彭維珂，潘宏剛，代雨辰，袁哲理，王鶴淇

(沈陽工程學(xué)院 能源與動力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

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基于小型磚窯的斯特林發(fā)動機(jī)煙氣余熱利用

彭維珂，潘宏剛，代雨辰，袁哲理，王鶴淇

(沈陽工程學(xué)院 能源與動力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

基于斯特林發(fā)動機(jī)對能源具有良好的適應(yīng)性的優(yōu)點(diǎn)，制作了小型斯特林發(fā)動機(jī)實(shí)物模型，并對實(shí)物模型進(jìn)行了運(yùn)動仿真模擬。運(yùn)用熱力學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)的相關(guān)知識對斯特林發(fā)動機(jī)實(shí)物模型加熱器進(jìn)行分析，建立斯特林發(fā)動機(jī)煙氣余熱利用模型，并分析求解出理論換熱量。將裝置應(yīng)用于煙氣量為20 t/h的小型磚廠中，得出理論發(fā)電量約為51 kW·h，年節(jié)省開支30余萬元，節(jié)省燃煤600.73萬t，減少二氧化碳排放量1 573.912 6萬t，減少二氧化硫排放量5.106萬t。

斯特林發(fā)動機(jī)；煙氣余熱利用；傳熱分析；運(yùn)動仿真

目前，我國磚瓦生產(chǎn)企業(yè)約有7萬多家，從業(yè)人員700多萬[1]。其中年產(chǎn)5 000萬塊磚以上的大型磚窯廠占5%；3 000萬～5 000萬塊的中型企業(yè)占30%；3 000萬塊以下的小企業(yè)占65%[2]。當(dāng)今磚窯企業(yè)向著大容量、高參數(shù)趨勢發(fā)展，但在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，磚瓦行業(yè)整體規(guī)模結(jié)構(gòu)仍以中小企業(yè)為主?，F(xiàn)行大型磚窯企業(yè)一般采取再熱鍋爐-汽輪機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行煙氣余熱利用發(fā)電或加熱干燥物品。中小型磚瓦企業(yè)具有技術(shù)低、生產(chǎn)成本高且分布散的特點(diǎn)，不具備修建再熱鍋爐-汽輪機(jī)發(fā)電裝置的能力。斯特林發(fā)動機(jī)對低品位能源具有良好的適應(yīng)性，且兼?zhèn)淅寐矢?、污染小、維護(hù)簡單和造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)。相對于現(xiàn)有大型磚窯余熱利用技術(shù)，更適合中小型磚窯企業(yè)。近年來，斯特林發(fā)動機(jī)在歐美等發(fā)達(dá)國家發(fā)展迅速，但在國內(nèi)，研究還處于起步狀態(tài)。因此，研究斯特林發(fā)動機(jī)煙氣余熱利用技術(shù)具有重要意義。

1 斯特林發(fā)動機(jī)介紹及其系統(tǒng)分析

1.1 斯特林發(fā)動機(jī)組成

斯特林發(fā)動機(jī)是一種外燃機(jī)，是將外部熱能傳遞給工質(zhì)，再由工質(zhì)做功將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出的機(jī)械式發(fā)動機(jī)，它的大部分結(jié)構(gòu)形式與內(nèi)燃機(jī)相似。主要由外部供熱系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成[1]。

盡管斯特林發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但是其工作原理基本相同，都是利用工作氣體熱腔冷縮對外做功[1]。斯特林發(fā)動機(jī)循環(huán)做功輸出主要有4個(gè)過程，分別為等溫壓縮、等容加熱、等溫膨脹和等容冷卻，如圖1所示。

圖1 斯特林發(fā)動機(jī)循環(huán)做功過程

1)等溫壓縮①～②：膨脹腔活塞保持不動，壓縮腔活塞向上止點(diǎn)運(yùn)動，使得工質(zhì)在壓縮腔中被壓縮而導(dǎo)致系統(tǒng)壓力升高，壓縮過程中產(chǎn)生的熱量Qc通過熱傳導(dǎo)傳向冷卻器，并使工質(zhì)溫度保持為Tc[1]。

2)等容加熱②～③：壓縮腔和膨脹腔中的活塞同時(shí)運(yùn)動，使工質(zhì)由壓縮腔經(jīng)回?zé)崞髁飨蚺蛎浨?，循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部兩活塞之間體積保持不變。工質(zhì)經(jīng)回?zé)崞鲿r(shí)，吸收回?zé)崞髦械臒崃?，從而使循環(huán)系統(tǒng)中工質(zhì)的溫度由Tc升至TH[1]。

3)等溫膨脹③～④：壓縮腔活塞保持不動，膨脹腔活塞運(yùn)動直至下止點(diǎn)，從而使循環(huán)系統(tǒng)體積增大、壓力減小。此過程，工質(zhì)全部位于膨脹腔，加熱器向循環(huán)系統(tǒng)提供熱量Qe，使工質(zhì)溫度保持為TH[1]。

4)等容冷卻④～①：壓縮腔和膨脹腔中的活塞同時(shí)運(yùn)動，使工質(zhì)由膨脹腔經(jīng)回?zé)崞髁飨驂嚎s腔，循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部兩活塞之間體積保持不變。工質(zhì)經(jīng)回?zé)崞鲿r(shí)，回?zé)崞魑展べ|(zhì)中的熱量，從而使循環(huán)系統(tǒng)中工質(zhì)的溫度由TH降至最低值Tc[1]。

1.2 斯特林發(fā)動機(jī)物理模型

查找相關(guān)文獻(xiàn)與現(xiàn)有型號的斯特林發(fā)動機(jī)的尺寸參數(shù)，并運(yùn)用絕熱分析，設(shè)計(jì)出一款斯特林發(fā)動機(jī)實(shí)物模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)，斯特林發(fā)動機(jī)實(shí)物模型相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 斯特林發(fā)動機(jī)模型相關(guān)參數(shù)

運(yùn)用傳熱學(xué)以及流體力學(xué)的相關(guān)知識，對所設(shè)計(jì)的實(shí)物模型換熱器進(jìn)行理論換熱計(jì)算，從而確定換熱管的內(nèi)外徑、壁厚等相關(guān)參數(shù)。利用Pro-E軟件對斯特林發(fā)動機(jī)模型進(jìn)行運(yùn)動仿真模擬，斯特林發(fā)動機(jī)運(yùn)動仿真效果如圖2所示。

2 斯特林發(fā)動機(jī)加熱器理論換熱模型

2.1 計(jì)算初始條件

通過斯特林發(fā)動機(jī)的實(shí)物模型，建立起斯特林發(fā)動機(jī)加熱管換熱計(jì)算的理論模型，從而設(shè)計(jì)出一款高效率、高實(shí)用性的加熱器。斯特林發(fā)動機(jī)的初始參數(shù)包括平均壓力、額定輸出功率，工質(zhì)為空氣。斯特林發(fā)動機(jī)實(shí)物模型工質(zhì)的部分參數(shù)如表2所示，煙氣部分參數(shù)如表3所示。

對于熱源部分，系統(tǒng)利用酒精噴燈，將空氣加熱至500 ℃，用來模擬煙氣余熱利用過程，并用風(fēng)機(jī)送至加熱管進(jìn)行換熱，斯特林發(fā)動機(jī)加熱管煙氣驅(qū)動如圖3所示。

2.2 理論換熱模型

根據(jù)傳熱學(xué)相關(guān)知識，實(shí)物模型加熱管換熱可以分為3個(gè)傳熱過程，如表4所示。

圖2 斯特林發(fā)動機(jī)運(yùn)動仿真

表2 工質(zhì)(空氣)部分參數(shù)

表3 煙氣部分參數(shù)

圖3 斯特林發(fā)動機(jī)加熱管煙氣驅(qū)動

表4 傳熱過程

2.2.1 煙氣側(cè)換熱

將煙管視為理想圓柱體模型，因此可以將煙氣視為在一個(gè)無限長圓柱體內(nèi)流動，由此可知：

輻射密度：

(1)

為了簡化計(jì)算，將煙氣看作灰體，所以ag=εg。εg為氣體發(fā)射率；αg為煙氣對管外壁輻射的吸收比；Ty0為定性溫度，Ty0=500 ℃；Tw1為管外壁溫度，Tw1=360 ℃。

系統(tǒng)利用加熱空氣模擬煙氣余熱，而在空氣中，主要吸收的氣體是CO2和H2O，其他氣體的輻射和吸收能力極弱，可以忽略不計(jì)。但是CO2和H2O的部分光帶會相互重疊，所以含有這兩種氣體的煙氣的發(fā)射率不能僅僅是各自發(fā)射率的累加，計(jì)算其發(fā)射率的公式如下[2]：

(2)

通過查找CO2和H2O的發(fā)射率曲線圖和壓力修正系數(shù)曲線圖，得到相關(guān)參數(shù)，如表5所示。

表5 水和二氧化碳的發(fā)射率和壓力修正系數(shù)

由輻射換熱量公式Q1r=F1qrX可以計(jì)算結(jié)構(gòu)。根據(jù)查表，得出X=0.84。輻射換熱結(jié)果如表6所示。

表6 輻射換熱結(jié)果

綜上所述，煙氣側(cè)的輻射換熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于總換熱量，在實(shí)際工程計(jì)算中，基本可以忽略這一部分換熱量。

2.2.2 煙氣側(cè)對流換熱

此處對流換熱的模型可以選定為管內(nèi)流動，故可知其煙氣震蕩速度、對流雷諾系數(shù)、普朗特?cái)?shù)、煙氣運(yùn)動粘度。

綜合以上數(shù)據(jù)，可得煙氣震蕩速度:

(3)

煙氣流動雷諾數(shù)：

(4)

根據(jù)計(jì)算所得的雷諾數(shù)，選擇管內(nèi)換熱準(zhǔn)則關(guān)系式：

(5)

因此可知：

(6)

(7)

Q1c=h1·F1

(8)

總換熱量為

Q1=Q1c+Qr1

(9)

為了簡化計(jì)算，可以將空氣視為熱輻射透明體，所以，加熱管工質(zhì)側(cè)的換熱方式為管壁對工質(zhì)的對流換熱。

設(shè)工質(zhì)溫度25 ℃，工質(zhì)壓力為3.0 MPa，通過查找物性參數(shù)表，得到工質(zhì)空氣的物性參數(shù)，如表7所示。

表7 25 ℃時(shí)工質(zhì)側(cè)空氣的物性參數(shù)

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以求得煙氣側(cè)對流換熱相關(guān)參數(shù)：

平均流動速度：

(10)

雷諾數(shù)：

(11)

努賽爾數(shù)：

Nu2=0.023Re0.8Pr0.4

(12)

表面換熱系數(shù)：

(13)

綜上可得，工質(zhì)側(cè)換熱計(jì)算出總的換熱量為Q=5.18 W。因此，可知工質(zhì)側(cè)流體與管壁間的換熱量占總換熱量的絕大部分，其換熱效果也較好?？梢酝ㄟ^換熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)與更換工質(zhì)種類等方面進(jìn)行增大工質(zhì)側(cè)與換熱管內(nèi)壁間的換熱效果。

2.2.3 管壁換熱計(jì)算

加熱器管壁間的熱傳遞主要以熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行，因此傳熱模型為單層圓筒壁傳熱[3]。

(14)

由于加熱管材料為304鋼，因此導(dǎo)熱系數(shù)λs=22.2 W/(m·K)

管壁溫差：

Δt=QRs

(15)

外壁溫度：

tw2=tf2+Δt2+l

(16)

計(jì)算得出Q=0.03 W。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，加熱管內(nèi)管壁換熱極小，在換熱工程中基本上可以忽略不計(jì)。這是由于管壁之間溫度差較小所造成的，改進(jìn)結(jié)構(gòu)時(shí)可以不用對其做過多考慮。

3 磚窯廠煙氣余熱利用

根據(jù)所建模型，對中小型磚窯廠煙氣余熱利用進(jìn)行研究分析，并得出結(jié)論與優(yōu)化方案。

3.1 參數(shù)選擇

小型磚窯企業(yè)排煙量的相關(guān)參數(shù)以及4R90GZ斯特林熱機(jī)(功率為55 kW)的相關(guān)參數(shù)如表8和表9所示。

表8 煙氣相關(guān)參數(shù)

3.2 煙氣余熱利用熱計(jì)算

實(shí)際煙氣流速：

(17)

煙氣流動雷諾數(shù)：

(18)

運(yùn)用管內(nèi)換熱準(zhǔn)則關(guān)系式：

(19)

根據(jù)公式可以得到Nu=255.405，因此可知：

(20)

表9 4R90GZ斯特林熱機(jī)相關(guān)參數(shù)

對于環(huán)肋片：

λ=200 W/(m·K)

h=130 W/(m2·K)

H′=H+δ/2=15.5 mm

r2′=r2+δ/2=40.5 mm

AL=H′·δ=15.5 mm

查表得：nf=99%

A1=58×5.6×10-3×π×60×10-3=0.061 2m2

(21)

(22)

A0=A1+A2=0.270 2 m2

(23)

φ=h·A0·η0·Δtm=h(A1+ηfA2)Δtm=
219.552 4 kW

(24)

假設(shè)斯特林發(fā)動機(jī)效率η斯為25%，發(fā)電機(jī)效率η電為95%，則：

P=Φ·P斯·P電=52.143 7 kW

(25)

3.3 結(jié)論分析

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行1 h，電機(jī)理論發(fā)電約為51.143 7 kW·h。以小型磚窯廠工作24 h，工作250 d為標(biāo)準(zhǔn)，年發(fā)電量31.27萬kW·h，節(jié)省開支50余萬元。節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約31.27×60×0.32=600.73萬t；減少二氧化碳排放量31.27×60×0.32×2.62=1 573.912 6萬t；減少二氧化硫31.27×60×0.32×0.008 5=5.106萬t。

根據(jù)結(jié)論進(jìn)行分析，提出了斯特林發(fā)動機(jī)煙氣余熱利用熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。小型磚窯廠斯特林發(fā)動機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)示意圖，如圖4所示。該系統(tǒng)在輸出電能的同時(shí)，也可以供熱，實(shí)現(xiàn)能源梯級化利用，提升能源利用率。

供電部分利用中高溫?zé)煔饨?jīng)過換熱器I，驅(qū)動斯特林發(fā)動機(jī)，帶動電機(jī)發(fā)電。

供熱部分利用通過換熱器I的低溫?zé)煔?，用風(fēng)機(jī)代入換熱器II，加熱冷水，為磚窯廠提供熱水。

圖4 磚窯廠斯特林發(fā)動機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)

4 結(jié) 論

根據(jù)斯特林發(fā)動機(jī)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一套實(shí)物模型并對其進(jìn)行運(yùn)動仿真，利用傳熱學(xué)和流體力學(xué)知識，建立了斯特林發(fā)動機(jī)理論換熱模型，計(jì)算出對流換熱量W，輻射換熱量W，管壁換熱量W。顯然輻射換熱量與管壁換熱量相對于總換熱量而言較小，在工程上可以忽略。故近似認(rèn)為模型理論總換熱量W。將理論模型進(jìn)行放大，對一個(gè)煙氣量為23 t/h的小型磚窯廠和55 kW的斯特林發(fā)動機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算得出，在斯特林發(fā)動機(jī)效率為25%，電機(jī)效率為95%時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行1 h，電機(jī)理論發(fā)電約為52.14 kW·h。以工廠每天工作24 h，工作250 d為標(biāo)準(zhǔn)，年發(fā)電量為31.284萬kW·h，企業(yè)年節(jié)省開支30余萬元。根據(jù)能量梯級利用原理，結(jié)合計(jì)算結(jié)果，提出了一個(gè)斯特林發(fā)動機(jī)煙氣余熱利用熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)想方案，為中小企業(yè)的余熱利用建立了一定的理論基礎(chǔ)。

[1]張 鑫.斯特林發(fā)動機(jī)的性能模擬及其熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].廣州.華南理工大學(xué),2014.

[2]黃 曼.1 kW斯特林發(fā)動機(jī)加熱器的設(shè)計(jì)及研究[D].武漢:華中科技大學(xué)，2014.

[3]孟 嘉.工業(yè)煙氣余熱回收利用方案優(yōu)化研究[D].武漢:華中科技大學(xué)，2008.

[4]梁嘉琪.中國磚瓦工業(yè)步入轉(zhuǎn)型期的思考[J].磚瓦世界，2012(10)：27-33.

[5]許彥明.節(jié)能減排創(chuàng)新發(fā)展磚瓦工業(yè)步入轉(zhuǎn)型升級新常態(tài)[C]//中國磚瓦工業(yè)協(xié)會2015年年會,2015(11):3-4.

[6]Taal M,Bulatov I.Cost estimation and energy price forecast for economic evaluation of retrofit projects[J].Applied Thermal Engineering,2003(23):1819-1835.

[7]Kaushik S C,Kumar S.Finite Time Thermodynamic Evaluation of Irreversible Ericsson and Stirling Heat Engines[J].Energy Conversion & Management,2001,42: 295-312.

[8]Halit K，Huseyin S,Atilla K.Manufacturing and Testing of a V-Type Stirling Engine[J].Turk J Engine Environ Sci,2000,24:71-80.

[9]Koichi H.Development of a Small 50W Class Stirling Engine[Z].Ship Research Institute Shinkawa，2000.

[10]Nezaket P,Andreas W,Michael E.Thermodynamic analysis of a gamma type Stirling engine in nonideal adiabatic conditions[J].Renewable Energy,2008(2):30.

(責(zé)任編輯張凱校對魏靜敏)

FlueGasWaste-heatUtilizationofStirlingEngineinSmallBrickkiln

PENG Wei-ke，PANG Hong-gang，DAI Yu-cheng，YUAN Zhe-li，WANG He-qi

(School of Energy and Power Engineering,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

Stirling engine has good adaptability to energy,and has the advantages of low-price and easy-maintenance and so on.A physical model of small Stirling engine was made and the motion simulation of it was carried out.The flue gas waste-heat utilization model of the Stirling engine was established based on the analysis of Stirling engine′s heating pipe with thermodynamics,heat transfer,fluid mechanics,and its theoretical heat exchange Q=5.18 W was also calculated.When the device was used in a small brickyard with 20 t/h flue gas volume,the theoretical power generation was about 51 kilowatt hour that would decrease approximately annual expenditure of more than 30 thousand yuan,save 6 million 7 thousand tons of coal and reduce 15 million tons of carbon dioxide and 51 thousand tons of sulfur dioxide emissions.

Stirling engine; Flue gas waste-heat utilization; Heat transfer analysis; Motion simulation

2017-05-11

遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(201711632001)

彭維珂(1997-)，男，湖南長沙人。

潘宏剛(1982-)，男，遼寧沈陽人，高級工程師，博士研究生。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.03.006

TK11；TK11；O329

： A

： 1673-1603(2017)03-0223-06