涡旋永磁膨胀机及利用该膨胀机的余热回收发电系统

摘要

本发明属于余热利用技术领域，具体涉及一种涡旋永磁膨胀机，包括机壳内设置的动涡旋盘、静涡旋盘、偏心轴和发电机；所述静涡旋盘中心与进气口连通，进气口充入的高压气体能够从静涡旋盘中心沿螺旋路径向外膨胀，并推动动涡旋盘公转，动涡旋盘通过偏心轴带动发电机主轴旋转；所述机壳上与发电机对应位置处还设有有机工质喷液口。本发明在传统涡旋式膨胀机的机体上加设有机工质喷液口，利用喷液口两端的巨大压差形成有机工质闪蒸，降低膨胀机内部的发电机温度，移除发电机由于铁耗、铜耗等造成的生产热，将发电机的工作温度维持在合理的范围内，使有机工质的膨胀过程达到和等熵膨胀过程相近的效果，为提高膨胀机的性能提供有效的保证。

说明书

技术领域

本发明属于余热利用技术领域，具体涉及一种涡旋永磁膨胀机及利用该膨胀机的余热回收发电系统。

背景技术

利用有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,以下简称ORC)发电能够高效、环保地将低品位能源转化为高品位电能，膨胀部件的研究则是ORC研究关键所在。涡旋膨胀机是一种结构紧凑、价格低廉的膨胀机械，由于其潜在的优越性能使得许多研究者选择其作为小型ORC系统的膨胀部件。

目前，全封闭涡旋永磁膨胀机的开发存在发电效率和热效率差的问题，发电效率差主要是由于小型涡旋膨胀机常用永磁发电机在热源变高或负载变低的过程中会产生更多的损耗和热量，使发电机工作温度升高并超过正常的使用温度范围造成的，长时间运转也会加速退磁现象。同时这部分损耗和热量也会跟随膨胀机排气进入ORC系统，增加了排气过热度和冷凝器负荷，从而影响了系统的热效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够对膨胀机的发电机进行降温的涡旋永磁膨胀机及利用该膨胀机的余热回收发电系统。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：一种涡旋永磁膨胀机，包括机壳内设置的动涡旋盘、静涡旋盘、偏心轴和发电机，所述动涡旋盘和静涡旋盘相互扣合，且动涡旋盘通过偏心轴与发电机主轴相连，使动涡旋盘能够绕静涡旋盘中心公转，所述动涡旋盘上还设有用于防止动涡旋盘自转的限位装置；所述静涡旋盘中心与进气口连通，进气口充入的高压有机工质气体能够从静涡旋盘中心沿螺旋路径向外膨胀，并推动动涡旋盘公转，动涡旋盘通过偏心轴带动发电机主轴旋转；膨胀气体从机壳上开设有排气口排出，所述机壳上与发电机对应位置处还设有有机工质喷液口。

进一步的，所述发电机的定子外环面上设有一套筒，所述套筒与机壳之间间隔设置，形成一环形气流通道，动、静涡旋盘之间排出的膨胀气体经该气流通道连通至所述排气口，所述有机工质喷液口设置于该气流通道上，并正对发电机定子外环面设置。

优选的，所述限位装置包括一圆环，所述圆环的两侧端面上各设有两个关于圆环中心对称的凸块，且圆环两侧的凸块沿相互垂直的两条直径方向布置，其中一侧的凸块与动涡旋盘上开设的径向滑槽滑动配合，另一侧的凸块与机壳上设置的径向滑槽构成滑动配合，且动涡旋盘上的径向滑槽与机壳上的径向滑槽相互垂直，使圆环与两条径向滑槽构成十字滑轨机构。

优选的，所述排气口开设于壳体环面上远离动、静涡旋盘的一端，所述排气口内侧设有一缓冲板，所述缓冲板正对排气口并与排气口内端孔口间隔设置，所述缓冲板通过支腿固定在壳体内环面上。

一种利用前述涡旋永磁膨胀机的余热回收发电系统，包括冷凝器、工质泵、蒸发器以及所述的涡旋永磁膨胀机，所述蒸发器的出口端通过管路依次与涡旋永磁膨胀机、冷凝器及工质泵连接，并通过工质泵返回连接至蒸发器的进口端，构成有机朗肯循环回路，所述有机朗肯循环回路中在工质泵与蒸发器之间的管路上设有一支管，该支管作为喷液管路；所述喷液管路与所述涡旋永磁膨胀机的有机工质喷液口连通。

优选的，所述喷液管路上还设有喷液电磁阀，在涡旋永磁膨胀机内部增设有用于反馈发电机温度信号的温度传感器；该余热回收发电系统还包括与温度传感器、喷液电磁阀电连接的控制系统。

进一步的，当发电机温度高于设定的喷液温度时，喷液电磁阀开启，喷液管路与涡旋永磁膨胀机连通，开始朝发电机区域喷液冷却；当发电机区域温度降到设定关闭温度后，喷液电磁阀关闭，停止喷液冷却。

进一步的，在喷液管路上还设有与喷液电磁阀顺次连接的电子膨胀阀；所述电子膨胀阀与控制系统电连接。

进一步的，当发电机温度高于设定的喷液温度时，系统控制喷液电磁阀开启并增加电子膨胀阀开度，喷液管路与涡旋永磁膨胀机连通，开始朝发电机区域喷液冷却；随着温度传感器的信号变化系统控制调整电子膨胀阀的开度，将发电机温度稳定在设定值。

本发明的有益效果在于：

1)、本发明在传统涡旋式膨胀机的机体上加设有机工质喷液口，利用喷液口两端的巨大压差形成有机工质闪蒸，降低膨胀机发电机温度，移除发电机由于铁耗、铜耗等造成的生产热，将发电机的工作温度维持在合理的范围内，使有机工质的膨胀过程达到和等熵膨胀过程相近的效果，为提高膨胀机的性能提供有效的保证。

2)、经过膨胀机构膨胀后的气体从环形通道内经过，与用于喷液冷却发电机的有机工质混合，能够有效降低膨胀机的出口过热度。

3)、动涡旋盘相当于设置在一个十字滑轨上，使其公转过程中不会产生自传，确保动涡旋盘能够在静涡旋盘内正常运转。

4)、缓冲板能够防止有机工质闪蒸后直接排除，确保有机工质与膨胀气体充分混合，提高冷却效率。

5)、本发明增设喷液管道后，通过将工质泵出口的高压低温有机工质部分旁通至膨胀机的喷液冷却工艺接口，这部分工质在进入发电机区域后会迅速降压和蒸发，冷却发电机并且混合排气降低膨胀机的出口过热度，使有机工质的膨胀过程达到和等熵膨胀过程相近的效果，为提高膨胀机的性能提供有效的保证。

如果在喷液管道中增设电子膨胀阀，通过喷液管路引入经冷凝器冷凝并通过工质泵增压的高压低温有机工质、经电子膨胀阀节流降压形成气液两相混合态低温工质再进入膨胀机腔体后会迅速蒸发和换热，将发电机由于损耗形成的热量带走，经喷液管路进入膨胀机的有机工质会和正常经过蒸发器升压升温并且通过膨胀机膨胀机构做功并排出的有机工质混合，降低这部分有机工质由于非等熵膨胀形成的较大的过热度，混合后的有机工质通过膨胀机排气管路进入冷凝器、工质泵进行冷却和升压，完成整个循环，可有效提升膨胀机的性能和可靠性。

6)、本发明在传统的ORC系统中增设喷液管路，利用喷液管路两端的巨大压差形成有机工质闪蒸，移除发电机由于铁耗、铜耗等造成的生产热，降低发电机的温度，将发电机的工作温度维持在合理的范围内，避免产生更多的损耗。

7)、本发明在传统的ORC系统中增设喷液管路，利用喷液管路两端的巨大压差形成有机工质闪蒸，降低膨胀机排气的过热度，移除由于膨胀机构运动和摩擦造成的生产热，迫使膨胀机工作过程向等熵方式转变，使膨胀机达到与等熵膨胀过程相近的效果，为提高膨胀机的性能提供有效的保证。

8)、本发明在传统的ORC系统中增设膨胀机发电机温度传感器用于反馈发电机温度，温度反馈信号、电磁阀动作信号和电子膨胀阀控制信号可以由ORC控制系统处理，也可以由膨胀机本身控制模块处理，可以实时监控发电机的温度变化，降低发电机的温度、排气的过热度和ORC系统冷凝器的负荷，从而有效地提升了膨胀机的性能，同时降低了对ORC系统热效率的影响。

9)、本发明电子膨胀阀配合喷液电磁阀的设置，使得当发电机温度高于设定的喷液温度时，系统控制喷液电磁阀开启并增加电子膨胀阀开度，喷液管路与膨胀机连通，开始朝发电机区域补充有机工质冷却，发电机温度也随之下降，根据发电机温度传感器的信号反馈至控制系统，从而对电子膨胀阀的开度进行调整以调节喷液量使发电机温度稳定在设定值。避免了喷液电磁阀的来回开启关闭过程，只需通过对电子膨胀阀开度的实时反馈调整即可方便的将发电机的温度稳定在设定值。

附图说明

图1是本发明的涡旋永磁膨胀机的主视图；

图2是本发明的涡旋永磁膨胀机的侧视图；

图3是图2的A-A剖视图；

图4、5是本发明的系统原理图。

具体实施方式

下述实施例是对于本发明内容的进一步说明以作为对本发明技术内容的阐释，但本发明的实质内容并不仅限于下述实施例所述，本领域的普通技术人员可以且应当知晓任何基于本发明实质精神的简单变化或替换均应属于本发明所要求的保护范围。

实施例1

如图1、2、3所示，一种涡旋永磁膨胀机，包括机壳101内设置的动涡旋盘102、静涡旋盘103、偏心轴105和发电机12，所述动涡旋盘102和静涡旋盘103相互扣合构成膨胀机构11，且动涡旋盘102通过偏心轴105与发电机12主轴相连，使动涡旋盘102能够绕静涡旋盘103中心公转，所述动涡旋盘102上还设有用于防止动涡旋盘102自转的限位装置；所述静涡旋盘103中心与进气口104连通，进气口104充入的高压气体能够从静涡旋盘103中心沿螺旋路径向外膨胀，并推动动涡旋盘102公转，动涡旋盘102通过偏心轴105带动发电机12主轴旋转，发电机12产生的电能供负载2使用；膨胀气体从机壳101上开设有排气口107排出，所述机壳101上与发电机12对应位置处还设有有机工质喷液口8。

进一步的，所述发电机12的定子外环面上设有一套筒109，所述套筒109与机壳101之间间隔设置，形成一环形气流通道，动、静涡旋盘102、103之间排出的膨胀气体经该气流通道连通至所述排气口107，所述有机工质喷液口8设置于该气流通道上，并正对发电机12定子外环面设置。

优选的，如图4所示，所述限位装置包括一圆环100，所述圆环100的两侧端面上各设有两个关于圆环100中心对称的凸块106，且圆环100两侧的凸块106沿相互垂直的两条直径方向布置，其中一侧的凸块106与动涡旋盘102上开设的径向滑槽滑动配合，另一侧的凸块106与机壳101上设置的径向滑槽构成滑动配合，且动涡旋盘102上的径向滑槽与机壳101上的径向滑槽相互垂直，使圆环100与两条径向滑槽构成十字滑轨机构。

进一步的，所述排气口107开设于壳体101环面上远离动、静涡旋盘102、103的一端，所述排气口107内侧设有一缓冲板108，所述缓冲板108正对排气口107并与排气口107内端孔口间隔设置，所述缓冲板108通过支腿固定在壳体101内环面上。

实施例2

如图4、5所示，一种含有所述涡旋永磁膨胀机的余热回收发电系统，包括冷凝器3、工质泵4、蒸发器5以及所述的涡旋永磁膨胀机1，所述蒸发器5的出口端通过管路依次与涡旋永磁膨胀机1、冷凝器3及工质泵4连接，并通过工质泵4返回连接至蒸发器5的进口端，构成有机朗肯循环回路，所述有机朗肯循环回路中在工质泵4与蒸发器5之间的管路上设有一支管，该支管作为喷液管路10；所述喷液管路与所述涡旋永磁膨胀机1的有机工质喷液口8连通。

优选的，所述喷液管路10上还设有喷液电磁阀6，在涡旋永磁膨胀机1内部增设有用于反馈发电机12温度信号的温度传感器9；该有机朗肯循环系统还包括与温度传感器9、喷液电磁阀6电连接的控制系统。

进一步的，当发电机12温度高于设定的喷液温度时，喷液电磁阀6开启，喷液管路10与涡旋永磁膨胀机1连通，开始朝发电机区域喷液冷却；当发电机12区域温度降到设定关闭温度后，喷液电磁阀6关闭，停止喷液冷却。

进一步的，在喷液管路10上还设有与喷液电磁阀6顺次连接的电子膨胀阀7；所述电子膨胀阀7与控制系统电连接。

进一步的，当发电机12温度高于设定的喷液温度时，系统控制喷液电磁阀6开启并增加电子膨胀阀7开度，喷液管路10与涡旋永磁膨胀机1连通，开始朝发电机区域喷液冷却；随着温度传感器9的信号变化系统控制调整电子膨胀阀7的开度，将发电机温度稳定在设定值。

本发明通过喷液管路引入经工质泵4增压的高压低温有机工质进入膨胀机有机工质喷液口8后，由于剧烈的压差形成有机工质闪蒸，将发电机12由于损耗形成的热量冷却，被喷液的有机工质在经过发电机12后降压升温直接从排气口107处与推动涡旋体膨胀部件做功并降压的有机工质气体混合后排出，降低这部分有机工质由于非等熵膨胀形成的较大的过热度，混合后的有机工质通过膨胀机1出气管路进入冷凝器3、工质泵4进行冷却和升压，继续ORC循环。

通过节流闪蒸后的有机工质在膨胀机内部并不参与膨胀机涡旋体膨胀部件的膨胀做功过程，对膨胀机构的本身性能没有影响。因此，通过喷液有机工质回路的布置，可有效提升膨胀机的性能和可靠性。同时，由于近似等熵膨胀过程的实现，膨胀机出气温度也会降低,是对现有涡旋膨胀机进行能效提升的可行方案。