摘 要

在当今社会经济迅速发展和经济全球化的背景下，能源枯竭问题和环境污染问题日益明显，人们正在普遍寻求发展内燃机的其他代用燃料。轻烃作为其中一种代用燃料，具有经济高效、动力性强、储存成本低等优点，并且具有良好的发展前景。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。

本文根据轻烃燃料在柴油机的上的研究应用发现，气化器的性能对轻烃/柴油双燃料发动机起着至关重要的作用，并且国内外对轻烃燃料的气化器研究甚少。本文针对G2135发动机，旨在提出一种以发动机尾气为加热源的气化器的设计方案，并绘制该气化器的零件图和装配图。

首先，介绍了轻烃燃料在国内外的研究现状及与其它代用燃料相比的优势。然后，对轻烃/柴油双燃料发动机供给系统的分类及组成进行了概述，简单介绍了关键部件在系统中的作用，并对比了两种燃料供给方案的优缺点。其次，根据结构的不同介绍了气化器的分类并分析其不同种类气化器的特点，并且根据气化器在本文中的应用特点对气化器进行选型。再次，对发动机尾气和轻烃燃料的物性参数进行了分析计算，结合冷热流体的参数对气化器进行设计计算与校核计算，最终确定气化器的结构与尺寸^[1]。最后根据确定的结构尺寸画出气化器的零件图和装配图。

关键词：双燃料发动机；轻烃燃料；气化器；结构设计

Abstract

Under the current background of rapid economic development and economic globalization, the problems of energy depletion and environmental pollution have become increasingly apparent. People are now generally seeking to develop alternative fuels for internal combustion engines. As one of the alternative fuels, light hydrocarbons have the advantages of economical efficiency, strong dynamics, low storage cost, and have good development prospects. In recent years, light hydrocarbons have become more common as alternative fuels for gasoline engines, but there are few studies on diesel engines.

Based on the research and application of light hydrocarbon fuels in diesel engines, it is found that the performance of gasifiers plays a crucial role in light hydrocarbon/diesel dual fuel engines, and there are few studies on the gasifiers for light hydrocarbon fuels at home and abroad. For the G2135 engine, this paper aims to propose a design scheme for a gasifier that uses the engine exhaust as a heating source, and draws the parts map and assembly drawing of the gasifier.

First, the current research status of light hydrocarbon fuels at home and abroad and the advantages compared with other alternative fuels were introduced. Then, the classification and composition of the light hydrocarbon/diesel dual fuel engine supply system were summarized. The role of the key components in the system was briefly introduced, and the advantages and disadvantages of the two fuel supply schemes were compared. Secondly,according to the different structure, the classification of gasifiers was introduced and the characteristics of different types of gasifiers were analyzed, and the gasifier was selected according to the application characteristics of gasifiers in this paper. Thirdly, the physical parameters of the engine exhaust gas and light hydrocarbon fuel were analyzed and calculated. The design, calculation and verification of the gasifier were combined with the parameters of the cold and hot fluids. Finally, the structure and dimensions of the gasifier were determined. Finally, the parts and assembly drawings of the vaporizer were drawn according to the determined structural dimensions.

Key words:Dual fuel engine; Light hydrocarbon fuel; Vaporizer; Structural design

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.1.1 能源与环境问题 1

1.1.2 课题研究意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 本文主要研究内容 3

第2章 轻烃燃料供给系统概述 4

2.1 轻烃燃料供给系统简介 4

2.1.1 液态轻烃燃料供给系统 4

2.1.2 气态燃料供给系统 5

2.2 轻烃燃料供给系统方案对比 7

2.3 本章小结 8

第3章 气化器选型与冷热流体物性参数计算 9

3.1 气化器的分类 9

3.1.1 开架式气化器 9

3.1.2 浸没燃烧式气化器 9

3.1.3 中间介质式气化器 10

3.1.4 缠绕管式气化器 10

3.1.5 空温式气化器 10

3.1.6 水浴式气化器 10

3.2 气化器的选型 10

3.3 物性参数的计算 11

3.3.1 原机型参数 11

3.3.2 尾气物性参数计算 12

3.3.2 轻烃燃料物性参数计算 16

3.4 本章小结 18

第4章 气化器的设计 19

4.1 气化器设计计算 19

4.1.1 气化器最大热负荷确定 19

4.1.2 气化器的换热面积 20

4.1.3 气化器尺寸的初步确定 22

4.2 气化器的校核计算 22

4.2.1 管程传热膜系数的计算 23

4.2.2 壳程传热膜系数的计算 24

4.2.3 压降的计算 24

4.2.3 校核结果分析 25

4.3 图纸设计 26

4.3.1 零件图设计 26

4.3.2 装配图设计 29

第5章 结论与展望 30

5.1 全文总结 30

5.2 研究展望 30

参考文献 31

致 谢 32

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 能源与环境问题

经济和社会的迅速发展使得我国对能源的需求量逐渐增大，随之而来的是环境和能源问题的加剧。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。据美国《油气杂志》统计，石油仍是当今世界最依赖的燃料，2015年全球探明石油储量1.6976万亿桶，相比去年减少了0.1%，仅能维持50.7年的全球生产需要^[2]。长期以来我国运输船舶以燃烧柴油为主，并且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、节能减排的政策和战略，为了实现我国能源发展战略方向，使用代用燃料和清洁燃料是解决上述问题的有效途径之一。

1.1.2 课题研究意义

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

相比其它发动机代用燃料，轻烃有着很明显的优势，例如燃烧产物中几乎不含硫、粉尘等有害物质，CO₂排放量相对其他化石燃料较少，并且可以克服存在在天然气、液化气车中的动力性下降、加速性能差等缺陷。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分为两种：一种是将液态轻烃燃料与柴油混用^[3]。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。

另一种是先将液态轻烃燃料汽化，然后使用其气态形式。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。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

英国的Rolls-Rocyce公司设计了一种分级加热式LNG气化器,以便在其气体机的研究过程中为了更好的控制LNG的气化温度,该气化器采用的方法是控制中间传热介质，而中间介质是水和乙二醇混合物^[4]。其工作原理采用分级加热的方式，即用气化器将LNG加热为饱和天然气，饱和天然气再进入特制加热器，再加热到一定的温度，气化器温度主要由二级加热器来控制。

H.G. Zhang， E.H. Wang, B.Y. Fan等人介绍了一种用于回收利用柴油机尾气余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。 根据设计的蒸发器具体尺寸和特定的工作条件，建立其数学模型。 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。

1.2.2 国内研究现状

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。基于管内换热问题，对天然气物性参数和管内沸腾传热等问题进行了介绍,对管外传热进行分析时，具体分析了水浴温度并对管外传热的计算进行了简化^[5]。

在气化器的创新设计中，胡必强等研究了气化器出口天然气温度的控制范围，通过对整个排气系统进行fluent数值模拟，得到了排气系统的温度分布并找到了尾气引用位置,而气化器设计是在确定天然气在气化器出口的温度和所引用尾气的温度与位置后进行的^[6]。

邓静等选用水为工质，通过实验的方式，对螺旋缠绕管换热器数值计算方法的可靠性和准确性进行了验证，利用已验证的数值方法，对螺旋缠绕管换热器壳程和整体耦合流动传热进行了多目标优化研究^[7]。

夏虎等研究了用于ORC余热回收系统的管壳式烟气换热器，采取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，并且进一步对管壳式烟气换热器进行了优化研究^[8]。

孟超等以管翅式蒸发器和螺纹管式蒸发器的设计计算为基础，设计了一种蓄热换热器和管套式蓄热换热器单元，并进一步进行了性能测试^[9]。

1.3 本文主要研究内容

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对气化器的平面图进行绘制。并且分析国内外双燃料发动机燃料供给系统主要特点和采用的技术手段，完成轻烃/柴油双燃料发动机燃料供给系统设计方案。

主要研究内容：

1. 对轻烃/柴油双燃料发动机燃料供给系统进行介绍，比较了两种燃料供给方式的优缺点，
2. 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平面图。

第2章 轻烃燃料供给系统概述

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。针对轻烃燃料的使用，轻烃/柴油双燃料发动机燃料供给系统基本可分为两种：一种是将轻烃燃料以液态的形式与柴油混用。另一种是将液态轻烃燃料汽化，然后对气态轻烃燃料进行使用。

2.1 轻烃燃料供给系统简介

2.1.1 液态轻烃燃料供给系统

液态轻烃燃料供给系统的工作原理是将轻烃燃料以液态形式与柴油混合后形成混合燃料通过喷油器喷入船舶发动机，由于液体轻烃燃料直接加装到发动机的油箱中并与柴油混合，所以轻烃燃料与柴油燃料使用同一套燃料供给系统，节省了改装成本和发动机空间^[10]。

图2-1 液态轻烃燃料供给系统

1. 轻油日用柜 2-混合燃料柜 3-输送泵 4-三通阀 5-压力表 6-滤器 7-背压阀

8-流量计模块 9-柱塞泵 10-喷油器

燃料供给系统主要由燃料供给泵，燃料自清洗滤器，燃料混合器，流量计，压力计，密度计等组成，燃油供给泵一般是齿轮泵，从燃油柜中吸入燃料之后输送到燃料混合器中^[11]。压力调节系统包括压力调节器和三通阀，三通阀连接轻油柜和轻烃燃料柜。燃料自清洗滤器的作用是过滤掉固体杂质，保证燃料喷射系统各精密偶件不会过度磨损。

2.1.2 气态燃料供给系统

2.1.2.1 燃气发动机的分类

随着代用燃料的发展和推广，可根据发动机的燃料类型，进气方式和点火方式不同，对燃气发动机进行大致分类。

1. 按燃料类型分类

如图2-2所示，按燃料类型分类，气体燃料发动机包括单一气体燃料发动机和双燃料发动机。双燃料发动机又包括微油引燃式和混燃式，可以通过改装柴油机而成，并且可以在气体燃料和液体燃料之间切换。单一气体燃料发动机即只使用气体燃料的发动机。

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