本發明涉及船用柴油機節能環保領域，尤其涉及一種船用柴油機排氣余熱間接式溫差熱電裝置的介質循環技術。

背景技術：

排氣余熱溫差熱電技術作為一種綠色節能技術，以其單位體積余熱利用率高、結構簡單、無運動部件等優點受到廣泛關注。目前國內外排氣余熱溫差熱電技術的應用研究多集中在車用發動機能量回收利用方面，在船用柴油機應用領域還屬于空白。在結構型式上現階段車用發動機的應用主要是將熱電元件貼敷在發動機排氣管道上，由發動機排氣直接提供熱電元件所需熱端溫度，采用風冷或水冷的方式提供冷端溫度，在溫差的作用下將熱能轉化為電能。該種直接式溫差發電裝置具有結構簡單，系統無額外功耗等優點，但該方案如果應用在船舶發動機環境中會存在以下弊端：

1、因為溫差熱電裝置熱端溫度與柴油機排氣溫度直接相關，因此會隨著柴油機工況變化而波動幅度較大，運行過程中無法對溫差熱電裝置的熱端溫度進行穩定控制，難以保證穩定的電能輸出；

2、熱電元器件有適用的溫度范圍，排氣溫度的波動可能會導致熱電元器件工作在該溫度范圍以外，熱端溫度過低則發電效果不理想，而長期工作在過高的溫度條件下會對熱電元器件造成損壞；

3、由于船舶柴油機排氣管道安裝空間的限制，采用直接式的溫差熱電型式難以根據實際應用需求靈活設計熱電模塊的結構并進行布置，更大功率的溫差熱電裝置的設計應用也因此成為難點；

4、由于無法對溫差熱電裝置冷、熱端載熱介質的運行過程進行控制，因此直接式溫差熱電裝置對發動機排氣廢熱的利用率較低。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題在于提供一種船用柴油機間接式溫差熱電裝置的介質循環系統，其能在柴油機工況變化情況下實現熱電裝置熱端和冷端介質循環的自適應控制，確保溫差熱電裝置熱端與冷端溫度穩定可控，從而可保證大功率溫差熱電裝置的設計應用以及良好的發電輸出品質，實現電能高效、穩定的輸出。

為解決上述技術問題，本發明所采取的技術方案是：

船用柴油機排氣余熱間接式溫差熱電裝置介質循環系統，包括熱端循環單元、冷端循環單元以及控制器；

熱端循環單元包括氣-液換熱器、進氣管路、出氣管路、以及可將導熱油輸送給溫差熱電裝置熱端的導熱油循環管路；所述導熱油循環管路由主循環管路和旁通管路組成；所述主循環管路上設有循環泵、第一流量計、第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、第三溫度傳感器、第四溫度傳感器和電動三通閥；所述的第一溫度傳感器和第二溫度傳感器分別位于所述溫差熱電裝置熱端的上游側和下游側，以分別檢測流入溫差熱電裝置熱端和流出溫差熱電裝置熱端的導熱油的溫度；第三溫度傳感器和第四溫度傳感器分別位于氣-液換熱器的上游側和下游側，以分別檢測流入氣-液換熱器和流出氣-液換熱器的導熱油的溫度；電動三通閥位于溫差熱電裝置熱端的上游側，旁通管路分別與電動三通閥和溫差熱電裝置熱端的下游側的主循環管路連通；氣-液換熱器的進氣口和出氣口分別與進氣管路和出氣管路連通，氣-液換熱器的進液口和出液口分別與主循環管路連通，該氣-液換熱器用以將從進氣管路流入的船用柴油機排出氣體與從進液口流入的導熱油進行換熱；

冷端循環單元包括可將冷卻介質輸送給溫差熱電裝置冷端的冷卻介質循環管路；冷卻介質循環管路上設有第二流量計、冷卻介質流量調節元件、第五溫度傳感器和第六溫度傳感器；第五溫度傳感器和第六溫度傳感器分別位于溫差熱電裝置冷端的上游側和下游側，以分別檢測流入溫差熱電裝置冷端和流出溫差熱電裝置冷端的冷卻介質的溫度；

控制器的輸入端分別與第一流量計、第二流量計、第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、第三溫度傳感器、第四溫度傳感器、第五溫度傳感器和第六溫度傳感器的輸出端電連接；控制器的輸出端分別與循環泵、電動三通閥、冷卻介質流量調節元件的控制輸入端電連接。

本發明通過提供一種間接式溫差熱電裝置介質循環系統方案，實現了溫差電機熱端和冷端介質的循環運行及自適應控制，采用本發明介質循環系統的間接式溫差熱電裝置具有能效高、可靠性、安全性以及可擴展性強、安裝布置靈活的特點，至少具有以下優點：

(1)本發明的介質循環系統可以通過控制器的調控，自適應地調節熱端循環管路和冷端循環管路中導熱油和冷卻水的溫度和流量，從而可保證溫差熱電裝置在最適宜的工況下穩定高效運行，具有發電效率高、電能輸出穩定的優點；

(2)采用本發明介質循環系統的溫差熱電裝置由于不需要像直接式溫差熱電裝置一樣在柴油機的排氣管路上布置，因此可靈活擴充溫差熱電裝置的溫差電機模塊的數量，實現更大功率的電能輸出，而且安裝布置靈活；

(3)本發明的介質循環系統采用導熱油循環代替傳統的柴油機排氣作為溫差熱電裝置的熱端溫度來源，可防止溫差熱電裝置熱端溫度波動以及突變的情況，避免熱電元器件因溫度過高而損壞，從而提高了整套溫差熱電裝置的可靠性；

(4)本發明的介質循環系統采用安全設計原則，在循環管路上設置了膨脹槽以及油氣分離器，可有效解決系統運行過程中可能存在的問題，從而提高了溫差熱電裝置的安全性。

附圖說明

圖1示出了根據本發明一實施例的船用柴油機排氣余熱間接式溫差熱電裝置介質循環系統的整體示意圖。

圖2示出了根據本發明一實施例的船用柴油機排氣余熱間接式溫差熱電裝置介質循環系統的控制框圖。

圖3示出了根據本發明一實施例的船用柴油機排氣余熱間接式溫差熱電裝置介質循環系統在一個具體應用案例中的多個溫度監測點的溫度曲線圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明進行詳細說明。

請參閱圖1和圖2。根據本發明一實施例的船用柴油機排氣余熱間接式溫差熱電裝置介質循環系統，包括熱端循環單元100、冷端循環單元200以及控制器3。

熱端循環單元100包括氣-液換熱器10、進氣管路11、出氣管路12、以及可將導熱油輸送給溫差熱電裝置4的熱端的導熱油循環管路。導熱油循環管路由主循環管路131和旁通管路132組成。

主循環管路上設有循環泵14、第一流量計151、第一溫度傳感器161、第二溫度傳感器162、第三溫度傳感器163、第四溫度傳感器164、電動三通閥17和過濾器18。第一溫度傳感器161和第二溫度傳感器162分別位于溫差熱電裝置熱端的上游側和下游側，以分別檢測流入溫差熱電裝置熱端和流出溫差熱電裝置熱端的導熱油的溫度。第三溫度傳感器163和第四溫度傳感器164分別位于氣-液換熱器10的上游側和下游側，以分別檢測流入氣-液換熱器10和流出氣-液換熱器10的導熱油的溫度。電動三通閥17位于溫差熱電裝置熱端的上游側，旁通管路132分別與電動三通閥17和溫差熱電裝置熱端的下游側的主循環管路連通。氣-液換熱器10的進氣口和出氣口分別與進氣管路11和出氣管路12連通，氣-液換熱器10的進液口和出液口分別與主循環管路131連通，氣-液換熱器10用以將從進氣管路11流入的船用柴油機排出氣體與從進液口流入的導熱油進行換熱。

冷端循環單元200包括可將冷卻介質輸送給溫差熱電裝置冷端的冷卻介質循環管路21。冷卻介質循環管路上設有第二流量計152、冷卻介質流量調節元件23、第五溫度傳感器165和第六溫度傳感器166。第五溫度傳感器165和第六溫度傳感器166分別位于溫差熱電裝置4的冷端的上游側和下游側，以分別檢測流入溫差熱電裝置冷端和流出溫差熱電裝置冷端的冷卻介質的溫度。

控制器3的輸入端分別與第一流量計151、第二流量計152、第一溫度傳感器161、第二溫度傳感器162、第三溫度傳感器163、第四溫度傳感器164、第五溫度傳感器165和第六溫度傳感器166的輸出端電連接；控制器3的輸出端分別與循環泵14、電動三通閥17、冷卻介質流量調節元件23的控制輸入端電連接。

循環泵14是實現導熱油循環的動力機構。導熱油被泵送進入氣-液換熱器10交換柴油機排氣熱量后流入導熱油循環管路，導熱油循環流經溫差熱電裝置4的熱端，冷卻介質循環流經溫差熱電裝置4的冷端，溫差熱電裝置4啟動工作。在本實施例中，溫差熱電裝置4產生的電能被存儲在蓄電池9中，溫差熱電裝置4由單組溫差電機或彼此并聯的多組溫差電機組成。

在本實施例中，控制器3用于根據第一溫度傳感器161和第二溫度傳感器162的溫度測量值控制電動三通閥17在第一導通狀態與第二導通狀態之間切換?？刂破?3僅在第一溫度傳感器161的溫度測量值大于等于預設的第一溫度閾值，且第二溫度傳感器162的溫度測量值大于等于預設的第二溫度閾值時，將電動三通閥17切換至第一導通狀態，而在第一溫度傳感器161的溫度測量值小于第一溫度閾值或第二溫度傳感器162的溫度測量值小于第二溫度閾值時，將電動三通閥17切換至第二導通狀態，第一溫度閾值大于第二溫度閾值。在電動三通閥17處于第一導通狀態時，旁通管路132關斷，從氣-液換熱器10的出液口流出的導熱油經過溫差熱電裝置熱端后回流到氣-液換熱器10的進液口；在電動三通閥17處于第二導通狀態時，旁通管路132導通并將溫差熱電裝置熱端旁路，從氣-液換熱器10的出液口流出的導熱油從旁通管路132回流到氣-液換熱器10的進液口。

實際運行中，船用柴油機啟動運行、管路中的導熱油溫度還沒有達到溫差電機工作溫度時，控制器3將電動三通閥17切換至第二導通狀態；當導熱油升溫達到設定的工作溫度時，控制器3將電動三通閥切換至第一導通狀態。

控制器3還可以根據第一流量計151實時監測導熱油的流量。控制器3根據第四溫度傳感器164的溫度測量值控制導熱油的流量；其中，控制器3在第四溫度傳感器164的溫度測量值小于預設的溫度容許范圍的下限時，通過控制循環泵14減小導熱油的流量，在第四溫度傳感器164的溫度測量值大于預設的溫度容許范圍的上限時，通過控制循環泵14增加導熱油的流量。如此，當柴油機排氣流量、溫度變化導致導熱油溫度波動而過高或者過低時，控制器3通過調節導熱油的流量，可以保持進入溫差熱電裝置4的導熱油溫度穩定，即保持溫差電機熱端溫度的穩定。

在一種具體的應用實施例中，第一溫度閾值為280℃，第二溫度閾值為250℃，預設的溫度容許范圍為240℃～300℃。

在本實施例中，控制器3用于根據第五溫度傳感器165與第六溫度傳感器166的溫度測量值控制冷卻介質的流量；其中，控制器3用于將第六溫度傳感器166與第五溫度傳感器165的溫度測量值之差與預設的溫度差閾值進行比較，如果大于等于溫度差閾值，說明冷卻水溫度偏高，則控制器3控制冷卻介質流量調節元件23增加冷卻介質的流量，如果小于該溫度差閾值，控制器3不對冷卻介質的流量進行控制，達到維持溫差熱電裝置冷端的溫度的目的。本實施例中，冷卻介質循環管路的冷卻介質入口與船用柴油機冷卻水系統連通，冷卻介質為船用柴油機冷卻水系統的冷卻水。冷卻介質流量調節元件23為比例調節閥。溫度差閾值為20℃。

綜上所述，控制器3根據溫度傳感器和流量計的反饋，通過對循環泵、比例調節閥、電動三通閥等執行機構的控制，從而確保了溫差熱電裝置熱端和冷端循環過程的進行，并保證了溫差熱電裝置熱端和冷端溫度的穩定。

優選地，熱端循環單元還包括第七溫度傳感器167和第八溫度傳感器168，第七溫度傳感器167的輸出端和第八溫度傳感器168的輸出端分別與控制器3的輸入端電連接；第七溫度傳感器167和第八溫度傳感器168分別設置在進氣管路11和出氣管路12上，用以分別檢測流入氣-液換熱器10和流出氣-液換熱器10的船用柴油機排出氣體的溫度。該第七溫度傳感器167和第八溫度傳感器168檢測到的溫度測量值可顯示給操作人員，便于人工監測。進氣管路11上還設有電動閥191。與氣-液換熱器10相并聯的管路19上設有電動閥192。

優選地，根據本發明一實施例的船用柴油機排氣余熱間接式溫差熱電裝置介質循環系統還包括載熱介質膨脹除氣單元500，載熱介質膨脹除氣單元500包括油氣分離器51、膨脹容器52、膨脹管道53、除氣管道54以及注油管線55。

油氣分離器51設置在主循環管路131上，膨脹容器52設置在油氣分離器51的上方，膨脹容器52設有排氣出口。油氣分離器51的出油口通過膨脹管道53與膨脹容器52連通，油氣分離器51的出氣口通過除氣管道54與膨脹容器52連通。注油管線55與膨脹容器52連通，用于向膨脹容器52內注油。

本系統采用的載熱介質導熱油在循環加熱過程中會由于溫升產生膨脹量，因此，在導熱油循環管路上設置膨脹管道53和膨脹容器52以儲存導熱油并緩沖導熱油循環管路內導熱油的膨脹量；此外隨著溫度的升高，導熱油中低揮發份物質會以氣體形式析出，這些水蒸氣、空氣及低揮發份氣體若不及時排出，會引起局部氣阻及循環泵抽空導致顫震，因此本系統在循環泵前設置了油氣分離器51，導熱油循環流經油氣分離器51時，將油中的氣體分離出來后經除氣管道54進入膨脹容器52后排空。載熱介質膨脹除氣單元的設置可保證本系統循環管線的安全可靠運行。

圖3示出了根據本發明一實施例的船用柴油機排氣余熱間接式溫差熱電裝置介質循環系統在一個具體應用案例中的多個溫度監測點的溫度曲線圖。其中，船用高速柴油機額定功率為155kW，額定轉速為1400r/min。將帶有介質循環系統的間接式溫差熱電裝置安裝于柴油機排氣管道上。當柴油機運行時，排氣溫度在300～350℃之間，排氣溫度波動情況如圖3的T1(柴油機排氣進入換熱器的溫度)曲線所示，同時測量了T2曲線(柴油機排氣出換熱器的溫度)、T3曲線(導熱油進入換熱器的溫度)、T4曲線(導熱油出換熱器的溫度)、T5曲線(導熱油進溫差電機的溫度)、T6曲線(導熱油出溫差電機的溫度)。此時T2～T6曲線的溫度保持平穩，說明帶有介質循環系統的間接式溫差熱電裝置可自適應調節循環介質的溫度，在柴油機排溫波動情況下保持循環介質溫度穩定，保證溫差電機工作在最佳的溫度區間。通過試驗測試，在柴油機50kW、1400r/min的工況時，此時柴油機排氣流量為464kg/h，排氣溫度為348℃。間接式溫差熱電裝置利用介質循環系統回收的柴油機排氣熱量可實現發電量約1.5kW。

本發明涉及的溫差熱電裝置介質循環系統利用導熱油換熱器來交換排氣的熱量，溫度穩定的導熱油流經熱電器件的熱端面實現熱電轉換，溫差熱電裝置介質循環系統對柴油機排氣余熱回收利用率高，導熱油介質溫度穩定，能使熱電器件工作在最佳的溫度點，可實現最優的熱電轉換效率。