基於單螺杆膨脹機的發動機排氣餘熱利用系統的製作方法

2023-06-11 12:08:51 2

專利名稱：基於單螺杆膨脹機的發動機排氣餘熱利用系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及基於單螺杆膨脹機的發動機排氣餘熱利用系統，主要用於回收發動機 排氣所帶走的熱量，屬於節能減排領域。
背景技術：
大量的實驗數據表明，發動機的輸出功率僅佔燃料燃燒能量的三分之一左右，其 餘的三分之二左右的熱量由冷卻水、排氣所帶走以及其他方式所損失。其中排氣尾氣所帶 走的熱量約佔燃料燃燒能量的三分之一左右，回收發動機排氣餘熱可以提高發動機中的燃 料燃燒能量利用率。目前回收發動機排氣餘熱的研究主要有燃氣熱泵(GHP)系統、採用熱 電聯用的吸收式製冷裝置用來製冷和取暖、發動機排出的廢氣直接進入廢氣鍋爐中加熱冷 凝水驅動蒸氣透平機做功、廢氣餘熱式採暖裝置等系統。上述的餘熱回收利用系統有以下 的特點燃氣熱泵(GHP)的特點是建立一套水循環系統，通過低溫水在換熱器中吸收發動 機排氣的熱量，使低溫水轉化為高溫水，最終實現發動機排氣餘熱的回收。這套系統的缺點 是效率低，因為該系統只能將發動機的排氣餘熱轉化為水的熱能進行儲存，不能以動力方 式進行輸出功率；而且水的比熱容相對有機工質來說比較大，單位溫升所需的能量大，對於 能量的回收率比較低。採用熱電聯用的吸收式製冷裝置用來製冷和取暖，從而回收發動機的排氣餘熱。 採用熱電聯用的目的是為了適應發動機不同轉速不同負荷變工況的特點，增加了一臺增壓 器可以高效地將電能轉化為熱能用來補償煙氣餘熱不足的問題。這種方式使得吸收式製冷 裝置系統在低轉速小負荷的工況條件下，由於排氣的餘熱不足，製冷量達不到系統的要求， 因此需要消耗額外的電能進行補償，能量的回收效率明顯降低。因此本系統的缺點是在低 轉速小負荷工況下需要增加額外的電能消耗。發動機排出的廢氣直接進入廢氣鍋爐中加熱冷凝水，產生的蒸氣首先需要經過蒸 氣乾燥器和氣水分離器後再驅動蒸氣透平機轉動。此套裝置需要滿足蒸氣透平機的工作工 況，需要蒸氣乾燥器和氣水分離器才可以產生乾燥的氣體推動透平機工作，增加系統的部 件。而這套裝置的經濟性需要體現在動力裝置為750kw以上時才比較顯著，因此這套裝置 對於小功率的發動機來說是不適用的。因此本系統需要增加額外的設備乾燥蒸氣，增加系 統的複雜性。廢氣餘熱式採暖裝置是利用發動機排氣管的餘熱進行車廂採暖，主要是利用排氣 回熱管回收排氣餘熱進行冬季供暖。這套系統主要的缺點是會增加排氣的背壓，會影響發 動機的動力性，另外當發動機處於低轉速小負荷的工況條件時，排氣中的熱量不足以提供 車廂所需要的供熱量，而且排氣管如果發生洩漏，會汙染車內的空氣，對人體造成傷害。因 此本系統不適合於低轉速小負荷的工況，而且有一定的安全隱患。從上述分析可以看出，所提及的系統不適用的範圍主要是為變轉速變負荷工況以 及小功率發動機，而採用水作為工質以及採用透平機作為膨脹機都有一定的局限性。

發明內容
本發明的目的在於為了回收變轉速變荷工況下的發動機排氣餘熱帶走的熱量，而 提出了一種基於單螺杆膨脹機的排氣餘熱利用系統的方案。該方案可以實現當發動機處 於不同轉速不同負荷變工況條件下以及小功率發動機時，在不影響發動機正常工作的情況 下，大幅提高發動機排氣餘熱的回收率，從而提高柴油機的燃油經濟性和柴油機的綜合能
量利用率。為了實現上述目標，本發明採用了以下技術方案基於單螺杆膨脹機的發動機排氣餘熱利用系統，該系統由熱源流動模塊、有機朗 肯循環的閉合迴路模塊、冷卻系統閉合迴路模塊，控制模塊四個模塊組成。上述的熱源流動模塊發動機1的排氣管與管束式蒸發器2通過管路連接組成系 統的熱源流動模塊。上述的有機朗肯循環的閉合迴路模塊管束式蒸發器2、單螺杆膨脹機3、板式冷 凝器4、儲液罐5依次通過管路首尾相連形成有機朗肯循環的閉合迴路模塊。上述的冷卻系統閉合迴路模塊板式冷凝器4、冷卻塔7及水泵8依次通過管路首 尾相連構成冷卻系統的閉合迴路模塊。上述的控制模塊流量傳感器14與溫度傳感器15連接在發動機排氣管路上，電壓 比例控制閥I 9安裝在管束式蒸發器2進口處的管路上，電壓比例控制閥II 11安裝在水 泵8出口處的管路上；流量傳感器14、溫度傳感器15、電壓比例控制閥I 9及電壓比例控制 閥II 11均與單片機13相連。安全閥I 10安裝在柱塞泵6與電壓比例控制閥I 9之間的三通管路上，其中安全 閥I 10的排液管連接到儲液罐5上，安全閥II 12安裝在水泵8與板式冷凝器4這間的三 通管路上，其中安全閥II 12的排水管連接到冷卻塔7中。該系統中採用電壓比例控制閥來控制系統的流量變化。該系統中採用單螺杆膨脹機以及有機朗肯循環系統實現整個系統的運行。該系統中採用安全閥來保證整個系統的安全性。與已有的技術相比，本發明的有如下的優點本發明採用有機朗肯循環系統回收發動機排氣餘熱。這種系統可以回收低品位的 能源，因為有機物的氣化潛熱比水低很多，不僅可以在吸收較少的熱量後使有機物從液態 轉化為飽和氣態，而且有機物的蒸發溫度相對於水來說比較低。因此此系統適合回收低溫 度、小流量的發動機排氣能量。本發明採用由流量傳感器、溫度傳感器、電壓比例控制閥、單片機構成的控制系統 來控制整個系統中有機工質的質量流量，可以實現發動機在不同轉速不同負荷變工況條件 下最大限度的回收發動機的排氣能量。本發明採用單螺杆膨脹機作為有機朗肯循環的膨脹動力機，其原理是蒸汽進入機 內齒槽，推動螺杆轉動。隨著螺杆轉動，齒槽間的容積逐漸增大，介質降壓降溫膨脹做功，最 後從齒槽末端排出。功率從主軸螺杆輸出，驅動發電機發電。這種膨脹機具有良好的功率 輸出特性以及溫降特性，它的功率範圍在IkW IOOOkW範圍內，克服了傳統蒸汽輪機和燃 氣輪機不能太小的缺陷；蒸汽輪機的蒸汽只能是過熱蒸汽和飽和蒸氣，而螺杆膨脹動力機可以是過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽液兩相或熱液；螺杆膨脹動力機可以通過採用不同沸點的工 質，其使用溫度範圍可從70°C到250°C，因此螺杆膨脹動力機是一種中低溫發電設備，特別 適合餘熱發電、太陽能和地熱發電使用。


圖1為基於單螺杆膨脹機的發動機排氣餘熱利用系統示意中1-發動機；2-管束式蒸發器；3-單螺杆膨脹機；4-板式冷凝器；5-儲液罐； 6-柱塞泵；7-冷卻塔；8-水泵；9-電液比例控制閥I ； 10-安全閥I ;11-電液比例控制閥 II ；12-安全閥II ；13-單片機；14-流量傳感器；15-溫度傳感器。
具體實施例方式基於發動機排氣能量不高的特點，本發明主要採用單螺杆膨脹機有機朗肯循環系 統回收發動機排氣中的能量；基於發動機不同轉速不同負荷變工況的特點，本發明主要採 用單片機根據傳感器所測得的發動機排氣溫度與流量的數據控制有機工質流量的改變與 冷卻水流量的改變來回收發動機排氣能量。本發明的基於單螺杆膨脹機的發動機排氣餘熱利用系統，主要包括發動機1、管束 式蒸發器2、單螺杆膨脹機3、板式冷凝器4、儲液罐5、柱塞泵6、冷卻塔7、水泵8、電壓比例 控制閥I 9、安全閥I 10、電壓比例控制閥II 11、安全閥II 12、單片機13、流量傳感器14、 溫度傳感器15以及各種連接管路和連接電路。系統內部各部件的連接關係如下發動機1 的排氣管及管束式蒸發器2通過管路連接組成餘熱利用系統中的熱源流動模塊；管束式蒸 發器2、單螺杆膨脹機3、板式冷凝器4、儲液罐5依次通過管路首尾相連形成有機朗肯循環 的閉合迴路模塊；板式冷凝器4、冷卻塔7及水泵8依次通過管路首尾相連構成冷卻系統的 閉合迴路模塊；單片機13、流量傳感器14、溫度傳感器15、電壓比例控制閥I 9及電壓比例 控制閥II 11通過數據線相連構成整個循環系統的控制系統模塊，具體連接方式如下流 量傳感器14與溫度傳感器15連接在發動機排氣管路上，電壓比例控制閥I 9安裝在管束 式蒸發器2進口處的管路上，電壓比例控制閥IIll安裝在水泵8出口處的管路上；為了整 套系統的安全性，需要增加安全閥，安全閥I10安裝在柱塞泵6與電壓比例控制閥I 9之間的三通管路上，其中安全閥I 10的 排液管連接到儲液罐5上，安全閥II 12安裝在水泵8與板式冷凝器4這間的三通管路上， 其中安全閥II 12的排水管連接到冷卻塔7中，如圖1所示。下面是結合

當發動機工作時，本發明的具體運行情況。首先進行理論循環計算，可以計算出對應於不同的發動機排氣溫度與排氣流量時 刻的最佳的有機工質流量與冷卻水流量。根據計算結果得出對應於不同的排氣溫度與排氣 流量時刻的最佳有機工質流量與冷卻水流量的MAP圖，並將此MAP圖輸入到單片機中。如圖1所示，當發動機工作時，單片機根據流量傳感器14與溫度傳感器15測到的 排氣溫度與流量的數據，調用MAP圖的數據，控制電壓比例控制閥I 9與電壓比例控制閥11 11的開啟大小，可以控制有機工質的流量與冷卻水的流量，因此本套系統可適應於發動機 變工況的特點。具體的流動情況如下有機工質在管束式蒸發器2中吸收發動機尾氣所釋放的熱量轉化為氣體，產生的氣體推動單螺杆膨脹機3膨脹做功，有機工質降溫降壓轉化為乏氣，乏氣在板式冷凝器4中 釋放出熱量後形成液體，形成的液體進入到儲液罐5中後，再由柱塞泵6泵到管束式蒸發器 2中進行新一輪的循環。在板式冷凝器中4，冷卻水吸收工質乏氣所釋放的熱量後溫度升高 後進入到冷卻塔7中進行冷卻，最後再由水泵8抽取冷卻塔7中的冷卻水進入到板式冷凝 器中4中進行新一輪的循環。在整個系統中，需要對安全閥I 10與安全閥II 12的安全值 分別進行設定，以保證有機工質循環與水循環在安全的壓力範圍內工作，保證系統的安全。 當有機工質循環中的壓力超過安全閥I 10的設定值，安全閥I 10將會開啟進行洩流，洩流 的工質液體通過管路回收到儲液罐5中。當冷卻水循環中的壓力超過安全閥II 12的設定 值，安全閥II 12將會開啟進行洩流，洩流的水通過管路回收到冷卻塔7中。
權利要求
1.基於單螺杆膨脹機的發動機排氣餘熱利用系統，其特徵在於該系統由熱源流動模 塊、有機朗肯循環的閉合迴路模塊、冷卻系統閉合迴路模塊，控制模塊四個模塊組成。所述的熱源流動模塊發動機(1)的排氣管與管束式蒸發器( 通過管路連接組成系 統的熱源流動模塊；所述的有機朗肯循環的閉合迴路模塊管束式蒸發器O)、單螺杆膨脹機(3)、板式冷 凝器G)、儲液罐( 依次通過管路首尾相連形成有機朗肯循環的閉合迴路模塊；所述的冷卻系統閉合迴路模塊板式冷凝器G)、冷卻塔(7)及水泵(8)依次通過管路 首尾相連構成冷卻系統的閉合迴路模塊；所述的控制模塊流量傳感器(14)與溫度傳感器(1 連接在發動機排氣管路上，電壓 比例控制閥1(9)安裝在管束式蒸發器(2)進口處的管路上，電壓比例控制閥II(Il)安裝 在水泵⑶出口處的管路上；流量傳感器(14)、溫度傳感器(15)、電壓比例控制閥1(9)及 電壓比例控制閥II(Il)均與單片機(13)相連；安全閥1(10)安裝在柱塞泵(6)與電壓比例控制閥1(9)之間的三通管路上，其中安全 閥1(10)的排液管連接到儲液罐(5)上，安全閥11(12)安裝在水泵(8)與板式冷凝器(4) 這間的三通管路上，其中安全閥11(12)的排水管連接到冷卻塔(7)中。
全文摘要
本發明公開了一種基於單螺杆膨脹機的發動機排氣餘熱利用系統，屬於節能減排領域，該系統由熱源流動模塊、有機朗肯循環的閉合迴路模塊、冷卻系統閉合迴路模塊，控制模塊四個模塊組成。其可根據發動機在不同工況條件下，通過溫度與流量傳感器測得的數據，自動調用單片機中的程序調整電壓比例控制閥的開啟角度實現不同級別的餘熱回收，最大限度的回收利用發動機排氣中的能量。
文檔編號F01K13/02GK102094690SQ20101057985
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月3日 優先權日2010年12月3日
發明者劉彬, 劉星, 吳玉庭, 張紅光, 楊凱, 梁虹, 王偉, 王恩華, 陳研 申請人:北京工業大學