CN101265829B - 利用柴油机尾气热量的换热装置及其阀门控制方法 - Google Patents

Abstract

一种利用柴油机尾气热量的换热装置，包括：热管换热器、排气旁路管、换热器上游和下游三通管、换热器进口和出口阀门、换热器进口和出口止漏阀门、换热器进口和出口泄漏阀门、换热器进口和出口止漏三通管以及排气旁路上游和下游阀门；当需要提取热量时，换热器进口和出口阀门和换热器进口和出口止漏阀门先同时打开，然后再同时关闭换热器进口和出口泄漏阀门和排气旁路上游和下游阀门；当不需要提取热量时，阀门的关或闭的过程相反。本发明装置具有优良的密封性，能保证在关闭尾气进入换热装置流道后，没有高温尾气进入换热器，有效延长换热装置的使用寿命。

Description

利用柴油机尾气热量的换热装置及其阀门控制方法

技术领域 本发明涉及柴油机尾气热量利用的装置，更具体地说，涉及一种柴油机尾气热量利用的热管换热器及其阀门的控制方法。

背景技术 柴油机作为燃油动力装置，不但用来为地面固定设备如柴油发电机组、地面移动设备如各种车辆提供驱动力，也广泛地作为水上如远洋轮船等提供动力。目前为止，国内四分之三的成品柴油为柴油机所消耗。

目前柴油机的热效率在33～35％，尾气携带的热量占总燃烧产生的化学能的30～35％左右，其余的基本为冷却系统带走。这说明柴油机能源的利用率只有34％左右，如将尾气热量加以利用，可使柴油的利用率提高到60％以上。

长期以来，众多学者和专业人员一直致力于柴油机尾气热量利用的研究，期望可以用提取出的热能供暖和制冷，但基本集中在尾气热能提取效率的研究。目前就换热设备而言，在热工领域已基本成熟，可将其直接用于柴油机尾气热量提取，提取出的热量可用于取暖和制冷。这其中关键技术在于柴油机尾气利用装置中阀门的密封性能和根据温度自动调节阀门，如果阀门密封性不佳，在关闭尾气进入换热装置流道后，仍有一部分高温尾气进入换热器，置换出的热量将使取暖装置和制冷装置继续工作，造成取暖装置内工质温度逐渐升高，或使以水-溴化锂为工质的制冷装置中的溴化锂结晶而堵塞管道；如阀门不能根据温度而调节，尾气热量提取装置的温度过高而被烧坏。现有专利(200520067119、200610034885、200520070532、200610067708、200520024288)只对热量提取及取暖装置或热量驱动的制冷装置结构做了说明，但对阀门结构没有作更多说明；专利200520073684、200520024288及200520018323则采用了更简单的手控阀门，即当不需要尾气热量时，人工排净换热器中换热工质后人工关闭阀门，不具备根据温度要求控制阀门运动的功能。

发明内容 本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中的上述缺陷，构造一种零泄漏的提取柴油机尾气热量的换热装置及其阀门控制方法。

本发明采用如下技术方案解决上述技术问题：

设计一种利用柴油机尾气热量的换热装置，包括：热管换热器、换热器进气口和出气口、排气旁路管、换热器上游和下游三通管、换热器进口和出口阀门、换热器进口和出口止漏阀门、换热器进口和出口泄漏阀门、换热器进口和出口止漏三通管、排气旁路上游和下游阀门；

所述换热器上游三通管的进气支管、换热器进口阀门、换热器进口止漏三通管的进口支管、出口支管、换热器进口止漏阀门、换热器进气口依次连接，所述换热器出气口、换热器出口止漏阀门、换热器出口止漏三通管的进口支管、出口支管、换热器出口阀门、换热器下游三通管的出气支管依次连接，所述换热器进口止漏三通管的止漏管连接换热器进口泄漏阀门，所述换热器出口止漏三通管的止漏管连接换热器出口泄漏阀门，所述所述换热器上游三通管的总管接柴油机的排气总管，换热器下游三通管的总管接消声器进口，由此形成柴油机尾气流经所述热管换热器的可控气流通道；

所述换热器上游三通管的排气支管、排气旁路上游阀门、排气旁路管左端口依次连接，所述排气旁路管右端口、排气旁路下游阀门、换热器下游三通管的排气支管依次连接，由此形成无需提取热量时柴油机尾气的可控的气流旁路通道。

所述换热器进口和出口阀门、换热器进口和出口止漏阀门具有相同的结构且处于常闭状态，所述排气旁路上游和下游阀门和换热器进口和出口泄漏阀门具有相同的结构且处于常开状态。

所述换热器进口和出口阀门和换热器进口和出口止漏阀门、排气旁路上游和下游阀门和换热器进口和出口泄漏阀门由受温度传感器控制的电机来带动其开或关。

所述换热器进口阀门包括：阀体、密封环和阀板，所述密封环被焊接在所述阀体的内壁面，阀板被安装在所述阀体的内腔，所述阀板的端面与所述密封环的进口面构成密封副，所述阀体的两端口外缘分别设有进口法兰和出口法兰。

所述换热器进口阀门的阀体为圆环，阀体与密封环的中心线重合，在阀体上开有安装阀板轴的孔；所述密封环设有气流进口面、出口面、进出口面过渡曲面和进口面上的凹槽、所述进口面和出口面是直线或是曲线，所述过渡曲面是圆弧面或曲面，所述凹槽位于进口面上并在阀板关闭时被阀板的端面覆盖；所述阀板的转轴安装座高出阀板平面一定距离，并距阀板中心线一定距离。

所述换热器进口泄漏阀门包括：阀体和安装在阀体内腔的柱塞和限漏盖，所述柱塞在外部机构的作用下沿设置在阀体内壁面的滑轨运动，当柱塞密封面坐落在所述阀体内壁密封面上时，所述泄漏阀门处于关闭状态，气体不能从换热器进口泄漏阀门逸出，当柱塞密封面离开密封面，气体可从限漏盖上的数个漏气孔中逸出。

所述阀体优选地为回转体，依次包括同一根中心线的中空的第一圆柱、圆锥、第二圆柱部分，第一圆柱的内壁与圆锥小头的内壁形成一个平面的密封面，数条滑轨平行于阀体中心线，并焊接在阀体圆锥内壁面与第二圆柱的内壁面上，滑轨之间的距离与柱塞的柱塞头相匹配；所述柱塞由柱塞头、密封面、柱塞杆构成，所述柱塞头为圆柱体，其直径与阀体的滑轨相匹配，所述密封面为柱塞头底面上的一圆环凸起；所述限漏盖由数个泄漏孔、安装面构成，泄漏孔是位于限漏盖上的通孔，安装面与阀体上的内壁面相匹配；所述换热器进口泄漏阀门通过法兰与止漏三通管的泄漏管相连接；限漏盖和密封面同时还可限制柱塞沿阀体轴线方向的运动，限漏盖与阀体之间用螺栓连接。

所述换热器进口和出口止漏三通管具有相同的结构，包括：管体、进口支管、出口支管、止漏管，所述进口支管与出口支管优选地为圆管，并且为一根圆管的两端，在其中部管壁上开有一个垂直于管壁的圆孔；所述止漏管优选地为圆管，并焊接在进口支管或出口支管的外壁上，其中心线与进口支管管壁上的圆孔中心线重合。

本发明的技术方案还包括利用上述柴油机尾气热量的换热装置的阀门控制方法，该方法包括换热装置需要提取热量和换热装置不需要提取热量两个过程。

当换热装置需要提取热量时，换热器进口和出口阀门和换热器进口和出口止漏阀门先同时打开，然后再同时关闭换热器进口和出口泄漏阀门和排气旁路上游和下游阀门；先打开换热器进口和出口阀门和换热器进口和出口止漏阀门之后再关闭换热器进口和出口泄漏阀门和排气旁路上游和下游阀门的目的是要保证尾气流动的连续性。此时，尾气从换热器上游三通管进入换热器中进行热量置换，置换后的尾气经换热器下游三通管进入消声器后排入大气。

相反，当换热装置不需要提取热量时，所述换热器进口和出口泄漏阀门和排气旁路上游和下游阀门先同时打开，然后再同时关闭所述换热器进口和出口阀门和换热器进口和出口止漏阀门。这也是要确保尾气流动的连续性。此时尾气经排气旁路管进入消声器后排入大气，在此过程中，如果有一部分尾气从换热器进口阀门泄漏到止漏三通管中，因换热器止漏阀门关闭而换热器泄漏阀门打开，这部分尾气将通过换热器泄漏阀门排向大气中，从而有效避免了尾气向换热器中泄漏。

另外，各阀门可以通过联动机构，用电机带动实现由温度来控制尾气进入换热器的流量，从而实现换热量的自动控制。例如，所述换热器进口和出口阀门和换热器进口和出口止漏阀门、排气旁路上游和下游阀门和换热器进口和出口泄漏阀门由受温度传感器控制的电机来带动其开或关。

与现有技术相比较，本发明的利用柴油机尾气热量的换热装置及其阀门控制方法具有如下优点：

换热装置阀门具有优良的密封性，能保证在关闭尾气进入换热装置流道后，没有高温尾气进入换热器，从而有效避免换热装置内工质温度逐渐升高，或使以水-溴化锂为工质的制冷装置中的溴化锂结晶而堵塞管道，有效延长换热装置的使用寿命。

附图说明

图1是本发明利用柴油机尾气热量的换热装置的结构图；

图2是图1中换热器进口阀门的结构示意图，其中(a)示出了阀体24与阀板15的配置关系，(b)示出了阀板15如何被安装在阀体24上；

图3是图2的阀门装置中的密封环的结构图，其中(a)为整体结构图，(b)为截面图。

图4是图2的阀门装置中的阀板25的安装结构图；

图5是图1中换热器泄漏阀门的结构图；

图6是图5中的换热器泄漏阀门的阀体的结构图，其中(a)为垂直剖面图，(b)为立体图；

图7是图5中的换热器泄漏阀门的柱塞的结构图；

图8是图5中的换热器泄漏阀门的限漏盖的结构图；

图9是图1中的止漏三通管的结构图，其中(a)为垂直剖面图，(b)为立体图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明及其实施例作进一步的详细说明。

如图1所示的本发明利用柴油机尾气热量的换热装置的优选实施例，所述换热装置包括：热管换热器、换热器进气口11和出气口12、排气旁路管6、换热器上游三通管21和下游三通管22、换热器进口阀门31和出口阀门32、换热器进口止漏阀门51和出口止漏阀门52、换热器进口泄漏阀门41和出口泄漏阀门42、换热器进口止漏三通管71和出口止漏三通管72、排气旁路上游阀门81和下游阀门82；

所述换热器上游三通管21的总管接柴油机的排气总管9，换热器上游三通管21的进气支管、换热器进口阀门31、换热器进口止漏三通管71的进口支管、出口支管、换热器进口止漏阀门51、换热器进气口11依次连接，所述换热器出气口12、换热器出口止漏阀门52、换热器出口止漏三通管72的进口支管、出口支管、换热器出口阀门32、换热器下游三通管22的出气支管依次连接，所述换热器进口止漏三通管71的止漏管连接换热器进口泄漏阀门41，所述换热器出口止漏三通管72的止漏管连接换热器出口泄漏阀门42，由此形成柴油机尾气流经所述热管换热器的可控气流通道；

所述换热器上游三通管21的排气支管、排气旁路上游阀门81、排气旁路管6左端口依次连接，所述排气旁路管6右端口、排气旁路下游阀门82、换热器下游三通管22的排气支管依次连接，换热器下游三通管22的总管接消声器进口，由此形成无需提取热量时柴油机尾气的气流旁路通道。

所述换热器进口阀门31和出口阀门32、换热器进口止漏阀门51和出口止漏阀门52具有相同的结构且处于常闭状态，所述排气旁路上游阀门81和下游阀门82和换热器进口泄漏阀门41和出口泄漏阀门42具有相同的结构且处于常开状态。

所述换热器进口阀门31和出口阀门32、换热器进口止漏阀门51和出口止漏阀门52、换热器进口泄漏阀门41和出口泄漏阀门42、排气旁路上游阀门81和下游阀门82全部由受温度传感器控制的电机来带动其开或关以控制流入换热器中的尾气的流动方向和流量，从而实现换热量的自动控制。这些实现自动控制的元器件和电路属于现有成熟技术，因此本发明不再赘述。

由于所述换热器进口阀门31和出口阀门32、换热器进口止漏阀门51和出口止漏阀门52、排气旁路上游阀门81和下游阀门82具有相同的结构，我们以换热器进口阀门31为例说明其结构(见图2、图3和图4)，所述换热器进口阀门31包括：阀体24、密封环13和阀板15，所述密封环13被焊接在所述阀体24的内壁面，阀板15被安装在所述阀体24的内腔，所述阀板15的端面25与所述密封环13的进口面16构成密封副，所述阀体24的两端口外缘分别设有进口法兰141和出口法兰142。

所述阀体24优选地为圆环，阀体24与密封环13的中心线重合，在阀体24上开有安装阀板轴27的孔；所述密封环13设有气流进口面16、出口面19、进出口面过渡曲面18和进口面上的凹槽17(见图3)，所述进口面16和出口面19是直线或是曲线，所述过渡曲面18是圆弧面或曲面，所述凹槽17位于进口面16上并在阀板15关闭时被阀板15的端面25覆盖；所述阀板15的转轴安装座22高出阀板15平面一定距离，并距阀板15中心线23一定距离。

图5是所述换热器进口泄漏阀门41或换热器出口泄漏阀门42的结构示意图，所述泄漏阀门包括：阀体26和安装在阀体26内腔的柱塞27和限漏盖28，所述柱塞27在外部机构的作用下沿设置在阀体内壁面的滑轨30运动，当柱塞密封面32坐落在所述阀体26内壁密封面29上时，所述泄漏阀门41处于关闭状态，气体不能从换热器进口泄漏阀门41逸出，当柱塞密封面32离开密封面29，气体可从限漏盖28上的数个漏气孔38中逸出。

所述阀体26优选地为回转体，依次包括同一根中心线的中空的第一圆柱、圆锥、第二圆柱部分，第一圆柱的内壁37与圆锥小头的内壁35形成一个平面的密封面29，数条滑轨30平行于阀体26中心线，并焊接在阀体圆锥内壁面35与第二圆柱的内壁面36上(见图6)，滑轨30之间的距离与柱塞的柱塞头33相匹配；所述柱塞27由柱塞头33、密封面32、柱塞杆34构成(见图7)，所述柱塞头27为圆柱体，其直径与阀体26的滑轨30相匹配，所述密封面32为柱塞头底面上的一圆环凸起；所述限漏盖28由数个泄漏孔38、安装面39构成，泄漏孔38是位于限漏盖28上的通孔(见图8)，安装面39与阀体26上的内壁面36相匹配；所述换热器进口泄漏阀门41通过法兰31与止漏三通管的泄漏管相连接；限漏盖28和密封面29同时还可限制柱塞27沿阀体26轴线方向的运动，限漏盖28与阀体26之间用螺栓连接。

所述换热器进口止漏三通管71和出口止漏三通管72具有相同的结构，包括：管体70、进口支管73、出口支管74、止漏管75，所述进口支管73与出口支管74优选地为圆管，并且为一根圆管的两端，在其中部管壁上开有一个垂直于管壁的圆孔；所述止漏管75优选地为圆管，并焊接在进口支管73或出口支管74的外壁上，其中心线与进口支管73管壁上的圆孔中心线重合。

本发明利用柴油机尾气热量的换热装置的工作过程包括换热装置需要提取热量和换热装置不需要提取热量两个过程，分述如下：

当换热装置需要提取热量时，换热器进口阀门31和出口阀门32以及换热器进口止漏阀门51和出口止漏阀门52先同时打开，然后再同时关闭换热器进口泄漏阀门41和出口泄漏阀门42以及排气旁路上游阀门81和下游阀门82；此时，尾气从换热器上游三通管21进入换热器中进行热量置换，置换后的尾气经换热器下游三通管22进入消声器10后排入大气。

当换热装置不需要提取热量时，所述换热器进口泄漏阀门41和出口泄漏阀门42以及排气旁路上游阀门81和下游阀门82先同时打开，然后再同时关闭所述换热器进口阀门31和出口阀门32以及换热器进口止漏阀门51和出口止漏阀门52。此时尾气经排气旁路管6进入消声器10后排入大气，在此过程中，如果有一部分尾气从换热器进口阀门31(或换热器出口阀门32)泄漏到换热器进口止漏三通管71(或换热器出口止漏三通管72)，因换热器进口止漏阀门51(或换热器出口止漏阀门52)关闭而换热器进口泄漏阀门41(或换热器出口泄漏阀门42)打开，这部分尾气将通过换热器进口泄漏阀门41(或换热器出口泄漏阀门42)排向大气中，从而有效避免了尾气向换热器中泄漏。

无论是换热装置需要提取热量的过程或是换热装置不需要提取热量的过程，本发明装置都能确保尾气流动的连续性。

本领域普通技术人员还可以找到许多可替换的实施方案、结构变形，这些替换的实施例和结构变形均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用柴油机尾气热量的换热装置，包括：热管换热器、换热器进气口和出气口(11，12)、排气旁路管(6)、换热器上游和下游三通管(21，22)，其特征在于：还包括换热器进口和出口阀门(31，32)、换热器进口和出口止漏阀门(51，52)、换热器进口和出口泄漏阀门(41，42)、换热器进口和出口止漏三通管(71，72)、排气旁路上游和下游阀门(81，82)；

所述换热器上游三通管(21)的进气支管、换热器进口阀门(31)、换热器进口止漏三通管(71)的进口支管、出口支管、换热器进口止漏阀门(51)、换热器进气口(11)依次连接，所述换热器出气口(12)、换热器出口止漏阀门(52)、换热器出口止漏三通管(72)的进口支管、出口支管、换热器出口阀门(32)、换热器下游三通管(22)的出气支管依次连接，所述换热器进口止漏三通管(71)的止漏管连接换热器进口泄漏阀门(41)，所述换热器出口止漏三通管(72)的止漏管连接换热器出口泄漏阀门(42)，由此形成柴油机尾气流经所述热管换热器的可控气流通道；

所述换热器上游三通管(21)的排气支管、排气旁路上游阀门(81)、排气旁路管(6)左端口依次连接，所述排气旁路管(6)右端口、排气旁路下游阀门(82)、换热器下游三通管(22)的排气支管依次连接，由此形成无需提取热量时柴油机尾气的气流旁路通道。

2.根据权利要求1所述的利用柴油机尾气热量的换热装置，其特征在于：所述换热器进口和出口阀门(31，32)、换热器进口和出口止漏阀门(51，52)和具有相同的结构且处于常闭状态，所述排气旁路上游和下游阀门(81，82)和换热器进口和出口泄漏阀门(41，42)具有相同的结构且处于常开状态。

3.根据权利要求1或2所述的利用柴油机尾气热量的换热装置，其特征在于：所述换热器进口和出口阀门(31，32)、换热器进口和出口止漏阀门(51，52)、排气旁路上游和下游阀门(81，82)和换热器进口和出口泄漏阀门(41，42)由受温度传感器控制的电机来带动其开或关。

4.根据权利要求2所述的利用柴油机尾气热量的换热装置，其特征在于：所述换热器进口阀门(31)包括：阀体(24)、密封环(13)和阀板(15)，所述密封环(13)被焊接在所述阀体(24)的内壁面，阀板(15)被安装在所述阀体(24)的内腔，所述阀板(15)的端面(25)与所述密封环(13)的进口面(16)构成密封副，所述阀体(24)的两端口外缘分别设有进口法兰(141)和出口法兰(142)。

5.根据权利要求4所述的利用柴油机尾气热量的换热装置，其特征在于：所述阀体(24)为圆环，阀体(24)与密封环(13)的中心线重合，在阀体(24)上开有安装阀板轴(27)的孔；所述密封环(13)设有气流进口面(16)、出口面(19)、进出口面过渡曲面(18)和进口面上的凹槽(17)、所述进口面(16)和出口面(19)是直线或是曲线，所述过渡曲面(18)是圆弧面，所述凹槽(17)位于进口面(16)上并在阀板(15)关闭时被阀板(15)的端面(25)覆盖；所述阀板(15)的转轴安装座(22)高出阀板(15)平面一定距离，并距阀板(15)中心线(23)一定距离。

6.根据权利要求2所述的利用柴油机尾气热量的换热装置，其特征在于：所述换热器进口泄漏阀门(41)包括：阀体(26)和安装在阀体(26)内腔的柱塞(27)和限漏盖(28)，所述柱塞(27)在外部机构的作用下沿设置在阀体内壁面的滑轨(30)运动，当柱塞密封面(32)坐落在所述阀体(26)内壁密封面(29)上时，所述泄漏阀门(41)当其处于关闭状态时，气体不能从换热器进口泄漏阀门(41)逸出，当柱塞密封面(32)离开密封面(29)，气体可从限漏盖(28)上的数个漏气孔(38)中逸出。

7.根据权利要求6所述的利用柴油机尾气热量的换热装置，其特征在于：所述阀体(26)为回转体，依次包括同一根中心线的中空的第一圆柱、圆锥、第二圆柱部分，第一圆柱的内壁(37)与圆锥小头的内壁(35)形成一个平面的密封面(29)，数条滑轨(30)平行于阀体(26)中心线，并焊接在阀体圆锥内壁面(35)与第二圆柱的内壁面(36)上，滑轨(30)之间的距离与柱塞的柱塞头(33)相匹配；所述柱塞(27)由柱塞头(33)、密封面(32)、柱塞杆(34)构成，所述柱塞头(27)为圆柱体，其直径与阀体(26)的滑轨(30)相匹配，所述密封面(32)为柱塞头底面上的一圆环凸起；所述限漏盖(28)由数个泄漏孔(38)、安装面(39)构成，泄漏孔(38)是位于限漏盖(28)上的通孔，安装面(39)与阀体(26)上的内壁面(36)相匹配；所述换热器进口泄漏阀门(41)通过法兰(31)与止漏三通管的泄漏管相连接；限漏盖(28)和密封面(29)同时还可限制柱塞(27)沿阀体(26)轴线方向的运动，限漏盖(28)与阀体(26)之间用螺栓连接。

8.根据权利要求2所述的利用柴油机尾气热量的换热装置，其特征在于：所述换热器进口和出口止漏三通管(71，72)具有相同的结构，包括：管体(70)、进口支管(73)、出口支管(74)、止漏管(75)，所述进口支管(73)与出口支管(74)优选地为圆管，并且为一根圆管的两端，在其中部管壁上开有一个垂直于管壁的圆孔；所述止漏管(75)优选地为圆管，并焊接在进口支管(73)或出口支管(74)的外壁上，其中心线与进口支管(73)管壁上的圆孔中心线重合。

9.一种利用柴油机尾气热量的换热装置的阀门控制方法，包括换热装置需要提取热量和换热装置不需要提取热量两个过程，其特征在于：

当换热装置需要提取热量时，换热器进口和出口阀门(31，32)和换热器进口和出口止漏阀门(51，52)先同时打开，然后再同时关闭换热器进口和出口泄漏阀门(41，42)和排气旁路上游和下游阀门(81，82)；

当换热装置不需要提取热量时，所述换热器进口和出口泄漏阀门(41，42)和排气旁路上游和下游阀门(81，82)先同时打开，然后再同时关闭所述换热器进口和出口阀门(31，32)和换热器进口和出口止漏阀门(51，52)。

10.根据权利要求9所述的利用柴油机尾气热量的换热装置的阀门控制方法，其特征在于：所述换热器进口和出口阀门(31，32)、换热器进口和出口止漏阀门(51，52)、排气旁路上游和下游阀门(81，82)和换热器进口和出口泄漏阀门(41，42)由受温度传感器控制的电机来带动其开或关。

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