一種對利用斯特林循環的船舶柴油機尾氣余熱制冷裝置的相關分析

摘 要：斯特林循環對于能量轉換效率的提升有著重要的意義，是一種效果較好的節能設計。基于此，本文設計了一種基于斯特林循環的船舶柴油機尾氣余熱制冷裝置，對其中的結構設計進行了重點的說明，并進行了利用斯特林循環的船舶柴油機尾氣余熱制冷裝置的設計計算。

關鍵詞：斯特林循環；尾氣余熱回收；制冷裝置

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

引 言

隨著傳統能源煤炭、石油等不斷消耗減少，人們的節能意識不斷提升，對于海洋活動中船舶的能源消耗優化更加重視。其中，船舶柴油機尾氣可達到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行利用成為了研究人員愈加重視的工作。作為節能設備，斯特林發動機有較高的轉換效率、能夠適應各種燃料、低噪聲等優點。本文設計了一種基于斯特林循環的船舶柴油機尾氣余熱制冷裝置，并對其運行進行了分析與計算。

1 基于斯特林循環的船舶柴油機尾氣余熱制冷裝置的設計

1.1 斯特林循環裝置的設計

斯特林循環裝置中包含膨脹區、加熱區、回熱管、冷卻系統以及壓縮區。其中，不同結構的具體設計如下：

（1）膨脹區。在斯特林裝置中，膨脹區與加熱腔相通，因此溫度較高，當工質與外部熱源（尾氣余熱）換熱，工質發生相變，由液態變為氣態推動活塞運動。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。柴油機尾氣與斯特林循環系統進行換熱，達到對乙醇加熱產生相變膨脹的目的，與尾氣進行換熱的加熱腔與活塞腔相通，同時，這兩區域又與回熱裝置相通，加熱腔因為直接接觸較高溫度的尾氣，需要保證裝置內的工質不泄漏，即要求能承受循環裝置內高壓和尾氣高溫。

（3）回熱管。回熱管串聯在加熱區和冷卻區間，是斯特林循環系統中的一個換熱器，當乙醇工質被加熱汽化膨脹，回熱管與乙醇汽態工質進行換熱，在工質壓縮過程，其通過回熱管流向加熱區時，工質又從回熱管吸收熱量，達到氣態工質預冷，液態工質預熱的目的。

（4）冷卻系統。冷卻區位于回熱管和壓縮區之間，其功能在于能夠將氣態工質攜帶的熱量傳遞到到外界，保證工質重新液化，通過回流管回到加熱區，完成循環。一般來說，冷卻區的工作條件比加熱區和回熱管平和，工作溫度相對較低，但因冷卻水系統是海水，需要耐海水腐蝕的材料[2]。

（5）壓縮區。由于曲軸的慣性作用，活塞對內運動壓縮工質，同時壓縮區與外部冷卻水系統換熱，使工質重氣態相變回液態，壓縮過程，工質壓力下降，工作環境平穩，主要對氣密性要求高。

1.2 制冷裝置的設計

該制冷裝置由壓縮機，冷凝器，膨脹閥和蒸發器構成。當制冷劑工作條件在低于被冷卻介質的溫度和壓力下，制冷劑發生沸騰，斯特林裝置活塞不間斷運動，抽吸蒸發器中產生的蒸氣，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，制冷劑與冷卻介質換熱，制冷劑釋放熱量，制冷劑在恒壓下冷卻，冷凝成液態。在冷凝壓力條件下，其冷凝溫度要高于冷卻介質的溫度，冷凝后的液態制冷劑，通過膨脹閥進入蒸發器，從被冷卻物體（海水）中吸熱。制冷劑蒸汽重新被吸入壓縮機，完成一個制冷循環。

1.3 冷卻水系統運行方式的設計

當柴油發動機不啟動時，裝置本身無運行，容器內乙醇工質為常溫液態。工質沒有發生相變，曲柄連桿機構靜止，此時系統不進行制冷制冰。啟動制冷系統中的備用電制動壓縮機，能夠保證柴油機在停運時，依然有足夠制冷量保證海產品新鮮。

在這一過程中，等溫壓縮、等容吸熱、等溫膨脹和等容冷卻構成了一個完整的斯特林循環。活塞行程的把控主要由乙醇工質進行斯特林循環所產生的膨脹以及壓縮進行，其次由曲軸平衡重存儲的慣性提供，活塞往復運動，對外輸出功率，由活塞頂部完成對制冷劑的壓縮做功，進而完成制冷循環，完成余能的回收利用。

2 基于斯特林循環的船舶柴油機尾氣余熱制冷裝置的設計計算

經過對該裝置的分析計算，能夠得出以下的結果：斯特林循環裝置設計有效功率為4kW；設計的加熱量為12.12kW；功率轉換系數為0.33；活塞平均滑動速度為10cm/s；尾氣輸入量為23.7g/s；曲軸轉速為60r/min；活塞行程容積為141cm3；平均循環壓力為9MPa；回熱器的無益容積為122.9cm3；加熱器的無益容積為103.2cm3；尾氣進口溫度為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為355W/（m2·K）；換熱總面積為0.12m2；尾氣表面傳熱系數為50W/m2·k；換熱平面厚度為3mm；冷卻水系統的冷凝負荷為2382kJ；冷卻水量流量為0.08kg/s；冷卻的傳熱面積為0000.5m2；柴油機尾氣定性溫度為215℃；回熱裝置換熱總面積為157cm2；系統輸入熱量為14.3kW；中速柴油機尾氣換熱量為47.8kW；斯特林循環裝置的輸出功率為3.9kW；換熱損失為11.95kW；熱量學完善度（熱效率）為0.30。

3 總 結

綜上所述，本系統將斯特林發動機與對置式活塞相結合，進而實現尾氣余熱的平穩回收利用。通過對尾氣剩余能量回收裝置的設計，實現了尾氣余熱和殘余壓力的有效利用。制冷系統配備輔助壓縮機，當船舶停航時，也能夠完成制冷工作。所設計裝置的運行工況要求低，低品位的熱能均可以運行。可以說，本系統有著加高的應用價值。

參考文獻

[1]饒啟超，任博文，劉 沛，遲國春.斯特林制冷機技術研究進展綜述[J].低溫與超導，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，2013（02）：4～6+17.

收稿日期：2018-11-4