乙醇柴油替代燃料排放功效及热力学效率计算分析

第44卷第2期船海工程Vol 44 No. 22015年4月ShiP OCEAn engineeringApr.2015DOl:10.3963/ Issn.16717953.2015.02.029乙醇柴油替代燃料排放功效及热力学效率计算分析高洪涛,赫明月(大连海事大学轮机工程学院,辽宁大连116026)摘要:对辽宁海事局30m级海事巡逻船0210轮主机进行热平衡和火用分析,获得该主机各部分热量损失和火用损失分布情况,对于采用替代燃料——乙醇柴油进行热力学分析和排放估算,计算结果表明:在保持燃料火用和有用功不变的条件下,采用乙醇柴油时发动机所耗燃料增加3.456%,热效率微增,而二氧化碳排放量有了较大幅度的减少关键词:柴油机;热平衡分析;火用分析;乙醇柴油替代燃料中图分类号:U677文献标志码:A文章编号:16717953(2015)0241114随着国际燃油价格的居高不下和排放法规日表130m船主机参数表益严格,降低船舶主机的燃料费用和减少碳、序号参数项目参数值及单位硫等污染物的排放变得越来越重要。使用替代燃1燃油的消耗量M132.1kg/h2燃油的低热值H42500kJ/k料是降低船舶主机的燃料费用和减少碳、硫等污3有效功率P1045kW染物排放的一个重要的途径2。文中应用热平4环境温度T衡分析和火用分析相结合的热力学分析方法345燃油的高热值H46000kJ/k针对辽宁海事局30m级海事巡逻船0210轮(其6柴油机的额定转速2 300 r/min主机参数见表1),分析其使用乙醇柴油作为替代7进气密度p1.872kg/m38柴油机单缸排量V2.675L燃料后,主机能量分布以及排放情况。9柴油机气缸数10柴油机的充气效率φ柴油机热力学分析0.911柴油机的过量空气系数n2.3将热力学第一定律分析法(热平衡分析)和12机型计算系数k213排气的平均比定压热容Cm1.05kJ/(kg·℃)热力学第二定律分析法(火用分析)相结合,对柴14进气温度t/排气温度1#38℃38℃油机进行综合性的热力学分析,以揭示柴油机各15冷却水流量Q4 m/h部分的能量利用情况。冷却水平均比定压热容Cm41902k/(kg:℃)1.1热平衡分析冷却水进机温度12进/出机温度l61℃/81℃热平衡分析是依据热力学第一定律(即只从18滑油的平均比定压热容C2.0kJ/(kg·℃)能量的数量出发)分析揭示装置或设备在能量数滑油的进机温度t进/出机温度l66/86℃量上的转换、传递、利用和损失的情况,故又称为“第一定律分析法”,可以定量地表明能量的转换20燃料中CH、OS的质量86%13.8%百分数0.02%、0.17%效果和估计节能潜力的大小。21排气的温度T611 K22冷却水平均散热温度T。344K收稿日期:2014-0823滑油平均散热温度T修回日期:2014-12-19卡程初恰温度72/最中国煤化工873K/2173K基金项目:国家海事局科技项目(2012-27)第一作者简介:高洪涛(1966-),男,博士,教授CNMHG研究方向:空调制冷、传热传质、节能技术及可持续Q1=Q.+Q+Q+Q。+Q.(能源利用式中:Q——柴油机燃料燃烧产生的总热量,kJh;E-mailgaohongtao@dImu.edu.cnQ.—转化为有效功的热量,kk、2015年第2期高洪涛,等:乙醇柴油替代燃料排放功效及热力学效率计算分析船海工程第44卷Q—排气带走的热量表330m船主机火用平衡计算公式表Q-——冷却水带走的热量,kJh;计算项目计算公式Q——润滑油带走的热量,kJh;E=M xHuQ——其他热量损失,kJ/h,包括机体散热(1.0038+0.1365+损失、不完全燃烧损失、部分机械损0.0308+0.0104)失(未被冷却介质带走的摩擦热、驱动辅助机械消耗的热量等)及废气E.=3.6×1动能损失等En=M[(h1-h0)-T(s1-s)]Q~Q,的计算公式汇总于表2。E表230m船主机热平衡计算公式表计算项目计算公式EE。=Q[1QQ1=M×HQ.=3.6×10PE. Erg=M.( y-ho). To(sy-S0M。=0.01P·b+En EnEEr-er0.06/kQ、=M。xCp×(t1排一t1进)Er-(EeE。+En)MM。=pQ转化为有效功,柴油机的热效率和火用效率差别Q=M。xCp×(12排-12不大。这是因为燃料燃烧所产生的热量一部分转MM.。=pQQQ。=M。XCp。×(t3排-t进)化成为动力(机械能),而机械能为100%的火用。+0+0而其他热量均以废热的形式排到环境中表4柴油机各部分热量分布结果表1.2火用分析火用分析法根据热力学第二定律,从能量的项目数量/(kJ·h)所占比例/%有效功Q3.762×10°35.24数量和质量相结合的角度揭示裝置或设备在能量排气热量Q2.777×1026.01中的火用转换、传递、利用和损失。冷却水带走的热量Q。2.012×10°主机火用平衡方程为润滑油带走的热量Q1.118×1010.47E1=E+E、+E。+E。+En+E,(2)其他热量损失Q1.008×10式中:E—进人燃烧室的燃油火用值,kJ/h;总热量Q1.068×10100.00E.主机功率,kJ/h表5柴油机各部分火用分布结果E—排气产生的火用损,kJ/h项目数量/(kJ·h)所占比例%E—冷却水产生的火用损,kJ/h主机功率火用E3.762×10°37.18排气火用E滑油产生的火用损,kJ/h;冷却水带走的火用E1.057×10°10.44En—燃烧不可逆而造成的火用损失,kJ/h;润滑油带走的火用E5904×10°E,—余项火用损失,kJ/h,包括机体散热、燃烧火用损En23.78部分机械以及废气动能等造成的火余项火用损E用损失。燃烧火用E100.00E~E的计算公式汇总后列于表在热平衡分析中,排气热量占废热的40.16%,1.30号柴油的热力学分析及结果对比冷却水带走的热量占29.11%。这两部分占到了根据表1的柴油机参数值和表2、3的热力学废热的近7Q%、这表明被排气和冷却水带走而计算公式,计算得到燃烧0号柴油时柴油机的各中国煤化工了废热较大的比例,是部分的热量以及火用分布,见表4、表5CNMH(在火用分析中,排气火由表45可见,在热平衡分析中,燃料燃烧所用占火用损失的30.58%,冷却水带走的火用占产生的热量只有35.24%转化为有效功,而在火用16.62%,两者占总火用损失的47.2%。通过火分析中,燃料燃烧所产生的火用也只有37.18%用分析可以看出这两部分余热可利用的量并没有l122015年高洪涛,等:乙醇柴油替代燃料排放功效及热力学效率计算分析船海工程第2期第44卷人们想象的那么大,这是因为火用分析不仅考虑26.08%,增幅很小了能量的数量还同时考虑了能量的质量,当排气表6燃烧0号柴油和乙醇柴油和冷却水中能量的品位下降到一定程度后,就无主机各部分热量分布对比法被回收利用了。0号柴油乙醇柴油燃烧不可逆而造成的火用损失占23.78%项目数量比例数量比例这部分火用损较大,且不能被利用。这是因为燃/(·h烧不可逆而造成的火用损失,是由系统循环带来Q.3.762×10°35.243.762×10°35.31Q2.77×10°26.012.779×10°的,虽然数量很大,但目前无法被利用北京理工大学的赵长禄等研究了6V150Q2.012×1018.842.012×10°18.89Q。1.118×10°10.471.118×10°10.49柴油机能量利用情况:燃料产生的热量中有用功Q.1.008×1039.44占41.3%,排气热量占27.5%,散热占23.2%;Q1.068×103100.001.066×10100.00燃料产生的火用中有用功占43.1%,排气和散热火用分别占21.8%和14.0%,其余是因系统内表7燃烧0号柴油和乙醇柴油主机各部分火用分布对比部不可逆的因素,蜕化为不可用能量。之所以文0号柴油乙醇柴油中的结果和文献中的结果略有差别,是因为柴油项目数量比例数量比例机机型的不同所致。/(kh)/%/(kJ·h)/%E.3.762×10°37.183.762×10°37.82燃料火用值不变时燃烧乙醇柴油E、1.94×10°19.211.94×10°19.21热力学和减排分析E1.057×10°10.441.057×10°10.44845904×1035目前,乙醇在汽油机上已得到了广泛应用,但En2.406×1023.782.083×10°20.59是在柴油机上还处于应用研究阶段。根据文献E3.595×1033.556.820×1036.74[9]分析,在柴油中混合10%体积分数的燃料乙E1.012×10100.001.012×10100.00醇对柴油机运行影响较小,无需更换设备。因此采用在柴油中混合10%体积分数的燃料乙醇作2.2主机更换燃烧乙醇柴油后减排算例为对象进行研究对比。但是燃料乙醇的热值较燃油消耗量232.1kg/h,以平均每天运转时间低,只有柴油的62.8%,所以混合后乙醇柴油的为3.5h计算,年航行300d,则年耗油量为热值会降低。为保持燃料火用值和柴油机有效功243.71t;采用乙醇柴油后,油耗量会上升3456%率不变,乙醇柴油的消耗量比原燃料多3.456%计为240.12kg/h。年耗油量为252.13t乙醇柴油中C、H、O及S的比例分别为82.62%、混合燃料中的碳为82.6%,而0号柴油为13.72%、3.498%及0.153%。86%,根据化学式(3),碳和二氧化碳质量比为2.1更换燃料前后热力学分析对比3:11采用乙醇柴油后,因燃料火用值和有效功率C+0,= CO不变,即柴油机火用效率不变。对柴油机进行热混合燃料的硫为0.153%,而0号柴油为力学计算,并与0号柴油进行对比,结果见表6、7。0.17%,根据化学式(4),硫和二氧化硫质量比为由表6和表7可见,在燃烧乙醇柴油时,燃烧火用损有较大幅度的减少,其原因是乙醇柴油的S+O2 =SO4)消耗量比原燃料多了3.456%,而和原燃料相比采用乙醇柴油后,其年排放减少量见表熵值、焓值变化不大,这就使燃烧的有效火用有所虽然燃料消耗量会有所升高,但是柴油机的排放增加,所以在柴油机火用效率不变的情况下,燃烧中国煤化工火用损有了较大幅度的减少。热平衡分析中,热CNMHG柴油排放对比效率有所上升,由38.14%变为38.21%,同时因项目燃烧θ号柴油燃烧乙醇柴油年排放减少量为燃油消耗量的增加,排放流量也相应上升,致使氧化碳768.48763.79排气带走的热量有所增加,由26.01%变为二氧化硫0.8290.7720.0572015年第2期高洪涛,等:乙醇柴油替代燃料排放功效及热力学效率计算分析船海工程第44卷[3 PANG HH, BRAC C J. Potential of a controllable en-3结论gine cooling system to reduce NOx emissions in diesel1)在热平衡分析中,排气热量占废热的engines[J]. SAE paper, 2004, 73(8): 54-6240.16%,冷却水带走的热量占29.11%。而在火4黄鑫,发动机热平衡试验系统开发[D),杭州;浙用分析中,排气火用占火用损失的30.58%,冷却江大学,2006水带走的火用占16.62%,通过热平衡分析和火5104F,、,, nd la用分析可以看出这两部分可利用余热很多,是船analysis of turbocharged engine operation[R]. SaETechnical Paper 910418, 1991舶节能的潜力所在2)采用乙醇柴油后,虽然为保证船舶柴油机[6]杨秀奇.柴油机工作过程的火用分析研究[D].昆明昆明理工大学,2004的实际动力不变(即火用效率不变),乙醇柴油的[7]袁银南,江清阳,孙平,等.柴油机燃用生物柴油的消耗量比原燃料多了3.456%,但船舶柴油机的排放特性研究[J].内燃机学报,2003,21(6):423热效率略有提高,而船舶柴油机排放中主要污染物则大幅减少。算例中船舶柴油机可以每年分别[8]许锋,杨晓英,杜宝国,等.柴油机燃用乙醇复合柴减排二氧化碳和二氧化硫4.69t和0.057t。可油试验研究[J].大连理工大学学报,2003,43(5)见,在柴油中掺燃乙醇是船舶柴油机减排的一条609613有效途径。[9]黄齐飞,宋崇林,张铁臣,等.乙醇/柴油混合燃料的相溶性及对发动机性能影响的硏究[J.燃料化学学参考文献报,2007,35(3):339343[]曾荣辉,陈文战,刘喜元我国防污染法规现状及发101苏万华提高内燃机效率的潜力及火用分析方法展[J].船海工程,2010(5):818J.科技导报,2013,31(2):332]刘姝娜,罗文,许洁,等我国生物柴油产业现11]赵长禄,岳玉嵩,周磊,等.6V150柴油机热力循环状、障碍及发展对策[J].太阳能学报,2012(S1)的热力学分析[J].北京理工大学学报,2004(6)114-12100503Thermodynamic Analysis and Emission Calculation of Diesel EngineUsing ethanol diesel-oil alternative fuelGAO Hong tao. HE MinMarine Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian Lioaning1 16026, China)Abstract: The thermal balance analysis and exergic analysis of the diesel engine for the 30 m class patrol boats are per-formed to investigate the loss distribution of heat and exergy for every part of the diesel engine. For the ethanol diesel-oil alterna-tive fuel, the thermal balance and exergic analysis of the diesel engine are carried out also. The results illustrate that, after usingethanol diesel alternative fuel, at the same time keeping fuel exergic and useful work as a constant, the fuel consumption in-creased 3. 456%. However, thermal efficiency slightly increases and the carbon dioxide of diesel engine emission is greatly re-Key words: diesel engine; thermal balance analysis; exergic analysis; ethanol diesel-oil alternative fuel中国煤化工CNMHG114