轻烃/柴油双燃料发动机气化器设计开题报告
2020-04-21 16:04:54
1. 研究目的与意义（文献综述）
目的及意义
随着我国经济和社会的迅速发展，当代社会对能源的需求量越来越大，我国的环境问题和能源问题也日益突出。目前我国正处于经济转型的关键时期，能源问题成了与其密切相关的关注焦点，发展新能源和找到丰富洁净的替代燃料己经成为当今亟待解决的问题。长期以来，我国运输船舶以燃烧柴油为主，船舶在营运中产生大量的高污染的排气，不符合国家发展低碳绿色经济、节能减排，实现可持续发展的能源发展战略方向，采用清洁燃料则是解决上述问题的有效途径之一。
液态轻烃是石油化工产业生产过程中的副产品，其化学分子式为C5-C9（主要成分是异戊烷和己烷），国内稳定轻烃的物性参数如下表1-1所示：
表1-1 国内稳定轻烃的物性参数
| 序号 | 参数名称 | 单位 | 数值 | 备注 |
| 1 | 闪点 | ℃ | ＜-50 | 新疆吐哈油田 |
| 2 | 自燃点 | ℃ | 420～525 | |
| 3 | 密度 | 20℃/kg·m-3 | 630～680 | |
| 4 | 粘度 | 5℃/mm2·s-1 | 0.5057 | |
| 5 | 沸程 | ℃ | 20～110 | |
| 6 | 热值 | KJ/kg | ＞40 000 | |
| 7 | 辛烷值 | MON | 40～60 |
轻烃燃料与其它发动机代用燃料相比有着很大优势，其燃烧产物中几乎不含硫、粉尘和其他有害物质，CO2的排放也少于其他化石燃料，同时也克服了天然气、液化气车存在的动力性下降、加速性能差两大缺陷。此外轻烃燃料在常温下呈液态，因此在实际应用中可以使用常压储罐进行存储。液态轻烃的常压储存方式避免了像液化天然气、液化石油气等清洁燃料使用高压储罐所带来的危险。近年来轻烃作为汽油机的代用燃料已经较为常见，但是在柴油机上的应用研究甚少。轻烃/柴油双燃料发动机燃料供给系统大致上可以分为两种：一种是将轻烃燃料以液态的形式与柴油混用。由于轻烃燃料密度比柴油小（630~680.5℃/mm2·s-1）且液态轻烃燃料混合物中含有低沸点的成分，所以采用液态轻烃燃料与柴油混用的方式会存在液态轻烃燃料与燃油分层、液态轻烃燃料在燃料供给系统输送的过程中由于系统压力的变化导致低沸点的轻烃组分汽化在输送管道中形成气阻等问题。为了解决此类技术问题，通常采用在液态轻烃与燃油混合物中添加核磁共振添加剂，但由于该添加剂的循环利用率低，使得发动机的改装成本进一步加大。
另一种是将液态轻烃燃料进行汽化后以气态的形式进行使用。其方法是在发动机的原有供油系统上加装一套轻烃气供给管路，液态轻烃燃料被燃料泵输送到气化器充分汽化后，进入气液分离器进行气液分离，分离后的气体燃料经燃气过滤器后再通过气体流量调控装置调节轻烃燃气的流量，最后进入发动机气缸燃烧做工。该气态轻烃供给系统相比液态供给系统具有发动机改动小、发动机改装成本低、无需使用添加剂和燃料的替代率可控等优点。但在该系统中，气化器成为制约系统广泛应用的因素之一。
本课题的目的是通过结合轻烃燃料的理化性质及轻烃/柴油双燃料发动机气态燃料供给方式提出解决燃料可靠气化气化器的设计方案并绘制气化器的设计图。并且通过分析国内外双燃料发动机燃料供给系统所广泛采用的技术手段，完成轻烃/柴油双燃料发动机燃料供给系统设计方案。
国内外在该方向的研究现状及分析
（a）国外现状研究与分析
英国的罗尔斯-罗伊斯（Rolls-Rocyce）公司在其气体机的研究过程中为了更好的控制LNG的气化温度设计了一种分级加热式LNG气化器。该气化器也采用了控制中间传热介质的方法，中间介质采用的是水和乙二醇混合物。其工作原理采用分级加热的方式，即首先用气化器将LNG加热变成饱和天然气，饱和天然气再进入特制的加热器被继续加热到一定的温度，气化器温度主要是通过二级加热器来控制的。
H.G. Zhang， E.H. Wang, B.Y. Fan等人介绍了用于回收柴油机排气废热的翅片管式蒸发器。首先根据测得的数据评估所选柴油机的排气热量，随后根据详细的几何形状和特定的ORC工作条件创建蒸发器的数学模型，然后，当柴油机运行经过由发动机速度和负载限定的所有工作区域时，估计蒸发器的传热。在这项研究中，理论上评估了设计用于回收柴油机废气余热的翅片管式蒸发器的性能。选择五氟丙烷R245fa作为ORC的工作流体。 根据设计的蒸发器的详细尺寸和指定的ORC工作条件建立蒸发器的数学模型。 然后，当匹配的柴油发动机穿过由柴油机速度和负载限定的所有工作区域时，估计翅片管式蒸发器的传热。
（b）国内现状研究与分析
孙海峰等以SCV为研究对象，对其涉及到的传热问题进行了理论计算和数值仿真，在理论计算部分将其传热问题分为管内，管外和综合传热。针对其管内换热介绍了天然气的物性参数和管内沸腾传热问题。分析管外传热时，深入分析了水浴温度，并简化了管外传热的计算。
胡必强等在气化器的创新设计中，对气化器出口天然气温度的控制范围进行了研究，通过对整个排气系统进行fluent数值模拟，得出整个排气系统的温度分布，找出尾气引用位置，在确定了气化器出口天然气的温度和所引用的尾气的温度与位置后进行了气化器设计。
邓静等以水为工质，通过实验验证螺旋缠绕管换热器数值计算方法的可靠性和准确性，利用已验证的数值方法对研究较少的螺旋缠绕管换热器壳程进行了多目标优化研究，并对整体耦合流动传热进行了多目标优化研究。
夏虎等对用于ORC余热回收系统的管壳式烟气换热器进行了研究实验，利用平均温差法结合筛选的换热关联式对换热过程建立了数学模型并进行了理论计算。利用构建的仿真模型，开展了管壳式烟气换热器的优化研究。
孟超等在管翅式蒸发器和螺纹管式蒸发器设计计算的基础上，提出了一种蓄热换热器设计方案，设计了管套式蓄热换热器单元并进行了性能测试。
2. 研究的基本内容与方案
主要研究内容及研究方案
（a）研究内容
1) 通过分析国内外双燃料发动机燃料供给系统所广泛采用的技术手段，完成轻烃/柴油双燃料发动机燃料供给系统设计方案。
3. 研究计划与安排
进度安排
第1-3周 查阅，整理并翻译文献，完成文献综述。
第4周 开题报告，方法论述。
4. 参考文献（12篇以上）
参考文献
[1] 胡必强.lng汽车供气系统利用尾气的加热气化器的研究设计[d].上海工程技术大学，2014.
[2] 纪馨.过冷中间流体lng气化器换热过程研究[d].上海交通大学，2015.
