双螺杆动力机构用于车辆发动机尾气余热回收利用的探究

葛寒

（忻州职业技术学院 机电工程系， 山西 忻州 034000）

试（实）验研究

双螺杆动力机构用于车辆发动机尾气余热回收利用的探究

葛寒

（忻州职业技术学院 机电工程系， 山西 忻州 034000）

对双螺杆动力机构的热效率、损失等进行了分析，探讨双螺杆动力机构回收利用车辆尾气废热转化为机械能的可能性。利用车辆尾气废热转化为机械能的方案可以应用于大型车辆，利用双螺杆动力机构产生的动力驱动空调压缩机、空气压缩机或者发电机工作，还可以应用于辅助动力装置。

双螺杆 车辆发动机 尾气回收

双螺杆动力机构主要是由一对并列配置在机体内的阴阳双螺杆转子构成，气体在双螺杆转子和机体内壁内形成的空腔内膨胀驱动双螺杆转子做回转运动，通过转子的轴头向外输出机械能。由于双螺杆动力机构具有热源适应范围宽广、变工况能力优越、维护费用和使用技术门槛低等技术特点，在回收低品位热能领域受到越来越多的关注和重视。双螺杆膨胀机与双螺杆压缩机的结构相似，其工作原理互逆，工作过程互为逆过程，双螺杆压缩机是通过机械能的输入，将输入双螺杆机构的气体压缩，而双螺杆膨胀机是通过将膨胀气体引入双螺杆机构内，让气体在双螺杆机构内膨胀做功，并通过双螺杆向外输出机械能[1-2]。

1 热效率的计算

热效率是指动力机构产生的有效功率与单位时间所喷入燃料的化学能之比，本文仅讨论尾气热量做功的转换。

在热力学中有被称为“熵变”的有序度指标（用S简化的表示），热效率公式和它有很大的联系[3]，即：

式中：ηs为尾气做功的热效率；A为尾气中为可利用的热量；Q尾气可产生的热量；T1、T2分别为尾气初始温度、散失的温度；Q1初始尾气包含的热量；S为熵。

随着动力机构内部的微观热粒子的运动趋向于有序，且朝着宏观有序的方向发展（做功）时，即熵S→0，则，但很多情况下微观热粒子没有顺序时，则有0≤η≪1。

如果式（1）中的Q用动力机构总的能量表示，即：Q=3PV或Q=U=3PV（P为压力，V为体积变化），即可得到传统动力机构的热效率[4]：

因此认定η0为原来动力机构热效率的最大值，可以看出传统动力机构的热效率不能得到根本性的提高。

当微观粒子的运动趋向于有序时，由式（2）得知A=2PV，经过改良有序动力机构的热效率为：

2 实例

本文采用排量为2.5 L，功率为80 kW的涡轮增压柴油机的尾气作为热量来源。以水作为工作介质，通过热交换的方可以产生300℃的蒸汽0.1 kg/s。计算采用的双螺杆转子的齿数、导程和扭转角参数见下页表1，其他参数见下页表2。

根据以上数据对双螺杆动力机构模型的卡诺循环进行计算。卡诺循环包括等温膨胀，绝热膨胀，等温压缩，绝热压缩4个步骤。

下页图1表示膨胀比对热力循环的影响，由图1可见卡诺循环完成效率随膨胀比增大而增大，而输出功和质量流量却随膨胀比的增大呈现减小的趋势。卡诺循环完成效率的增大主要是由于随着膨胀比增大，工质膨胀得更完全，不完全膨胀损失减小，另一方面如果膨胀比过大，工质过度膨胀，卡诺循环完成效率反而会降低，通常双螺杆动力机构多设计成不完全膨胀。

表1 双螺杆转子的齿数、导程和扭转角参数

表2 其他计算参数

图1 输出功、卡诺循环完成效率和质量流量随膨胀比的变化规律

图2表示进气压力对热力循环的影响，质量流量和输出功都随进气压力增大而增大，而卡诺循环完成效率却随进气压力升高而降低，这主要是由于进气压力越高，膨胀做功越不完全，不完全膨胀损失越大。

各进气压力下热力循环的示功图如图3所示，可以看出输出功随进气压力增大而增大。

图4表示进气温度对热力循环参数的影响，卡诺循环完成效率随进气温度升高而增大，质量流量随进气温度升高而降低，输出功随进气温度升高而升高，但是变化并不明显， 因此，在流量允许的条件下应尽可能提高进气温度。

图2 输出功、卡诺循环完成效率和质量流量随进气压力的变化规律

图3 不同进气压力下往复活塞式膨胀机的P-V曲线

图4 输出功、卡诺循环完成效率和质量流量随进气温度的变化规律

3 结语

由实例可知，利用双螺杆动力机构回收利用车辆尾气废热转化为机械能是可行的。利用双螺杆动力机构产生的动力作为辅助动力，可以通过适当的机构转化应用于大型公交车辆或重型卡车上。视车辆需要和负荷的大小可以将这部分动力应用用于驱动空气压缩机、空调压缩机或者发电机等装置。在不影响发动机输出的情况下，可以减少发动机负荷，提高能源利用效率，达到节能减排的目的。

[1] 邢子文.螺杆压缩机研究进展及应用趋势［J］.通用机械，2004（4）：54-55．

[2] 孙富德.螺杆膨胀机在火力发电厂中的应用［J］.山东煤炭科技，2002（3）：27-29．

[3] L.林德.螺杆压缩机［M］.北京：机械工业出版社，1986.

[4] 冯黎明，高文志，秦浩，等.用于发动机余热回收的往复活塞式膨胀机热力学分析［J］.天津大学学报，2008，44（8）：665-670.

（编辑：苗运平）

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，山西宁武人，本科，助理讲师，研究方向：机械设计与制作。