定理论和实验依据，并提出提高熬个系统的热利用率的方法 首先从内燃机金垫型田及热能制冷方面比较分析，系统地介绍了 d y 制冷系统二l 作原理。( 以6 1 6 0 a 1 2 和6 1 6 0 a 1 3 型船用柴油机尾气参 数为殴计基础，通过理论和经验数据相结合的方法进行设计参数计算， 确定了模拟实验台热流量、出e 1 温度及压力等参数确立了实验台结构 设计方案；主风机为燃烧器提供燃烧所需的一次、二次进风量及冷却风 量；模拟实验台出口烟气热流量是通过调节风机的转速、风门开度及燃 油量来改变：实验台的流量测量采用风机动力性能测试标准中流量方法 等。在设计的基础上，对实验台进行了调试，提出调节实验台输出参数 的原理，结果表明实验台基本达到了设计要求。广矿一 通过多热源和三种型号发生器匹配实验，得出了三种型号发生器在 热利用率最高情况下的热源参数，并由此提出了发生器最佳匹配热源的 概念。随过对试验结果的分析，首次提出了单元发生器组的概念，同时 得出了以1 0 根单元发生管构成的单元发生器组在热利用率最高的情况 下所需要的热量为5 8 2 0 0 k j h ，为在一定热源的情况下设计出最佳匹配 d y 发生器奠定了基础。在匹配实验的基础上，提出了一种提高d y 发生 器热利用率的方法，即利用发生器内储蓄的显热为发生器提供脱附所需 的热量，实验证实该种方法在对于提高发生器的c o p 是切实可行的。广、) 一 通过本文的实验研究工作。为不同的热源设计相匹配的发生器确立 了理论和试验的根据，为今后d y 产品的发展奠定了基础。 ， 关键词：柴油机尾气制冷系统、 热利用率v 模拟麴婆塞墅龟、d y 发生器 塑堕查堂垫查垫塑墨三堡皇些堡主堑塞生堂堡丝! l a b s t r a c t h a v i n gm a d e t h e g r e a tb r e a c hi nt h ef i e l do fs u r p l u sh e a tr e f r i g e r a t i o n a n da b s o r p t i o n r e f r i g e r a t i o n ，d yf i s h i n g v e s s e l d i e s e l e n g i n ee x h a u s t s y s t e mr e m a i n _ si nt h et r i a l - p r o d u c ts t a g e ，s oi t sm u c hp e r f o r m a n c en e e d t o e n h a n c ea n ds t u d y t h i s p a p e rm a i n l ya i m s t o d e s i g na n de s t a b l i s h o n e s i m u l a t i v em u l t i h e a t t e s t i n gf l a t 、s u p p l y t h e t h e o r y a n de x p e r i m e n t a l f o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g no f t a i l o r e dd yg e n e r a t o ri nt e r mo f t h ek n o w nt h e h e a ts o u r c et h r o u g ht h es t u d yo fm a t c h i n gt e s tb e t w e e nd yg e n e r a t o ra n d v a r i o u sh e a ts o u r c e 、a n dg i v es o m em e t h o dt oe n h a n c eh e a tu t i l i z a t i o nr a t e o f t h ed y r e f i i g e r a t i o ns y s t e m i tf i r s t l yi n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fd y r e f r i g e r a t i o ns y s t e mf r o m t w o a s p e c t so fs u r p l u sh e a tu t i l i z a t i o no fi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ea n dh e a t e n e r g yr e f r i g e r a t i o n o n b a s eo ft h ee x h a u s th e a to f6 1 6 0 a 一1 2a n d 6 1 6 0 a - 1 3v e s s e ld i e s e l e n g i n e ，p a r a m e t e r so ft e s tp l a t s u c ha st h e r m a l f l o w 、e x p o r tt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ea r ed e f i n i t et h r o u g h t h ec a l c u l a t i o no f d e s i g np a r a m e t e ri n m e t h o do fc o m b i n e d t h e o r y a n de x p e r i e n c ed a t a w h o l es c h e m eo ff r a m e d e s i g no ft e s t i n gf l a ti sp r o p o s e da s ：t h eh o s tf a n n e r s u p p l y t h ea i r r e q u i r e db y f l a m e r s b u r n i n g a n d c o o l i n g ，t h ee x p o r t p a r a m e t e ro f t h ef i a tv a r i e sb yd i f f e r e n tr o t a t es p e e do f t h et a n n e r 、a n g l eo f t h ef a ni n l e ta n dt h e q u a n t i t yo fo i l ，t h em e a s u r e m e n to ff l o wi nt h et e s t i n g f l a ta d o p t st h em e t h o do ff a n n e rd y n a m i c sp e r f o r m a n c et e s ti nt h en a t i o n c r i t e r i o n a tt h eb a s i so f d e s i g no ft e s t i n gf l a t ，t h ep a p e rb r i n g sf o r t ht h e p r i n c i p l eo fa d j u s tt h ee x p o r tp a r a m e t e r a tt h es a m et i m e ，t h er e s u l to f t e s t i n gs h o w s t h et e s t i n gf i a tm e e t st h ed e s i g nr e q u i r e s t h ep a p e r a c q u i r e t h em o s ts u i t a b l eh e a t p a r a m e t e ro ft h et h r e e m o d u l e sd yg e n e r a t o r st h r o u g ht h em a t c h i n gt e s tb e t w e e nd y g e n e r a t o r a n dv a r i o u sh e a t s o u r c e ，a n db r i n gf o r w a r dt h ec o n c e f l t i o no fm o s tb e s t m a t c h i n gh e a t t h r o u g ha n a l y s i so ft e s t i n gr e s u l t s ，t h ec o n c e p to fu n i t 塑塑查堂垫垄垫堕墨三堡皇兰竺堡主堕塞皇堂丝望兰 g e n e r a t o rg r o u pi si n i t i a l l yp u tf o r w a r di n t h ep a p e r , a to t h e rh a n dt h e 5 8 2 0 0 k j hh e a ti sa c q u i r e dw h i c ho n eu n i tg e n e r a t o rg r o u pi n c l u d i n g 1 0 u n i t g e n e r a t i n g t u b en e e d su n d e rt h ec o n d i t i o no ft h em a x i m a lh e a t u n i t i z a t i o n r a t e ，w h i c hs u p p l i e s t h ef o u n d a t i o nf o rt h e7 d e s i g no fm o s t s u i t a b l ed yg e n e r a t o ri nt e r mo ft h ek n o w nt h eh e a ts o u r c e a tt h eb a s i so f m a t c h i n gt e s t ，t h ep a p e rh a sa ni d e at oe n h a n c et h eh e a tu n i t i z a t i o nr a t eo f d yg e n e r a t o r , w h i c hi s u n i t i z i n gt h e h e a t d e p o s i t e d i nt h eg e n e r a t o rt o s u p p l yh e a tn e e d e db yt h eg e n e r a t o r sd e - a d s o r p t i o n t h et e s tv e r i f i e st h i s m e t h o di sc o n t e n t l yf e a s i b l et oe n h a n c et h ec o po f d y g e n e r a t o r w i t ht e s t i n ga n da n a l y z i n go ft h i sa r t i c l e ，t h e o r ya n dt e s t i n gb a s e sf o r d e s i g n i n gd i f f e r e n tt a i l o r e dg e n e r a t o r sv a r y i n ga c c o r d i n gt od i f f e r e n th e a t s o u r c ea r e c o n f i r m e d ，a n df o u n d a t i o n f o rf u r t h e r d e v e l o p m e n t o fd y p r o d u c t si sa l s ol a i ds u c c e s s f u l l y k e y w o r d ：d i e s e le n g i n ee x h a u s tr e f r i g e r a t i o ns y s t e m ，s i m u l a t i v eh e a t s o u r c e t e s t i n gi l a t ，d yg e n e r a t o bh e a tu t i l i z a t i o nr a t e 净 湖南大学动力机械及工程专业硕士t i t f 究生学位论文 第一章绪论 内燃机是目前世界上用途最广泛的一种动力机械，应用于工业、农 业、军事和民用等各个领域。据估计内燃机消耗的能源占全世界总能源 的2 0 左右，而且随着社会的发展，人们生活水平的提高，这个比例 还会增加。在内燃机中，随尾气排放的能量约占所消耗燃料的3 0 以上， 因此对这部分热量进行回收利用具有很大的节能环保效益和社会经济 意义。 1 1内燃机余热利用概述 1 1 1 内燃机热平衡及其余热的应用 内燃机的热平衡1 2 】是消耗的燃料完全燃烧产生的热量转化为有效 功、发动机冷却介质所带走以及发动机排气带走的这三部分热量是如何 分配的。从内燃机的热平衡可以看出，发动机的有效功约占燃料总热量 的2 5 q 2 ，而以“废热”形式排出发动机之外的能量约占燃料总能 量的5 8 , - - 7 5 ，主要有以下几种余热形式： 1 、随发动机尾气排出而损失的热量，约占总能量的2 5 - - , 4 5 ； 2 、冷却介质( 如冷却水、冷却空气、润滑油等) 带走的热量，约 占总能量的1 5 4 0 ； 3 、余项损失能量( 如辐射热损失、不完全燃烧损失和其他没有记 入的热量损失等) ，约占总能量的2 一1 0 。 人们采取了各种措施改善内燃机性能。提高热效率减少热损失。但是 余热的损失还是不低子总能量的5 0 。在能源日益紧张的今天，余热不 应该按传统的观念将其视为无法回收的“废热”，而应合理的加以利用。 从余热利用的角度看，发动机排气带走的量最大，在可利用的余热 中它的品位最高，具有较高利用效率。大型船用增压二冲程低速柴油机 的排气温度为3 0 0 3 6 0 c ，四冲程增压柴油机的排气温度更高一些，是 发动机余热中温度最高的。冷却介质带走的热量是发动机余热中最为复 杂的部分，其利用效率不高。 1 1 2 内燃机余热的应用 利用内燃机余热的想法由来已久，人们为此作了不少理论和实践的 探索，为发动机余热利用提供了一些较为成功的经验和技术。目前- 内 燃机的余热利用主要有以下几种： 直接用于取暖。汽车在冬天运行时，利用发动机的冷却循环水或发 动机排气余热来调节车厢内的温度，实现冬天取暖。这是利用发动机余 热最简单也是最初级的一种方式。 作为轴功回收排气余热作为轴功回收的方法是使用涡轮复合系统， 利用排气驱动涡轮做功，通过扭合器与发动机曲轴扭合后，作为轴功输 出。此外，已成功应用于发动机的尾气驱动废气涡轮增压系统也大大地 提高了发动机的功率和效率。 图1 - 1 1 余热发电系统示意图 利用发动机高温排气来驱动废热锅炉产生蒸汽实现余热发电3 1 ， 其示意图如图1 1 - 1 所示。虽然在技术上比较成熟，但其系统结构复杂、 操作麻烦、体积人、造价高，般使用于功率较大的发动机排气余热利 用。 2 障发嚣 用发动机余热制冷。利用发动机排气余热的研究主要集中在汽车空 调和船舶制冷，经过各国专家学者不懈努力，发动机余热制冷技术取得 了显著成果0 4 - 1 6 。利用发动机余热的制冷系统大多采用的是吸收式和吸 附式制冷技术。 利用发动机余热制冷技术的研究虽然起步较早，研究成果也较多， 但不管是工业发达的国家还是国内的研究成果都只停留在理论和实验 分析阶段，没有能形成真正的产品。如今有很大影响力的d y 渔船制冰 系统也还只处于试制产品阶段，它的很多性能还有待于去研究和提高。 1 2 热能制冷方法概况 1 2 1 热能制冷方法简介 热能制冷是以热能为制冷的驱动力，不需要压缩机，大多数设备 均属容器和热交换器类型，结构简单，易于加工制造。热能制冷基本上 没有转动和运动部件，运行时噪音小，一般不需要维修。 热能铝4 冷主要有以下几种： l 、吸收式制冷 吸收式制冷是一种以热能为动力、利用液体( 制冷剂) 汽化来实现 制冷的制冷方式。其工作原理如图1 2 1 所示。它是通过加热发生器的 浓溶液和冷却吸收器的稀溶液使整个制冷循环连续进行。目前应用比较 成熟的吸收式制冷技术有氨水吸收式制冷和溴化锂吸收式制冷两种。氨 水吸收式制冷以水为吸收剂，氨为制冷剂，它可以获得很低的蒸发温度， 能够用于制冰；但其效率低，需要精馏过程，设备比较庞大，适用于有 余热可用或燃料低廉且制冰量较大的场合，不适合用于颠簸运动的交通 工具中。溴化锂吸收式制冷利用溴化锂为吸收剂。水为制冷剂。它只能 制取0 以上的冷量，主要用于空气调节制冷和为生产工艺等提供0 c 以上的冷媒水。 2 、蒸汽喷射式制冷 蒸汽喷射式制冷主要是利用定的设备造成较高的真空使空调工 业回水进入造成真空的设备中，在其中利用部分回水进行蒸发，蒸发时 吸收了未蒸发的那部分热量使该部分水得到冷却实现制冷。蒸汽喷射 l 蕊敏3 赣收i j 图i - 2 1 吸收式制冷原理图图i - 2 2 蒸汽喷射式制冷原理图 式制冷装置主要是由锅炉、喷射器、冷凝器、节流阀、蒸发器和水泵等 组成，其工作原理如图1 - 2 - 2 所示。蒸汽喷射式制冷只用单一物质为工 质。虽然在理论上可用一般的制冷剂，目前只有以水为工质的蒸汽喷射 式制冷机得到了实际应用。蒸汽喷射式制冷在制冷温度较高时，运费低， 主要适用于制取2 - 2 0 c 的冷媒水，尤其在制取l o 以上冷媒水时效率 最高。 3 、吸附式制冷 吸附制冷近似于吸收式制冷，它由吸附工质对中加热脱附和冷却 吸附制冷剂过程组成一个制冷循环。吸附式制冷技术在废热热泵、太阳 能冰箱方面也得到应用研究t 7 - 1 9 1 ，同时由于系统无运动部件、无噪声、 抗振性好等优点在船舶制冷、汽车空调、宇航低温制冷领域也得到了较 多应用 4 - 5 , 1 5 - 1 6 , 2 0 j 。目前吸附式制冷的应用仍处于研究阶段。 1 2 2 吸附式制冷技术 对吸附式制冷的研究是在f a r a d a y 发现氯化银吸附氨1 2 1 1 产生的制 冷现象以后。报道最早的吸附式制冷系统是在2 0 世纪3 0 年代，当时这 些系统因从功率及效率上无法与压缩式系统竞争而未受到足够的重视 和发展。2 0 世纪7 0 年代的能源危机及氟利昂等问题为吸附式制冷技术 发展提供了契机。近年来，吸附式制冷的发展非常迅速2 2 - 2 6 1 ，主要体堍 4 i 、 塑堕查堂塑生宣! 堡墨三翌童些堡主翌壅生兰丝兰塞一 为以活性碳醇类。2 - 2 8 1 、沸石分子筛水1 2 9 1 、c a c l 2 - n h 3 3 0 1 等为吸附对的 吸附式制冷研究取得了大量的应用和理论成果。 在吸附制冷技术中，目前常用的吸附对主要有硅胶一水、氯化钙氨、 活性炭甲醇、沸石氨等。硅胶水的脱附温度较低，如果超过1 2 0 c ， 硅胶将被烧毁，所以这种吸附对常用于l o o c 以下的低温余热制冷。活 性炭甲醇适合于在蒸发温升( 吸附温度和脱附温度之差) 小于4 0 弘叫 的场合。另外，它们的最高脱附温度不能超过1 5 0 c ，否则甲醇将发生 分解，故活性炭甲醇常用于太阳能制冷或回收1 0 0 左右的低温余热。 氯化钙氨吸附对能在较大的蒸发温升情况下使用，具有较高的单位吸 附制冷功率。氯化钙在无水的情况下与氨形成复盐c a c l 2 8 n h 3 。氯化 钙为多孔疏松状固体，单位质量的吸附表面积较大，i t o o l 氯化钙可以 吸附8 m o l 氨。c a c l 2 和n h 3 的沸点差在1 0 0 0 ( 2 以上，所以无需对脱附 后的氨气进行提纯，系统结构较简单；通过对氯化钙添加催化剂和进行 特殊工艺处理后，加热脱附时间大大地缩短。因此，经过特殊处理后的 氯化钙氨吸附对是一种比较理想的吸附对。d y 渔船柴油机尾气余热吸 刚式制冰系统采用氯化钙和氨作为吸附工质对p “。 为了提高制冷系统的热薰利用率，尽量减少有效能的损失，并尽可 能地利用吸附热，根据热源的特点选择一种先进合理的循环方式是必要 的。吸附式制冷循环可分为基本循环和回热循环两大类。回热循环是通 过发生器之间的能量交换来实现显热、吸附热等能量的回收，不仅可以 实现连续制冷，而且可以大大提高系统c o p 值，但它增加了系统的复 杂性和成本，降低了可靠性。它主要用于直接耗油、电气等能源的大型 空调、热泵系统。基本循环的发生器之间无能量交换，主要分为间隙式 和连续式两种基本循环。间隙式循环是适合于热源为间歇式的场合 连 续循环是增加发生器数目并通过阀门切换实现连续制冷的。基本循环的 c o p 不高，一般小于o 5 ，但它的制冷系统结构简单、操作方便、造价 低、体积小、可靠性高。这些特点对于余热利用的场合是应该给予考虑 的因素。d y 渔船柴油机尾气制冰系统采用的是基本循环的连续方式。 1 9 9 2 年在法国巴黎召开的首届国际固体吸附式制冷大会是对吸附 式制冷研究的一次重大总结，在很大程度上加快了吸附式制冷技术的发 展。现在吸附式制冷技术基本目标是直接面向应用市场。d y 渔船柴油 机尾气制冰系统虽然使吸附制冷技术走出了实验室，但它距市场还有一 定的距离，它的性能还需要不断优化提高。 o 1 3 课题来源、研究任务 湖南大学李定宇教授开发吸附式制冷设备。采用c a c l 2 n 玛为吸附 对，经历了2 0 多年的研究，取得了多项专利网。d y 技术于1 9 9 0 年、 1 9 9 2 年、1 9 9 6 年分别通过由机械工业部、中国轻工业部、中国科学院 及中国航天工业总公司主持的成果鉴定会，均得到了好评。李定宇教授 长期与台湾投资者合作，成立了湖南定字制冷技术有限公司，其d y 渔 船制冰系统在产品方面已取得了重大突破。目前定宇公司的新型渔船 冷冻冷藏设备项目已获得了国家科技部的创新基金资助p 引。定宇公司 从2 0 0 0 年1 1 月份开始和国家7 0 1 研究所进行技术合作，使d y 渔船制 冰系统从民用领域拓宽到军事领域的应用。在开发国内市场的同时也和 国外市场接轨，目前与日本明电株式会社的技术合作正在谈判之中本 课题为创新基金课题新型渔船冷冻冷藏设备及其合作项目的一部分。 。 本文根据湖南定宇制冷有限公司具体课题的要求，在d y 渔船柴油 机尾气制冰系统样机的基础上，对提高d y 渔船柴油机尾气余热制冰系 统性能进行研究。为此本文准备进行如下工作t l 、研究、设计并建立一个模拟多热源的实验台，以满足不同功率 的柴油机和不同型号d y 发生器匹配实验的要求。 2 、改变实验台输出参数温度、流量形成大小不同热流量的热源， 分别m u 热同一种型号的发生器，实现多种热源和不同型号发生器 之间进行的匹配试验。 3 、对试验结果进行分析，得出不同型号的d y 发生器在热利用率 最高情况下最佳匹配的热源。在此基础上确立单元发生器组的概 念，为给定热源的条件下。设计出最佳匹配的发生器提供了实验 湖南大学动力机械及工程专业硕士研究生学位论文 依据。 4 、根据实验结果，提出提高发生器热利用率的方案，并进行实验 验证。 本文通过上述工作，希望能使d y 渔船制冰系统件能进一步提高， 在更快的时间内为形成产品化提供一些试验研究依据。 小结 本章首先通过对发动机余热利用和热能制冷技术的分析比较，系统 地介绍了吸附制冷技术以及d y 渔船柴油机尾气制冰系统的吸附工质对 及其制冷循环的选择。本课题为湖南定宇制冷有限公司的实际课题，根 据公司具体实际情况确定了本文研究任务希望能通过本文的实验研究 工作，为不同的热源设计相匹配的发生器确立理论和试验的根据，为今 后d y 产品的发展提供一些试验研究依据。 7 塑塑查兰垫垄垫塾垦三翌童! ! 里主婴塞生兰堡垒苎一 第二章d y 渔船制冰系统 d y 渔船柴油机尾气制冰系统是利用内燃机余热制冷及吸附制冷技 术应用较为成功的实例，但其本身还处在试制产品阶段。本章对d y 渔 船制冰系统进行了简单介绍，为后面的实验研究提供一定的基础。 2 1d y 渔船制冰系统简介 2 1 1d y 渔船制冰系统的工作机理 d y 制冰系统的工作机理主要是基于下面的反应式： c a c l 2 8 n h 3 + g 卜必_ o c ，2 4 n h 3 + 4 n h 3 ( 1 ) 白a 2 4 n h 3 + q 2 ，止一o c f 2 - 2 n h ，+ 2 n h 3 ( 2 ) c a c 2 2 n h ，+ g 必一白c f2 + 2 n h 3 ( 3 ) 氯化钙和氨的反应压力和温度的平衡关系如图2 - 1 1 所示，当冷凝压力 2 0 压1 4 力： b a r 5 3 2 ， 声一 7 歹 i r j ， 1 ， ， l 2 ， ， 3 ，y l - ，。 i i li i i i i 3 02 0 1 001 02 03 0 4 05 0 6 08 01 0 0 1 2 0 1 _ n h 32 c a c l 2 8 n h 33 c a c l 2 4 n i - 1 3 图2 1 1 氨气和氯化钙的反应平衡图 为1 3 5 b a r 时，( 1 ) 和( 2 ) 式中的t 1 和t 2 分别为9 0 c 和1 0 1 ；当 蒸发压力为3 b a r 时，t 1 和t 2 分别为5 3 和6 4 。由以上方程式可知， l m 0 1 氯化钙最多可以吸收8 t o o l 的氨气，由于方程( 3 ) 的正反应温度 太高34 1 ，超过了发生器内部温度，实际上只有6 t o o l 氨气可用于制冷。 当( 1 ) 、( 2 ) 方程式正方向进行时，也即脱附过程，其中a 。和a ：分别为 2 2 0 0 k j 堙和2 3 0 0 彬堙左右【3 5 1 。利用柴油机尾气加热发生器，使其内 的氯化钙氨络合物吸收尾气热量而释放氨气。当两方程式逆向进行时， 即吸附放热，利用水冷却使发生器内保持低温，从而使吸附能顺利进行。 这就是整个制冰系统工作的机理。 2 1 2d y 制冰系统的基本结构及其循环 d y 制冰系统主要是由发生器、冷凝器、节流阀和蒸发器四部分组 成，其结构原理示意图如图2 1 2 所示。制冰系统的核心部分是发生器， 计 1 、2 、3 一发生器4 、5 、6 、1 1 、1 2 、1 3 一单向阀卜冷凝器 8 一节流阀9 一气、液分离器1 0 一蒸发器 图2 - 1 2 制冰系统结构原理示意图 发生器是d y 渔船制冰系统的核心部件，它直接影晌着整个系统制冷性 能，而它的性能又是和热源参数密切相关的，其外型图如图2 1 3 所示， 为了能充分利用柴油机连续排气的热能，采用三组发生器并联达到整个 系统连续制冷【3 6 】，各发生器的加热时序见表2 1 1 。发生器是两组单向 阀控制脱附和吸附时氨气的流向。由于吸附速率小于脱附速率，故整个 制冰系统运行时为了使同一时刻吸附和脱附达到平衡，三组发生器在整 个运行过程中都是一组发生器进行脱附、两组发生器进行吸附。 9 1 一尾气出口2 一冷却水进口 3 尾气进口4 一氨气出口接 冷凝器5 一冷却水出口6 一氨气进口接分离器 图2 1 3 发生器外型图 表2 1 1发生器加热顺序及时间 加热时间( r a i n )第一组发生器第二组发生器第三组发生器 2 5 + 2 5+ 2 5 + 2 5 + 2 5 + 2 5 + 备注：“+ ”表示加热，“”表示冷却； 2 2d y 发生器传热分析 如前所述，在d y 吸附式制冰系统的发生器内需完成吸取热源热量 使吸附剂络合物脱附制冷剂氨；另一方面发生器在吸附氨的过程中又需 要将吸附热散发到冷却环境介质中去。所以，发生器的传热性能好坏直 接影响到制冷系统的性能和效率。发生器的传热过程比较复杂，其中包 括柴油机尾气冲刷发生管的对流换热，托盘向吸附剂络合物的接触传 热，吸附剂络合物的接触传热，吸附剂络合物内部传热以及吸附剂在吸 塑塑查堂垫垄垫塑垦三矍主些主受窒兰兰笪丝塞一 附和脱附制冷剂过程中的传热等方面。 嚣 戋夭瞰 一t _ _ 1 - l j - - ll - _ 一r 1 - - 一j - _ l 图2 - 2 i发生器结构 图2 2 1 所示为立式多发生管托盘发生器结构，其发生管的排列采 用5 6 的矩形排列，外面采用隔热层将其包围。图2 2 2 为单个发生管 所采取的加热方式。由图2 - 2 2 可见，影响传热的因素有；( 1 ) 热源尾 气在发生管外分布不均匀，使发生管周围的温度分布不均；( 2 ) 托盘与 发生管的加工质量不同；( 3 ) 吸附剂在托盘导热片上覆盖不均匀；( 4 ) 相邻两层托盘导热片之间的热辐射影响；( 5 ) 热源尾气沿轴向的温度变 图2 2 2发生管加热方式 化使得最上层和最下层托盘导热片的温度存在差异；( 6 ) 发生管与发生 管之间的传热和辐射影响；( 7 ) 吸附剂本身不均传热性能的影响；( 8 ) 制冷剂在发生管内部对流换热的影响。 通过以上的分析，要得到发生器内部的传热特性在财力和人力上的 投入都是很大的，且所需要的周期也很长。故从分析d y 发生器内部的 传热特性是不可取的，我们从d y 制冰系统在不同热源的条件下所表现 出外部特性来代替对发生器内部传热特性的研究，从而为研究发生器的 脱附性能提供一定的试验依据。 2 3d y 渔船制冰系统c o p 制冷系数( c o e m c i e n to f p e r f o r m a n c e ) ，亦称“性能系数”，简记 为c o p ，也常用符号n 表示，是指制冷循环中产生的冷量和消耗的功 之比【3 7 1 ，若以1 蚝制冷剂而言，c o p 可用下式表示： 叩= q o a t 式中吼1 培制冷剂所制取的冷量，血，蛔； 爿，压缩1 堙制冷剂所消耗的功，l d 培。 它是制冷系统的一个重要经济技术指标，t l 越大，就越经济。制冷系数 c o p 与制冷循环的工作参数，制冷剂的种类等因素有关。 在吸附式制冷循环中，我们把c o p 命名为热利用率。在共同研究 的基础上【3 8 1 ，我们在本节中对以c 。c i ，n h ，为吸附工质对的d y 吸附制 冷系统将从不问角度来定义其系统c d p 。 定义1 吸附工质的c o p ，为单位质量氨的汽化潜热与氯化钙脱 附单位质量氨的分解反应热之比。如( 2 3 1 ) 所示： c ；盟 1 q ( 2 3 1 ) 式中q 为质量氮的汽化潜热；q 。为脱附单位质量氨所需的分解反应热。 定义2 发生器的c o p ，为系统制冷量q 与发生器所吸收的热量 q 。之比。如式( 2 - 3 - 2 ) 所示： c o p 2 ：盟 幻 ( 2 3 2 ) 式中q 为质量氨的汽化潜热；q 。为发生器所吸收的热量，包括氯化钙 脱附氨所需的脱附热、系统显热，由发生器外壳散失到环境中的热量。 定义3 制冷系统的c o p ，为系统制冷量q 与热源所含的热量 q 。之比。如式( 2 3 - 3 ) 所示： n e = 睾 ( 2 3 3 ) 蟛u 式中q 为质量氨的汽化潜热；q 。为热源所含的热量，包括脱附热、系 湖南大学动力机械及工程专业硕士研究生学位论文 统显热、由发生器外壳散失到环境中的热量及由发生器出口尾气带走的 热量。 由三种定义可知，c 0 只是由工质对性质决定的，和制冷系统结构无 关，它是无法改变的，即以氯化钙和氨为工质的吸附制冷系统的c o p 不 可能超过c o 只，故在本文内不予以它详细的讨论。c o 只和c o p 3 都是可 以通过改变发生器的结构或采用先进的循环来提高。从理论上讲，发生 器是一个热交换器，可以把发生器设计成无限大，发生器出口尾气带走 的热量接近或等于0 ，使得c 0 只基本上等于a 臼旺。利用余热的吸附式 制冷系统，高c o p 是发生器设计的理想耳标，但刻意追求高c o p 会使 制冷系统结构变得复杂，使余热回收在经济上和应用上行不通。 小结 本章介绍了d y 渔船柴油机尾气制冷系统的工作机理及系统结构， 为了能充分利用柴油机连续排气的热能，d y 采用三组发生器并联形成 连续制冰，弥补了间歇式吸附制冷的不足。对影晌d y 发生器内部传热 特性的因素进行了分析，提出了通过实验研究d y 发生器在不同热源条 件下表现出的外部特性来代替对发生器内部传热特性的研究，为研究发 生器脱附性能提供一定的试验数据。全面地提出了吸附制冷系统的三种 热利用率c o p 的定义，作为评价吸附式制冷系统性能的指标，为后面 的实验研究提供了理论基础。 第三章实验台设计参数的选定 d y 渔船柴油机尾气制冷系统是利用热能实现制冷，故对其进行实验 研究时，热源是不可缺少的。本章以近海小吨位渔船使用的柴油机尾气 参数为设计基础，建立一个可以模拟多热源的实验台。 3 1实验台设计目的 现有实验条件下，为发生器提供热源的是一个1 8 5 马力船用柴油机 实验台架。此实验台架在研究d y 发生器对柴油机动力性能及经济性能 影响、以及对于柴油机在变工况情况下对发生器性能的影响都是非常重 要的。但在纯粹地对d y 发生器进行研究时，它作为发生器的热源存在 着下面一些不足； 消耗能量大，利用3 0 左右的柴油机尾气热量是以浪费7 0 左右 的能量为代价的； 柴油机的工作噪音大，影响整个公司的工作环境； 柴油机所需的维护费用高，需要专门人员维护； 不能进行发生器耐久试验，耐久试验需要柴油机长时间不断地运 转，这样对于柴油机的损耗很大甚至是报废柴油机； 其所提供热流量基本上是不变的，对于d y 发生器性能的研究存 在着很大的局限性。 为此，我们建立一个可以模拟多热源的实验台，它输出的热量是燃 油完全燃烧释放的能量。对所要建立的模拟实验台输出燃气的参数指标 要能满足以下要求：它的输出参数和所模拟热源的参数相一致，要能 模拟6 1 6 0 a 一1 2 ( 1 8 5 马力) 和6 1 6 0 a 1 3 ( 2 5 0 马力) 两种型号的船用柴 油机尾气的参数，能取代这两种柴油机的排气热源，对制冰系统进行性 能试验和耐久试验；在能满足以上两种热源要求的前提下，尽可能扩 湖南大学动力机械及工程专业硕士研究生学位论文 大参数的变化范围，并能根据需要，在全范围内进行调整，从而实现模 拟不同热源的要求，为制冰系统的研究提供条件。在对发生器进行实验 研究时，它取代原来的实验台为d y 发生器提供热源，在不同程度上解 决了上述的几个问题；同时，它可以完成不同型号发生器的出厂检验实 验，大大节约了建立相匹配柴油机实验台的资金。在本文中主要利用此 模拟实验台输出不同的热量和不同型号发生器进行匹配试验，得出发生 器和热源之间的关系，从而为不同热源设计出相匹配的d y 发生器提供 实验依据。 ； 3 2 实验台设计参数 3 2 1 柴油机尾气参数 在模拟实验台中主要是模拟热源的温度t 和质量流量q 。两个参数 的( 对于柴油机尾气余热来说，也即尾气的温度t 和质量流量q 。) 。实 丝造整鳖垡【巧嘴甜 繁 一l 一 i 期 凳 吐 矗慧l 慧 f 监。 l 厂 亳 t 盈 巧 ， 夕 虹 ，。 一 ) ， 一 ， 耋 一 r r j - “ 薹 皓8 0 一) i 蠡 驻i 。一旦 一斗 j 图3 - 2 - 1 6 1 6 0 a - 1 2 柴油机推进性曲线图 湖南大学动力机械及工程专业硕士研究生学位论文 验台所消耗的燃油量q 。是直接决定实验台输出热量，它同时也是决定 输出温度的个重要参数，故其也是实验台设计中一项重要参数。由于 烟气在发生器中存在着压力损耗，故输出压力p 也是设计模拟实验台的 一个重要参数，它主要是和发生器结构有关。因此，在实验台的设计中 有四个设计参数：温度t 、质量流量q 。、燃油量q b 和压力p 。 图3 2 - 26 1 6 0 a - 1 3 柴油机推进性曲线图 在实验台参数的选定中，我们以山东维坊柴油机厂生产的 6 1 6 0 a - 1 2 和6 1 6 0 a - 1 3 型船用柴油机尾气为参数设计的基础。 图3 - 2 1 和图3 - 2 - 2 所示分男i j 是6 1 6 0 a 1 2 和6 1 6 0 a - 1 3 的推进特性 曲线。从图3 2 一l 和图3 - 2 2 可以得到在额定工况下6 1 6 0 a - 1 2 型和 6 1 6 0 a - 1 3 型柴油机涡轮前尾气性能参数； n l = 7 5 0 r m i n ，n e l = 1 8 5 马力时： t t 厂一涡轮前排气温度4 8 0 ： n l = l0 0 0 r m i n ，n e l 宅5 0 马力： 1 6 湖南大学动力机械及工程专业硕士研究生学位论文 t t 2 _ 涡轮前排气温度5 5 0 。c 。 上述尾气的温度为废气涡轮前排气参数值，而直接和发生器发生关 系的是涡轮后的尾气参数值，我们就必须通过理论计算求得涡轮后的温 度参数值，而有关于尾气流量的计算我们通过后面经验公式求得。 从气缸排出的尾气通过废气涡轮机对压气机做功，消耗一定的尾气 能量。柴油机进气经过压气机时可以近似地看作理想的绝热等熵压缩过 程，它所经过压气机获得的功w = 废气在涡轮机消耗的功w 耗压气机 效率t l s 涡轮机效率n 。工质绝热等熵压缩过程需要的技术功w 理 跆算法如下式p 9 1 ： 肚旨吲每) 譬】| ( 3 - 2 1 ) 废气在涡轮中消耗的功w 。为： = 去= 去苦r r o t - ( 犷j ( 3 - 2 - 2 ) 上两式中 k 一空气绝热指数1 43 r 一空气气体常数2 8 7 0 5 1 ( 放k ) ； 瓦压气机前进气温度2 0 c ，u p2 9 3 k ； 等一即增压比nk 。 1 o 在求增压比“k 时，我们取只为标准大气压7 6 0 m m 汞柱，从图3 - 2 1 和 图3 - 2 2 中可以查得两种型号柴油机在额定工况下的进气压力分别为： l 一进气压力3 0 0m m h g ； 足2 一进气压力3 4 5m m h g 。 则增压比为： = 每= 鼍乩。，； 1 7 湖南大学动力机械及工程专业硕士研究生学位论文 ：生一3 4 5 + 7 6 0 1 4 5 。 。 1 0 0 7 6 0 在式( 3 - 2 - 2 ) 中，r 涡取o 7 ，图3 - 2 3 是1 2 g j 压气机6 1 6 0 a 型 柴油机配合特性曲线，根据配合特性曲线可查得两种型号的柴油机压气 机的效率分别为： n 1 = 0 6 8 ；r l 2 , - - - 0 7 1 。 卜上一 丌i、 b - il 妒+ 、 ， 7 t 萨纠 、 伊 y 舯， l d” 彳l d 十， hq ! x , 5 5 0 9 q fy 1 ， 下，1 卜粕_ i 7 蛆捌 j 7 j 埘oi i l 弦l ：球 i 。 |f 州i iill碗 略0 o t o 雹o o 0 40 5n 60 7 o , f l 钾盛，惭 2 酊珏气辐象抽扼雷刺蛀鱼残f 舶o 型柴鞠飙j a 一2 ，o g m 推盘特性曲蔑 b 8 5 马力推进特性曲琏 c 一一般，i 力贞构持蛀帕鹱 图3 - 2 - 3 压气机配合特性曲线图 两种型号柴油机尾气在涡轮机中消耗的功分别为： j = 万急 i ：| _ 万南 根据w 漏- - - 坼a t 式中 x 2 8 7 0 5 1 0 - 3 x 2 9 3 x l ：1 - 1 3 9 0 4 1 4 ) 1 = 6 1 0 1 u | k x 2 8 7 0 5 x 1 0 - 3x 2 9 3 x i 1 - 1 4 5 “4 1 l 4 ) i = 6 6 3 3 , u 堙 c ，( 3 2 3 ) 。坼一单位烟气质量1 船； c ，一烟气比热1 材堙1 4 1 1 。 a t 一烟气等熵做功过程涡降c 。 1 8 塑亘奎堂垫垄垫堡墨三矍妻些堡主塑塑兰兰堡堂：l一 则 7 ：= 去= 器硼 年丧= 黯娟 由此，可以得出6 1 6 0 a 柴油机 n n n 排气的近似温度： t 1 = 4 8 0 6 1 = 4 1 9 。c t 2 = 5 5 0 6 6 = 4 8 4 1 2 s322 婪油栅犀气的热i $ l l 爱计簋 我们可以根据上述的压气机和柴油机配合特性曲线来计算柴油机 的烟气流量。两种型号的柴油机增压比分别为1 3 9 和1 4 5 ；根据图3 - 2 - 3 可知，它们所对应的进气量分别为0 3 k g s 和4 2 k g s ，烟气流量计算分 别如下： q 。1 = 0 3 3 6 0 0 + 1 8 5 1 7 4 1 0 - 3 = 1 0 8 0 + 3 3 = 1 1 0 3 k g h ： q