本發(fā)明屬于余熱利用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種渦旋永磁膨脹機及利用該膨脹機的余熱回收發(fā)電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

利用有機朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle,以下簡稱ORC)發(fā)電能夠高效、環(huán)保地將低品位能源轉(zhuǎn)化為高品位電能，膨脹部件的研究則是ORC研究關(guān)鍵所在。渦旋膨脹機是一種結(jié)構(gòu)緊湊、價格低廉的膨脹機械，由于其潛在的優(yōu)越性能使得許多研究者選擇其作為小型ORC系統(tǒng)的膨脹部件。

目前，全封閉渦旋永磁膨脹機的開發(fā)存在發(fā)電效率和熱效率差的問題，發(fā)電效率差主要是由于小型渦旋膨脹機常用永磁發(fā)電機在熱源變高或負載變低的過程中會產(chǎn)生更多的損耗和熱量，使發(fā)電機工作溫度升高并超過正常的使用溫度范圍造成的，長時間運轉(zhuǎn)也會加速退磁現(xiàn)象。同時這部分損耗和熱量也會跟隨膨脹機排氣進入ORC系統(tǒng)，增加了排氣過熱度和冷凝器負荷，從而影響了系統(tǒng)的熱效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種能夠?qū)ε蛎洐C的發(fā)電機進行降溫的渦旋永磁膨脹機及利用該膨脹機的余熱回收發(fā)電系統(tǒng)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案：一種渦旋永磁膨脹機，包括機殼內(nèi)設(shè)置的動渦旋盤、靜渦旋盤、偏心軸和發(fā)電機，所述動渦旋盤和靜渦旋盤相互扣合，且動渦旋盤通過偏心軸與發(fā)電機主軸相連，使動渦旋盤能夠繞靜渦旋盤中心公轉(zhuǎn)，所述動渦旋盤上還設(shè)有用于防止動渦旋盤自轉(zhuǎn)的限位裝置；所述靜渦旋盤中心與進氣口連通，進氣口充入的高壓有機工質(zhì)氣體能夠從靜渦旋盤中心沿螺旋路徑向外膨脹，并推動動渦旋盤公轉(zhuǎn)，動渦旋盤通過偏心軸帶動發(fā)電機主軸旋轉(zhuǎn)；膨脹氣體從機殼上開設(shè)有排氣口排出，所述機殼上與發(fā)電機對應(yīng)位置處還設(shè)有有機工質(zhì)噴液口。

進一步的，所述發(fā)電機的定子外環(huán)面上設(shè)有一套筒，所述套筒與機殼之間間隔設(shè)置，形成一環(huán)形氣流通道，動、靜渦旋盤之間排出的膨脹氣體經(jīng)該氣流通道連通至所述排氣口，所述有機工質(zhì)噴液口設(shè)置于該氣流通道上，并正對發(fā)電機定子外環(huán)面設(shè)置。

優(yōu)選的，所述限位裝置包括一圓環(huán)，所述圓環(huán)的兩側(cè)端面上各設(shè)有兩個關(guān)于圓環(huán)中心對稱的凸塊，且圓環(huán)兩側(cè)的凸塊沿相互垂直的兩條直徑方向布置，其中一側(cè)的凸塊與動渦旋盤上開設(shè)的徑向滑槽滑動配合，另一側(cè)的凸塊與機殼上設(shè)置的徑向滑槽構(gòu)成滑動配合，且動渦旋盤上的徑向滑槽與機殼上的徑向滑槽相互垂直，使圓環(huán)與兩條徑向滑槽構(gòu)成十字滑軌機構(gòu)。

優(yōu)選的，所述排氣口開設(shè)于殼體環(huán)面上遠離動、靜渦旋盤的一端，所述排氣口內(nèi)側(cè)設(shè)有一緩沖板，所述緩沖板正對排氣口并與排氣口內(nèi)端孔口間隔設(shè)置，所述緩沖板通過支腿固定在殼體內(nèi)環(huán)面上。

一種利用前述渦旋永磁膨脹機的余熱回收發(fā)電系統(tǒng)，包括冷凝器、工質(zhì)泵、蒸發(fā)器以及所述的渦旋永磁膨脹機，所述蒸發(fā)器的出口端通過管路依次與渦旋永磁膨脹機、冷凝器及工質(zhì)泵連接，并通過工質(zhì)泵返回連接至蒸發(fā)器的進口端，構(gòu)成有機朗肯循環(huán)回路，所述有機朗肯循環(huán)回路中在工質(zhì)泵與蒸發(fā)器之間的管路上設(shè)有一支管，該支管作為噴液管路；所述噴液管路與所述渦旋永磁膨脹機的有機工質(zhì)噴液口連通。

優(yōu)選的，所述噴液管路上還設(shè)有噴液電磁閥，在渦旋永磁膨脹機內(nèi)部增設(shè)有用于反饋發(fā)電機溫度信號的溫度傳感器；該余熱回收發(fā)電系統(tǒng)還包括與溫度傳感器、噴液電磁閥電連接的控制系統(tǒng)。

進一步的，當(dāng)發(fā)電機溫度高于設(shè)定的噴液溫度時，噴液電磁閥開啟，噴液管路與渦旋永磁膨脹機連通，開始朝發(fā)電機區(qū)域噴液冷卻；當(dāng)發(fā)電機區(qū)域溫度降到設(shè)定關(guān)閉溫度后，噴液電磁閥關(guān)閉，停止噴液冷卻。

進一步的，在噴液管路上還設(shè)有與噴液電磁閥順次連接的電子膨脹閥；所述電子膨脹閥與控制系統(tǒng)電連接。

進一步的，當(dāng)發(fā)電機溫度高于設(shè)定的噴液溫度時，系統(tǒng)控制噴液電磁閥開啟并增加電子膨脹閥開度，噴液管路與渦旋永磁膨脹機連通，開始朝發(fā)電機區(qū)域噴液冷卻；隨著溫度傳感器的信號變化系統(tǒng)控制調(diào)整電子膨脹閥的開度，將發(fā)電機溫度穩(wěn)定在設(shè)定值。

本發(fā)明的有益效果在于：

1)、本發(fā)明在傳統(tǒng)渦旋式膨脹機的機體上加設(shè)有機工質(zhì)噴液口，利用噴液口兩端的巨大壓差形成有機工質(zhì)閃蒸，降低膨脹機發(fā)電機溫度，移除發(fā)電機由于鐵耗、銅耗等造成的生產(chǎn)熱，將發(fā)電機的工作溫度維持在合理的范圍內(nèi)，使有機工質(zhì)的膨脹過程達到和等熵膨脹過程相近的效果，為提高膨脹機的性能提供有效的保證。

2)、經(jīng)過膨脹機構(gòu)膨脹后的氣體從環(huán)形通道內(nèi)經(jīng)過，與用于噴液冷卻發(fā)電機的有機工質(zhì)混合，能夠有效降低膨脹機的出口過熱度。

3)、動渦旋盤相當(dāng)于設(shè)置在一個十字滑軌上，使其公轉(zhuǎn)過程中不會產(chǎn)生自傳，確保動渦旋盤能夠在靜渦旋盤內(nèi)正常運轉(zhuǎn)。

4)、緩沖板能夠防止有機工質(zhì)閃蒸后直接排除，確保有機工質(zhì)與膨脹氣體充分混合，提高冷卻效率。

5)、本發(fā)明增設(shè)噴液管道后，通過將工質(zhì)泵出口的高壓低溫有機工質(zhì)部分旁通至膨脹機的噴液冷卻工藝接口，這部分工質(zhì)在進入發(fā)電機區(qū)域后會迅速降壓和蒸發(fā)，冷卻發(fā)電機并且混合排氣降低膨脹機的出口過熱度，使有機工質(zhì)的膨脹過程達到和等熵膨脹過程相近的效果，為提高膨脹機的性能提供有效的保證。

如果在噴液管道中增設(shè)電子膨脹閥，通過噴液管路引入經(jīng)冷凝器冷凝并通過工質(zhì)泵增壓的高壓低溫有機工質(zhì)、經(jīng)電子膨脹閥節(jié)流降壓形成氣液兩相混合態(tài)低溫工質(zhì)再進入膨脹機腔體后會迅速蒸發(fā)和換熱，將發(fā)電機由于損耗形成的熱量帶走，經(jīng)噴液管路進入膨脹機的有機工質(zhì)會和正常經(jīng)過蒸發(fā)器升壓升溫并且通過膨脹機膨脹機構(gòu)做功并排出的有機工質(zhì)混合，降低這部分有機工質(zhì)由于非等熵膨脹形成的較大的過熱度，混合后的有機工質(zhì)通過膨脹機排氣管路進入冷凝器、工質(zhì)泵進行冷卻和升壓，完成整個循環(huán)，可有效提升膨脹機的性能和可靠性。

6)、本發(fā)明在傳統(tǒng)的ORC系統(tǒng)中增設(shè)噴液管路，利用噴液管路兩端的巨大壓差形成有機工質(zhì)閃蒸，移除發(fā)電機由于鐵耗、銅耗等造成的生產(chǎn)熱，降低發(fā)電機的溫度，將發(fā)電機的工作溫度維持在合理的范圍內(nèi)，避免產(chǎn)生更多的損耗。

7)、本發(fā)明在傳統(tǒng)的ORC系統(tǒng)中增設(shè)噴液管路，利用噴液管路兩端的巨大壓差形成有機工質(zhì)閃蒸，降低膨脹機排氣的過熱度，移除由于膨脹機構(gòu)運動和摩擦造成的生產(chǎn)熱，迫使膨脹機工作過程向等熵方式轉(zhuǎn)變，使膨脹機達到與等熵膨脹過程相近的效果，為提高膨脹機的性能提供有效的保證。

8)、本發(fā)明在傳統(tǒng)的ORC系統(tǒng)中增設(shè)膨脹機發(fā)電機溫度傳感器用于反饋發(fā)電機溫度，溫度反饋信號、電磁閥動作信號和電子膨脹閥控制信號可以由ORC控制系統(tǒng)處理，也可以由膨脹機本身控制模塊處理，可以實時監(jiān)控發(fā)電機的溫度變化，降低發(fā)電機的溫度、排氣的過熱度和ORC系統(tǒng)冷凝器的負荷，從而有效地提升了膨脹機的性能，同時降低了對ORC系統(tǒng)熱效率的影響。

9)、本發(fā)明電子膨脹閥配合噴液電磁閥的設(shè)置，使得當(dāng)發(fā)電機溫度高于設(shè)定的噴液溫度時，系統(tǒng)控制噴液電磁閥開啟并增加電子膨脹閥開度，噴液管路與膨脹機連通，開始朝發(fā)電機區(qū)域補充有機工質(zhì)冷卻，發(fā)電機溫度也隨之下降，根據(jù)發(fā)電機溫度傳感器的信號反饋至控制系統(tǒng)，從而對電子膨脹閥的開度進行調(diào)整以調(diào)節(jié)噴液量使發(fā)電機溫度穩(wěn)定在設(shè)定值。避免了噴液電磁閥的來回開啟關(guān)閉過程，只需通過對電子膨脹閥開度的實時反饋調(diào)整即可方便的將發(fā)電機的溫度穩(wěn)定在設(shè)定值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的渦旋永磁膨脹機的主視圖；

圖2是本發(fā)明的渦旋永磁膨脹機的側(cè)視圖；

圖3是圖2的A-A剖視圖；

圖4、5是本發(fā)明的系統(tǒng)原理圖。

具體實施方式

下述實施例是對于本發(fā)明內(nèi)容的進一步說明以作為對本發(fā)明技術(shù)內(nèi)容的闡釋，但本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容并不僅限于下述實施例所述，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以且應(yīng)當(dāng)知曉任何基于本發(fā)明實質(zhì)精神的簡單變化或替換均應(yīng)屬于本發(fā)明所要求的保護范圍。

實施例1

如圖1、2、3所示，一種渦旋永磁膨脹機，包括機殼101內(nèi)設(shè)置的動渦旋盤102、靜渦旋盤103、偏心軸105和發(fā)電機12，所述動渦旋盤102和靜渦旋盤103相互扣合構(gòu)成膨脹機構(gòu)11，且動渦旋盤102通過偏心軸105與發(fā)電機12主軸相連，使動渦旋盤102能夠繞靜渦旋盤103中心公轉(zhuǎn)，所述動渦旋盤102上還設(shè)有用于防止動渦旋盤102自轉(zhuǎn)的限位裝置；所述靜渦旋盤103中心與進氣口104連通，進氣口104充入的高壓氣體能夠從靜渦旋盤103中心沿螺旋路徑向外膨脹，并推動動渦旋盤102公轉(zhuǎn)，動渦旋盤102通過偏心軸105帶動發(fā)電機12主軸旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機12產(chǎn)生的電能供負載2使用；膨脹氣體從機殼101上開設(shè)有排氣口107排出，所述機殼101上與發(fā)電機12對應(yīng)位置處還設(shè)有有機工質(zhì)噴液口8。

進一步的，所述發(fā)電機12的定子外環(huán)面上設(shè)有一套筒109，所述套筒109與機殼101之間間隔設(shè)置，形成一環(huán)形氣流通道，動、靜渦旋盤102、103之間排出的膨脹氣體經(jīng)該氣流通道連通至所述排氣口107，所述有機工質(zhì)噴液口8設(shè)置于該氣流通道上，并正對發(fā)電機12定子外環(huán)面設(shè)置。

優(yōu)選的，如圖4所示，所述限位裝置包括一圓環(huán)100，所述圓環(huán)100的兩側(cè)端面上各設(shè)有兩個關(guān)于圓環(huán)100中心對稱的凸塊106，且圓環(huán)100兩側(cè)的凸塊106沿相互垂直的兩條直徑方向布置，其中一側(cè)的凸塊106與動渦旋盤102上開設(shè)的徑向滑槽滑動配合，另一側(cè)的凸塊106與機殼101上設(shè)置的徑向滑槽構(gòu)成滑動配合，且動渦旋盤102上的徑向滑槽與機殼101上的徑向滑槽相互垂直，使圓環(huán)100與兩條徑向滑槽構(gòu)成十字滑軌機構(gòu)。

進一步的，所述排氣口107開設(shè)于殼體101環(huán)面上遠離動、靜渦旋盤102、103的一端，所述排氣口107內(nèi)側(cè)設(shè)有一緩沖板108，所述緩沖板108正對排氣口107并與排氣口107內(nèi)端孔口間隔設(shè)置，所述緩沖板108通過支腿固定在殼體101內(nèi)環(huán)面上。

實施例2

如圖4、5所示，一種含有所述渦旋永磁膨脹機的余熱回收發(fā)電系統(tǒng)，包括冷凝器3、工質(zhì)泵4、蒸發(fā)器5以及所述的渦旋永磁膨脹機1，所述蒸發(fā)器5的出口端通過管路依次與渦旋永磁膨脹機1、冷凝器3及工質(zhì)泵4連接，并通過工質(zhì)泵4返回連接至蒸發(fā)器5的進口端，構(gòu)成有機朗肯循環(huán)回路，所述有機朗肯循環(huán)回路中在工質(zhì)泵4與蒸發(fā)器5之間的管路上設(shè)有一支管，該支管作為噴液管路10；所述噴液管路與所述渦旋永磁膨脹機1的有機工質(zhì)噴液口8連通。

優(yōu)選的，所述噴液管路10上還設(shè)有噴液電磁閥6，在渦旋永磁膨脹機1內(nèi)部增設(shè)有用于反饋發(fā)電機12溫度信號的溫度傳感器9；該有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)還包括與溫度傳感器9、噴液電磁閥6電連接的控制系統(tǒng)。

進一步的，當(dāng)發(fā)電機12溫度高于設(shè)定的噴液溫度時，噴液電磁閥6開啟，噴液管路10與渦旋永磁膨脹機1連通，開始朝發(fā)電機區(qū)域噴液冷卻；當(dāng)發(fā)電機12區(qū)域溫度降到設(shè)定關(guān)閉溫度后，噴液電磁閥6關(guān)閉，停止噴液冷卻。

進一步的，在噴液管路10上還設(shè)有與噴液電磁閥6順次連接的電子膨脹閥7；所述電子膨脹閥7與控制系統(tǒng)電連接。

進一步的，當(dāng)發(fā)電機12溫度高于設(shè)定的噴液溫度時，系統(tǒng)控制噴液電磁閥6開啟并增加電子膨脹閥7開度，噴液管路10與渦旋永磁膨脹機1連通，開始朝發(fā)電機區(qū)域噴液冷卻；隨著溫度傳感器9的信號變化系統(tǒng)控制調(diào)整電子膨脹閥7的開度，將發(fā)電機溫度穩(wěn)定在設(shè)定值。

本發(fā)明通過噴液管路引入經(jīng)工質(zhì)泵4增壓的高壓低溫有機工質(zhì)進入膨脹機有機工質(zhì)噴液口8后，由于劇烈的壓差形成有機工質(zhì)閃蒸，將發(fā)電機12由于損耗形成的熱量冷卻，被噴液的有機工質(zhì)在經(jīng)過發(fā)電機12后降壓升溫直接從排氣口107處與推動渦旋體膨脹部件做功并降壓的有機工質(zhì)氣體混合后排出，降低這部分有機工質(zhì)由于非等熵膨脹形成的較大的過熱度，混合后的有機工質(zhì)通過膨脹機1出氣管路進入冷凝器3、工質(zhì)泵4進行冷卻和升壓，繼續(xù)ORC循環(huán)。

通過節(jié)流閃蒸后的有機工質(zhì)在膨脹機內(nèi)部并不參與膨脹機渦旋體膨脹部件的膨脹做功過程，對膨脹機構(gòu)的本身性能沒有影響。因此，通過噴液有機工質(zhì)回路的布置，可有效提升膨脹機的性能和可靠性。同時，由于近似等熵膨脹過程的實現(xiàn)，膨脹機出氣溫度也會降低,是對現(xiàn)有渦旋膨脹機進行能效提升的可行方案。