1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 废气再循环式柴油热风炉燃烧机理的影响研究 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要 针对目前使用的温室柴油热风炉存在的热利用率低和排放污染问题，利用废气再循环 (EGR)技术来提高柴油热风炉热效率 的方法及其研制出一种适用于温室内的全数字智能监控柴油热风炉 EGR 热交换设备，并阐明了其结构及工作原理，获得该炉比较理想的燃烧机理与控制研究的数据参数，通过试验 ,测试数据分析，绘制图表能明显体现出所研究的 EGR 式柴油热风炉在环境加热方面有很多的优势，如节约能源，降低排放 ,保护环境等。试验结
2、果表明，上述方法引入的废气量最好为总进气量的 50% 70%；当 EGR 率为 60%时，与无 EGR 率比较时，可提高热利用率 17.6%，节约了能源，并且还降低了排放污染。所研制的EGR 热交换系统，符合高效低耗、节能降污的现代控制要求 ，它是替代传统柴油热风炉加温方式的理想系统，适用于任何柴油热风炉上。 关键词 ： 废气再循环； 柴油热风炉； 温室；热交换系统 Abstract The current thermal efficiency of a Diesel-hot-air stove in a greenhouse was low and NOX emission was high
3、. Based on the technology of exhaust gas recirculation (EGR), a new method for increasing thermal efficiency of a Diesel-hot-air stove from a greenhouse was proposed. The unique EGR heat-exchange system of a Diesel-hot-air stove of all-digital microprocessor-controlled intelligently was developed in
4、 a greenhouse. The system, which could give the optimizing EGR characteristics needed by Diesel-hot-air stove test was developed. The structure and principle of the EGR heat-exchange system were also introduced. Ideally, access to and control of the combustion mechanism of the data of the study para
5、meters, through testing, test data analysis, graph drawing can be clearly demonstrated by the study of diesel exhaust gas recirculation of Diesel-hot-air stove in the environment there are many advantages, such as energy conservation, lower emissions and protect the environment. This method as well
6、as its validity was proved by the Diesel-hot-air stove tests. The optimizing range of the EGR rate all the way is from 50% to 70%, if the EGR rate is 60%, the thermal utilization efficiency of the EGR heat-exchange system of the stove was enhanced by 17.6 % as compared with no EGR rate. The pollutio
7、n of the environments was reduced by EGR system yet. EGR developed heat exchange system, in line with the low efficiency, energy-saving lower pollution control requirements of modern, It is ideal that the EGR heat-exchange system of a Diesel-hot-air stove substitutes for tradition heating system. Th
8、e EGR system is suitable for any Diesel-hot-air stove. Keywords: Exhaust gas recirculation; Diesel-hot-air stove; Greenhouses; Heat-exchange system 目 录 1 引言 .- 1 - 2柴油热风炉 EGR热交换系统组成及其原理 .- 2 - 2.1柴油热风炉的 EGR技术原理 .- 2 - 2.2系统组成 .- 2 - 2.2.1柴油热风炉 EGR子系统 .- 3 - 2.2.2 EGR控制器和传感器 .- 3 - 2.3 EGR热交换系统的设备改进
9、.- 4 - 3 提高 EGR柴油热风炉热效率的方法 .- 5 - 3.1 影响野外大棚内 EGR热交换时的热效率因素 .- 5 - 3.3 EGR率提高的方法 .- 6 - 4 EGR热交换系统的计算 .- 7 - 4.1 加热要求的计算 .- 7 - 4.2 热交换系统换热和压力损失计算中的问题 .- 8 - 4.3 不稳定操作条件下 EGR热交换系统的计算 .- 8 - 4.3.1 管壁的热传导方程 .- 9 - 4.3.2 流体的运动方程 .- 9 - 4.3.3 连续性方程 .- 9 - 4.3.4 流体能量方程 .- 9 - 4.3.5 EGR热交换系统在不稳定操作状态下的计算 .
10、- 9 - 5 在选定温室中的试验及其结果 .- 12 - 6 结 论 .- 14 - 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .- 15 - 附录 1 系统的实物图和运 用图 .- 17 - - 1 - 1 引言 随着社会的发展，全世界的人民和政府都在呼吁要进行可持续发展，保护生态环境，节能减排。但经济的发展难免要消耗大量的资源燃料，特别是作为最大发展中国家的中国。矿物燃料的燃烧设备有两个大类，我们要研究的热风炉就是其中的一小部分。 通过大量的调查和实验，对现有的热风炉进行分析我们发现： 目前，温室大棚内的柴油热风炉对其进行加热时，一般采用将燃烧废气通过管子与空间直接或强制换热的方式进行
11、热交换，尔后直接排出至温室大棚外。当然靠泄 漏补进冷空气至温室大棚内，既降低了温室内空气温度，又造成热量损失。所以，这样的换热方法及其相应的柴油热风炉结构，热量利用率低， NOx 排污指标高。废气引入进气中也称废气再循环（ Exhaust gas recirculation），简写为 EGR。使 EGR 应用于柴油热风炉在各种工况下都可实现 EGR 燃烧。既能满足加温的要求，又能提高了柴油热风炉的热利用率，符合高效低耗、节能降污的现代控制要求，有其重要意义。 - 2 - 2 柴油热风炉 EGR 热交换系统组成及其原理 2.1 柴油热风炉的 EGR 技术原理 内燃 机的 EGR 技术已是一种成熟
12、的用来降低 NO 排放的工业技术，仅对降低NO有效。废气混入的多少用 EGR 率 6表示，其定义如下： %1 0 0 进气量废气还流量 废气还流量率E G R 我们研究 EGR 柴油热风炉的目的在于开拓废气再循环技术的使用范围；提供一种简单可靠的废气再循环用在柴油热风炉中的技术措施。研究中还发现，利用 EGR 技术不仅能降低 NOx 排放污染；而且能提高柴油热风炉的热利用率，节约能源，这也是研究它的另一个重要目的。 经长时间理论探讨和试验论证，一种提高柴油热风炉热效率的方法 3,4诞生了，其特征在于：将柴 油热风炉的废气引入进气中。 2.2 系统组成 柴油热风炉 EGR 热交换系统 1,2由柴
13、油热风炉 EGR 子系统、加湿子系统、 EGR控制器和传感器 3等组成，其系统的正面、侧面和背面实物图可参见附录 1-1、附录 1-2、附录 1-3,其基本结构和原理如图 2-1、 2-2 所示。 6785 431110129- 3 - 1、炉风机 2、换热器 3、 EGR 管 4、 EGR 阀 5、 EGR 控制器 6、废气排出管 7、柴油热风炉 8、进气管 9、混合器 10、燃烧室 11、温室 图 2-1 温室微机控 制柴油热风炉 EGR 热交换系统的布局 2.2.1 柴油热风炉 EGR 子系统 柴油热风炉 EGR 子系统，参见图 2-1、 2-2所示，由柴油热风炉、混合器、燃烧室、炉风机
14、、温室通风机、天窗、换热器、进气管、排气管、 EGR 管、 EGR阀， EGR 式柴油热风炉 的 EGR 控制阀的实物图参见附录 1-5 和 EGR 控制器等组成。柴油热风炉对温室内加热， EGR 式柴油热风炉 加热系统在温室大棚中使用的实物图参见附录 1-4；独创的废气再循环装置 3,4用于控制炉的废气再循环率，即控制废气还流量，提高柴油热风炉热利用率，降低排放污染；在温室顶部 的天窗和侧面的通风机用于自然或强制调节温室内的温 度 7，实现加温和降温，补进新鲜空气。通过不断调节天窗通风口，不仅能调节温度，还能调节空气中的含水量 8。在温室内上部的遮阳帘是用来遮荫的，有助于控制夏季温 度 和降
15、低光照强度。 2.2.2 EGR 控制器和传感器 作物的“最适”温湿度实质上是对所需要的条件产生最好的调节的结果，对各种植物是不相同的，然而需要的精确度是很高的 9。微机控制器 1,2包括 EGR控制器 10,如图 2-2 所示，主要完成按植物生长要求预先设定的农业专家的经验数据 (100 天内每一小 时的温度和湿度值 )和最佳的 EGR 率控制各执行部件。采用新型的数字式温湿度一体化传感器 (LTM8901)和一线总线结构，实现温室内环- 4 - 境智能监控，以使温湿度值处在植物生长的最佳状态。 2.3 EGR 热交换系统的设备改进 气体混合器是本系统之关键部分，设计出的气体混合器是一种 E
16、GR 环型垂直切线等压废气进气涡流混合器结构。 我们借助计算机进行运算，对大量的数值计算问题和分析影响野外大棚内热交换时的热效率因素进行正交试验得到了有效的解决，通过计算机运算得到的结果与上述结果相同。设计出由柴油燃烧器、气体混合器、热交换器 和 EGR 管组成结构优化的 EGR 热交换系统。 达到自动控制空燃比 ,从而实现对燃烧系统优化控制的研究方向 。 气体混合器是本系统之关键部分，设计后的气体混合器是一种 EGR环型垂直切线等压废气进气涡流混合器结构。 其原理和压力变化如图 4-3 所示。 1-柴油燃烧器喷头； 2-引入室； 3-燃烧室； 4-预混室； 5-混合室； 6-扩散管；7-炉风
17、机； 8-混合后热空气； 9-被引射 EGR 废气； 10-环型垂直切线等压废气进气涡流混合器； 11-新空气 图 2-3 气体混合器原理图 为了降低 NOx 排放，提高热利用率，节约能源，采用中冷 EGR 技术 6，将热交换器废气长管道冷却后再还流回燃烧室，使进气温度更进一步降低，明显降低了排放污染。 - 5 - 3 提高 EGR 柴油热风炉热效率的方法 为了具体实现上述方法，本技术方案是由温室 11 中，柴油热风炉 7、炉风机 1、换热器 2、 EGR 管 3、 EGR 阀 4、 EGR 控制器 5、混合器 9、燃烧室 10、废气排出管 6 和进气管 8 组成，如图 2-1 所示。在柴油热
18、风炉 7的进气管 8上安装气体混合器 9，气体混合器和排气管 6之间安装 EGR 管 3，并在排气管上装 由EGR 控制器 5控制 EGR 阀 4，在阀门上设有专门小孔与 EGR 阀的开度或开闭间歇时间从而控制进入混合器 9和燃烧室 10的再循环废气量 (保证热风炉正常燃烧，而使加热效率最高为前提 )，即控制 EGR 率。为了降低 NOx 排放，提高热利用率，采用中间冷却废气技术，延长热交换管（ 310mm，长 115000mm），将废气在管道中冷却后再还流回气体混合器与新鲜充量混合进入燃烧室，降低燃烧温度，从而更进一步提高热利用率。 3.1 影响野外大棚内 EGR 热交换时的热效率因素 将
19、EGR 式柴油热风炉的 EGR 热交换系统安装在野外塑料大棚 中进行加热热交换时，经大量试验后得出，影响该系统的热效率的因素 7、 8有： EGR 率， EGR 阀、控制器的灵敏性和可靠性 ; EGR 热交换系统中的热交换管道直径、长度、结构、形状、材料、厚度和使用情况，如管壁结垢和成本等； 柴油热风炉的功率、结构、燃料的质量和使用情况，热风 (废气 )流量、流速、压力和温度，温度和湿度控制； 棚内、外环境的温度、湿度和大气压力，如热和水的平衡关系受光照、通风、植物蒸腾、加热方法和大量传导损失； 大棚的形状、材料、结构、大小和使用情况； 棚内温度模式的对流、传导、辐射、凝结、渗透、 热传导率和
20、总的热传递系数； 热的保存，温度与大棚生产的相互关系、热量因素包括植物吸收、光合作用和地面损失； EGR 换热系统对有无作物、作物的种类、年龄或成熟度、大小、密度、- 6 - 栽培方式和无性繁殖系等。 3.2 EGR 率提高的方法 为了精确地控制 EGR 率，采用微机控制 EGR 阀。控制方法有二种 3，其一为 EGR 阀的开度保持一定不变；其二为 EGR 阀循环开闭，每一开闭循环周期恒定。这二种方法都能使 EGR 率保持不变。 根据理论计算得： 1Kg 柴油完全燃烧时理论上所需要的空气量 11.2m3；或14.45Kg7。 该 柴油热风炉需要的空气量为 31.36m3/h； 当 EGR 率为 60%，即每 5分钟一个循环内，微机控制 EGR 阀开 45秒 ; 关 255秒时，供给燃烧室的每小时新鲜空气量为： 210m3/h 0.15h=31.5m3，该热交换器的内部容积为 8.67m3，而每次进入的新鲜空气量为： 2.625m3，所以，打开 EGR阀 45s 驱赶废气时，不会将新鲜空气赶出。考虑 EGR 阀 4 上的小孔时，实际进入燃烧室的新鲜空气大于此值，所以，吸进的新鲜空气能使柴油完全充分燃烧 。
