雙螺桿動力機構用于車輛發(fā)動機尾氣余熱回收利用的探究

葛寒

（忻州職業(yè)技術學院 機電工程系， 山西 忻州 034000）

試（實）驗研究

雙螺桿動力機構用于車輛發(fā)動機尾氣余熱回收利用的探究

葛寒

（忻州職業(yè)技術學院 機電工程系， 山西 忻州 034000）

對雙螺桿動力機構的熱效率、損失等進行了分析，探討雙螺桿動力機構回收利用車輛尾氣廢熱轉化為機械能的可能性。利用車輛尾氣廢熱轉化為機械能的方案可以應用于大型車輛，利用雙螺桿動力機構產生的動力驅動空調壓縮機、空氣壓縮機或者發(fā)電機工作，還可以應用于輔助動力裝置。

雙螺桿 車輛發(fā)動機 尾氣回收

雙螺桿動力機構主要是由一對并列配置在機體內的陰陽雙螺桿轉子構成，氣體在雙螺桿轉子和機體內壁內形成的空腔內膨脹驅動雙螺桿轉子做回轉運動，通過轉子的軸頭向外輸出機械能。由于雙螺桿動力機構具有熱源適應范圍寬廣、變工況能力優(yōu)越、維護費用和使用技術門檻低等技術特點，在回收低品位熱能領域受到越來越多的關注和重視。雙螺桿膨脹機與雙螺桿壓縮機的結構相似，其工作原理互逆，工作過程互為逆過程，雙螺桿壓縮機是通過機械能的輸入，將輸入雙螺桿機構的氣體壓縮，而雙螺桿膨脹機是通過將膨脹氣體引入雙螺桿機構內，讓氣體在雙螺桿機構內膨脹做功，并通過雙螺桿向外輸出機械能[1-2]。

1 熱效率的計算

熱效率是指動力機構產生的有效功率與單位時間所噴入燃料的化學能之比，本文僅討論尾氣熱量做功的轉換。

在熱力學中有被稱為“熵變”的有序度指標（用S簡化的表示），熱效率公式和它有很大的聯系[3]，即：

式中：ηs為尾氣做功的熱效率；A為尾氣中為可利用的熱量；Q尾氣可產生的熱量；T1、T2分別為尾氣初始溫度、散失的溫度；Q1初始尾氣包含的熱量；S為熵。

隨著動力機構內部的微觀熱粒子的運動趨向于有序，且朝著宏觀有序的方向發(fā)展（做功）時，即熵S→0，則，但很多情況下微觀熱粒子沒有順序時，則有0≤η?1。

如果式（1）中的Q用動力機構總的能量表示，即：Q=3PV或Q=U=3PV（P為壓力，V為體積變化），即可得到傳統(tǒng)動力機構的熱效率[4]：

因此認定η0為原來動力機構熱效率的最大值，可以看出傳統(tǒng)動力機構的熱效率不能得到根本性的提高。

當微觀粒子的運動趨向于有序時，由式（2）得知A=2PV，經過改良有序動力機構的熱效率為：

2 實例

本文采用排量為2.5 L，功率為80 kW的渦輪增壓柴油機的尾氣作為熱量來源。以水作為工作介質，通過熱交換的方可以產生300℃的蒸汽0.1 kg/s。計算采用的雙螺桿轉子的齒數、導程和扭轉角參數見下頁表1，其他參數見下頁表2。

根據以上數據對雙螺桿動力機構模型的卡諾循環(huán)進行計算?？ㄖZ循環(huán)包括等溫膨脹，絕熱膨脹，等溫壓縮，絕熱壓縮4個步驟。

下頁圖1表示膨脹比對熱力循環(huán)的影響，由圖1可見卡諾循環(huán)完成效率隨膨脹比增大而增大，而輸出功和質量流量卻隨膨脹比的增大呈現減小的趨勢?？ㄖZ循環(huán)完成效率的增大主要是由于隨著膨脹比增大，工質膨脹得更完全，不完全膨脹損失減小，另一方面如果膨脹比過大，工質過度膨脹，卡諾循環(huán)完成效率反而會降低，通常雙螺桿動力機構多設計成不完全膨脹。

表1 雙螺桿轉子的齒數、導程和扭轉角參數

表2 其他計算參數

圖1 輸出功、卡諾循環(huán)完成效率和質量流量隨膨脹比的變化規(guī)律

圖2表示進氣壓力對熱力循環(huán)的影響，質量流量和輸出功都隨進氣壓力增大而增大，而卡諾循環(huán)完成效率卻隨進氣壓力升高而降低，這主要是由于進氣壓力越高，膨脹做功越不完全，不完全膨脹損失越大。

各進氣壓力下熱力循環(huán)的示功圖如圖3所示，可以看出輸出功隨進氣壓力增大而增大。

圖4表示進氣溫度對熱力循環(huán)參數的影響，卡諾循環(huán)完成效率隨進氣溫度升高而增大，質量流量隨進氣溫度升高而降低，輸出功隨進氣溫度升高而升高，但是變化并不明顯， 因此，在流量允許的條件下應盡可能提高進氣溫度。

圖2 輸出功、卡諾循環(huán)完成效率和質量流量隨進氣壓力的變化規(guī)律

圖3 不同進氣壓力下往復活塞式膨脹機的P-V曲線

圖4 輸出功、卡諾循環(huán)完成效率和質量流量隨進氣溫度的變化規(guī)律

3 結語

由實例可知，利用雙螺桿動力機構回收利用車輛尾氣廢熱轉化為機械能是可行的。利用雙螺桿動力機構產生的動力作為輔助動力，可以通過適當的機構轉化應用于大型公交車輛或重型卡車上。視車輛需要和負荷的大小可以將這部分動力應用用于驅動空氣壓縮機、空調壓縮機或者發(fā)電機等裝置。在不影響發(fā)動機輸出的情況下，可以減少發(fā)動機負荷，提高能源利用效率，達到節(jié)能減排的目的。

[1] 邢子文.螺桿壓縮機研究進展及應用趨勢［J］.通用機械，2004（4）：54-55．

[2] 孫富德.螺桿膨脹機在火力發(fā)電廠中的應用［J］.山東煤炭科技，2002（3）：27-29．

[3] L.林德.螺桿壓縮機［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1986.

[4] 馮黎明，高文志，秦浩，等.用于發(fā)動機余熱回收的往復活塞式膨脹機熱力學分析［J］.天津大學學報，2008，44（8）：665-670.

（編輯：苗運平）

Study on Reusing Exhausted Vehicle Engine Heat by Using the Twin-screw Power Mechanism

Ge Han
（Department of Mechanical and Electrical Engineering,Xinzhou Vocational&Technical College,Xinzhou Shanxi 034000）

This paper analyzes the thermal efficiency and the loss of the power mechanism of twin screw,discusses the possibility of power mechanism of the twin-screw recycling vehicle exhaust waste heat into mechanical energy.The program can be applied to large vehicles which can use the power generated by twin-screw power to drive air condition compressor,air compressor or generator,and also can be applied to auxiliary power unit.

twin-screw,vehicle engine,exhausted heat

X734.2

A

1672-1152（2017）01-0006-02

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.01.03

2016-12-26

葛寒（1982—），男，山西寧武人，本科，助理講師，研究方向：機械設計與制作。