单缸柴油机尾气热能回收利用研究

工作震动剧烈而影响数据的获取，也保证了试验操作者的安全。外包石棉网的蛇皮管一端与金属蛇形管紧密连接，并用管箍锁紧，防止漏气造成热量损失，金属蛇形管作为换热器试验材料，弯曲盘置于水容器中（图1），水容器外壁包裹石棉布，减少水温散失。外包石棉网的蛇皮管另一端与柴油机尾气出口连接。试验装置具体如图2～3所示。

2 试验方案设计

2.1 测定柴油机转速

反光纸贴飞轮外沿，在不超过额定转速下，调节到最大油门，用转速计测定此时柴油机（飞轮）的转速，再通过调节油门，保证柴油机不熄火的情况下，逐渐降低柴油机转速，使其呈稳定递减趋势，并记录各个数据。

2.2 测定尾气流速

用蛇皮管一端连接柴油机排气口，在蛇皮管另一端使用风速仪在各个转速下测出对应转速柴油机的尾气流速。外接蛇皮管测流速可以降低尾气温度，避免风速仪因为高温造成的测量误差。

2.3 测定尾气温度

在各个转速下，使用红外线测温仪和电子温度计测量柴油机尾气出口处的尾气温度，以及尾气通入蛇皮管时的温度。

2.4 测定水温变化及出气温度

往容器中装入4 L吸热介质（本试验中采用水），并测出吸热介质初温，开动柴油机，降温尾气通过蛇皮管，经过浸入水中的金属蛇形管，水介质通过与金属蛇形管外表面大面积接触，吸收尾气经金属蛇形管传导出来的热量而使水温升高。用电子温度计测量排向外界的尾气温度，以及实时测量水温变化，并记录最高温度。

3 试验系统测量参数采集

该试验需要测量的参数有柴油机转速、柴油机尾气出气口温度、自来水初始以及终态温度、尾气流速、换热管出气口尾气温度，数据采集点如图4所示。

4 柴油机尾气排放试验

4.1 试验系统测量参数

该柴油机的最低稳定转速为1 500 r/min左右，最高转速为2 600 r/min，因此试验从1 500 r/min开始，每次增加100 r/min左右，直到2 600 r/min。启动柴油机至最大转速，暖机5 min后，调节柴油机转速，每次改变转速后，等柴油机运转3 min后，用气体温度计测量排气口尾气温度，试验数据如表1所示。

分析柴油机尾气温度与飞轮转速的关系，以尾气温度为纵坐标，飞轮转速为横坐标，绘制尾气温度与飞轮转速关系曲线，结果如图5所示。可以看出，在柴油机转速范围内，尾气温度随柴油机转速增大而增加，尾气温度与转速呈正相关趋势。随着转速的增加，单位时间内参与燃烧的混合气数量增多，燃烧时由于燃烧室内湍流强度增强，火焰传播速度迅速提高，燃烧速度加快，热量散失相对减少，从而使得尾气热量增大[2]。

4.2 柴油机尾气流速与转速的关系

4.2.1 试验数据与分析。试验从1 500 r/min开始，每次增加100 r/min左右，直到接近额定转速2 600 r/min。启动柴油机至最大转速，暖机5 min后，调节柴油机转速，每次改变转速后，等柴油机运转3 min后，在排气口外接尾气输送管，在输送管口用风速计测量尾气温度。各柴油机转速下的尾气流速数据如表2所示。

以尾气流量为纵坐标，柴油机转速为横坐标，建立尾气流量与转速关系曲线如图6所示。可以看出，尾气流速与转速呈正相关趋势，尾气流速随柴油机转速的增大而增大。柴油机转速为1 464 r/min时，尾气的流速为21.6 m/s，当柴油机转速增加到最大值2 545 r/min时，尾气流速随柴油机转速的增加而增加到36.5 m/s。

4.2.2 换热管传热速率的影响因素分析。试验所得水温变化等相关数据如表3所示。建立评价传热速率的指标：

Q=q/t（1）

式（1）中，q为水的吸热量，t为通气时间，q=cm△t，其中c为水的比热容，水的比热容是4.2 kJ/（kg·℃），水的体积（下转第207页）

是4 L，水的密度是1 000 kg/m3，经计算，各转速下的传热速率如表4所示。

以传热为纵坐标，柴油机转速为横坐标，建立传热速率与转速关系曲线如图7所示。可以看出，传热速率与转速呈正相关趋势，传热速率随着柴油机转速的增加而增大。柴油机转速为1 464 r/min时，传热速率为173 J/s。传热速率随转速的增加而呈现上升的趋势，当柴油机的转速为最大值2 545 r/min时，传热速率增加到481 J/s。

尾气在换热管中流动，热量从尾气经过换热管流向水，传热类型属于对流传热。对流传热速率公式为：

Q=hF△T（2）

式（2）中，h为对流传热系数，F为传热面积，△T为冷热流体的平均温差。

由公式可以看出，在传热面积F一定时，传热速率与传热系数和冷热流体温度差有关。分析传热速率的变化情况，传热速率随柴油机的转速增加而加强，原因可能与尾气流速和冷热流体的温度差增加有关。尾气流速加快，气体湍流程度加剧，对流传热加剧，对流传热系数增大，传热速度加快。尾气与水的温差越大，传热速率越快。当柴油机转速增大时，尾气温度和尾气流速同时增大，这2个因素对传热都有促进作用，因此传热速率随转速增大而增大[3-5]。

5 参考文献

[1] 张海波，万会发，林伟初.渔船柴油机尾气余热利用探讨[J].中国水运，2013，13（12）：162-164.

[2] 任宪忠.柴油机尾气热量排放规律及其应用研究[D].沈阳：东北农业大学，2000.

[3] 张长友.热工基础[M].北京：中国农业大学出版社，2011.

[4] 余景宏.福伊特WHR废气热回收系统[J].商用汽车，2011（3）：100.

[5] 刘琼琼，王贤军.甲醇柴油燃料的试验研究[J].新技术新工艺，2012（12）：40-43.

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