专利名称：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制作方法
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°c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°c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IkW IOOOkW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。
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-
具体实施例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11117、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1122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15、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
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11117、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11117、排气控 制阀118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1122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1119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15与磁粉测功机16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)。
权利要求
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1(5)、磁粉测功 机1(6)、单螺杆膨胀机11(7)、磁粉测功机11(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1(15)、 膨胀机出口分流阀11(16)、膨胀机出口分流阀111(17)、排气控制阀1(18)、排气控制阀 11(19)、涡轮机压缩机联结轴(20)、联结轴1(21)、联结轴11(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1(5)、中间加热器(12)、单螺杆膨胀机11(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1(5)与 磁粉测功机1(6)通过联结轴1(21)相连能够测量所输出的轴功，单螺杆膨胀机11(7)与磁 粉测功机11(8)通过联结轴11(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1(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1(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11(16)连接到单螺杆膨胀机 11(7)，第三条管路通过膨胀机出口分流阀111(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1(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11(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11(16)、膨胀机出口分流阀111(17)、排气控 制阀1(18)关闭，将膨胀机出口分流阀1(15)和排气控制阀11(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1(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1(5)与磁粉测功机1(6)通过联结轴1(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1(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1(15)、膨胀机出口分流阀111(17)、排气控制 阀1(18)关闭，将膨胀机出口分流阀11(16)和排气控制阀11(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1(5)与磁粉测功机1(6)通过联结轴1(21) 相连可以测量所输出的轴功，单螺杆膨胀机11(7)与磁粉测功机11(8)通过联结轴11(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1(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 11(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1(15)、膨胀机出口分流阀11(16)、排气控制 阀11(19)关闭，将膨胀机出口分流阀111(17)和排气控制阀1(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1(5)、中间加热器(12)、单螺杆膨胀机11(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1(5)与磁粉测功 机1(6)通过联结轴1(21)相连可以测量所输出的轴功，单螺杆膨胀机11(7)与磁粉测功机 11(8)通过联结轴11(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1(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11(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。
全文摘要
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。
文档编号F01K11/02GK102022221SQ201010579930
公开日2011年4月20日 申请日期2010年12月3日 优先权日2010年12月3日
发明者刘彬, 刘星, 吴玉庭, 张红光, 杨凯, 梁虹, 王伟, 王恩华, 陈研 申请人:北京工业大学