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CN102022221A - 两级单螺杆膨胀机有机朗肯循环柴油机尾气余热利用系统 - Google Patents

两级单螺杆膨胀机有机朗肯循环柴油机尾气余热利用系统 Download PDF

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CN102022221A CN2010105799309A CN201010579930A CN102022221A CN 102022221 A CN102022221 A CN 102022221A CN 2010105799309 A CN2010105799309 A CN 2010105799309A CN 201010579930 A CN201010579930 A CN 201010579930A CN 102022221 A CN102022221 A CN 102022221A
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Abstract

本发明涉及两级单螺杆膨胀机有机朗肯循环柴油机尾气余热利用系统，属于节能减排领域。主要由压气机、发动机、涡轮机、管束式蒸发器、单螺杆膨胀机I、磁粉测功机I、单螺杆膨胀机II、磁粉测功机II、板式冷凝器、储液罐、工质泵、中间加热器、冷却塔、可调流量泵、膨胀机出口分流阀I、膨胀机出口分流阀II、膨胀机出口分流阀III、排气控制阀I、排气控制阀II、涡轮机压缩机联结轴、联结轴I、联结轴II以及各种连接管路构成。本发明根据柴油机不同转速不同负荷条件下，调节膨胀机出口分流阀以及排气控制阀的开启与关闭，实现不同级别的余热回收，最大限度的回收利用柴油机尾气所带走的能量。

Description

两级单螺杆膨胀机有机朗肯循环柴油机尾气余热利用系统 
技术领域
本发明涉及两级单螺杆膨胀机有机朗肯循环柴油机尾气余热利用系统，主要用于回收利用车用柴油机尾气所带走的热量，属于节能减排领域。 
背景技术
根据热平衡分析，柴油机中转变为有效功的热量仅占燃料燃烧发出热量的30％-45％，而燃料燃烧的总热量的25％～45％随尾气排出。如果采用某些技术手段用来回收柴油机尾气所带走的热量，不仅可以提高柴油机的综合能量利用率，而且具有显著的节油效果。 
目前，回收柴油机尾气所带走的能量的方式主要有废气涡轮增压技术、温差发电技术、发动机余热取暖和制冷技术、后接蒸气动力循环做功技术等。不过，这些技术目前都存在一些缺陷。废气涡轮增压技术主要缺点是只能利用发动机尾气所具有的动能，而其热能并没有被利用而是损失掉了；温差发电技术主要缺点是受到材料的限制，只能回收柴油机尾气的部分热能，而不能充分的回收柴油机尾气所带走的热量；发动机余热取暖和制冷的缺点是能量利用率比较低；后接蒸气动力循环做功技术主要缺点是很难回收低品位的热源能量。后热闹蒸气动力循环做功技术主要是通过经典朗肯循环原理，即由蒸发器、膨胀机、冷凝器、泵等主要部件组成的蒸气动力循环系统进行工作。经典朗肯循环所采用的工质是水，在常压情况下，其温度达到100℃时才会有蒸汽出现，而涡轮机的设计要求涡轮机内不可以出现液滴，因此系统的蒸发温度在100℃及以上时，才可以保证系统处于正常的运转状态；此外，水的气化潜热相对于有机工质来说非常大，水在从饱和液态转变为饱和气态时所需要吸收的热量相对有机工质来说非常大，因此对于热源的要求比较高，不可以吸收低品位热源的能量；而市面上可以看到的涡轮机械输出功率都在几十千瓦甚至以上，用涡轮机作为膨胀机械应用到朗肯循环中，所需要的是大流量高温的热源，而对于小流量低温的热源很难进行回收。 
发明内容
本发明的目的在于为了克服经典朗肯循环中不能回收低品位热源能量的局限性，而提出了一种采用两级单螺杆膨胀机有机朗肯循环柴油机尾气余热利用系统的方案用来回收柴油机尾气带走的热量。可以实现当柴油机处于不同转速不同负荷变工况条件下，在不影响柴油机正常工作的情况下，可以大幅提高柴油机尾气余热的回收率，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，本发明采用了以下措施： 
本发明采用有机物作为朗肯循环系统的工质。这种工质在常压下蒸发温度普遍都比较低，且其气化潜热比水低很多，可以在吸收较少的热量后就从饱和液态转化为饱和气态，因此，利用这种工质的朗肯循环可以吸收小流量、低温度的低品位热源的能量，适合车用柴油机排气温度较低，流量较小的特点。 
本发明采用两级单螺杆膨胀机作为有机朗肯循环的膨胀动力机。这种两级单螺杆膨胀机结构适合柴油机在不同转速不同负荷变工况条件下尾气所带走能量不同的特点。单螺杆膨胀动力机是一种填补国际空白的容积式膨胀机，其原理是当高压气体或蒸汽进入单螺杆膨胀机后，通过膨胀将热能或压力能转换为机械能，带动发电机进行发电。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；它的膨胀比在1～8范围内，可以输出更多的轴功。另外单螺杆膨胀机可用多种类型的工质，可以为高压气体、过热蒸汽、饱和蒸汽、汽液两相或热液，因此，特别适合各种废气余热的回收。本发明采用两级单螺杆膨胀机，可以满足柴油机在不同转速不同负荷变工况条件下尾气所带走热量不同的特点，尽可能多地回收柴油机尾气所带走的热量。 
为了实现上述目的，本发明采用了两级单螺杆膨胀机有机朗肯循环柴油机尾气余热利用系统回收柴油机尾气余热，其特征在于：包括压气机、发动机、涡轮机、管束式蒸发器、单螺杆膨胀机I、磁粉测功机I、单螺杆膨胀机II、磁粉测功机II、板式冷凝器、储液罐、工质泵、中间加热器、冷却塔、可调流量泵、膨胀机出口分流阀I、膨胀机出口分流阀II、膨胀机出口分流阀III、排气控制阀I、排气控制阀II、涡轮机压缩机联结轴、联结轴I、联结轴II以及各种连接管路；系统内部各部件的连接关系为：压气机、发动机、涡轮机、管束式蒸发器及中间加热器依次相连构成柴油机进气及排气系统中气体流动的方向，管束式蒸发器、单螺杆膨胀机I、中间加热器、单螺杆膨胀机II、板式冷凝器、储液罐与工质泵依次相连形成朗肯循环的闭合回路，其中单螺杆膨胀机I与磁粉测功机I通过联结轴I相连能够测量所输出的轴功，单螺杆膨胀机II与磁粉测功机II通过联结轴II相连能够测量所输出的轴功，板式冷凝器、冷却塔及可调流量泵依次相连形成闭合回路构成冷却系统；整个柴油机尾气余热利用系统的循环控制通过膨胀机出口分流阀及排气控制阀进行调节，具体连接方式为：单螺杆膨胀机I的出口通过管路被分成三条管路，第一条管路通过膨胀机出口分流阀I连接到板式冷凝器，第二条管路通过膨胀机出口分流阀II连接到单螺杆膨胀机II，第三条管路通过膨胀机出口分流阀III连接到中间加热器；管束式蒸发器尾气出口侧通过三通管分成二条管路，一条管路通过排气控制阀I连接到中间加热器后与排气管相接，另一条管路通过排气控制阀II与排气管直接相连；此外涡轮机与压气机通过涡轮机压气机连接轴连接成一体。 
附图说明
图1为两级单螺杆膨胀机有机朗肯循环柴油机尾气余热利用系统示意图； 
图2为柴油机低转速低负荷时，低温循环系统流动示意图； 
图3为柴油机中高转速中高负荷时，中温循环系统流动示意图； 
图4为柴油机高转速大负荷时，高温循环系统流动示意图； 
图中：1-压气机；2-发动机；3-涡轮机；4-管束式蒸发器；5-单螺杆膨胀机I；6-磁粉测功机I；7-单螺杆膨胀机II；8-磁粉测功机II；9-板式冷凝器；10-储液罐；11-工质泵；12- 中间加热器；13-冷却塔；14-可调流量泵；15-膨胀机出口分流阀I；16-膨胀机出口分流阀II；17-膨胀机出口分流阀III；18-排气控制阀I；19-排气控制阀II；20-涡轮机压气机联结轴；21-联结轴I；22-联结轴II。 
具体实施方式
基于柴油机不同转速不同负荷变工况条件下尾气带走的热量随之改变的特点，本发明主要通过三套循环系统回收柴油机尾气所带走的热量：低温循环回收余热系统；中温循环回收余热系统；高温循环回收余热系统。 
本发明所用的两级单螺杆膨胀机有机朗肯循环柴油机尾气余热利用系统，主要包括压气机1、发动机2、涡轮机3、管束式蒸发器4、单螺杆膨胀机I 5、磁粉测功机I 6、单螺杆膨胀机II 7、磁粉测功机II 8、板式冷凝器9、储液罐10、工质泵11、中间加热器12、冷却塔13、可调流量泵14、膨胀机出口分流阀I 15、膨胀机出口分流阀II 16、膨胀机出口分流阀III17、排气控制阀I 18、排气控制阀II 19、涡轮机压缩机联结轴20、联结轴I 21、联结轴II22以及各种连接管路。系统内部各部件的连接关系如下：压气机1、发动机2、涡轮机3、管束式蒸发器4及中间加热器12依次相连构成柴油机进气及排气系统中气体流动的方向。管束式蒸发器4、单螺杆膨胀机I 5、中间加热器12、单螺杆膨胀机II 7、板式冷凝器9、储液罐10与工质泵11依次相连形成朗肯循环的闭合回路。其中单螺杆膨胀机I 5与磁粉测功机I 6通过联结轴I 21相连能够测量所输出的轴功，单螺杆膨胀机II 7与磁粉测功机II 8通过联结轴II 22相连能够测量所输出的轴功，板式冷凝器9、冷却塔13及可调流量泵14依次相连构成闭合回路。整个系统的循环控制通过膨胀机出口分流阀及排气控制阀进行调节，具体连接方式如下：单螺杆膨胀机I 5的出口通过管路被分成三条管路，第一条管路通过膨胀机出口分流阀I 15连接到板式冷凝器9，第二条管路通过膨胀机出口分流阀II 16连接到单螺杆膨胀机II 7，第三条管路通过膨胀机出口分流阀III17连接到中间加热器12；管束式蒸发器4尾气出口侧通过三通管分成二条管路，一条管路通过排气控制阀I 18连接到中间加热器12后与排气管相接，另一条管路通过排气控制阀II 19与排气管直接相连。此外涡轮机3与压气机1通过涡轮机压气机连接轴20连接成一体。(如图1所示) 
下面是结合附图说明当柴油机处于不同的工况条件下，本发明的具体工作过程或运行情况。 
当柴油机处于低转速低负荷工况下，系统启动低温余热回收循环系统。 
首先通过电控系统将膨胀机出口分流阀II 16、膨胀机出口分流阀III17、排气控制阀I 18关闭，将膨胀机出口分流阀I 15和排气控制阀II 19打开。低温循环系统主要由管束式蒸发器4、单螺杆膨胀机I 5、板式冷凝器9、储液罐10、工质泵11组成，其中单螺杆膨胀机I 5与磁粉测功机I 6通过联结轴I 21相连可以测量所输出的轴功，板式冷凝器9、冷却塔13及可调流量泵14依次相连形成闭合回路构成冷却系统。具体工作情况如下：空气经过压气机1被压缩后进入发动机2中，在气缸内经过燃烧膨胀做功后由发动机2排出，废气进入涡轮机3中推动涡轮机3 旋转从而带动压气机1工作，从涡轮机3出来的高温气体再经过管束式蒸发器4中释放热量后通过排气管排入大气中。有机物在管束式蒸发器4中吸收柴油机尾气所释放的热量转化为气态，产生的气体推动单螺杆膨胀机I 5膨胀做功，这个过程可视为工质的绝热膨胀过程，气体降温降压后形成乏气，乏气进入板式冷凝器9中定压放热被冷却为液体，液体进入储液罐10中后，再由工质泵11泵到管束式蒸发器4中进行新一轮的循环。(如图2所示) 
当柴油机处于中高转速中高负荷工况下，系统启动中温余热回收循环系统。 
首先通过电控系统将膨胀机出口分流阀I 15、膨胀机出口分流阀III17、排气控制阀I18关闭，将膨胀机出口分流阀II 16和排气控制阀II 19打开。中温循环系统主要由管束式蒸发器4、单螺杆膨胀机I 5、单螺杆膨胀机II 7、板式冷凝器9、储液罐10、工质泵11组成，其中单螺杆膨胀机I 5与磁粉测功机I 6通过联结轴I 21相连可以测量所输出的轴功，单螺杆膨胀机II 7与磁粉测功机II 8通过联结轴II22相连可以测量所输出的轴功，板式冷凝器9、冷却塔13及可调流量泵14依次相连形成闭合回路构成冷却系统。具体工作情况如下：空气经过压气机1被压缩后进入发动机2中，在气缸内经过燃烧膨胀做功后由发动机2排出，废气进入涡轮机3中推动涡轮机3旋转从而带动压气机1工作，从涡轮机3出来的高温气体再经过管束式蒸发器4中释放热量后通过排气管排入大气中。有机物在管束式蒸发器4中吸收柴油机尾气所释放的热量转化为气态，气体推动单螺杆膨胀机I 5膨胀做功，降温降压形成乏气，此时的乏气还具有很高的能量，可以继续回收，因此乏气还需接入单螺杆膨胀机II 7中继续膨胀做功，气体进一步的降温降压后进入板式冷凝器9中定压放热被冷却为液体，液体进入储液罐10中后，再由工质泵11泵到管束式蒸发器4中进行新一轮的循环。(如图3所示) 
当柴油机处于高转速高负荷工况下，系统启动高温余热回收循环系统。 
首先通过电控系统将膨胀机出口分流阀I 15、膨胀机出口分流阀II 16、排气控制阀II 19关闭，将膨胀机出口分流阀III17和排气控制阀I 18打开。高温循环系统主要由管束式蒸发器4、单螺杆膨胀机I 5、中间加热器12、单螺杆膨胀机II 7、板式冷凝器9、储液罐10、工质泵11组成，其中单螺杆膨胀机I5与磁粉测功机I6通过联结轴I 21相连可以测量所输出的轴功，单螺杆膨胀机II 7与磁粉测功机II 8通过联结轴II 22相连可以测量所输出的轴功，板式冷凝器9、冷却塔13及可调流量泵14依次相连形成闭合回路构成冷却系统。具体工作情况如下：空气经过压气机1被压缩后进入发动机2中，在气缸内经过燃烧膨胀做功后由发动机2排出，废气进入涡轮机3中推动涡轮机3旋转从而带动压气机1工作，从涡轮机3出来的高温气体再经过管束式蒸发器4中释放热量后，进入中间加热器12继续释放热量后通过排气管直接排入大气中。这是因为当柴油机处于高转速高负荷工况条件时，尾气的能量并没有在管束式蒸发器4中被充分地回收，在其后面接中间加热器12可以更多地回收尾气能量。有机物在管束式蒸发器4中吸收柴油机尾气所释放的热量转化为气态，产生的气体推动单螺杆膨胀机I 5膨胀做功，气体降温降压形成乏气，乏气在中间加热器12中进一步吸收柴油机尾气所释放的热量，温度升高焓值 增大，高温乏气进入单螺杆膨胀机II 7中继续膨胀做功，气体进一步的降温降压后进入板式冷凝器9中定压放热被冷却为液体，液体进入储液罐10中后，再由工质泵11泵到管束式蒸发器4中进行新一轮的循环。(如图4所示) 。

Claims (2)

1.两级单螺杆膨胀机有机朗肯循环柴油机尾气余热利用系统，其特征在于：包括压气机(1)、发动机(2)、涡轮机(3)、管束式蒸发器(4)、单螺杆膨胀机I(5)、磁粉测功机I(6)、单螺杆膨胀机II(7)、磁粉测功机II(8)、板式冷凝器(9)、储液罐(10)、工质泵(11)、中间加热器(12)、冷却塔(13)、可调流量泵(14)、膨胀机出口分流阀I(15)、膨胀机出口分流阀II(16)、膨胀机出口分流阀III(17)、排气控制阀I(18)、排气控制阀II(19)、涡轮机压缩机联结轴(20)、联结轴I(21)、联结轴II(22)以及各种连接管路；系统内部各部件的连接关系为：压气机(1)、发动机(2)、涡轮机(3)、管束式蒸发器(4)及中间加热器(12)依次相连构成柴油机进气及排气系统中气体流动的方向，管束式蒸发器(4)、单螺杆膨胀机I(5)、中间加热器(12)、单螺杆膨胀机II(7)、板式冷凝器(9)、储液罐(10)与工质泵(11)依次相连形成朗肯循环的闭合回路，其中单螺杆膨胀机I(5)与磁粉测功机I(6)通过联结轴I(21)相连能够测量所输出的轴功，单螺杆膨胀机II(7)与磁粉测功机II(8)通过联结轴II(22)相连能够测量所输出的轴功，板式冷凝器(9)、冷却塔(13)及可调流量泵(14)依次相连形成闭合回路构成冷却系统；整个柴油机尾气余热利用系统的循环控制通过膨胀机出口分流阀及排气控制阀进行调节，具体连接方式为：单螺杆膨胀机I(5)的出口通过管路被分成三条管路，第一条管路通过膨胀机出口分流阀I(15)连接到板式冷凝器(9)，第二条管路通过膨胀机出口分流阀II(16)连接到单螺杆膨胀机II(7)，第三条管路通过膨胀机出口分流阀III(17)连接到中间加热器(12)；管束式蒸发器(4)尾气出口侧通过三通管分成二条管路，一条管路通过排气控制阀I(18)连接到中间加热器(12)后与排气管相接，另一条管路通过排气控制阀II(19)与排气管直接相连；此外涡轮机(3)与压气机(1)通过涡轮机压气机连接轴(20)连接成一体。
2.如权利要求1所述的两级单螺杆膨胀机有机朗肯循环柴油机尾气余热利用系统的工作过程，其特征在于：
1)当柴油机处于低转速低负荷工况下，系统启动低温余热回收循环系统
首先通过电控系统将膨胀机出口分流阀II(16)、膨胀机出口分流阀III(17)、排气控制阀I(18)关闭，将膨胀机出口分流阀I(15)和排气控制阀II(19)打开；低温循环系统主要由管束式蒸发器(4)、单螺杆膨胀机I(5)、板式冷凝器(9)、储液罐(10)、工质泵(11)组成，其中单螺杆膨胀机I(5)与磁粉测功机I(6)通过联结轴I(21)相连可以测量所输出的轴功，板式冷凝器(9)、冷却塔(13)及可调流量泵(14)依次相连形成闭合回路构成冷却系统，具体工作过程为：空气经过压气机(1)被压缩后进入发动机(2)中，在气缸内经过燃烧膨胀做功后由发动机(2)排出，废气进入涡轮机(3)中推动涡轮机(3)旋转从而带动压气机(1)工作，从涡轮机(3)出来的高温气体再经过管束式蒸发器(4)中释放热量后通过排气管排入大气中，有机物在管束式蒸发器(4)中吸收柴油机尾气所释放的热量转化为气态，产生的气体推动单螺杆膨胀机I(5)膨胀做功，这个过程可视为工质的绝热膨胀过程，气体降温降压后形成乏气，乏气进入板式冷凝器(9)中定压放热被冷却为液体，液体进入储液罐(10)中后，再由工质泵(11)泵到管束式蒸发器(4)中进行新一轮的循环；
2)当柴油机处于中高转速中高负荷工况下，系统启动中温余热回收循环系统
首先通过电控系统将膨胀机出口分流阀I(15)、膨胀机出口分流阀III(17)、排气控制阀I(18)关闭，将膨胀机出口分流阀II(16)和排气控制阀II(19)打开；中温循环系统主要由管束式蒸发器(4)、单螺杆膨胀机I(5)、单螺杆膨胀机II(7)、板式冷凝器(9)、储液罐(10)、工质泵(11)组成，其中单螺杆膨胀机I(5)与磁粉测功机I(6)通过联结轴I(21)相连可以测量所输出的轴功，单螺杆膨胀机II(7)与磁粉测功机II(8)通过联结轴II(22)相连可以测量所输出的轴功，板式冷凝器(9)、冷却塔(13)及可调流量泵(14)依次相连形成闭合回路构成冷却系统，具体工作过程为：空气经过压气机(1)被压缩后进入发动机(2)中，在气缸内经过燃烧膨胀做功后由发动机(2)排出，废气进入涡轮机(3)中推动涡轮机(3)旋转从而带动压气机(1)工作，从涡轮机(3)出来的高温气体再经过管束式蒸发器(4)中释放热量后通过排气管排入大气中，有机物在管束式蒸发器(4)中吸收柴油机尾气所释放的热量转化为气态，气体推动单螺杆膨胀机I(5)膨胀做功，降温降压形成乏气，此时的乏气还具有很高的能量，可以继续回收，因此乏气还需接入单螺杆膨胀机II(7)中继续膨胀做功，气体进一步的降温降压后进入板式冷凝器(9)中定压放热被冷却为液体，液体进入储液罐(10)中后，再由工质泵(11)泵到管束式蒸发器(4)中进行新一轮的循环；
3)当柴油机处于高转速高负荷工况下，系统启动高温余热回收循环系统
首先通过电控系统将膨胀机出口分流阀I(15)、膨胀机出口分流阀II(16)、排气控制阀II(19)关闭，将膨胀机出口分流阀III(17)和排气控制阀I(18)打开；高温循环系统主要由管束式蒸发器(4)、单螺杆膨胀机I(5)、中间加热器(12)、单螺杆膨胀机II(7)、板式冷凝器(9)、储液罐(10)、工质泵(11)组成，其中单螺杆膨胀机I(5)与磁粉测功机I(6)通过联结轴I(21)相连可以测量所输出的轴功，单螺杆膨胀机II(7)与磁粉测功机II(8)通过联结轴II(22)相连可以测量所输出的轴功，板式冷凝器(9)、冷却塔(13)及可调流量泵(14)依次相连形成闭合回路构成冷却系统，具体工作过程为：空气经过压气机(1)被压缩后进入发动机(2)中，在气缸内经过燃烧膨胀做功后由发动机(2)排出，废气进入涡轮机(3)中推动涡轮机(3)旋转从而带动压气机(1)工作，从涡轮机(3)出来的高温气体再经过管束式蒸发器(4)中释放热量后，进入中间加热器(12)继续释放热量后通过排气管直接排入大气中，这是因为当柴油机处于高转速高负荷工况条件时，尾气的能量并没有在管束式蒸发器(4)中被充分地回收，在其后面接中间加热器(12)可以更多地回收尾气能量；有机物在管束式蒸发器(4)中吸收柴油机尾气所释放的热量转化为气态，产生的气体推动单螺杆膨胀机I(5)膨胀做功，气体降温降压形成乏气，乏气在中间加热器(12)中进一步吸收柴油机尾气所释放的热量，温度升高焓值增大，高温乏气进入单螺杆膨胀机II(7)中继续膨胀做功，气体进一步的降温降压后进入板式冷凝器(9)中定压放热被冷却为液体，液体进入储液罐(10)中后，再由工质泵(11)泵到管束式蒸发器(4)中进行新一轮的循环。
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