基于小型砖窑的斯特林发动机烟气余热利用

彭维珂，潘宏刚，代雨辰，袁哲理，王鹤淇

(沈阳工程学院 能源与动力学院，辽宁 沈阳 110136)



基于小型砖窑的斯特林发动机烟气余热利用

彭维珂，潘宏刚，代雨辰，袁哲理，王鹤淇

(沈阳工程学院 能源与动力学院，辽宁 沈阳 110136)

基于斯特林发动机对能源具有良好的适应性的优点，制作了小型斯特林发动机实物模型，并对实物模型进行了运动仿真模拟。运用热力学、传热学、流体力学的相关知识对斯特林发动机实物模型加热器进行分析，建立斯特林发动机烟气余热利用模型，并分析求解出理论换热量。将装置应用于烟气量为20 t/h的小型砖厂中，得出理论发电量约为51 kW·h，年节省开支30余万元，节省燃煤600.73万t，减少二氧化碳排放量1 573.912 6万t，减少二氧化硫排放量5.106万t。

斯特林发动机；烟气余热利用；传热分析；运动仿真

目前，我国砖瓦生产企业约有7万多家，从业人员700多万[1]。其中年产5 000万块砖以上的大型砖窑厂占5%；3 000万～5 000万块的中型企业占30%；3 000万块以下的小企业占65%[2]。当今砖窑企业向着大容量、高参数趋势发展，但在相当长的一段时间内，砖瓦行业整体规模结构仍以中小企业为主。现行大型砖窑企业一般采取再热锅炉-汽轮机系统进行烟气余热利用发电或加热干燥物品。中小型砖瓦企业具有技术低、生产成本高且分布散的特点，不具备修建再热锅炉-汽轮机发电装置的能力。斯特林发动机对低品位能源具有良好的适应性，且兼备利用率高、污染小、维护简单和造价低的优点。相对于现有大型砖窑余热利用技术，更适合中小型砖窑企业。近年来，斯特林发动机在欧美等发达国家发展迅速，但在国内，研究还处于起步状态。因此，研究斯特林发动机烟气余热利用技术具有重要意义。

1 斯特林发动机介绍及其系统分析

1.1 斯特林发动机组成

斯特林发动机是一种外燃机，是将外部热能传递给工质，再由工质做功将热能转化为机械能输出的机械式发动机，它的大部分结构形式与内燃机相似。主要由外部供热系统、动力传动系统、辅助系统、工质循环系统和控制系统构成[1]。

尽管斯特林发动机的结构形式多种多样，但是其工作原理基本相同，都是利用工作气体热腔冷缩对外做功[1]。斯特林发动机循环做功输出主要有4个过程，分别为等温压缩、等容加热、等温膨胀和等容冷却，如图1所示。

图1 斯特林发动机循环做功过程

1)等温压缩①～②：膨胀腔活塞保持不动，压缩腔活塞向上止点运动，使得工质在压缩腔中被压缩而导致系统压力升高，压缩过程中产生的热量Qc通过热传导传向冷却器，并使工质温度保持为Tc[1]。

2)等容加热②～③：压缩腔和膨胀腔中的活塞同时运动，使工质由压缩腔经回热器流向膨胀腔，循环系统内部两活塞之间体积保持不变。工质经回热器时，吸收回热器中的热量，从而使循环系统中工质的温度由Tc升至TH[1]。

3)等温膨胀③～④：压缩腔活塞保持不动，膨胀腔活塞运动直至下止点，从而使循环系统体积增大、压力减小。此过程，工质全部位于膨胀腔，加热器向循环系统提供热量Qe，使工质温度保持为TH[1]。

4)等容冷却④～①：压缩腔和膨胀腔中的活塞同时运动，使工质由膨胀腔经回热器流向压缩腔，循环系统内部两活塞之间体积保持不变。工质经回热器时，回热器吸收工质中的热量，从而使循环系统中工质的温度由TH降至最低值Tc[1]。

1.2 斯特林发动机物理模型

查找相关文献与现有型号的斯特林发动机的尺寸参数，并运用绝热分析，设计出一款斯特林发动机实物模型的结构参数，斯特林发动机实物模型相关参数如表1所示。

表1 斯特林发动机模型相关参数

运用传热学以及流体力学的相关知识，对所设计的实物模型换热器进行理论换热计算，从而确定换热管的内外径、壁厚等相关参数。利用Pro-E软件对斯特林发动机模型进行运动仿真模拟，斯特林发动机运动仿真效果如图2所示。

2 斯特林发动机加热器理论换热模型

2.1 计算初始条件

通过斯特林发动机的实物模型，建立起斯特林发动机加热管换热计算的理论模型，从而设计出一款高效率、高实用性的加热器。斯特林发动机的初始参数包括平均压力、额定输出功率，工质为空气。斯特林发动机实物模型工质的部分参数如表2所示，烟气部分参数如表3所示。

对于热源部分，系统利用酒精喷灯，将空气加热至500 ℃，用来模拟烟气余热利用过程，并用风机送至加热管进行换热，斯特林发动机加热管烟气驱动如图3所示。

2.2 理论换热模型

根据传热学相关知识，实物模型加热管换热可以分为3个传热过程，如表4所示。

图2 斯特林发动机运动仿真

表2 工质(空气)部分参数

表3 烟气部分参数

图3 斯特林发动机加热管烟气驱动

表4 传热过程

2.2.1 烟气侧换热

将烟管视为理想圆柱体模型，因此可以将烟气视为在一个无限长圆柱体内流动，由此可知：

辐射密度：

(1)

为了简化计算，将烟气看作灰体，所以ag=εg。εg为气体发射率；αg为烟气对管外壁辐射的吸收比；Ty0为定性温度，Ty0=500 ℃；Tw1为管外壁温度，Tw1=360 ℃。

系统利用加热空气模拟烟气余热，而在空气中，主要吸收的气体是CO2和H2O，其他气体的辐射和吸收能力极弱，可以忽略不计。但是CO2和H2O的部分光带会相互重叠，所以含有这两种气体的烟气的发射率不能仅仅是各自发射率的累加，计算其发射率的公式如下[2]：

(2)

通过查找CO2和H2O的发射率曲线图和压力修正系数曲线图，得到相关参数，如表5所示。

表5 水和二氧化碳的发射率和压力修正系数

由辐射换热量公式Q1r=F1qrX可以计算结构。根据查表，得出X=0.84。辐射换热结果如表6所示。

表6 辐射换热结果

综上所述，烟气侧的辐射换热量远远小于总换热量，在实际工程计算中，基本可以忽略这一部分换热量。

2.2.2 烟气侧对流换热

此处对流换热的模型可以选定为管内流动，故可知其烟气震荡速度、对流雷诺系数、普朗特数、烟气运动粘度。

综合以上数据，可得烟气震荡速度:

(3)

烟气流动雷诺数：

(4)

根据计算所得的雷诺数，选择管内换热准则关系式：

(5)

因此可知：

(6)

(7)

Q1c=h1·F1

(8)

总换热量为

Q1=Q1c+Qr1

(9)

为了简化计算，可以将空气视为热辐射透明体，所以，加热管工质侧的换热方式为管壁对工质的对流换热。

设工质温度25 ℃，工质压力为3.0 MPa，通过查找物性参数表，得到工质空气的物性参数，如表7所示。

表7 25 ℃时工质侧空气的物性参数

根据以上数据，可以求得烟气侧对流换热相关参数：

平均流动速度：

(10)

雷诺数：

(11)

努赛尔数：

Nu2=0.023Re0.8Pr0.4

(12)

表面换热系数：

(13)

综上可得，工质侧换热计算出总的换热量为Q=5.18 W。因此，可知工质侧流体与管壁间的换热量占总换热量的绝大部分，其换热效果也较好。可以通过换热管结构参数与更换工质种类等方面进行增大工质侧与换热管内壁间的换热效果。

2.2.3 管壁换热计算

加热器管壁间的热传递主要以热传导的方式进行，因此传热模型为单层圆筒壁传热[3]。

(14)

由于加热管材料为304钢，因此导热系数λs=22.2 W/(m·K)

管壁温差：

Δt=QRs

(15)

外壁温度：

tw2=tf2+Δt2+l

(16)

计算得出Q=0.03 W。根据计算结果可知，加热管内管壁换热极小，在换热工程中基本上可以忽略不计。这是由于管壁之间温度差较小所造成的，改进结构时可以不用对其做过多考虑。

3 砖窑厂烟气余热利用

根据所建模型，对中小型砖窑厂烟气余热利用进行研究分析，并得出结论与优化方案。

3.1 参数选择

小型砖窑企业排烟量的相关参数以及4R90GZ斯特林热机(功率为55 kW)的相关参数如表8和表9所示。

表8 烟气相关参数

3.2 烟气余热利用热计算

实际烟气流速：

(17)

烟气流动雷诺数：

(18)

运用管内换热准则关系式：

(19)

根据公式可以得到Nu=255.405，因此可知：

(20)

表9 4R90GZ斯特林热机相关参数

对于环肋片：

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)

假设斯特林发动机效率η斯为25%，发电机效率η电为95%，则：

P=Φ·P斯·P电=52.143 7 kW

(25)

3.3 结论分析

当系统运行1 h，电机理论发电约为51.143 7 kW·h。以小型砖窑厂工作24 h，工作250 d为标准，年发电量31.27万kW·h，节省开支50余万元。节约标准煤约31.27×60×0.32=600.73万t；减少二氧化碳排放量31.27×60×0.32×2.62=1 573.912 6万t；减少二氧化硫31.27×60×0.32×0.008 5=5.106万t。

根据结论进行分析，提出了斯特林发动机烟气余热利用热电联产系统。小型砖窑厂斯特林发动机热电联产示意图，如图4所示。该系统在输出电能的同时，也可以供热，实现能源梯级化利用，提升能源利用率。

供电部分利用中高温烟气经过换热器I，驱动斯特林发动机，带动电机发电。

供热部分利用通过换热器I的低温烟气，用风机代入换热器II，加热冷水，为砖窑厂提供热水。

图4 砖窑厂斯特林发动机热电联产

4 结 论

根据斯特林发动机的特点设计了一套实物模型并对其进行运动仿真，利用传热学和流体力学知识，建立了斯特林发动机理论换热模型，计算出对流换热量W，辐射换热量W，管壁换热量W。显然辐射换热量与管壁换热量相对于总换热量而言较小，在工程上可以忽略。故近似认为模型理论总换热量W。将理论模型进行放大，对一个烟气量为23 t/h的小型砖窑厂和55 kW的斯特林发动机进行分析计算得出，在斯特林发动机效率为25%，电机效率为95%时，当系统运行1 h，电机理论发电约为52.14 kW·h。以工厂每天工作24 h，工作250 d为标准，年发电量为31.284万kW·h，企业年节省开支30余万元。根据能量梯级利用原理，结合计算结果，提出了一个斯特林发动机烟气余热利用热电联产系统的设想方案，为中小企业的余热利用建立了一定的理论基础。

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(责任编辑张凯校对魏静敏)

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

辽宁省大学生创新创业训练项目(201711632001)

彭维珂(1997-)，男，湖南长沙人。

潘宏刚(1982-)，男，辽宁沈阳人，高级工程师，博士研究生。

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

TK11；TK11；O329

： A

： 1673-1603(2017)03-0223-06