空间回热有机朗肯循环余能回收系统及控制策略的制作方法

本发明属于车用内燃机排气能量回收技术领域，具体涉及开发一种空间回热有机朗肯循环余能回收系统及控制策略。

背景技术：

随着石化能源被不断消耗，能源危机日趋严重，国内外学者掀起了以高效节能、低污染为目的，以余热回收再利用为途径的研究热潮。车用内燃机热效率较低，其中大部分热量通过汽车尾气、内燃机冷却水等方式发散出去。而针对于车用内燃机尾气余热回收利用的研究对于节能减排这一世界性重大需求具有重要意义。

有机朗肯循环以其结构简单、安全性高、技术成熟和针对车用内燃机尾气等低品质热能回收效率较高等优点已成为节能领域的重点研究对象。

传统有机朗肯循环中从蒸发器排出的高温高压过热工质不能够在膨胀机内充分膨胀，导致从膨胀机排出的有机工质乏气还存在大量的热能，现阶段对乏气热能的利用多体现在再热循环、回热循环等方式，但这些方式都是以换热器为主要换热方式，回收乏气热能效率较低。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种空间回热有机朗肯循环余能回收系统及控制策略，本系统引入可变膨胀比的旋转叶片式膨胀机，通过膨胀比调节器调节旋转叶片式膨胀机的膨胀比使变工况状态下的高温高压有机工质均能够在旋转叶片式膨胀机中充分膨胀，输出最大功率；通过引入空间换热器来实现对乏气热能的回收，旋转叶片式膨胀机排出的乏气和经过冷凝器的冷工质在空间回热器内充分接触换热，乏气急闪冷凝而液化，从而实现对乏气热能最大程度回收；本发明所述系统结构简单，能够较大程度上提升车用内燃机余能的回收效率。

本发明由控制单元28、可变膨胀比热功转换子系统ⅰ、空间回热子系统ⅱ组成；其中，控制单元28分别与可变膨胀比热功转换子系统ⅰ、空间回热子系统ⅱ连接；可变膨胀比热功转换子系统ⅰ中的变频泵1分别与空间回热子系统ⅱ中的压力调节阀13、空间回热器19和工质罐出口单向阀27连接；可变膨胀比热功转换子系统ⅰ中的旋转叶片式膨胀机8与空间回热子系统ⅱ中的空间回热器乏气喷射器22连接。

可变膨胀比热功转换子系统ⅰ由变频泵1、蒸发器工质流量控制阀2、温度压力传感器ⅰ3、蒸发器4、温度压力传感器ⅱ5、旋转叶片式膨胀机工质流量控制阀6、温度压力传感器ⅲ7、旋转叶片式膨胀机8、膨胀比调节器9、发动机排气管10、组合传感器ⅰ11、组合传感器ⅱ12组成；其中，变频泵1、蒸发器工质流量控制阀2、蒸发器4、旋转叶片式膨胀机工质流量控制阀6、旋转叶片式膨胀机8串联连接；发动机排气管10出口端与蒸发器4排气入口端连接；膨胀比调节器9与旋转叶片式膨胀机8连接；温度压力传感器ⅰ3、温度压力传感器ⅱ5分别置于蒸发器4工质入口端和出口端；温度压力传感器ⅲ7置于旋转叶片式膨胀机8工质入口端；组合传感器ⅰ11、组合传感器ⅱ12分别置于蒸发器4排气入口端和出口端；变频泵1入口端分别与空间回热子系统ⅱ中的工质罐出口单向阀27出口端和空间回热器19出口端连接，变频泵1出口端与空间回热子系统ⅱ中的压力调节阀13入口端连接；旋转叶片式膨胀机8出口端与空间回热子系统ⅱ中的空间回热器乏气喷射器22入口端连接；可变膨胀比热功转换子系统ⅰ与控制单元28连接。

空间回热子系统ⅱ由压力调节阀13、冷凝器14、温度压力传感器ⅳ15、温度压力传感器ⅴ16、空间回热器冷工质流量控制阀17、空间回热器冷工质喷射器18、空间回热器19、空间回热器液位传感器20、温度压力传感器ⅵ21、空间回热器乏气喷射器22、温度压力传感器ⅶ23、温度压力传感器ⅷ24、工质罐入口流量控制阀25、工质罐26、工质罐出口单向阀27组成；其中，压力调节阀13入口端与可变膨胀比热功转换子系统ⅰ中的变频泵1出口端连接，压力调节阀13出口端与冷凝器14工质入口端连接；冷凝器14工质出口端分为两路，分别与工质罐入口流量控制阀25入口端和空间回热器冷工质流量控制阀17入口端连接；工质罐入口流量控制阀25、工质罐26、工质罐出口单向阀27串联连接；工质罐出口单向阀27出口端与可变膨胀比热功转换子系统ⅰ中的变频泵1入口端连接；空间回热器冷工质流量控制阀17出口端与空间回热器冷工质喷射器18入口端连接；空间回热器冷工质喷射器18出口端和空间回热器乏气喷射器22出口端与空间回热器19连接；空间回热器19出口端与可变膨胀比热功转换子系统ⅰ中的变频泵1入口端连接；空间回热器乏气喷射器22入口端与可变膨胀比热功转换子系统ⅰ中的旋转叶片式膨胀机8出口端连接；温度压力传感器ⅳ15置于冷凝器14上；温度压力传感器ⅴ16置于空间回热器冷工质流量控制阀17入口端；空间回热器液位传感器20和温度压力传感器ⅵ21置于空间回热器19上；温度压力传感器ⅶ23置于空间回热器乏气喷射器22入口端；温度压力传感器ⅷ24置于空间回热器19出口端；空间回热子系统ⅱ与控制单元28连接。

基于上述的空间回热有机朗肯循环余能回收系统的控制策略，包括以下步骤：

a.控制单元28根据组合传感器ⅰ11、组合传感器ⅱ12测得蒸发器4尾气进出口尾气状态，结合蒸发器4换热效率可以得出有机工质和发动机尾气换热量；由夹点温度确定蒸发器4工质出口工质温度，根据温度压力传感器ⅰ3、温度压力传感器ⅱ5测得蒸发器4工质进出口工质状态，由此确定在蒸发器4换热效率最高时工质流量，通过蒸发器工质流量控制阀2调节蒸发器4工质流量，使蒸发器保持在高的换热效率；通过膨胀比调节器9调节旋转叶片式膨胀机8的膨胀比使不同工况过热蒸气均能够在旋转叶片式膨胀机8中充分膨胀，输出最大功率；

b.调节压力调节阀13的设定压力，保证经过冷凝器14的冷工质流量能够满足回热所需流量；当经过冷凝器14的工质流量刚好能够满足回热所需流量，关闭工质泵入口流量控制阀25；若经过冷凝器14的工质流量大于回热所需流量，则开启工质泵入口流量控制阀25，多余部分工质由工质泵入口流量控制阀25回到工质罐26中；

c.旋转叶片式膨胀机8排出的乏气和经冷凝器14的冷工质分别被空间回热器乏气喷射器22、空间回热器冷工质喷射器18喷入空间回热器19中，乏气和冷工质直接接触换热，乏气急闪冷凝而液化，实现对乏气热能的回收；空间回热器19内回热后的高温液态有机工质经变频泵1后一部分用于可变膨胀比热功转换子系统ⅰ，一部分用于空间回热子系统ⅱ，实现循环。

本发明的原理是：发动机排放的尾气和有机工质在蒸发器中进行换热，使有机工质形成高温高压的过热蒸气，通过调节有机工质的流量，以保证蒸发器始终保持较高的换热效率，此时过热蒸气保持在旋转叶片式膨胀机所需的最佳热源状态；高温高压的过热蒸气进入旋转叶片式膨胀机中推动叶片做功，通过膨胀比调节器调节旋转叶片式膨胀机的膨胀比，从而使不同工况下的过热蒸气均能够在旋转叶片式膨胀机中充分膨胀，输出最大功率；通过调节压力调节阀的设定压力，保证对空间回热器内冷工质的供应；空间回热器乏气喷射器喷入空间回热器内的乏气与空间回热器冷工质喷射器喷入空间回热器中的冷工质以及空间回热器内残余液体工质充分接触换热，乏气急闪冷凝而液化，完成对乏气热能最大程度的回收，实现有机朗肯循环的高效能，空间回热器内回热后的高温液态有机工质经变频泵后一部分用于可变膨胀比热功转换子系统，一部分用于空间回热子系统，实现循环。

本发明的工作过程是：控制单元28根据组合传感器ⅱ12测得蒸发器4尾气出口端尾气的温度，由夹点温度确定蒸发器4工质出口端工质的温度，根据组合传感器ⅰ11、组合传感器ⅱ12测得蒸发器4尾气进出口尾气的温度、压力和流量，结合蒸发器4换热效率可以得出有机工质和发动机尾气在蒸发器4中的换热量，由温度压力传感器ⅰ3测得蒸发器4工质入口端工质温度和压力、温度压力传感器ⅱ5测得蒸发器4工质出口端工质压力，蒸发器4工质出口端工质温度已由夹点温度算出，由此可得蒸发器4工质进出口有机工质的比焓差，从而得出在蒸发器4换热效率最高时的工质流量，通过调节蒸发器工质流量控制阀3的开度改变通过蒸发器4中的工质流量，使蒸发器始终保持在较高的换热效率，实现对尾气热量最大程度的回收。启动工况时，发动机尾气温度较低，变频泵1从工质罐26中抽出少量工质导入蒸发器4中，随着发动机尾气温度的升高，逐步改变变频泵1的转速来增加工质流量，逐步实现稳定工况下有机朗肯循环的正常工作。

已知旋转叶片式膨胀机8入口端过热蒸气的温度和质量流量，控制单元28根据温度压力传感器ⅲ7测得过热蒸气的压力，通过调节旋转叶片式膨胀机工质流量控制阀6的开度使有机工质保持在恒定压力，以稳定有机工质的瞬态性能。由过热蒸气的温度、压力、质量流量，根据标定数据调节旋转叶片式膨胀机8的转速使其与过热蒸气的状态相适应，通过膨胀比调节器9调节旋转叶片式膨胀机8的膨胀比，使过热蒸气在旋转叶片式膨胀机8中能够充分膨胀，使旋转叶片式膨胀机8在不同状态过热蒸气下均能够输出最大功率。

通过控制单元28调节压力调节阀13的设定压力，使其设定压力与有机朗肯循环中的工作压力相适应，保证对空间回热器冷工质供应，若经过冷凝器14的冷工质量多于空间回热器19所需冷工质的量，则多余的冷工质通过工质罐入口流量控制阀25进入工质罐26。

经旋转叶片式膨胀机8做功后的乏气由空间回热器乏气喷射器22喷入空间回热器19，控制单元28根据温度压力传感器ⅴ16、温度压力传感器ⅵ21测得冷工质状态和空间回热器内状态，确定空间回热器19所需冷工质的量，通过空间回热器冷工质喷射器18将冷工质喷入空间回热器19，使乏气与冷工质在空间回热器19内充分接触换热，乏气急闪冷凝而液化，实现对乏气热能的回收。根据空间回热器液位传感器20测得空间回热器19内回热后有机工质的液位，通过调节压力调节阀13的设定压力，改变回热回路中的工质流量，使空间回热器19内的液态工质始终保持在合理液位；空间回热器19内回热后的高温液态有机工质经变频泵1后一部分用于可变膨胀比热功转换子系统ⅰ，一部分用于空间回热子系统ⅱ，实现循环。

当发动机停机时，随着有机朗肯循环工作的结束，回路中的有机工质被变频泵1经冷凝器14、工质罐入口流量控制阀25导入工质罐26中。

本发明的有益效果在于：根据发动机尾气和有机工质的换热量调节蒸发器中工质流量，使蒸发器始终保持在较高的换热效率，保证从蒸发器工质出口端排出高温高压的过热工质，此时过热蒸气保持旋转叶片式膨胀机所需的最佳热源状态。通过引入可变膨胀比的旋转叶片式膨胀机，可以根据旋转叶片式膨胀机入口过热蒸气的状态，通过膨胀比调节器调节旋转叶片式膨胀机的膨胀比，使不同状态的过热蒸气都能够在旋转叶片式膨胀机中充分膨胀，使旋转叶片式膨胀机输出最大功率。引入空间回热器来实现对乏气热能的回收，根据空间回热器内的状态和冷工质状态决定喷入空间回热器内冷工质的喷射量，旋转叶片式膨胀机排出的乏气和经过冷凝器的冷工质被空间回热器乏气喷射器和空间回热器冷工质喷射器喷入空间回热器内，乏气和冷工质充分接触换热，乏气急闪冷凝而液化，从而实现对乏气热能的回收，引入空间回热器可以解决在旋转叶片式膨胀机中无法实现空间冷凝的问题，而且通过空间回热器能够更好的回收乏气的热能。通过调节压力调节阀的设定压力来适应有机朗肯循环的工作压力，以确保对空间回热器冷工质的供应和保持回热后工质液位在合理液位，空间回热器内回热后的高温液态有机工质经变频泵后一部分用于可变膨胀比热功转换子系统，一部分用于空间回热子系统，实现循环。

附图说明

图1为空间回热有机朗肯循环余能回收系统及控制策略的结构示意图；

其中：可变膨胀比热功转换子系统ⅰ、空间回热子系统ⅱ、变频泵1、蒸发器工质流量控制阀2、温度压力传感器ⅰ3、蒸发器4、温度压力传感器ⅱ5、旋转叶片式膨胀机工质流量控制阀6、温度压力传感器ⅲ7、旋转叶片式膨胀机8、膨胀比调节器9、发动机排气管10、组合传感器ⅰ11、组合传感器ⅱ12、压力调节阀13、冷凝器14、温度压力传感器ⅳ15、温度压力传感器ⅴ16、空间回热器冷工质流量控制阀17、空间回热器冷工质喷射器18、空间回热器19、空间回热器液位传感器20、温度压力传感器ⅵ21、空间回热器乏气喷射器22、温度压力传感器ⅶ23、温度压力传感ⅷ24、工质罐入口流量控制阀25、工质罐26、工质罐出口单向阀27和控制单元28。

图2为空间回热有机朗肯循环余能回收系统及控制策略控制方式流程图。

具体实施方案

以下结合附图1对本发明技术方案作进一步详细阐述：本发明由控制单元28、可变膨胀比热功转换子系统ⅰ、空间回热子系统ⅱ组成；其中，控制单元28分别与可变膨胀比热功转换子系统ⅰ、空间回热子系统ⅱ连接；可变膨胀比热功转换子系统ⅰ中的变频泵1分别与空间回热子系统ⅱ中的压力调节阀13、空间回热器19和工质罐出口单向阀27连接；可变膨胀比热功转换子系统ⅰ中的旋转叶片式膨胀机8与空间回热子系统ⅱ中的空间回热器乏气喷射器22连接。

可变膨胀比热功转换子系统ⅰ由变频泵1、蒸发器工质流量控制阀2、温度压力传感器ⅰ3、蒸发器4、温度压力传感器ⅱ5、旋转叶片式膨胀机工质流量控制阀6、温度压力传感器ⅲ7、旋转叶片式膨胀机8、膨胀比调节器9、发动机排气管10、组合传感器ⅰ11、组合传感器ⅱ12组成；其中，变频泵1、蒸发器工质流量控制阀2、蒸发器4、旋转叶片式膨胀机工质流量控制阀6、旋转叶片式膨胀机8串联连接；发动机排气管10出口端与蒸发器4排气入口端连接；膨胀比调节器9与旋转叶片式膨胀机8连接；温度压力传感器ⅰ3、温度压力传感器ⅱ5分别置于蒸发器4工质入口端和出口端；温度压力传感器ⅲ7置于旋转叶片式膨胀机8工质入口端；组合传感器ⅰ11、组合传感器ⅱ12分别置于蒸发器4排气入口端和出口端；变频泵1入口端分别与空间回热子系统ⅱ中的工质罐出口单向阀27出口端和空间回热器19出口端连接，变频泵1出口端与空间回热子系统ⅱ中的压力调节阀13入口端连接；旋转叶片式膨胀机8出口端与空间回热子系统ⅱ中的空间回热器乏气喷射器22入口端连接；可变膨胀比热功转换子系统ⅰ与控制单元28连接。

空间回热子系统ⅱ由压力调节阀13、冷凝器14、温度压力传感器ⅳ15、温度压力传感器ⅴ16、空间回热器冷工质流量控制阀17、空间回热器冷工质喷射器18、空间回热器19、空间回热器液位传感器20、温度压力传感器ⅵ21、空间回热器乏气喷射器22、温度压力传感器ⅶ23、温度压力传感器ⅷ24、工质罐入口流量控制阀25、工质罐26、工质罐出口单向阀27组成；其中，压力调节阀13入口端与可变膨胀比热功转换子系统ⅰ中的变频泵1出口端连接，压力调节阀13出口端与冷凝器14工质入口端连接；冷凝器14工质出口端分为两路，分别与工质罐入口流量控制阀25入口端和空间回热器冷工质流量控制阀17入口端连接；工质罐入口流量控制阀25、工质罐26、工质罐出口单向阀27串联连接；工质罐出口单向阀27出口端与可变膨胀比热功转换子系统ⅰ中的变频泵1入口端连接；空间回热器冷工质流量控制阀17出口端与空间回热器冷工质喷射器18入口端连接；空间回热器冷工质喷射器18出口端和空间回热器乏气喷射器22出口端与空间回热器19连接；空间回热器19出口端与可变膨胀比热功转换子系统ⅰ中的变频泵1入口端连接；空间回热器乏气喷射器22入口端与可变膨胀比热功转换子系统ⅰ中的旋转叶片式膨胀机8出口端连接；温度压力传感器ⅳ15置于冷凝器14上；温度压力传感器ⅴ16置于空间回热器冷工质流量控制阀17入口端；空间回热器液位传感器20和温度压力传感器ⅵ21置于空间回热器19上；温度压力传感器ⅶ23置于空间回热器乏气喷射器22入口端；温度压力传感器ⅷ24置于空间回热器19出口端；空间回热子系统ⅱ与控制单元28连接。

基于上述的空间回热有机朗肯循环余能回收系统的控制策略，包括以下步骤：

a.控制单元28根据组合传感器ⅰ11、组合传感器ⅱ12测得蒸发器4尾气进出口尾气状态，结合蒸发器4换热效率可以得出有机工质和发动机尾气换热量；由夹点温度确定蒸发器4工质出口工质温度，根据温度压力传感器ⅰ3、温度压力传感器ⅱ5测得蒸发器4工质进出口工质状态，由此确定在蒸发器4换热效率最高时工质流量，通过蒸发器工质流量控制阀2调节蒸发器4工质流量，使蒸发器保持在高的换热效率；通过膨胀比调节器9调节旋转叶片式膨胀机8的膨胀比使不同工况过热蒸气均能够在旋转叶片式膨胀机8中充分膨胀，输出最大功率；

b.调节压力调节阀13的设定压力，保证经过冷凝器14的冷工质流量能够满足回热所需流量；当经过冷凝器14的工质流量刚好能够满足回热所需流量，关闭工质泵入口流量控制阀25；若经过冷凝器14的工质流量大于回热所需流量，则开启工质泵入口流量控制阀25，多余部分工质由工质泵入口流量控制阀25回到工质罐26中；

c.旋转叶片式膨胀机8排出的乏气和经冷凝器14的冷工质分别被空间回热器乏气喷射器22、空间回热器冷工质喷射器18喷入空间回热器19中，乏气和冷工质直接接触换热，乏气急闪冷凝而液化，实现对乏气热能的回收；空间回热器19内回热后的高温液态有机工质经变频泵1后一部分用于可变膨胀比热功转换子系统ⅰ，一部分用于空间回热子系统ⅱ，实现循环。

系统的具体工作方式如下：

一、蒸发器有机工质流量的控制：控制单元28根据组合传感器ⅱ12测得蒸发器4尾气出口端尾气的温度，由夹点温度确定蒸发器4工质出口端工质的温度，根据组合传感器ⅰ11、组合传感器ⅱ12测得蒸发器4尾气进出口尾气的温度、压力和流量，结合蒸发器4换热效率可以得出有机工质和发动机尾气在蒸发器4中的换热量，由温度压力传感器ⅰ3测得蒸发器4工质入口端工质温度和压力、温度压力传感器ⅱ5测得蒸发器4工质出口端工质压力，蒸发器4工质出口端工质温度已由夹点温度算出，由此可得蒸发器4工质进出口有机工质的比焓差，从而得出在蒸发器4换热效率最高时的工质流量，通过调节蒸发器工质流量控制阀3的开度改变通过蒸发器4中的工质流量，使蒸发器始终保持在较高的换热效率，实现对尾气热量最大程度的回收。启动工况时，发动机尾气温度较低，变频泵1从工质罐26中抽出少量工质导入蒸发器4中，随着发动机尾气温度的升高，逐步改变变频泵1的转速来增加工质流量，逐步实现稳定工况下有机朗肯循环的正常工作。

二、旋转叶片式膨胀机的膨胀比控制：已知旋转叶片式膨胀机8入口端过热蒸气的温度和质量流量，控制单元28根据温度压力传感器ⅲ7测得过热蒸气的压力，通过调节旋转叶片式膨胀机工质流量控制阀6的开度使有机工质保持在恒定压力，以稳定有机工质的瞬态性能。由过热蒸气的温度、压力、质量流量，根据标定数据调节旋转叶片式膨胀机8的转速使其与过热蒸气的状态相适应，通过膨胀比调节器9调节旋转叶片式膨胀机8的膨胀比，使过热蒸气在旋转叶片式膨胀机8中能够充分膨胀，使旋转叶片式膨胀机8在不同状态过热蒸气下均能够输出最大功率。

三、减压阀的控制：通过控制单元28调节压力调节阀13的设定压力，使其设定压力与有机朗肯循环中的工作压力相适应，保证对空间回热器冷工质供应，若经过冷凝器14的冷工质量多于空间回热器19所需冷工质的量，则多余的冷工质通过工质罐入口流量控制阀25进入工质罐26。

四、空间回热：经旋转叶片式膨胀机8做功后的乏气由空间回热器乏气喷射器22喷入空间回热器19，控制单元28根据温度压力传感器ⅴ16、温度压力传感器ⅵ21测得冷工质状态和空间回热器内状态，确定空间回热器19所需冷工质的量，通过空间回热器冷工质喷射器18将冷工质喷入空间回热器19，使乏气与冷工质在空间回热器19内充分接触换热，乏气急闪冷凝而液化，实现对乏气热能的回收。根据空间回热器液位传感器20测得空间回热器19内回热后有机工质的液位，通过调节压力调节阀13的设定压力，改变回热回路中的工质流量，使空间回热器19内的液态工质始终保持在合理液位；空间回热器19内回热后的高温液态有机工质经变频泵1后一部分用于可变膨胀比热功转换子系统ⅰ，一部分用于空间回热子系统ⅱ，实现循环。

五、发动机停机：当发动机停机时，随着有机朗肯循环工作的结束，回路中的有机工质被变频泵1经冷凝器14、工质罐入口流量控制阀25回到工质罐26中。

本发明中利用换热器(蒸发器4、冷凝器14)实现有机工质与低品质能源的换热和有机工质的冷却，按此原理在实际应用中管壳式换热器、板式换热器、管板式换热器和套管式换热器等均可实现此种功能；本发明中高温高压的过热蒸气在膨胀机中膨胀做功，按此原理在实际应用中透平型膨胀机、活塞型膨胀机都可以实现此种功能；本发明中利用沸点较低的有机工质作为循环工质，在较低压力、较低温度就可以被加热为过热蒸气，按此原理在实际应用中标况下沸点较低的工质(如r245fa、r123、r143a、r152a、r141b和r245ca等)均可实现此种功能；本发明中利用空间回热器实现冷、热工质充分接触换热，按此原理在实际应用中满足使用条件的密闭容器均可以实现此种功能。