CN110552822A - 用于天然气发动机废气-燃料重整气的冷凝器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于天然气发动机废气‑燃料重整气的冷凝器及控制方法，包括冷凝器壳体及混合气U型管道，混合气U型管道一侧混合气进气管的入口端设置有混合气入口温度检测器，混合气U型管道另一侧混合气出气管的出口端设置有混合气出口温度检测器，混合气U型管道的底端与竖直布置的排水管道连接并连通，排水管道的排水口端设置有锥形塞，锥形塞的下表面连有弹簧；第一冷却水入口管道内设置有冷却水入口温度检测器和冷却水流量控制阀，冷却水出口管道设置有冷却水出口温度检测器。能够自动排出从混合气中冷凝出的水，能够根据混合气的温度和流量自动调节进口处冷却水的流量，保证混合气中的水蒸气全部冷凝排出以及冷凝后混合气温度保持不变。

Description

用于天然气发动机废气-燃料重整气的冷凝器及控制方法

技术领域

本发明涉及换热器技术领域，具体涉及一种用于天然气发动机废气-燃料重整气的冷凝器及控制方法。

背景技术

采用废气-燃料重整再循环技术的天然气发动机，其部分尾气与燃料在重整器中混合反应后得到的重整气中含有水蒸气，且在发动机的不同工况下，发生重整反应后所得到的重整气中水蒸气的含量不同，重整气的温度也不同。而水蒸气进入发动机气缸会影响燃料的燃烧，同时冷却后的重整气温度需维持在某一恒定值附近，保证重整气进入发动机气缸后高效燃烧，因此需要采用适当的方法除去重整气中的水蒸气并控制出口处重整气温度保持稳定。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种既能自动排出从混合气中冷凝出的水又能够根据混合气的温度和流量自动调节进口处冷却水流量的用于天然气发动机废气-燃料重整气的冷凝器及控制方法。

为实现上述目的，本发明所设计的用于天然气发动机废气-燃料重整气的冷凝器，包括冷凝器壳体及竖直设置在所述冷凝器壳体中的混合气U型管道，所述混合气U型管道的一侧支管与混合气进气管连接且连通，所述混合气U型管道的另一侧支管与混合气出气管连接且连通，所述混合气U型管道的底端与竖直布置的排水管道连接并连通；所述混合气进气管穿过冷凝器壳体上方的一侧混合气入口，且混合气进气管的入口端设置有混合气入口温度检测器，所述混合气出气管穿过冷凝器壳体上方的另一侧混合气出口，且混合气出气管的出口端设置有混合气出口温度检测器，所述排水管道穿过冷凝器壳体下端的排水口且排水管道的排水口端设置有锥形塞，同时，所述锥形塞的下表面连有弹簧；所述冷凝器壳体的下方至少一侧布置有第一冷却水入口管道，所述第一冷却水入口管道内设置有第一冷却水入口温度检测器和第一冷却水流量控制阀，所述冷凝器壳体的上端冷却水出口管道设置有冷却水出口温度检测器。

进一步地，所述弹簧的预紧力F_弹＝Mx，M为弹簧弹性模量，x为弹簧被压缩的长度，所述弹簧的预紧力F_弹等于冷凝水压力与混合气背压的合力，即弹簧的弹性模量其中ρ_水为冷却水的密度，g为当地重力加速度，h为排水管道中存储的水的高度，P_背为混合器U型管道中混合气的背压，d₂为排水管道直径，且d₂≥混合气U型管道的内径d₁。

进一步地，所述冷凝器壳体为圆柱体，端面圆内径为D；所述混合气U型管道支管的竖直长度为D的1～1.2倍，所述混合气U型管道的支管外侧面到冷凝器壳体内壁之间的垂直距离为0.2D；所述排水管道的长度为D的0.6～1倍；所述锥形塞的锥角为30°～60°。

进一步地，所述冷凝器壳体的下方另一侧布置有第二冷却水入口管道，所述第二冷却水入口管道内由外向内依次设置有第二冷却水入口温度检测器和第二冷却水流量控制阀。

还提供一种如上述所述用于天然气发动机废气-燃料重整气的冷凝器的控制方法，控制方法如下：

Φ_气为混合气冷凝至出口设定温度范围值所需的热流量，Φ_水为冷却水所提供的热流量；

当Φ_水＝Φ_气时，满足冷凝条件，此时混合气出口温度t_g2稳定在设定温度范围值。若混合气入口温度t_g1升高，要继续维持混合气出口温度t_g2保持在设定温度范围值，根据公式(1)计算出此时需求的Φ_气1；此时由于Φ_水不变，混合气出口温度t_g2升高，当混合气出口温度t_g2达到设定温度范围值的上限温度值t_g2h时，冷却水流量控制阀调大阀门，使Φ_水值达到此时的Φ_气1，通过公式(2)计算出所需冷却水的体积流量q_v1，再根据公式(3)算出此时冷却水流量控制阀的开度β；

当混合气入口温度t_g1降低时，要继续维持混合气出口温度t_g2保持在设定温度范围值，根据公式(1)计算出此时需求的Φ_气2；此时由于Φ_水不变，混合气出口温度t_g2降低，当混合气出口温度t_g2达到设定温度范围值的下限温度值t_g21时，冷却水流量控制阀调小阀门，使Φ_水值达到此时的Φ_气2，通过公式(2)计算出所需冷却水的体积流量q_v1，再根据公式(3)算出此时冷却水流量控制阀的开度β；

Φ_气＝αq_gc₁(t_g1-100)+αq_gQ_g+αq_gc₂(100-t_g2)+(1-α)q_gc₃(t_g1-t_g2) (1)

Φ_水＝c₄q_v1ρ_水(t_l2-t_l1) (2)

其中，α为混合气中水蒸气占比，q_g为混合气质量流量，c₁为水蒸气在温度为时的定压比热，t_g1为混合气入口温度，Q_g为水蒸气汽化潜热，c₂为水在温度为时的比热，t_g2为混合气出口温度，c₃为混合气在温度为时的定压比热，c₄为冷却水比热，q_v1为所需冷却水体积流量，ρ_水为冷却水密度，t_l2为冷却水出口温度，t_l1为冷却水入口温度，β为冷却水流量控制阀的阀门开度，β＝90度时，阀门状态为全关；β＝0度时，阀门状态为全开，q_v2为外部所提供的冷却水流量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明用于天然气发动机废气-燃料重整气的冷凝器能够自动排出从混合气中冷凝出的水，能够根据混合气的温度和流量自动调节进口处冷却水的流量，从而保证混合气中的水蒸气全部冷凝排出以及冷凝后的混合气温度保持不变。

附图说明

图1为本发明用于天然气发动机废气-燃料重整气的冷凝器流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示用于天然气发动机废气-燃料重整气的冷凝器，包括冷凝器壳体1及竖直设置在冷凝器壳体1中的混合气U型管道9，混合气U型管道9的一侧支管20与混合气进气管5垂直连接且连通，混合气U型管道9的另一侧支管20与混合气出气管18垂直连接且连通，混合气U型管道9的底端与竖直布置的排水管道10连接并连通；混合气进气管5穿过冷凝器壳体1上方的一侧混合气入口，且混合气进气管5的入口端设置有混合气入口温度检测器4，混合气出气管18穿过冷凝器壳体1上方的另一侧混合气出口，且混合气出气管18的出口端设置有混合气出口温度检测器19，排水管道10穿过冷凝器壳体1下端的排水口且排水管道10的排水口端设置有锥形塞11，同时，锥形塞11的下表面连有弹簧12；另外，冷凝器壳体1的下方一侧的第一冷却水入口管道15内由外向内依次设置有第一冷却水入口温度检测器2和第一冷却水流量控制阀7，相对应地，冷凝器壳体1的下方另一侧的第二冷却水入口管道16内由外向内依次设置有第二冷却水入口温度检测器3和第二冷却水流量控制阀8，同时，冷凝器壳体1的上端冷却水出口管道17设置有冷却水出口温度检测器6。

混合气进气管通过第一法兰13与废气-燃料重整器出口相连，混合气出气管通过第二法兰14与发动机气缸管道相连。冷却水通过第一冷却水入口管道15和第二冷却水入口管道16进入到冷凝器壳体1中，与冷凝器壳体1内的混合气U型管道9进行热交换，随后从冷却水出口管道17流出冷凝器。从废气-燃料重整器中产生的混合气通过混合气进气管进入混合气U型管道9内，与混合气U型管道9外的冷却水进行热交换，当混合气从混合气U型管道9的混合气出气管流出时，混合气中的水蒸气全部被冷凝在混合气U型管道9内，冷凝水在自身重力作用和混合气U型管道9内混合气流动的作用下将汇集在混合气U型管道9的底部，进而被储存在排水管道10中。

与锥形塞11相连的弹簧12有一定的预紧力，能够承受混合气U型管道9中混合气的背压与排水管道10中储存的水的压力；通过设置合适的弹簧预紧力可使排水管道10中储存适量的水，从而保证装置的密封性。随着排水管道10中储存的水逐渐增多，弹簧12承受的压力逐渐增大，当混合气的背压与排水管道10中冷凝水压力的合力大于弹簧预紧力时，锥形塞11下移排水；当混合气的背压与冷凝水压力的合力小于弹簧预紧力时，锥形塞11上移密封。

本实施例中，冷凝器壳体1为圆柱体，端面圆内径为D；混合气U型管道的内径为d₁，且混合气U型管道支管的竖直长度为D的1～1.2倍，混合气U型管道的支管外侧面到冷凝器壳体内壁之间的垂直距离为0.2D；排水管道直径d₂≥d₁，排水管道的长度为D的0.6～1倍；锥形塞的锥角为30°～60°(优选60°)，弹簧12的形变量较小(在1～5mm之间)，弹簧设有预紧力F_弹＝Mx，其中，M为弹簧弹性模量，x为弹簧被压缩的长度，该弹簧的预紧力F_弹能够承受冷凝水压力与混合气背压的合力，因此，弹簧的弹性模量其中ρ_水为冷却水的密度，g为当地重力加速度，h为排水管道中存储的水的高度，P_背为混合器U型管道中混合气的背压。

第一冷却水温度检测器2、第二冷却水温度检测器3检测冷却水进口温度，混合气入口温度检测器4检测混合气入口温度，混合气出口温度检测器19检测混合气出口温度，冷却水出口温度检测器6检测冷却水出口温度。当天然气发动机工况改变时，废气-燃料重整器产生的混合气的温度也会随之改变，此时，若冷却水流量不变，则混合气出口温度检测器19的温度会发生变化；混合气出口温度检测器19将混合气出口处的温度信号以电信号的形式传到第一冷却水流量控制阀7和第二冷却水流量控制阀8，当混合气温度上升到设定温度范围值(上限温度值)时，第一冷却水流量控制阀7和第二冷却水流量控制阀8增加冷却水的流量；当混合气温度下降到设定温度范围值(下限温度值)时，第一冷却水流量控制阀7和第二冷却水流量控制阀8随之减少冷却水的流量。本实施例中，第一冷却水温度检测器2、第二冷却水温度检测器3、混合气入口温度检测器4、混合气出口温度检测器19及冷却水出口温度检测器6均采用的是E型热电偶测温，能够将温度信号转化为电信号；第一冷却水流量控制阀7和第二冷却水流量控制阀8均采用电动蝶阀，用于控制冷却水流量。混合气出口温度检测器19将温度信号转化为电信号传输到电动蝶阀，当混合气出口温度变化超过设定值时，电动蝶阀根据温度的高低，控制电动蝶阀调大或调小阀门开度，从而控制冷却水流量。用于天然气发动机废气-燃料重整气的冷凝器控制方法如下：

Φ_气＝αq_gc₁(t_g1-100)+αq_gQ_g+αq_gc₂(100-t_g2)+(1-α)q_gc₃(t_g1-t_g2) (1)

Φ_水＝c₄q_v1ρ_水(t_l2-t_l1) (2)

其中，Φ_气为混合气冷凝至出口设定温度范围值所需的热流量，α为混合气中水蒸气占比，q_g为混合气质量流量，c₁为水蒸气在温度为时的定压比热，t_g1为混合气入口温度，Q_g为水蒸气汽化潜热，c₂为水在温度为时的比热，t_g2为混合气出口温度，c₃为混合气在温度为时的定压比热，Φ_水为冷却水所提供的热流量，c₄为冷却水比热，q_v1为所需冷却水体积流量，ρ_水为冷却水密度，t_l2为冷却水出口温度，t_l1为冷却水入口温度，β为电动蝶阀的阀门开度(β＝90度时，阀门状态为全关；β＝0度时，阀门状态为全开)，q_v2为外部所提供的冷却水流量。

当Φ_水＝Φ_气时，满足冷凝条件，此时混合气出口温度t_g2稳定在设定温度范围值。若混合气入口温度t_g1升高，要继续维持混合气出口温度t_g2保持在设定温度范围值，根据公式(1)计算出此时需求的Φ_气1；此时由于Φ_水不变，混合气出口温度t_g2升高，当混合气出口温度t_g2达到设定温度范围值的上限温度值t_g2h时，电动蝶阀调大阀门，使Φ_水值达到此时的Φ_气1，通过公式(2)计算出所需冷却水的体积流量q_v1，再根据公式(3)算出此时电动蝶阀的开度β。混合气入口温度t_g1降低时，通过相同的过程可计算出设定温度范围值的下限温度值t_g2l所对应的电动蝶阀开度，具体为要继续维持混合气出口温度t_g2保持在设定温度范围值，根据公式(1)计算出此时需求的Φ_气2；此时由于Φ_水不变，混合气出口温度t_g2降低，当混合气出口温度t_g2达到设定温度范围值的下限温度值t_g21时，电动蝶阀调小阀门，使Φ_水值达到此时的Φ_气2，通过公式(2)计算出所需冷却水的体积流量q_v1，再根据公式(3)算出此时电动蝶阀的开度β。

当t_g2在设定温度范围值内时，电动蝶阀不动作，阀门开度保持不变；当t_g2达到设定温度范围值的上限温度值t_g2h时，电动蝶阀将调大至对应的阀门开度；当t_g2降低至设定温度范围值的下限温度值t_g2l时，电动蝶调小至对应的阀门开度。

综上所述，本发明用于天然气发动机废气-燃料重整气的冷凝器能够自动排出从混合气中冷凝出的水，能够根据混合气的温度和流量自动调节进口处冷却水的流量，从而保证混合气中的水蒸气全部冷凝排出以及冷凝后的混合气温度保持不变。

Claims (5)

1.一种用于天然气发动机废气-燃料重整气的冷凝器，其特征在于：包括冷凝器壳体(1)及竖直设置在所述冷凝器壳体(1)中的混合气U型管道(9)，所述混合气U型管道(9)的一侧支管(20)与混合气进气管(5)连接且连通，所述混合气U型管道(9)的另一侧支管(20)与混合气出气管(18)连接且连通，所述混合气U型管道(9)的底端与竖直布置的排水管道(10)连接并连通；所述混合气进气管(5)穿过冷凝器壳体(1)上方的一侧混合气入口，且混合气进气管(5)的入口端设置有混合气入口温度检测器(4)，所述混合气出气管(18)穿过冷凝器壳体(1)上方的另一侧混合气出口，且混合气出气管(18)的出口端设置有混合气出口温度检测器(19)，所述排水管道(10)穿过冷凝器壳体(1)下端的排水口且排水管道(10)的排水口端设置有锥形塞(11)，同时，所述锥形塞(11)的下表面连有弹簧(12)；所述冷凝器壳体(1)的下方至少一侧布置有第一冷却水入口管道(15)，所述第一冷却水入口管道内设置有第一冷却水入口温度检测器(2)和第一冷却水流量控制阀(7)，所述冷凝器壳体(1)的上端冷却水出口管道(17)设置有冷却水出口温度检测器(6)。

2.根据权利要求1所述用于天然气发动机废气-燃料重整气的冷凝器，其特征在于：所述弹簧的预紧力F_弹＝Mx，M为弹簧弹性模量，x为弹簧被压缩的长度，所述弹簧的预紧力F_弹等于冷凝水压力与混合气背压的合力，即弹簧的弹性模量其中ρ_水为冷却水的密度，g为当地重力加速度，h为排水管道中存储的水的高度，P_背为混合器U型管道中混合气的背压，d₂为排水管道直径，且d₂≥混合气U型管道的内径d₁。

3.根据权利要求1所述用于天然气发动机废气-燃料重整气的冷凝器，其特征在于：所述冷凝器壳体(1)为圆柱体，端面圆内径为D；所述混合气U型管道支管的竖直长度为D的1～1.2倍，所述混合气U型管道的支管外侧面到冷凝器壳体内壁之间的垂直距离为0.2D；所述排水管道的长度为D的0.6～1倍；所述锥形塞的锥角为30°～60°。

4.根据权利要求1所述用于天然气发动机废气-燃料重整气的冷凝器，其特征在于：所述冷凝器壳体(1)的下方另一侧布置有第二冷却水入口管道(16)，所述第二冷却水入口管道(16)内由外向内依次设置有第二冷却水入口温度检测器(3)和第二冷却水流量控制阀(8)。

5.一种如权1所述用于天然气发动机废气-燃料重整气的冷凝器的控制方法，其特征在于：所述控制方法如下：

Φ_气为混合气冷凝至出口设定温度范围值所需的热流量，Φ_水为冷却水所提供的热流量；

当Φ_水＝Φ_气时，满足冷凝条件，此时混合气出口温度t_g2稳定在设定温度范围值。若混合气入口温度t_g1升高，要继续维持混合气出口温度t_g2保持在设定温度范围值，根据公式(1)计算出此时需求的Φ_气1；此时由于Φ_水不变，混合气出口温度t_g2升高，当混合气出口温度t_g2达到设定温度范围值的上限温度值t_g2h时，冷却水流量控制阀调大阀门，使Φ_水值达到此时的Φ_气1，通过公式(2)计算出所需冷却水的体积流量q_v1，再根据公式(3)算出此时冷却水流量控制阀的开度β；

当混合气入口温度t_g1降低时，要继续维持混合气出口温度t_g2保持在设定温度范围值，根据公式(1)计算出此时需求的Φ_气2；此时由于Φ_水不变，混合气出口温度t_g2降低，当混合气出口温度t_g2达到设定温度范围值的下限温度值t_g21时，冷却水流量控制阀调小阀门，使Φ_水值达到此时的Φ_气2，通过公式(2)计算出所需冷却水的体积流量q_v1，再根据公式(3)算出此时冷却水流量控制阀的开度β；

Φ_气＝αq_gc₁(t_g1-100)+αq_gQ_g+αq_gc₂(100-t_g2)+(1-α)q_gc₃(t_g1-t_g2) (1)

Φ_水＝c₄q_v1ρ_水(t_l2-t_l1) (2)

其中，α为混合气中水蒸气占比，q_g为混合气质量流量，c₁为水蒸气在温度为时的定压比热，t_g1为混合气入口温度，Q_g为水蒸气汽化潜热，c₂为水在温度为时的比热，t_g2为混合气出口温度，c₃为混合气在温度为时的定压比热，c₄为冷却水比热，q_v1为所需冷却水体积流量，ρ_水为冷却水密度，t_l2为冷却水出口温度，t_l1为冷却水入口温度，β为冷却水流量控制阀的阀门开度，β＝90度时，阀门状态为全关；β＝0度时，阀门状态为全开，q_v2为外部所提供的冷却水流量。