哈尔工程大学斯特林车一等奖.docVIP

一种基于斯特林发动机原理的工业炉鼓风装置设计说明书 摘 要：随着我国经济社会的发展，对能源的需求量急剧增大，工业锅炉的数量急速增长。据统计，2007年全国耗煤25.8 亿吨，其中锅炉耗煤22 亿吨，占85.3%，造成严重的环境污染。因此提高锅炉的热效率、节约燃料和降低排放尤为重要。为了实现工业燃烧炉鼓风机的节能减排，本装置基于斯特林发动机原理，将斯特林发动机作为工业炉鼓风机的主要驱动动力，实现了热能到机械能的直接转化利用，提高了燃料燃烧的热能利用率；设置了辅助电机，实现鼓风机启动及由常规稳定运行到高速鼓风运转的调节需求；减速发电装置实现鼓风机由常规稳定运行到低速鼓风运转的调节需求，此时所发的电可直接储存或供应燃炉电力系统。开发了综合控制系统，实现了动力系统的变速模式自动控制，使工业炉与鼓风机达到一体化、自动化、智能化、高效化和节能环保的鼓风效果。 关键字：斯特林发动机；鼓风机；工业燃炉；驱动方式 联系人：徐钱 联系电话 EMAIL：377033914@ 1 研制背景及意义 目前，全国在用工业锅炉保有量50 多万台，约180万蒸吨/小时。燃煤锅炉约48万台，占工业锅炉总容量的85%左右，平均容量约3.4蒸吨/ 小时，其中20 蒸吨/小时以下超过80%。113个大气污染防治重点城市中约有燃煤工业锅炉24 万台，90万蒸吨/小时，均占全国的1/2 。燃煤工业锅炉效率低，污染重，节能潜力巨大。全国工业锅炉年排放CO2约1.6亿吨，排放烟尘约380万吨，二氧化硫约600万吨和大量的NOx，造成严重的环境污染。 在我国能源消费结构中，煤炭、石油、天然气等能源在生产和消费总量中分别占92.1%和92.7%，而工业能耗占一次能源消费的70%左右，其中有90%以上是通过热能形式而被利用的，而热能转化多在工业炉中进行，因此，对工业炉进行热力系统分析、优化和技术改造是实现节能减排的重要措施。鼓风机是工业炉实现高效主要设备，也是主要耗电设备，因此能否提高鼓风机驱动系统的运行效率是决定能否实现节能减排的关键所在。目前，鼓风机的驱动方式主要包括电动或汽动两种方式，而这两种驱动方式各有优劣： 1.汽动鼓风方案中，汽动鼓风机由汽轮机直接驱动，能够提高热能利用率，但其辅助设备和管道系统相对复杂，暖机时间长，其启动时间比电动机组长，设备出现故障的机率、泄漏率大，岗位人员的维修量大。 2.当采用电动鼓风时，电动鼓风机辅助设备少，操作简单，其启动过程时间短，但其相关的发电厂热能利用存在较大热能损失，输配电系统存在升压和降压的电能损耗，投资费用大等。 斯特林发动机又叫热气机，是一种外部燃烧的封闭式活塞发动机，具有燃料来源广、效率高、污染小、噪音低和维修方便等优点，可以在许多领域中作为清洁高效的动力机；斯特林发动机的热效率很高，理论上斯特林循环效率等于相同状态下的卡诺效率，其实际有效效率最高甚至可达47%；斯特林发动机运行的污染物排放少，作为外燃机可以在足够的空气下连续燃烧，燃烧比较充分；发动机的运转比较平稳，扭矩比较均匀，超负荷能力强。因此本项目提出一种基于斯特林发动机原理的工业炉鼓风装置设计理念，斯特林发动机应用于工业炉所体现出如下优点： 1.斯特林发动机有较高的热效率，工业炉温度可达1000℃左右，炉内外的高温差有利于斯特林发动机热效率的提高 ，实际有效效率可以达到45%左右； 2.利用工业炉炉腔内的热源驱动斯特林发动机，无外燃烧热损失，斯特林发动机实际效率提高了15%-20%； 该装置能够实现热能到机械能的直接转化利用，提高了燃料燃烧的热能利用率，通过综合控制系统的开发、控制规律研究和控制策略的优化，实现了动力系统的变速模式自动控制，使工业炉与鼓风机达到一体化、自动化和智能化运行，从而实现节能减排目标，具有良好的发展潜力和市场应用前景。 2 整体设计方案 本项目设计的基于斯特林发动机原理的工业炉鼓风装置主要由斯特林发动机系统，电机驱动系统，减速发电系统，状态监控调节系统组成，各系统在STC12单片机的主要控制下，协调工作，实现鼓风机的正常运行和变速调节等功能，装置结构示意图如图1所示。 斯特林动力鼓风机的设计主要利用了斯特林发动机的外燃特性，结合工业炉内外高温差（约1000℃）的特点，将斯特林发动机的受热腔安装在炉内，冷腔安放在炉外，工质在低温冷腔中压缩, 然后进入高温热腔中进行加热，膨胀做功。 图1装置结构简图 该装置可实现三种运行模式，模式一为斯特林动力模式，由斯特林发动机为鼓风机提供全部动力，是鼓风机的常态运行模式；当需要增大鼓风机鼓风量时，通过控制系统将运行模式切换到斯特林发动机-电机混合动力模式，电机为鼓风机提供加速动力，达到增大鼓风量的目的；当需要减小鼓风机鼓风量时，控制系统将运行模式切换到减速发电模式，斯特