技术领域
[0001] 本
发明涉及一种聚氨酯发泡机，特别是一种由水冷式发动机驱动的聚氨酯发泡机。
背景技术
[0002] 聚氨酯是一种由异氰酸酯和多元醇通过共聚反应生成的高分子
聚合物。聚氨酯制品分为发泡制品和非发泡制品两大类：发泡制品有软质、硬质和半硬质聚氨酯
泡沫塑料；非发泡制品包括涂料、
粘合剂、
合成皮革、弹性体和弹性
纤维等。聚氨酯材料性能优异，用途广泛，制品种类多，其中聚氨酯泡沫塑料用途最为广泛，约占聚氨酯制品消费总量的70％。
[0003] 聚氨酯发泡机是聚氨酯泡沫塑料加工设备的核心组件，用于实现满足聚合反应所需的混合、计量和
温度控制。
[0004] 聚氨酯发泡机由混合头、物料输送单元、加热单元、控制单元等构成。
[0005] 混合头用于实现异氰酸酯和多元醇的高效混合。混合方式包括高压碰撞混合、低压搅拌混合等，根据混合方式的不同，聚氨酯发泡机分为高压机和低压机两种类型。
[0006] 根据物料输送方式的不同，物料输送单元可分为
气动式、电动式和液压式三种，利用气动
泵、
电动泵或
液压泵定量输送物料。聚氨酯发泡机多采取二级送料模式，即通过初级供料泵将物料输送至储料罐中或直接输送至二级供料泵入口，二级供料泵为
计量泵，将物料从储料罐中或初级供料泵出口处定量输送至混合头。为节省空间，小型聚氨酯发泡机多采用无储料罐的二级送料模式；对大型聚氨酯发泡机而言，为提高控制
精度，多采用具有储料罐的二级送料模式。通过调整异氰酸酯和多元醇的二级供料泵的流量，可实现异氰酸酯和多元醇的比例控制。
[0007] 加热单元用于调整物料的
粘度和温度，使物料的粘度、温度处于合理范围，以利于混合和反应。对于具有储料罐的发泡机而言，一般将加热单元置于储料罐内，进行蓄热式加热；对于小流量聚氨酯发泡机而言，多数在输料管内部安装大功率加热丝，进行即热式加热。
[0008] 控制单元用于物料的温度显示与控制、定时与计时、液位显示、流量控制等，可采用模拟
电路或数字电路。
[0009] 聚氨酯发泡机多用于工厂生产环境中，一般采取固定工作位点，以电
力作为驱动源模式。
[0010] 随着聚氨酯泡沫塑料应用范围的不断扩大，其生产已不再仅局限于工厂内。例如，管道保温、冷库
喷涂和外墙保温等应用往往需要在工地现场制作聚氨酯泡沫塑料。为满足此方面的需求，设备生产商多采用常规电驱聚氨酯发泡机外加发
电机组的模式。例如，在美国Graco公司推出的ProPAK 300D移动式聚氨酯现场喷涂系统中，将30kW
柴油发动机驱动的
发电机组、3.7kW电驱空压机和E-30型聚氨酯发泡机流量13.6kg/min集成在方仓中。在此系统中，E-30型聚氨酯发泡机整机的电功耗为23kW，其中15.3kW用于物料加热，加热所需电功耗占整机的67％(E-30型聚氨酯发泡机产品
说明书，312066EN-U，3)，发电机组输出的电力主要用于物料的加热。
[0011] 众所周知，发动机通
过热机循环将
燃烧热转
化成有用功。以柴油发动机为例，其燃-1 -1油消耗率为200～300g·kW ·h (BOSCH
汽车工程手册，中文第3版，530-531)，柴油燃烧热以42.9kJ/g计，则柴油发动机的
热机转化效率为0.42～0.28，即柴油发动机通过热机循环将28～42％的燃烧热转化成有用功。通过以上的数据分析可以看出，在ProPAK 300D移动式聚氨酯现场喷涂系统中，柴油发动机驱动的发电机组按0.28～0.42的热机转化效率将燃烧热转化成电功，此后又将大部分电功转化成
热能，系统存在
能量利用效率低等问题。
[0012] WO2012/174380公开了一种利用发动机冷却介质中的废热加热物料的聚氨酯发泡机，提出了两种废热利用方案：
[0013] 在第一种实施方案中采取了间接取热模式，通过回路间
热交换器从发动机冷却介质中取热。该方案取热效率偏低，需要配置电辅助加热系统。美国Graco公司基于此方案开发了E-30i型柴油发动机驱动的聚氨酯现场喷涂系统，与ProPAK 300D移动式聚氨酯现场喷涂系统相比，由于利用了发动机废热加热物料，发电机组由30kW减小至22kW，电加热功率由15.3kW减小至4kW，能量利用效率显著提高，但仍需配置4kW电辅助加热系统(E-30i型聚氨酯发泡机产品手册，348500EN-B，6)。
[0014] 在第二种实施方案中采取了直接取热模式，将发动机冷却介质直接引至物料换热器中。一般而言，为保证
燃料燃烧充分，减少积炭的形成，水冷式发动机工作时冷却介质温度大多控制在85～115℃之间。聚氨酯发泡机在实际使用中可能存在操作间歇期，在某些情况下甚至会出现长时间的操作间歇期，此方案可能造成操作间歇期内存留于热交换器内部的物料过热，造成物料因过热变质，泡沫塑料品质下降等问题。
发明内容
[0015] 本发明的目的在于克服现有由发动机驱动的聚氨酯发泡机的缺点，进一步提高能量利用效率和物料
温度控制的可靠性，使之更适于现场使用。
[0016] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种由水冷式发动机驱动的聚氨酯发泡机，包括水冷式发动机11、聚氨酯发泡机组9和动力站10，水冷式发动机11为聚氨酯发泡机组9提供热能，由水冷式发动机11驱动的动力站10为聚氨酯发泡机组9提供动力，其特征在于水冷式发动机11包括一个水冷却系统7，所述水冷却系统7包含发动机
冷却液通道12、外置式
增压水泵13、取热水箱温控三通换向
阀14、取热水箱15、节温器16、
散热器17、
风扇18、连接管路20和冷却液8；外置式增压水泵13一端与发动机冷却液通道12相连，另一端连接取热水箱温控三通换向阀14，取热水箱温控三通换向阀14另两端分别与取热水箱15和节温器16相连，取热水箱15的另一端通向节温器16，节温器16的高温出口经
散热器17接入发动机冷却液通道12，节温器16的低温出口直接接入冷却液通道12，冷却液8在外置式增压水泵13的带动下在所述水冷却系统中循环流动；所述水冷却系统执行三种冷却循环，其中：水冷式发动机11发动后首先启动第一种冷却液循环，冷却液8在外置式增压水泵13的带动下从水冷式发动机11冷却液通道12中流出，经取热水箱温控三通换向阀14进入取热水箱15，再经节温器16低温出口回到发动机冷却液通道12中；
[0017] 当取热水箱15温度达到预定温度30～85℃后，取热水箱温控三通换向阀14换向，启动第二种冷却液循环，冷却液在外置式增压水泵13的带动下从发动机冷却液通道12中流出，经取热水箱温控三通换向阀14流向节温器16，经节温器16低温出口回到发动机冷却液通道10中；
[0018] 当第二种冷却液循环达到节温器16开启温度85～95℃后，节温器16打开，启动第三种冷却液循环，冷却液在外置式增压水泵13的带动下从发动机冷却液通道12中流出，经取热水箱温控三通换向阀14流向节温器16，由节温器16高温出口经散热器17回到发动机冷却液通道12中。
[0019] 所述聚氨酯发泡机组9的工作流程如下：
[0020] A料提料泵22A将A料从料桶21A中抽出，经A料热交换器23A加热后，送至A料高压定量泵31A，经A料输送软管33A送至混合头34，A料
传感器32A用于在线检测A料的温度和压力；
[0021] B料提料泵22B将B料从料桶21B中抽出，经B料热交换器23B加热后，送至B料高压定量泵31B，经B料输送软管33B送至混合头34，B料传感器32B用于在线检测B料的温度和压力；
[0022] 启动混合头34，A料和B料进入混合头34的混合室35中，经混合后喷出，实现聚氨酯泡沫塑料的发泡成型。
[0023] 所述A料、B料起始温度低于预定温度15℃时，启动物料循环加热，其工作流程如下：
[0024] 当A料起始温度低于15℃时，打开A料回流阀24A，用A料提料泵22A将A料从料桶21A中抽出，经A料热交换器23A加热，经A料高压定量泵31A、混合头34内部A料
歧管36A、A料回流阀24A后回到料桶21A中，循环至A料起始温度达到15℃后关闭A料回流阀
24A，停止物料循环加热；
[0025] 当B料起始温度低于15℃时，打开B料回流阀24B，用B料提料泵22B将B料从料桶21B中抽出，经B料热交换器23B加热，经B料高压定量泵31B、混合头34内部B料歧管36B、B料回流阀24B后回到料桶21B中，循环至B料起始温度达到15℃后关闭B料回流阀
24B，停止物料循环加热。
[0026] 所述聚氨酯发泡机组9还包括A料温控三通换向阀25A、B料温控三通换向阀25B、A料混合器26A、B料混合器26B；
[0027] A料温控三通换向阀25A分别与A料提料泵22A、A料热交换器23A、A料混合器26A相连，A料经A料温控三通换向阀25A进入A料热交换器23A，再流经A料混合器26A或直接经A料温控三通换向阀25A流经A料混合器26A，后进入A料高压定量泵31A中；
[0028] B料温控三通换向阀25B分别与B料提料泵22B、B料热交换器23B、B料混合器26B相连，B料经B料温控三通换向阀25B进入B料热交换器23B，再流经B料混合器26B或直接经B料温控三通换向阀25B流经B料混合器26B，后进入B料高压定量泵31B中；
[0029] 当A料温度高于设定温度30～85℃时、所述A料温控三通换向阀25A换向，A料经A料提料泵22A不经加热直接通过A料温控三通换向阀25A流向A料混合器26A；当温度低于设定温度30～85℃时、所述A料温控三通换向阀25A复位，A料经过A料热交换器23A加热后流向A料混合器26A，由此分段输送“冷”和“热”料，经A料混合器26A混合后成为温度均匀物料，再由A料高压定量泵31A送至混合头34；
[0030] 当B料温度高于设定温度30～85℃时、所述B料温控三通换向阀25B换向，B料经B料提料泵22B不经加热直接通过B料温控三通换向阀25B流向B料混合器26B；当温度低于设定温度30～85℃时、所述B料温控三通换向阀25B复位，B料经过B料热交换器23B加热后流向所述B料混合器26B，由此分段输送“冷”和“热”料，经B料混合器26B混合后成为温度均匀物料，再由B料高压定量泵31B送至混合头34。
[0031] 所述由水冷式发动机驱动的聚氨酯发泡机还包含尾气取热系统6，所述尾气取热系统6包含尾气温控三通换向阀41、尾气取热水箱42、尾气换热器45、水泵44、尾气取热三通换向阀43；尾气温控三通换向阀41设置在尾气排气管48上，并与尾气取热水箱42内的尾气换热器45相连，用于将发动机尾气引至尾气换热器45中，尾气取热三通换向阀43通过管路46连接取热水箱15与尾气取热水箱42，水泵44设置在连接取热水箱15与尾气取热水箱42的另一条管路47上，尾气取热三通换向阀43与管路47相连；
[0032] 所述尾气取热水箱42的温度由所述尾气温控三通换向阀41控制，所述水冷式发动机11发动后尾气经尾气温控三通换向阀41进入尾气换热器45，对尾气取热水箱42进行加热，换热后的尾气通过排气管49排出；当尾气取热水箱42温度达到设定温度45～115℃后，尾气温控三通换向阀41换向，尾气经排气管48排出；取热水箱15通过尾气取热三通换向阀43和水泵44从尾气取热水箱42取热。
[0033] 所述水冷式发动机11为配备水冷却系统的往复
活塞内燃机、往复活塞
外燃机、
转子活塞式发动机或
燃气轮机；动力站10为空压机组或发电机组；冷却液包括水和防冻液；防冻液为水和乙二醇构成的混合物，为提高防冻液的
稳定性，其中还包括抗
腐蚀剂、缓冲剂、防泡沫剂等添加剂。
[0034] 本发明中的一种由水冷式发动机驱动的聚氨酯发泡机，包括水冷式发动机、聚氨酯发泡机组和动力站，水冷式发动机的水冷却系统采用三种循环方式分别控制发动机冷却液通道和取热水箱的温度，取热水箱对聚氨酯发泡机组中的A料和B料进行加热，并采用物料循环加热、分段输料、尾气取热等方式对A料、B料进行换热控温，经过试验验证，所述取热水箱可提供充足热量，保证原料的加热、混合和发泡成型；所述动力站由水冷式发动机驱动，可满足聚氨酯发泡机及配套设备的动力需求。整套系统能量利用效率高，物料温度控制可靠，结构紧凑，适于现场使用。
附图说明
[0035] 图1是由水冷式发动机驱动的聚氨酯发泡机的工作原理图。
[0036] 图2是由水冷式发动机驱动的聚氨酯发泡机的三维视图。
[0037] 图3是由水冷式发动机驱动的聚氨酯发泡机的工作原理图。
[0038] 图4是由水冷式发动机驱动的聚氨酯发泡机的工作原理图。
[0039] 图中标号说明如下：
[0040] 6、尾气取热系统，7、水冷却系统，8、冷却液，9、聚氨酯发泡机组，10、动力站，11、水冷式发动机，12、发动机冷却液通道，13、外置式增压水泵，14、取热水箱温控三通换向阀，15、取热水箱，16、节温器，17、散热器，18、风扇，20、连接管路，21A、A料桶，21B、B料桶，22A、A料提料泵，22B、B料提料泵，23A、A料热交换器，23B、B料热交换器，24A、A料回流阀，24B、B料回流阀，25A、A料温控三通换向阀，25B、B料温控三通换向阀，26A、A料混合器，26B、B料混合器，31A、A料高压定量泵，31B、B料高压定量泵，32A、A料传感器，32B、B料传感器，33A、A料送料软管，33B、B料送料软管，34、混合头，35、混合室，36A、A料歧管，36B、B料歧管，41、尾气温控三通换向阀，42、尾气取热水箱，43、尾气取热三通换向阀，44、水泵，45、尾气换热器，
46、管路，47、管路，48、排气管，49、排气管，51、发动机操作面板，52、聚氨酯发泡机组面板。
具体实施方式
[0042] 如图1和图2所示，本发明提出了一种由水冷式发动机驱动的聚氨酯发泡机，系统由水冷式发动机11、聚氨酯发泡机组9和动力站10组成。
[0043] 水冷式发动机11包含一个由发动机冷却液通道12、外置式增压水泵13、取热水箱温控三通换向阀14、取热水箱15、节温器16、散热器17、风扇18、连接管路20和冷却液8组成的水冷却系统。
[0044] 水冷却系统可执行三种冷却液循环，其中：水冷式发动机11发动后首先启动第一种冷却液循环，冷却液在外置式增压水泵13的带动下从发动机冷却液通道12中流出，经取热水箱温控三通换向阀14进入取热水箱15，经节温器16低温出口回到发动机冷却液通道12中；
[0045] 当取热水箱15温度达到设定温度后，取热水箱温控三通换向阀14换向，启动第二种冷却液循环，冷却液在外置式增压水泵13的带动下从发动机冷却液通道12中流出，经取热水箱温控三通换向阀14流向节温器16，经节温器16低温出口回到发动机冷却液通道12中；
[0046] 当第二种冷却液循环达到节温器16开启温度后，节温器16打开，启动第三种冷却液循环，冷却液在外置式增压水泵14的带动下从发动机冷却液通道12中流出，经取热水箱温控三通换向阀14流向节温器16，由节温器16高温出口经散热器17回到发动机冷却液通道12中；
[0047] 以取热水箱设定温度、节温器开启温度作为调控参数，利用取热水箱温控三通换向阀14和节温器16调控以上三种冷却液循环的交替往复，保证水冷式发动机冷却液通道温度处于正常工作范围，取热水箱温度处于设定范围内。
[0048] 聚氨酯发泡机包含A料提料泵22A、B料提料泵22B、A料热交换器24A、B料热交换器24B、A料回流阀25A、B料回流阀25B、A料高压定量泵31A、B料高压定量泵31B、A料传感器32A、B料传感器32B、A料送料软管33A、B料送料软管33B和混合头34。
[0049] 聚氨酯发泡机操作流程如下：
[0050] A料提料泵22A将A料从料桶中抽出，经A料热交换器24A加热，再经过A料高压定量泵31A，按设定压力和流量送至混合头34，A料传感器32A用于在线测量A料的温度和压力；
[0051] B料提料泵22B将B料从料桶中抽出，经B料热交换器24B加热，再经过B料高压定量泵31B，按设定压力和流量送至混合头34，B料传感器32B用于在线测量B料的温度和压力；
[0052] 启动混合头34，A料和B料进入混合头的混合室中，经混合后流出，实现聚氨酯泡沫塑料的发泡成型。
[0053] 当物料起始温度过低时，例如，物料起始温度低于15℃时，启动物料循环加热，操作流程如下：
[0054] 当A料起始温度过低时，打开A料回流阀25A，利用A料提料泵22A将A料从料桶中抽出，经A料热交换器24A加热，经A料高压定量泵31A、混合头34、A料回流阀25A后回到料桶中，循环至A料起始温度达到预定温度后关闭A料回流阀25A，停止物料循环加热；
[0055] 当B料起始温度过低时，打开B料回流阀25B，利用B料提料泵22B将B料从料桶中抽出，经B料热交换器24B加热，经B料高压定量泵31B、混合头34、B料回流阀25B后回到料桶中，循环至B料起始温度达到预定温度后关闭B料回流阀25B，停止物料循环加热；
[0056] A料与B料起始温度均达到预定温度后可开始正常发泡操作。
[0057] 动力站10为空压机组或发电机组，由水冷式发动机11驱动，为聚氨酯发泡机提供动力。
[0058] 经过试验验证，取热水箱15可满足原料加热所需的全部热量，系统工作时水冷式发动机冷却液温度处于正常工作范围，温度
波动小于20℃，取热水箱温度处于设定范围内，温度波动小于5℃。由水冷式发动机驱动的动力站可满足聚氨酯发泡机及配套设备的动力需求。整套系统能量利用效率高，物料温度控制可靠，结构紧凑，适于现场使用。
[0059] 实施例2
[0060] 如图3所示，本实施例在实施例1的
基础上增加了A料温控三通换向阀23A、B料温控三通换向阀23B、A料混合器26A、B料混合器26B。
[0061] 当A料温度高于设定温度时、所述A料温控三通换向阀23A换向，A料不经加热直接流向所述A料混合器26A，当温度低于设定温度时、所述A料温控三通换向阀23A复位，A料经过A料热交换器24A加热后流向所述A料混合器26A，由此分段输送“冷”和“热”料，经A料混合器24A混合后成为温度均匀物料，A料的分段输送由PID
控制器控制，以此进一步提高A料温度的控制精度。
[0062] 当B料温度高于设定温度时、所述B料温控三通换向阀23B换向，B料不经加热直接流向所述B料混合器26B，当温度低于设定温度时、所述B料温控三通换向阀23B复位，B料经过B料热交换器24B加热后流向所述B料混合器26B，由此分段输送“冷”和“热”料，经B料混合器24B混合后成为温度均匀物料，B料的分段输送由PID控制器控制，以此进一步提高B料温度的控制精度。
[0063] 实施例3
[0064] 如图4所示，本实施例在实施例1的基础上增加了尾气取热系统，包含尾气温控三通换向阀41、尾气取热水箱42、尾气换热器45、水泵44、尾气取热三通换向阀43。
[0065] 尾气取热水箱42的温度由尾气三通换向阀41控制，水冷式发动机发动后尾气经尾气三通换向阀41进入尾气换热器45，对尾气取热水箱42进行加热，当尾气取热水箱42温度达到设定温度后，尾气三通换向阀41换向，尾气经排气管排出。
[0066] 取热水箱15通过尾气取热温控三通换向阀43从尾气取热水箱42取热。
[0067] 尾气取热系统可进一步提高系统的能量利用效率。
