LJ4K18含水乙醇重整燃料发动机重整器设计毕业论文
2021-11-06 11:11
摘 要
近年来，随着社会经济的发展，不可再生能源的消耗和环境污染问题日益严重。同时将生物乙醇作为替代燃料的技术趋于成熟，乙醇汽油已经得到广泛使用，但仍然存在成本高、替代率低等问题。为了使成本低廉的含水乙醇能直接在现有发动机上使用，可采用含水乙醇重整燃料方案，其基本原理是通过重整器将含水乙醇重整为富氢气体后通入气缸燃烧。该方案可以在不对现有发动机做出较大改造的前提下，将含水乙醇直接作为发动机燃料的原材料。本文设计了一台用于LJ4K18含水乙醇重整燃料发动机的重整器，其利用发动机尾气余热为乙醇蒸汽催化重整制氢提供能量，将反应后得到的富氢气体作为燃料通入气缸燃烧，为发动机提供动力，可实现节能减排。重整器采用管壳式换热器的设计，在了解了LJ4K18发动机的基本性能参数后，通过燃料在气缸中燃烧时的热平衡计算，确定了蒸发段、反应段热管的规格，尺寸及排布。设计亮点是将蒸发器、反应器和缓冲罐串联在一起，从而不需要对缓冲罐进行单独保温，同时在内部热管的结构设计上消除了热应力，且使拆卸方便。最后，利用AutoCAD软件对所设计的含水乙醇重整器进行了零件图及装配图的绘制，并对各部件进行了结构和功能的说明。
关键词：含水乙醇; 重整器
Abstract
In recent years, with the development of social economy, the problems of non-renewable energy consumption and environmental pollution have become increasingly serious. At the same time, the technology of bioethanol as an alternative fuel has matured, ethanol gasoline has been widely used, but there are still problems such as high cost and low replacement rate. In order to make the low-cost aqueous ethanol directly used on the existing engine, the reforming fuel solution of aqueous ethanol can be adopted. The basic principle is to reform the aqueous ethanol into hydrogen-rich gas through the reformer for combustion by the engine. This scheme can directly use aqueous ethanol as the raw material of engine fuel without major modification of the existing engine. In this paper, a reformer for LJ4K18 aqueous ethanol reforming fuel engine is designed, which uses the exhaust heat of the engine exhaust to provide energy for the catalytic reforming of ethanol steam to produce hydrogen. The hydrogen-rich gas obtained after the reaction is passed into the cylinder for combustion. Powering the engine reduces energy consumption and emissions. The reformer adopts the design of a shell and tube heat exchanger. After understanding the basic performance parameters of the LJ4K18 engine, the heat balance calculation of the fuel in the cylinder determines the specifications, dimensions and arrangement of the heat pipes in the evaporation section and reaction section. The design highlight is that the evaporator, reactor and buffer tank are connected in series, so that there is no need to separately insulate the buffer tank, and the thermal stress is eliminated in the structural design of the internal heat pipe, and the disassembly is convenient. Finally, AutoCAD software was used to draw the part drawing and assembly drawing of the designed aqueous ethanol reformer, and the structure and function of each part were explained.
Keywords: aqueous, ethanol reformer
物理量名称及符号表
Qf——重整燃料的热量（kJ） | γ——汽化潜热（kJ/kg） | |
Pe——发动机最大输出功率（kW） | qm——重整原料的质量流量（g/h） | |
η——发动机热效率 | qV——重整原料的体积流量（m3/h） | |
T——温度（K） | Cp——定压比热容kJ/(kg·K) | |
nVE1——参与重整反应的乙醇的物质的量（mol） | qRE——100%重整的含水乙醇重整混合气的低热值（kJ/g） | |
nVE1——未参与重整反应的乙醇的物质的量（mol） | nC——进入重整器的重整原料中乙醇的物质的量（mol） | |
φH2O——重整原料中水的质量分数 | φC2H5OH——重整原料中乙醇的质量分数 | |
MH2——氢气的摩尔质量（g/mol） | △Tm——对数平均温差（K） | |
MCO——一氧化碳的摩尔质量（g/mol） | GHSV——体积空速（H-1） | |
MC——乙醇的摩尔质量（g/mol） | ρH2O,V——水蒸气的密度（kg/m3） | |
MH2O——水的摩尔质量（g/mol） | ρC,V——乙醇蒸气的密度（kg/m3） | |
qVE——含水乙醇蒸汽的低热值（kJ/g） | VC——催化剂体积（m3） |
目录
摘要 I
Abstract II
物理量名称及符号表 III
目录 IV
第一章 绪论 1
1.1 含水乙醇重整制氢技术的背景及意义 1
1.2 各种重整制氢方法对比 2
1.3 重整反应器的研究现状 3
1.4 本文的主要工作及内容 5
第二章 含水乙醇重整器的设计计算 7
2.1 重整原料的流量计算 7
2.1.1 重整率的定义 7
2.1.2 含水乙醇重整燃料的热值 8
2.1.3 不同负荷下重整原料的流量 9
2.2 重整原料不同流量下所需热量的分析 11
2.2.1 蒸发器所需热量 12
2.2.2 反应器所需热量 13
2.3 确定重整反应器的结构及尺寸 14
2.3.1 传热系数K的确定 14
2.3.2 换热面积的确定 14
2.3.3 催化剂体积的确定 16
2.3.4 重整器热管的尺寸与排布 17
2.4 本章小结 18
第三章 含水乙醇重整器的绘图 19
3.1零件图 19
3.1.1 支撑盘1 19
3.1.2 支撑盘2 20
3.1.3 扰流板 21
3.1.4 密封垫圈 21
3.2装配图 22
3.2.1 装配总体 23
3.2.2 流体的流动 24
3.2.3 拆卸与热胀 24
3.3本章小结 24
结论与展望 25
参考文献 26
附录A 27
致谢 32
第一章 绪论
1.1 含水乙醇重整制氢技术的背景及意义
人类对能源的利用经历了从柴木时代到煤炭时代,再到油气时代的推移转变，在能源利用总量持续增加的同时，能源结构也在不断地发生变化 [1]。过去百年世界能源结构与消费的变化如图1.1和图1.2所示，从二十世纪开始，世界对传统生物质能的使用越来越少，煤炭、石油等化石能源被大量开采使用，这一过程一直持续到现在。从某种程度上说，人类的经济发展也得益于对化石能源的大量使用。但如今人类意识到化石能源终将枯竭，而前期对化石能源的过度开采使用已经给地球的生态环境带来了超负荷的压力，我们迫切需要开发新型的清洁替代燃料。对于国家而言，开发新型替代能源对于调整国家能源结构、减轻环保压力、降低碳排以及发展能源农业具有重大意义。
图1.1 过去100多年世界能源结构变化
图1.2 过去100多年世界能源消费变化
氢能近年来备受关注，其燃烧产物为水，是一种非常理想的替代燃料。氢气制备原料广泛，可通过生物质气化和微生物制取得到。将氢能开发成为替代燃料的研究很早就在进行。自 1965 年美国开发液态氢内燃机以来，世界各地已经陆续成功开发出各种类型的纯氢或掺氢内燃机。[2]但从另一方面看，氢动力汽车的发展同时也受到来自各方面的诸多限制，例如氢气生产成本高、存储和运输困难、燃烧速度过快以及配套加气站设施建设不完善等。随着科学技术的发展，近年来车载重整燃料制氢已经成为氢动力汽车发展的一个方向。
与甲醇相比，乙醇的低热值更高且无毒害，选用乙醇作为原料，在车载装置中在线制取氢气可以实现能源的循环利用。美国国会颁布了“乙醇发展计划”和“空气清洁法”；德国制定了“公路运输用醇类燃料”研究计划；巴西政府启动了“巴西乙醇”国家计划取代进口石油。然而目前大多数国家推广使用的是乙醇汽油技术。乙醇汽油即在不含MTBE的专用汽油中加入一定比例的燃料乙醇。我国目前所使用的乙醇汽油中乙醇的含量为10%，即E10，这也是现有发动机所能燃用的乙醇汽油。但是，若要继续提高乙醇汽油中乙醇的比例，则需要另外装配特殊的乙醇发动机。这种带有特殊装置的车辆在美国被称作灵活燃料汽车，即FFV（Flexible Fuel Vehicle）[3]。灵活燃料汽车可以直接任何混合比例的乙醇汽油。
