基于单螺杆膨胀机的发动机排气余热利用系统

摘要

本发明公开了一种基于单螺杆膨胀机的发动机排气余热利用系统，属于节能减排领域，该系统由热源流动模块、有机朗肯循环的闭合回路模块、冷却系统闭合回路模块，控制模块四个模块组成。其可根据发动机在不同工况条件下，通过温度与流量传感器测得的数据，自动调用单片机中的程序调整电压比例控制阀的开启角度实现不同级别的余热回收，最大限度的回收利用发动机排气中的能量。

说明书

技术领域

本发明涉及基于单螺杆膨胀机的发动机排气余热利用系统，主要用于回收发动机排气所带走的热量，属于节能减排领域。

背景技术

大量的实验数据表明，发动机的输出功率仅占燃料燃烧能量的三分之一左右，其余的三分之二左右的热量由冷却水、排气所带走以及其他方式所损失。其中排气尾气所带走的热量约占燃料燃烧能量的三分之一左右，回收发动机排气余热可以提高发动机中的燃料燃烧能量利用率。目前回收发动机排气余热的研究主要有燃气热泵(GHP)系统、采用热电联用的吸收式制冷装置用来制冷和取暖、发动机排出的废气直接进入废气锅炉中加热冷凝水驱动蒸气透平机做功、废气余热式采暖装置等系统。上述的余热回收利用系统有以下的特点：

燃气热泵(GHP)的特点是建立一套水循环系统，通过低温水在换热器中吸收发动机排气的热量，使低温水转化为高温水，最终实现发动机排气余热的回收。这套系统的缺点是效率低，因为该系统只能将发动机的排气余热转化为水的热能进行储存，不能以动力方式进行输出功率；而且水的比热容相对有机工质来说比较大，单位温升所需的能量大，对于能量的回收率比较低。

采用热电联用的吸收式制冷装置用来制冷和取暖，从而回收发动机的排气余热。采用热电联用的目的是为了适应发动机不同转速不同负荷变工况的特点，增加了一台增压器可以高效地将电能转化为热能用来补偿烟气余热不足的问题。这种方式使得吸收式制冷装置系统在低转速小负荷的工况条件下，由于排气的余热不足，制冷量达不到系统的要求，因此需要消耗额外的电能进行补偿，能量的回收效率明显降低。因此本系统的缺点是在低转速小负荷工况下需要增加额外的电能消耗。

发动机排出的废气直接进入废气锅炉中加热冷凝水，产生的蒸气首先需要经过蒸气干燥器和气水分离器后再驱动蒸气透平机转动。此套装置需要满足蒸气透平机的工作工况，需要蒸气干燥器和气水分离器才可以产生干燥的气体推动透平机工作，增加系统的部件。而这套装置的经济性需要体现在动力装置为750kw以上时才比较显著，因此这套装置对于小功率的发动机来说是不适用的。因此本系统需要增加额外的设备干燥蒸气，增加系统的复杂性。

废气余热式采暖装置是利用发动机排气管的余热进行车厢采暖，主要是利用排气回热管回收排气余热进行冬季供暖。这套系统主要的缺点是会增加排气的背压，会影响发动机的动力性，另外当发动机处于低转速小负荷的工况条件时，排气中的热量不足以提供车厢所需要的供热量，而且排气管如果发生泄漏，会污染车内的空气，对人体造成伤害。因此本系统不适合于低转速小负荷的工况，而且有一定的安全隐患。

从上述分析可以看出，所提及的系统不适用的范围主要是为变转速变负荷工况以及小功率发动机，而采用水作为工质以及采用透平机作为膨胀机都有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的在于为了回收变转速变荷工况下的发动机排气余热带走的热量，而提出了一种基于单螺杆膨胀机的排气余热利用系统的方案。该方案可以实现当发动机处于不同转速不同负荷变工况条件下以及小功率发动机时，在不影响发动机正常工作的情况下，大幅提高发动机排气余热的回收率，从而提高柴油机的燃油经济性和柴油机的综合能量利用率。

为了实现上述目标，本发明采用了以下技术方案：

基于单螺杆膨胀机的发动机排气余热利用系统，该系统由热源流动模块、有机朗肯循环的闭合回路模块、冷却系统闭合回路模块，控制模块四个模块组成。

上述的热源流动模块：发动机1的排气管与管束式蒸发器2通过管路连接组成系统的热源流动模块。

上述的有机朗肯循环的闭合回路模块：管束式蒸发器2、单螺杆膨胀机3、板式冷凝器4、储液罐5依次通过管路首尾相连形成有机朗肯循环的闭合回路模块。

上述的冷却系统闭合回路模块：板式冷凝器4、冷却塔7及水泵8依次通过管路首尾相连构成冷却系统的闭合回路模块。

上述的控制模块：流量传感器14与温度传感器15连接在发动机排气管路上，电压比例控制阀I 9安装在管束式蒸发器2进口处的管路上，电压比例控制阀II 11安装在水泵8出口处的管路上；流量传感器14、温度传感器15、电压比例控制阀I 9及电压比例控制阀II 11均与单片机13相连。

安全阀I 10安装在柱塞泵6与电压比例控制阀I 9之间的三通管路上，其中安全阀I 10的排液管连接到储液罐5上，安全阀II 12安装在水泵8与板式冷凝器4这间的三通管路上，其中安全阀II 12的排水管连接到冷却塔7中。

该系统中采用电压比例控制阀来控制系统的流量变化。

该系统中采用单螺杆膨胀机以及有机朗肯循环系统实现整个系统的运行。

该系统中采用安全阀来保证整个系统的安全性。

与已有的技术相比，本发明的有如下的优点：

本发明采用有机朗肯循环系统回收发动机排气余热。这种系统可以回收低品位的能源，因为有机物的气化潜热比水低很多，不仅可以在吸收较少的热量后使有机物从液态转化为饱和气态，而且有机物的蒸发温度相对于水来说比较低。因此此系统适合回收低温度、小流量的发动机排气能量。

本发明采用由流量传感器、温度传感器、电压比例控制阀、单片机构成的控制系统来控制整个系统中有机工质的质量流量，可以实现发动机在不同转速不同负荷变工况条件下最大限度的回收发动机的排气能量。

本发明采用单螺杆膨胀机作为有机朗肯循环的膨胀动力机，其原理是蒸汽进入机内齿槽，推动螺杆转动。随着螺杆转动，齿槽间的容积逐渐增大，介质降压降温膨胀做功，最后从齿槽末端排出。功率从主轴螺杆输出，驱动发电机发电。这种膨胀机具有良好的功率输出特性以及温降特性，它的功率范围在1kW～1000kW范围内，克服了传统蒸汽轮机和燃气轮机不能太小的缺陷；蒸汽轮机的蒸汽只能是过热蒸汽和饱和蒸气，而螺杆膨胀动力机可以是过热蒸汽、饱和蒸汽、汽液两相或热液；螺杆膨胀动力机可以通过采用不同沸点的工质，其使用温度范围可从70℃到250℃，因此螺杆膨胀动力机是一种中低温发电设备，特别适合余热发电、太阳能和地热发电使用。

附图说明

图1为基于单螺杆膨胀机的发动机排气余热利用系统示意图

图中：1-发动机；2-管束式蒸发器；3-单螺杆膨胀机；4-板式冷凝器；5-储液罐；6-柱塞泵；7-冷却塔；8-水泵；9-电液比例控制阀I；10-安全阀I；11-电液比例控制阀II；12-安全阀II；13-单片机；14-流量传感器；15-温度传感器。

具体实施方式

基于发动机排气能量不高的特点，本发明主要采用单螺杆膨胀机有机朗肯循环系统回收发动机排气中的能量；基于发动机不同转速不同负荷变工况的特点，本发明主要采用单片机根据传感器所测得的发动机排气温度与流量的数据控制有机工质流量的改变与冷却水流量的改变来回收发动机排气能量。

本发明的基于单螺杆膨胀机的发动机排气余热利用系统，主要包括发动机1、管束式蒸发器2、单螺杆膨胀机3、板式冷凝器4、储液罐5、柱塞泵6、冷却塔7、水泵8、电压比例控制阀I 9、安全阀I 10、电压比例控制阀II 11、安全阀II 12、单片机13、流量传感器14、温度传感器15以及各种连接管路和连接电路。系统内部各部件的连接关系如下：发动机1的排气管及管束式蒸发器2通过管路连接组成余热利用系统中的热源流动模块；管束式蒸发器2、单螺杆膨胀机3、板式冷凝器4、储液罐5依次通过管路首尾相连形成有机朗肯循环的闭合回路模块；板式冷凝器4、冷却塔7及水泵8依次通过管路首尾相连构成冷却系统的闭合回路模块；单片机13、流量传感器14、温度传感器15、电压比例控制阀I 9及电压比例控制阀II 11通过数据线相连构成整个循环系统的控制系统模块，具体连接方式如下：流量传感器14与温度传感器15连接在发动机排气管路上，电压比例控制阀I 9安装在管束式蒸发器2进口处的管路上，电压比例控制阀II11安装在水泵8出口处的管路上；为了整套系统的安全性，需要增加安全阀，安全阀I

10安装在柱塞泵6与电压比例控制阀I 9之间的三通管路上，其中安全阀I 10的排液管连接到储液罐5上，安全阀II 12安装在水泵8与板式冷凝器4这间的三通管路上，其中安全阀II 12的排水管连接到冷却塔7中，如图1所示。

下面是结合附图说明当发动机工作时，本发明的具体运行情况。

首先进行理论循环计算，可以计算出对应于不同的发动机排气温度与排气流量时刻的最佳的有机工质流量与冷却水流量。根据计算结果得出对应于不同的排气温度与排气流量时刻的最佳有机工质流量与冷却水流量的MAP图，并将此MAP图输入到单片机中。

如图1所示，当发动机工作时，单片机根据流量传感器14与温度传感器15测到的排气温度与流量的数据，调用MAP图的数据，控制电压比例控制阀I 9与电压比例控制阀II 11的开启大小，可以控制有机工质的流量与冷却水的流量，因此本套系统可适应于发动机变工况的特点。具体的流动情况如下：

有机工质在管束式蒸发器2中吸收发动机尾气所释放的热量转化为气体，产生的气体推动单螺杆膨胀机3膨胀做功，有机工质降温降压转化为乏气，乏气在板式冷凝器4中释放出热量后形成液体，形成的液体进入到储液罐5中后，再由柱塞泵6泵到管束式蒸发器2中进行新一轮的循环。在板式冷凝器中4，冷却水吸收工质乏气所释放的热量后温度升高后进入到冷却塔7中进行冷却，最后再由水泵8抽取冷却塔7中的冷却水进入到板式冷凝器中4中进行新一轮的循环。在整个系统中，需要对安全阀I 10与安全阀II 12的安全值分别进行设定，以保证有机工质循环与水循环在安全的压力范围内工作，保证系统的安全。当有机工质循环中的压力超过安全阀I 10的设定值，安全阀I 10将会开启进行泄流，泄流的工质液体通过管路回收到储液罐5中。当冷却水循环中的压力超过安全阀II 12的设定值，安全阀II 12将会开启进行泄流，泄流的水通过管路回收到冷却塔7中。