專利名稱：基于單螺桿膨脹機(jī)的發(fā)動機(jī)排氣余熱利用系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于單螺桿膨脹機(jī)的發(fā)動機(jī)排氣余熱利用系統(tǒng)，主要用于回收發(fā)動機(jī) 排氣所帶走的熱量，屬于節(jié)能減排領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，發(fā)動機(jī)的輸出功率僅占燃料燃燒能量的三分之一左右，其 余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 走的熱量約占燃料燃燒能量的三分之一左右，回收發(fā)動機(jī)排氣余熱可以提高發(fā)動機(jī)中的燃 料燃燒能量利用率。目前回收發(fā)動機(jī)排氣余熱的研究主要有燃?xì)鉄岜?GHP)系統(tǒng)、采用熱 電聯(lián)用的吸收式制冷裝置用來制冷和取暖、發(fā)動機(jī)排出的廢氣直接進(jìn)入廢氣鍋爐中加熱冷 凝水驅(qū)動蒸氣透平機(jī)做功、廢氣余熱式采暖裝置等系統(tǒng)。上述的余熱回收利用系統(tǒng)有以下 的特點(diǎn)燃?xì)鉄岜?GHP)的特點(diǎn)是建立一套水循環(huán)系統(tǒng)，通過低溫水在換熱器中吸收發(fā)動 機(jī)排氣的熱量，使低溫水轉(zhuǎn)化為高溫水，最終實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)排氣余熱的回收。這套系統(tǒng)的缺點(diǎn) 是效率低，因?yàn)樵撓到y(tǒng)只能將發(fā)動機(jī)的排氣余熱轉(zhuǎn)化為水的熱能進(jìn)行儲存，不能以動力方 式進(jìn)行輸出功率；而且水的比熱容相對有機(jī)工質(zhì)來說比較大，單位溫升所需的能量大，對于 能量的回收率比較低。采用熱電聯(lián)用的吸收式制冷裝置用來制冷和取暖，從而回收發(fā)動機(jī)的排氣余熱。 采用熱電聯(lián)用的目的是為了適應(yīng)發(fā)動機(jī)不同轉(zhuǎn)速不同負(fù)荷變工況的特點(diǎn)，增加了一臺增壓 器可以高效地將電能轉(zhuǎn)化為熱能用來補(bǔ)償煙氣余熱不足的問題。這種方式使得吸收式制冷 裝置系統(tǒng)在低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷的工況條件下，由于排氣的余熱不足，制冷量達(dá)不到系統(tǒng)的要求， 因此需要消耗額外的電能進(jìn)行補(bǔ)償，能量的回收效率明顯降低。因此本系統(tǒng)的缺點(diǎn)是在低 轉(zhuǎn)速小負(fù)荷工況下需要增加額外的電能消耗。發(fā)動機(jī)排出的廢氣直接進(jìn)入廢氣鍋爐中加熱冷凝水，產(chǎn)生的蒸氣首先需要經(jīng)過蒸 氣干燥器和氣水分離器后再驅(qū)動蒸氣透平機(jī)轉(zhuǎn)動。此套裝置需要滿足蒸氣透平機(jī)的工作工 況，需要蒸氣干燥器和氣水分離器才可以產(chǎn)生干燥的氣體推動透平機(jī)工作，增加系統(tǒng)的部 件。而這套裝置的經(jīng)濟(jì)性需要體現(xiàn)在動力裝置為750kw以上時才比較顯著，因此這套裝置 對于小功率的發(fā)動機(jī)來說是不適用的。因此本系統(tǒng)需要增加額外的設(shè)備干燥蒸氣，增加系 統(tǒng)的復(fù)雜性。廢氣余熱式采暖裝置是利用發(fā)動機(jī)排氣管的余熱進(jìn)行車廂采暖，主要是利用排氣 回?zé)峁芑厥张艢庥酂徇M(jìn)行冬季供暖。這套系統(tǒng)主要的缺點(diǎn)是會增加排氣的背壓，會影響發(fā) 動機(jī)的動力性，另外當(dāng)發(fā)動機(jī)處于低轉(zhuǎn)速小負(fù)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(fā)生泄漏，會污染車內(nèi)的空氣，對人體造成傷害。因 此本系統(tǒng)不適合于低轉(zhuǎn)速小負(fù)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(tǒng)不適用的范圍主要是為變轉(zhuǎn)速變負(fù)荷工況以 及小功率發(fā)動機(jī)，而采用水作為工質(zhì)以及采用透平機(jī)作為膨脹機(jī)都有一定的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為了回收變轉(zhuǎn)速變荷工況下的發(fā)動機(jī)排氣余熱帶走的熱量，而 提出了一種基于單螺桿膨脹機(jī)的排氣余熱利用系統(tǒng)的方案。該方案可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)發(fā)動機(jī)處 于不同轉(zhuǎn)速不同負(fù)荷變工況條件下以及小功率發(fā)動機(jī)時，在不影響發(fā)動機(jī)正常工作的情況 下，大幅提高發(fā)動機(jī)排氣余熱的回收率，從而提高柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和柴油機(jī)的綜合能
量利用率。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案基于單螺桿膨脹機(jī)的發(fā)動機(jī)排氣余熱利用系統(tǒng)，該系統(tǒng)由熱源流動模塊、有機(jī)朗 肯循環(huán)的閉合回路模塊、冷卻系統(tǒng)閉合回路模塊，控制模塊四個模塊組成。上述的熱源流動模塊發(fā)動機(jī)1的排氣管與管束式蒸發(fā)器2通過管路連接組成系 統(tǒng)的熱源流動模塊。上述的有機(jī)朗肯循環(huán)的閉合回路模塊管束式蒸發(fā)器2、單螺桿膨脹機(jī)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(jī)朗肯循環(huán)的閉合回路模塊。上述的冷卻系統(tǒng)閉合回路模塊板式冷凝器4、冷卻塔7及水泵8依次通過管路首 尾相連構(gòu)成冷卻系統(tǒng)的閉合回路模塊。上述的控制模塊流量傳感器14與溫度傳感器15連接在發(fā)動機(jī)排氣管路上，電壓 比例控制閥I 9安裝在管束式蒸發(fā)器2進(jìn)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(jī)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(tǒng)中采用電壓比例控制閥來控制系統(tǒng)的流量變化。該系統(tǒng)中采用單螺桿膨脹機(jī)以及有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的運(yùn)行。該系統(tǒng)中采用安全閥來保證整個系統(tǒng)的安全性。與已有的技術(shù)相比，本發(fā)明的有如下的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明采用有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)回收發(fā)動機(jī)排氣余熱。這種系統(tǒng)可以回收低品位的 能源，因?yàn)橛袡C(jī)物的氣化潛熱比水低很多，不僅可以在吸收較少的熱量后使有機(jī)物從液態(tài) 轉(zhuǎn)化為飽和氣態(tài)，而且有機(jī)物的蒸發(fā)溫度相對于水來說比較低。因此此系統(tǒng)適合回收低溫 度、小流量的發(fā)動機(jī)排氣能量。本發(fā)明采用由流量傳感器、溫度傳感器、電壓比例控制閥、單片機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng) 來控制整個系統(tǒng)中有機(jī)工質(zhì)的質(zhì)量流量，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)在不同轉(zhuǎn)速不同負(fù)荷變工況條件 下最大限度的回收發(fā)動機(jī)的排氣能量。本發(fā)明采用單螺桿膨脹機(jī)作為有機(jī)朗肯循環(huán)的膨脹動力機(jī)，其原理是蒸汽進(jìn)入機(jī) 內(nèi)齒槽，推動螺桿轉(zhuǎn)動。隨著螺桿轉(zhuǎn)動，齒槽間的容積逐漸增大，介質(zhì)降壓降溫膨脹做功，最 后從齒槽末端排出。功率從主軸螺桿輸出，驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。這種膨脹機(jī)具有良好的功率 輸出特性以及溫降特性，它的功率范圍在IkW IOOOkW范圍內(nèi)，克服了傳統(tǒng)蒸汽輪機(jī)和燃 氣輪機(jī)不能太小的缺陷；蒸汽輪機(jī)的蒸汽只能是過熱蒸汽和飽和蒸氣，而螺桿膨脹動力機(jī)可以是過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽液兩相或熱液；螺桿膨脹動力機(jī)可以通過采用不同沸點(diǎn)的工 質(zhì)，其使用溫度范圍可從70°C到250°C，因此螺桿膨脹動力機(jī)是一種中低溫發(fā)電設(shè)備，特別 適合余熱發(fā)電、太陽能和地?zé)岚l(fā)電使用。


圖1為基于單螺桿膨脹機(jī)的發(fā)動機(jī)排氣余熱利用系統(tǒng)示意中1-發(fā)動機(jī)；2-管束式蒸發(fā)器；3-單螺桿膨脹機(jī)；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(jī)；14-流量傳感器；15-溫度傳感器。
具體實(shí)施例方式基于發(fā)動機(jī)排氣能量不高的特點(diǎn)，本發(fā)明主要采用單螺桿膨脹機(jī)有機(jī)朗肯循環(huán)系 統(tǒng)回收發(fā)動機(jī)排氣中的能量；基于發(fā)動機(jī)不同轉(zhuǎn)速不同負(fù)荷變工況的特點(diǎn)，本發(fā)明主要采 用單片機(jī)根據(jù)傳感器所測得的發(fā)動機(jī)排氣溫度與流量的數(shù)據(jù)控制有機(jī)工質(zhì)流量的改變與 冷卻水流量的改變來回收發(fā)動機(jī)排氣能量。本發(fā)明的基于單螺桿膨脹機(jī)的發(fā)動機(jī)排氣余熱利用系統(tǒng)，主要包括發(fā)動機(jī)1、管束 式蒸發(fā)器2、單螺桿膨脹機(jī)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(jī)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(tǒng)內(nèi)部各部件的連接關(guān)系如下發(fā)動機(jī)1 的排氣管及管束式蒸發(fā)器2通過管路連接組成余熱利用系統(tǒng)中的熱源流動模塊；管束式蒸 發(fā)器2、單螺桿膨脹機(jī)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(jī)朗肯循環(huán) 的閉合回路模塊；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(gòu)成冷卻系統(tǒng)的 閉合回路模塊；單片機(jī)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(shù)據(jù)線相連構(gòu)成整個循環(huán)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)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(fā)動機(jī)排氣管路上，電壓比例控制閥I 9安裝在管束 式蒸發(fā)器2進(jìn)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(tǒng)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(jié)合

當(dāng)發(fā)動機(jī)工作時，本發(fā)明的具體運(yùn)行情況。首先進(jìn)行理論循環(huán)計(jì)算，可以計(jì)算出對應(yīng)于不同的發(fā)動機(jī)排氣溫度與排氣流量時 刻的最佳的有機(jī)工質(zhì)流量與冷卻水流量。根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出對應(yīng)于不同的排氣溫度與排氣 流量時刻的最佳有機(jī)工質(zhì)流量與冷卻水流量的MAP圖，并將此MAP圖輸入到單片機(jī)中。如圖1所示，當(dāng)發(fā)動機(jī)工作時，單片機(jī)根據(jù)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(shù)據(jù)，調(diào)用MAP圖的數(shù)據(jù)，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(jī)工質(zhì)的流量與冷卻水的流量，因此本套系統(tǒng)可適應(yīng)于發(fā)動機(jī) 變工況的特點(diǎn)。具體的流動情況如下有機(jī)工質(zhì)在管束式蒸發(fā)器2中吸收發(fā)動機(jī)尾氣所釋放的熱量轉(zhuǎn)化為氣體，產(chǎn)生的氣體推動單螺桿膨脹機(jī)3膨脹做功，有機(jī)工質(zhì)降溫降壓轉(zhuǎn)化為乏氣，乏氣在板式冷凝器4中 釋放出熱量后形成液體，形成的液體進(jìn)入到儲液罐5中后，再由柱塞泵6泵到管束式蒸發(fā)器 2中進(jìn)行新一輪的循環(huán)。在板式冷凝器中4，冷卻水吸收工質(zhì)乏氣所釋放的熱量后溫度升高 后進(jìn)入到冷卻塔7中進(jìn)行冷卻，最后再由水泵8抽取冷卻塔7中的冷卻水進(jìn)入到板式冷凝 器中4中進(jìn)行新一輪的循環(huán)。在整個系統(tǒng)中，需要對安全閥I 10與安全閥II 12的安全值 分別進(jìn)行設(shè)定，以保證有機(jī)工質(zhì)循環(huán)與水循環(huán)在安全的壓力范圍內(nèi)工作，保證系統(tǒng)的安全。 當(dāng)有機(jī)工質(zhì)循環(huán)中的壓力超過安全閥I 10的設(shè)定值，安全閥I 10將會開啟進(jìn)行泄流，泄流 的工質(zhì)液體通過管路回收到儲液罐5中。當(dāng)冷卻水循環(huán)中的壓力超過安全閥II 12的設(shè)定 值，安全閥II 12將會開啟進(jìn)行泄流，泄流的水通過管路回收到冷卻塔7中。
權(quán)利要求
1.基于單螺桿膨脹機(jī)的發(fā)動機(jī)排氣余熱利用系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)由熱源流動模 塊、有機(jī)朗肯循環(huán)的閉合回路模塊、冷卻系統(tǒng)閉合回路模塊，控制模塊四個模塊組成。所述的熱源流動模塊發(fā)動機(jī)(1)的排氣管與管束式蒸發(fā)器( 通過管路連接組成系 統(tǒng)的熱源流動模塊；所述的有機(jī)朗肯循環(huán)的閉合回路模塊管束式蒸發(fā)器O)、單螺桿膨脹機(jī)(3)、板式冷 凝器G)、儲液罐( 依次通過管路首尾相連形成有機(jī)朗肯循環(huán)的閉合回路模塊；所述的冷卻系統(tǒng)閉合回路模塊板式冷凝器G)、冷卻塔(7)及水泵(8)依次通過管路 首尾相連構(gòu)成冷卻系統(tǒng)的閉合回路模塊；所述的控制模塊流量傳感器(14)與溫度傳感器(1 連接在發(fā)動機(jī)排氣管路上，電壓 比例控制閥1(9)安裝在管束式蒸發(fā)器(2)進(jìn)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(jī)(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(fā)明公開了一種基于單螺桿膨脹機(jī)的發(fā)動機(jī)排氣余熱利用系統(tǒng)，屬于節(jié)能減排領(lǐng)域，該系統(tǒng)由熱源流動模塊、有機(jī)朗肯循環(huán)的閉合回路模塊、冷卻系統(tǒng)閉合回路模塊，控制模塊四個模塊組成。其可根據(jù)發(fā)動機(jī)在不同工況條件下，通過溫度與流量傳感器測得的數(shù)據(jù)，自動調(diào)用單片機(jī)中的程序調(diào)整電壓比例控制閥的開啟角度實(shí)現(xiàn)不同級別的余熱回收，最大限度的回收利用發(fā)動機(jī)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(yōu)先權(quán)日2010年12月3日
發(fā)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(yè)大學(xué)