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熱力學(xué)效率計(jì)算分析高洪濤,赫明月(大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院,遼寧大連116026)摘要:對(duì)遼寧海事局30m級(jí)海事巡邏船0210輪主機(jī)進(jìn)行熱平衡和火用分析,獲得該主機(jī)各部分熱量損失和火用損失分布情況,對(duì)于采用替代燃料——乙醇柴油進(jìn)行熱力學(xué)分析和排放估算,計(jì)算結(jié)果表明:在保持燃料火用和有用功不變的條件下,采用乙醇柴油時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)所耗燃料增加3.456%,熱效率微增,而二氧化碳排放量有了較大幅度的減少關(guān)鍵詞:柴油機(jī);熱平衡分析;火用分析;乙醇柴油替代燃料中圖分類號(hào):U677文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):16717953(2015)0241114隨著國際燃油價(jià)格的居高不下和排放法規(guī)日表130m船主機(jī)參數(shù)表益嚴(yán)格,降低船舶主機(jī)的燃料費(fèi)用和減少碳、序號(hào)參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)值及單位硫等污染物的排放變得越來越重要。使用替代燃1燃油的消耗量M132.1kg/h2燃油的低熱值H42500kJ/k料是降低船舶主機(jī)的燃料費(fèi)用和減少碳、硫等污3有效功率P1045kW染物排放的一個(gè)重要的途徑2。文中應(yīng)用熱平4環(huán)境溫度T衡分析和火用分析相結(jié)合的熱力學(xué)分析方法345燃油的高熱值H46000kJ/k針對(duì)遼寧海事局30m級(jí)海事巡邏船0210輪(其6柴油機(jī)的額定轉(zhuǎn)速2 300 r/min主機(jī)參數(shù)見表1),分析其使用乙醇柴油作為替代7進(jìn)氣密度p1.872kg/m38柴油機(jī)單缸排量V2.675L燃料后,主機(jī)能量分布以及排放情況。9柴油機(jī)氣缸數(shù)10柴油機(jī)的充氣效率φ柴油機(jī)熱力學(xué)分析0.911柴油機(jī)的過量空氣系數(shù)n2.3將熱力學(xué)第一定律分析法(熱平衡分析)和12機(jī)型計(jì)算系數(shù)k213排氣的平均比定壓熱容Cm1.05kJ/(kg·℃)熱力學(xué)第二定律分析法(火用分析)相結(jié)合,對(duì)柴14進(jìn)氣溫度t/排氣溫度1#38℃38℃油機(jī)進(jìn)行綜合性的熱力學(xué)分析,以揭示柴油機(jī)各15冷卻水流量Q4 m/h部分的能量利用情況。冷卻水平均比定壓熱容Cm41902k/(kg:℃)1.1熱平衡分析冷卻水進(jìn)機(jī)溫度12進(jìn)/出機(jī)溫度l61℃/81℃熱平衡分析是依據(jù)熱力學(xué)第一定律(即只從18滑油的平均比定壓熱容C2.0kJ/(kg·℃)能量的數(shù)量出發(fā))分析揭示裝置或設(shè)備在能量數(shù)滑油的進(jìn)機(jī)溫度t進(jìn)/出機(jī)溫度l66/86℃量上的轉(zhuǎn)換、傳遞、利用和損失的情況,故又稱為“第一定律分析法”,可以定量地表明能量的轉(zhuǎn)換20燃料中CH、OS的質(zhì)量86%13.8%百分?jǐn)?shù)0.02%、0.17%效果和估計(jì)節(jié)能潛力的大小。21排氣的溫度T611 K22冷卻水平均散熱溫度T。344K收稿日期:2014-0823滑油平均散熱溫度T修回日期:2014-12-19卡程初恰溫度72/最中國煤化工873K/2173K基金項(xiàng)目:國家海事局科技項(xiàng)目(2012-27)第一作者簡介:高洪濤(1966-),男,博士,教授CNMHG研究方向:空調(diào)制冷、傳熱傳質(zhì)、節(jié)能技術(shù)及可持續(xù)Q1=Q.+Q+Q+Q。+Q.(能源利用式中:Q——柴油機(jī)燃料燃燒產(chǎn)生的總熱量,kJh;E-mailgaohongtao@dImu.edu.cnQ.—轉(zhuǎn)化為有效功的熱量,kk、2015年第2期高洪濤,等:乙醇柴油替代燃料排放功效及熱力學(xué)效率計(jì)算分析船海工程第44卷Q—排氣帶走的熱量表330m船主機(jī)火用平衡計(jì)算公式表Q-——冷卻水帶走的熱量,kJh;計(jì)算項(xiàng)目計(jì)算公式Q——潤滑油帶走的熱量,kJh;E=M xHuQ——其他熱量損失,kJ/h,包括機(jī)體散熱(1.0038+0.1365+損失、不完全燃燒損失、部分機(jī)械損0.0308+0.0104)失(未被冷卻介質(zhì)帶走的摩擦熱、驅(qū)動(dòng)輔助機(jī)械消耗的熱量等)及廢氣E.=3.6×1動(dòng)能損失等En=M[(h1-h0)-T(s1-s)]Q~Q,的計(jì)算公式匯總于表2。E表230m船主機(jī)熱平衡計(jì)算公式表計(jì)算項(xiàng)目計(jì)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進(jìn))Er-(EeE。+En)MM。=pQ轉(zhuǎn)化為有效功,柴油機(jī)的熱效率和火用效率差別Q=M。xCp×(12排-12不大。這是因?yàn)槿剂先紵a(chǎn)生的熱量一部分轉(zhuǎn)MM.。=pQQQ。=M。XCp?！?t3排-t進(jìn))化成為動(dòng)力(機(jī)械能),而機(jī)械能為100%的火用。+0+0而其他熱量均以廢熱的形式排到環(huán)境中表4柴油機(jī)各部分熱量分布結(jié)果表1.2火用分析火用分析法根據(jù)熱力學(xué)第二定律,從能量的項(xiàng)目數(shù)量/(kJ·h)所占比例/%有效功Q3.762×10°35.24數(shù)量和質(zhì)量相結(jié)合的角度揭示裝置或設(shè)備在能量排氣熱量Q2.777×1026.01中的火用轉(zhuǎn)換、傳遞、利用和損失。冷卻水帶走的熱量Q。2.012×10°主機(jī)火用平衡方程為潤滑油帶走的熱量Q1.118×1010.47E1=E+E、+E。+E。+En+E,(2)其他熱量損失Q1.008×10式中:E—進(jìn)人燃燒室的燃油火用值,kJ/h;總熱量Q1.068×10100.00E.主機(jī)功率,kJ/h表5柴油機(jī)各部分火用分布結(jié)果E—排氣產(chǎn)生的火用損,kJ/h項(xiàng)目數(shù)量/(kJ·h)所占比例%E—冷卻水產(chǎn)生的火用損,kJ/h主機(jī)功率火用E3.762×10°37.18排氣火用E滑油產(chǎn)生的火用損,kJ/h;冷卻水帶走的火用E1.057×10°10.44En—燃燒不可逆而造成的火用損失,kJ/h;潤滑油帶走的火用E5904×10°E,—余項(xiàng)火用損失,kJ/h,包括機(jī)體散熱、燃燒火用損En23.78部分機(jī)械以及廢氣動(dòng)能等造成的火余項(xiàng)火用損E用損失。燃燒火用E100.00E~E的計(jì)算公式匯總后列于表在熱平衡分析中,排氣熱量占廢熱的40.16%,1.30號(hào)柴油的熱力學(xué)分析及結(jié)果對(duì)比冷卻水帶走的熱量占29.11%。這兩部分占到了根據(jù)表1的柴油機(jī)參數(shù)值和表2、3的熱力學(xué)廢熱的近7Q%、這表明被排氣和冷卻水帶走而計(jì)算公式,計(jì)算得到燃燒0號(hào)柴油時(shí)柴油機(jī)的各中國煤化工了廢熱較大的比例,是部分的熱量以及火用分布,見表4、表5CNMH(在火用分析中,排氣火由表45可見,在熱平衡分析中,燃料燃燒所用占火用損失的30.58%,冷卻水帶走的火用占產(chǎn)生的熱量只有35.24%轉(zhuǎn)化為有效功,而在火用16.62%,兩者占總火用損失的47.2%。通過火分析中,燃料燃燒所產(chǎn)生的火用也只有37.18%用分析可以看出這兩部分余熱可利用的量并沒有l(wèi)122015年高洪濤,等:乙醇柴油替代燃料排放功效及熱力學(xué)效率計(jì)算分析船海工程第2期第44卷人們想象的那么大,這是因?yàn)榛鹩梅治霾粌H考慮26.08%,增幅很小了能量的數(shù)量還同時(shí)考慮了能量的質(zhì)量,當(dāng)排氣表6燃燒0號(hào)柴油和乙醇柴油和冷卻水中能量的品位下降到一定程度后,就無主機(jī)各部分熱量分布對(duì)比法被回收利用了。0號(hào)柴油乙醇柴油燃燒不可逆而造成的火用損失占23.78%項(xiàng)目數(shù)量比例數(shù)量比例這部分火用損較大,且不能被利用。這是因?yàn)槿?(·h燒不可逆而造成的火用損失,是由系統(tǒng)循環(huán)帶來Q.3.762×10°35.243.762×10°35.31Q2.77×10°26.012.779×10°的,雖然數(shù)量很大,但目前無法被利用北京理工大學(xué)的趙長祿等研究了6V150Q2.012×1018.842.012×10°18.89Q。1.118×10°10.471.118×10°10.49柴油機(jī)能量利用情況:燃料產(chǎn)生的熱量中有用功Q.1.008×1039.44占41.3%,排氣熱量占27.5%,散熱占23.2%;Q1.068×103100.001.066×10100.00燃料產(chǎn)生的火用中有用功占43.1%,排氣和散熱火用分別占21.8%和14.0%,其余是因系統(tǒng)內(nèi)表7燃燒0號(hào)柴油和乙醇柴油主機(jī)各部分火用分布對(duì)比部不可逆的因素,蛻化為不可用能量。之所以文0號(hào)柴油乙醇柴油中的結(jié)果和文獻(xiàn)中的結(jié)果略有差別,是因?yàn)椴裼晚?xiàng)目數(shù)量比例數(shù)量比例機(jī)機(jī)型的不同所致。/(kh)/%/(kJ·h)/%E.3.762×10°37.183.762×10°37.82燃料火用值不變時(shí)燃燒乙醇柴油E、1.94×10°19.211.94×10°19.21熱力學(xué)和減排分析E1.057×10°10.441.057×10°10.44845904×1035目前,乙醇在汽油機(jī)上已得到了廣泛應(yīng)用,但En2.406×1023.782.083×10°20.59是在柴油機(jī)上還處于應(yīng)用研究階段。根據(jù)文獻(xiàn)E3.595×1033.556.820×1036.74[9]分析,在柴油中混合10%體積分?jǐn)?shù)的燃料乙E1.012×10100.001.012×10100.00醇對(duì)柴油機(jī)運(yùn)行影響較小,無需更換設(shè)備。因此采用在柴油中混合10%體積分?jǐn)?shù)的燃料乙醇作2.2主機(jī)更換燃燒乙醇柴油后減排算例為對(duì)象進(jìn)行研究對(duì)比。但是燃料乙醇的熱值較燃油消耗量232.1kg/h,以平均每天運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間低,只有柴油的62.8%,所以混合后乙醇柴油的為3.5h計(jì)算,年航行300d,則年耗油量為熱值會(huì)降低。為保持燃料火用值和柴油機(jī)有效功243.71t;采用乙醇柴油后,油耗量會(huì)上升3456%率不變,乙醇柴油的消耗量比原燃料多3.456%計(jì)為240.12kg/h。年耗油量為252.13t乙醇柴油中C、H、O及S的比例分別為82.62%、混合燃料中的碳為82.6%,而0號(hào)柴油為13.72%、3.498%及0.153%。86%,根據(jù)化學(xué)式(3),碳和二氧化碳質(zhì)量比為2.1更換燃料前后熱力學(xué)分析對(duì)比3:11采用乙醇柴油后,因燃料火用值和有效功率C+0,= CO不變,即柴油機(jī)火用效率不變。對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行熱混合燃料的硫?yàn)?.153%,而0號(hào)柴油為力學(xué)計(jì)算,并與0號(hào)柴油進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見表6、7。0.17%,根據(jù)化學(xué)式(4),硫和二氧化硫質(zhì)量比為由表6和表7可見,在燃燒乙醇柴油時(shí),燃燒火用損有較大幅度的減少,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,其年排放減少量見表熵值、焓值變化不大,這就使燃燒的有效火用有所雖然燃料消耗量會(huì)有所升高,但是柴油機(jī)的排放增加,所以在柴油機(jī)火用效率不變的情況下,燃燒中國煤化工火用損有了較大幅度的減少。熱平衡分析中,熱CNMHG柴油排放對(duì)比效率有所上升,由38.14%變?yōu)?8.21%,同時(shí)因項(xiàng)目燃燒θ號(hào)柴油燃燒乙醇柴油年排放減少量為燃油消耗量的增加,排放流量也相應(yīng)上升,致使氧化碳768.48763.79排氣帶走的熱量有所增加,由26.01%變?yōu)槎趸?.8290.7720.0572015年第2期高洪濤,等:乙醇柴油替代燃料排放功效及熱力學(xué)效率計(jì)算分析船海工程第44卷[3 PANG HH, BRAC C J. Potential of a controllable en-3結(jié)論gine cooling system to reduce NOx emissions in diesel1)在熱平衡分析中,排氣熱量占廢熱的engines[J]. SAE paper, 2004, 73(8): 54-6240.16%,冷卻水帶走的熱量占29.11%。而在火4黃鑫,發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡試驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)[D),杭州;浙用分析中,排氣火用占火用損失的30.58%,冷卻江大學(xué),2006水帶走的火用占16.62%,通過熱平衡分析和火5104F,、,, nd la用分析可以看出這兩部分可利用余熱很多,是船analysis of turbocharged engine operation[R]. SaETechnical Paper 910418, 1991舶節(jié)能的潛力所在2)采用乙醇柴油后,雖然為保證船舶柴油機(jī)[6]楊秀奇.柴油機(jī)工作過程的火用分析研究[D].昆明昆明理工大學(xué),2004的實(shí)際動(dòng)力不變(即火用效率不變),乙醇柴油的[7]袁銀南,江清陽,孫平,等.柴油機(jī)燃用生物柴油的消耗量比原燃料多了3.456%,但船舶柴油機(jī)的排放特性研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2003,21(6):423熱效率略有提高,而船舶柴油機(jī)排放中主要污染物則大幅減少。算例中船舶柴油機(jī)可以每年分別[8]許鋒,楊曉英,杜寶國,等.柴油機(jī)燃用乙醇復(fù)合柴減排二氧化碳和二氧化硫4.69t和0.057t?？捎驮囼?yàn)研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),2003,43(5)見,在柴油中摻燃乙醇是船舶柴油機(jī)減排的一條609613有效途徑。[9]黃齊飛,宋崇林,張鐵臣,等.乙醇/柴油混合燃料的相溶性及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的硏究[J.燃料化學(xué)學(xué)參考文獻(xiàn)報(bào),2007,35(3):339343[]曾榮輝,陳文戰(zhàn),劉喜元我國防污染法規(guī)現(xiàn)狀及發(fā)101蘇萬華提高內(nèi)燃機(jī)效率的潛力及火用分析方法展[J].船海工程,2010(5):818J.科技導(dǎo)報(bào),2013,31(2):332]劉姝娜,羅文,許潔,等我國生物柴油產(chǎn)業(yè)現(xiàn)11]趙長祿,岳玉嵩,周磊,等.6V150柴油機(jī)熱力循環(huán)狀、障礙及發(fā)展對(duì)策[J].太陽能學(xué)報(bào),2012(S1)的熱力學(xué)分析[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),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中國煤化工CNMHG114