乙醇柴油替代燃料排放功效及热力学效率计算分析

2015-05-25 00:29高洪涛赫明月
船海工程 2015年2期
关键词:热力学排气柴油

高洪涛,赫明月

(大连海事大学轮机工程学院,辽宁 大连 116026)

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)

对辽宁海事局30 m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。

柴油机;热平衡分析;火用分析;乙醇柴油替代燃料

随着国际燃油价格的居高不下和排放法规日益严格[1],降低船舶主机的燃料费用和减少碳、硫等污染物的排放变得越来越重要。使用替代燃料是降低船舶主机的燃料费用和减少碳、硫等污染物排放的一个重要的途径[2]。文中应用热平衡分析和火用分析相结合的热力学分析方法[3-4],针对辽宁海事局30 m级海事巡逻船0210轮(其主机参数见表1),分析其使用乙醇柴油作为替代燃料后,主机能量分布以及排放情况。

1 柴油机热力学分析

将热力学第一定律分析法(热平衡分析)和热力学第二定律分析法(火用分析)相结合,对柴油机进行综合性的热力学分析,以揭示柴油机各部分的能量利用情况[10]。

1.1 热平衡分析

热平衡分析是依据热力学第一定律(即只从能量的数量出发)分析揭示装置或设备在能量数量上的转换、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效果和估计节能潜力的大小。

表1 30 m船主机参数表

热平衡方程可表示为:

式中:Qf——柴油机燃料燃烧产生的总热量,kJ/h;

Qe——转化为有效功的热量,kJ/h;

Qex——排气带走的热量;

Qcw——冷却水带走的热量,kJ/h;

Qco——润滑油带走的热量,kJ/h;

Qr——其他热量损失,kJ/h,包括机体散热损失、不完全燃烧损失、部分机械损失(未被冷却介质带走的摩擦热、驱动辅助机械消耗的热量等)及废气动能损失等。

Qf~Qr的计算公式汇总于表2。

表2 30 m船主机热平衡计算公式表

1.2 火用分析

火用分析法根据热力学第二定律,从能量的数量和质量相结合的角度揭示装置或设备在能量中的火用转换、传递、利用和损失。

主机火用平衡方程为

Ef=Ee+Eex+Ecw+Eco+Efl+Er(2)式中:Ef——进入燃烧室的燃油火用值,kJ/h;

Ee——主机功率,kJ/h;

Eex——排气产生的火用损,kJ/h;

Ecw——冷却水产生的火用损,kJ/h;

Eco——滑油产生的火用损,kJ/h;

Efl——燃烧不可逆而造成的火用损失,kJ/h;

Er——余项火用损失,kJ/h,包括机体散热、部分机械以及废气动能等造成的火用损失。

Ef~Er的计算公式汇总后列于表3。

1.3 0号柴油的热力学分析及结果对比

根据表1的柴油机参数值和表2、3的热力学计算公式,计算得到燃烧0号柴油时柴油机的各部分的热量以及火用分布,见表4、表5。

由表4、5可见,在热平衡分析中,燃料燃烧所产生的热量只有35.24%转化为有效功,而在火用分析中,燃料燃烧所产生的火用也只有37.18%转化为有效功,柴油机的热效率和火用效率差别不大。这是因为燃料燃烧所产生的热量一部分转化成为动力(机械能),而机械能为100%的火用。而其他热量均以废热的形式排到环境中。

表3 30 m船主机火用平衡计算公式表

表4 柴油机各部分热量分布结果表

表5 柴油机各部分火用分布结果

在热平衡分析中,排气热量占废热的40.16%,冷却水带走的热量占29.11%。这两部分占到了废热的近70%。这表明被排气和冷却水带走而散失到环境中的能量占据了废热较大的比例,是余热利用的潜力所在。而在火用分析中,排气火用占火用损失的30.58%,冷却水带走的火用占16.62%,两者占总火用损失的47.2%。通过火用分析可以看出这两部分余热可利用的量并没有人们想象的那么大,这是因为火用分析不仅考虑了能量的数量还同时考虑了能量的质量,当排气和冷却水中能量的品位下降到一定程度后,就无法被回收利用了。

燃烧不可逆而造成的火用损失占23.78%,这部分火用损较大,且不能被利用。这是因为燃烧不可逆而造成的火用损失,是由系统循环带来的,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[11]研究了6V150柴油机能量利用情况:燃料产生的热量中有用功占41.3%,排气热量占27.5%,散热占23.2%;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%,其余是因系统内部不可逆的因素,蜕化为不可用能量。之所以文中的结果和文献中的结果略有差别,是因为柴油机机型的不同所致。

2 燃料火用值不变时燃烧乙醇柴油热力学和减排分析

目前,乙醇在汽油机上已得到了广泛应用,但是在柴油机上还处于应用研究阶段。根据文献[9]分析,在柴油中混合10%体积分数的燃料乙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为对象进行研究对比。但是燃料乙醇的热值较低,只有柴油的62.8%,所以混合后乙醇柴油的热值会降低。为保持燃料火用值和柴油机有效功率不变,乙醇柴油的消耗量比原燃料多3.456%。乙醇柴油中C、H、O及S的比例分别为82.62%、13.72%、3.498%及0.153%。

2.1 更换燃料前后热力学分析对比

采用乙醇柴油后,因燃料火用值和有效功率不变,即柴油机火用效率不变。对柴油机进行热力学计算,并与0号柴油进行对比,结果见表6、7。

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消耗量比原燃料多了3.456%,而和原燃料相比熵值、焓值变化不大,这就使燃烧的有效火用有所增加,所以在柴油机火用效率不变的情况下,燃烧火用损有了较大幅度的减少。热平衡分析中,热效率有所上升,由38.14%变为38.21%,同时因为燃油消耗量的增加,排放流量也相应上升,致使排气带走的热量有所增加,由26.01%变为26.08%,增幅很小。

表6 燃烧0号柴油和乙醇柴油主机各部分热量分布对比

表7 燃烧0号柴油和乙醇柴油主机各部分火用分布对比

2.2 主机更换燃烧乙醇柴油后减排算例

燃油消耗量232.1 kg/h,以平均每天运转时间为3.5 h计算,年航行300 d,则年耗油量为243.71 t;采用乙醇柴油后,油耗量会上升3.456%,计为240.12 kg/h。年耗油量为252.13 t。

混合燃料中的碳为82.62%,而0号柴油为86%,根据化学式(3),碳和二氧化碳质量比为3∶11。

混合燃料的硫为0.153%,而0号柴油为0.17%,根据化学式(4),硫和二氧化硫质量比为1∶2。

采用乙醇柴油后,其年排放减少量见表8。虽然燃料消耗量会有所升高,但是柴油机的排放仍然有了较大幅度的改善。

表8 主机更换乙醇柴油排放对比t

3 结论

1)在热平衡分析中,排气热量占废热的40.16%,冷却水带走的热量占29.11%。而在火用分析中,排气火用占火用损失的30.58%,冷却水带走的火用占16.62%,通过热平衡分析和火用分析可以看出这两部分可利用余热很多,是船舶节能的潜力所在。

2)采用乙醇柴油后,虽然为保证船舶柴油机的实际动力不变(即火用效率不变),乙醇柴油的消耗量比原燃料多了3.456%,但船舶柴油机的热效率略有提高,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减排二氧化碳和二氧化硫4.69 t和0.057 t。可见,在柴油中掺燃乙醇是船舶柴油机减排的一条有效途径。

[1]曾荣辉,陈文战,刘喜元.我国防污染法规现状及发展[J].船海工程,2010(5):81-85.

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Thermodynamic Analysis and Emission Calculation of Diesel Engine Using Ethanol Diesel-oil Alternative Fuel

GAO Hong-tao,HE Ming-yue
(Marine Engineering College,Dalian Maritime University,Dalian Lioaning116026,China)

The thermal balance analysis and exergic analysis of the diesel engine for the 30 m class patrol boats are performed to investigate the loss distribution of heat and exergy for every part of the diesel engine.For the ethanol diesel-oil alternative fuel,the thermal balance and exergic analysis of the diesel engine are carried out also.The results illustrate that,after using ethanol diesel alternative fuel,at the same time keeping fuel exergic and useful work as a constant,the fuel consumption increased 3.456%.However,thermal efficiency slightly increases and the carbon dioxide of diesel engine emission is greatly reduced

diesel engine;thermal balance analysis;exergic analysis;ethanol diesel-oil alternative fuel

U677

A

1671-7953(2015)02-0111-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.029

2014-08-28

修回日期:2014-12-19

国家海事局科技项目(2012-27)

高洪涛(1966-),男,博士,教授

研究方向:空调制冷、传热传质、节能技术及可持续能源利用

E-mail:gaohongtao@dlmu.edu.cn

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