CN101476494A - 一种热机余热能量转换系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热机余热能量转换系统，它包括换热装置、换能装置及介质热交换装置，所述三个装置均分别具有介质进、出口，其中，所述换热装置包括蒸发器和换热器，所述蒸发器和换热器均分别具有余热进、出口，所述余热进口用于与热机的余热排出口连接，所述换热装置的介质进口即为所述换热器的介质进口，该介质进口与介质热交换装置的介质出口连接，换热器同时具有的介质出口则与蒸发器具有的介质进口连接，而所述蒸发器的介质出口即为所述换热装置的介质出口，该介质出口则与换能装置的介质进口连通，换能装置的介质出口则与介质热交换装置的介质进口连接。本发明的低沸点介质获取“”值后，将热机余热转换为动力可提高热能利用率。

Description

一种热机余热能量转换系统

技术领域

本发明属于余热回收利用领域，特别涉及一种热机余热能量转换系统，其可广泛应用于汽车发动机、燃烧锅炉等热机上，将余热能量转换为动力输出。

背景技术

热力学第一定律说明了不同形式的能量在转换时，数量上的守恒关系，但是它没有区别不同形式的能量在质上的差别，而热力学第二定律指出能量的方向性，它指出：自然界的一切自发的变化过程都是从不平衡状态趋于平衡状态，而不可能相反。不同能量的可转换性不同，反映了其可利用性不相等，也就是它们的质量不同。能量根据其可转换性的不同分为三类，其中一类是具有部分转换能力的能量，例如热能、物质的热力学能、焓等，为了衡量能量的可用性，提出

作为衡量能量质量的物理量。它定义为：在一定环境条件下，通过一系列的变化(可逆过程)，最终达到与环境处于平衡时，所做出的最大功，或者说，某种能量在理论上能够可逆地转换为功的最大数量，称为该能量中具有的可用能。热能所具有的

值取决于它的状态参数(温度、压力等)，同时与环境状态有关，只要状态参数与环境处于不平衡状态，它就具有一定的

值，在向环境趋于平衡的变化过程中，能够做出功。

热机是利用燃料燃烧放出的热量来做功的，然而放出的热量并不能全部用来做有用功，其中必然会有一部分热量损失，造成热量损失的原因具体有以下几种；(1)当燃料没有完全燃烧时，部分热量没有释放出来；(2)克服机件之间的磨擦，需要消耗一部分热量；(3)由于受热机件的散热，会损失一部分热量；(4)热机所排出废气的温度很高，带走了相当多的热量；(5)热机中的冷却水会带走部分热量。基于以上原因，热机的热量利用率很低，例如内燃机作为汽车动力源，其热能利用率为18％～35％，而涡机类内燃机的热能利用率也仅为43％左右。由于以上某些损失的热能如热机排出废气的余热是属于具有部分转换能力的能量，因此这些热能可以加以利用以提高热机的热量利用率，然而，目前对热机余热转换为动力输出还无法突破使热量利用率提高10％的技术瓶颈。

所以，在现有技术中，热机的较多热能并没有得到充分的利用，从而造成石油等能源型资源的巨大浪费，同时热机向大气排出的废气也引起大气环境污染和城市热污染，不利于环保，因此如何更有效提高热量利用率成为人们亟待解决的难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高热能利用率、节省燃料且环保的热机余热能量转换系统。

本发明的上述目的通过如下的技术方案来实现：一种热机余热能量转换系统，其特征在于它包括换热装置、换能装置及介质热交换装置，所述三个装置均分别具有介质进、出口，其中，所述换热装置包括蒸发器和换热器，所述蒸发器和换热器均分别具有余热进、出口，所述余热进口用于与热机的余热排出口连接，所述余热出口用于将完成热交换的余热介质分别从蒸发器和换热器中排出，所述换热装置的介质进口即为所述换热器的介质进口，该介质进口与介质热交换装置的介质出口连接，换热器同时具有的介质出口则与蒸发器具有的介质进口连接，而所述蒸发器的介质出口即为所述换热装置的介质出口，该介质出口则与换能装置的介质进口连通，换能装置的介质出口则与介质热交换装置的介质进口连接，使所述换热装置、换能装置及介质热交换装置通过管路依次构成一回路，低沸点介质在回路中实现吸收余热—对外做功—还原液态的能量转换过程，并使该过程循环往复。

本发明的低沸点介质在换热器与蒸发器中与余热介质进行热交换，低沸点介质获得值，其压力与温度均升高，再进入换能装置内膨胀做功，由换能装置将热能转化为动力输出，做功后的介质则流回介质热交换装置内，完成一个工作循环过程，低沸点介质在回路中实现吸收余热—对外做功—还原液态的能量转换过程，并使该过程循环往复。

作为本发明的一种实施方式，所述介质热交换装置包括回热器、冷凝交换器、介质储罐及循环泵，其中，所述回热器具有热介质进、出口及冷介质进、出口，所述回热器的热介质进口为所述介质热交换装置的介质进口，所述回热器的热介质出口与冷凝交换器的介质进口连接，所述回热器的冷介质进口则与循环泵连接，所述回热器的冷介质出口即为所述介质热交换装置的介质出口，所述冷凝交换器、介质储罐及循环泵通过管路依次连接，以使来自换能装置的气液两相介质从介质热交换装置的介质进口进入该装置后依次流经回热器、冷凝交换器、介质储罐和循环泵后再流经回热器，然后向换热装置输出液相介质。

本发明的工作原理是：循环泵将介质贮罐内的低温低压液态介质抽压进回热器，再进入换热器及蒸发器内，在换热器及蒸发器内的介质与热机的余热介质进行热交换，介质的温度和压力同时提高，并获取

值后，变成高温高压气体；这种高温高压介质经过管路进入换能装置内，在换能装置内介质做功，使热能转换为机械能并输出，做功后的介质流入回热器内，此时，所述介质在回热器内可与由循环泵供出的低温低压介质产生热交换，前者将一部分热能传递给后者，既使得做功后的低沸点介质得以降低冷凝温度和压力，又提高了低温低压介质进入换热器前的温度，从而减少换热器进出口的温差，使得

效率和循环效率提高；经所述回热器中的热能交换后，介质以气相或者气液两相形态进入冷凝交换器，并进一步降温液化，达到热能平衡状态，最终介质以液态的形式返回到介质贮罐中，完成一个工作循环；本发明中的介质不断在管路里流动，因此可一直循环做功。

本发明中的蒸发器、换热器及回热器均采用现有技术设备即可。

作为本发明的一种实施方式，所述换能装置为涡旋式膨胀机，所述涡旋式膨胀机的动力输出轴与发电机、机械传动装置或者液压传动装置相连接。动力输出轴将动力输送给发电机、机械传动装置或者液压传动装置等其它传动系统，因此本发明所输出的动力应用范围较广。

本发明是依据低沸点介质动力循环原理并采用

的理论，有效地回收了热机工作时所产生的高温余热能量，经本发明循环系统将低沸点介质的蒸汽压力提高，高压的介质气体高速冲击驱动涡旋式膨胀机的涡片，使涡片高速旋转，并产生扭矩，将热能转化为机械能，再输送给传动系统，大大提高了热机的热能利用率，即在不增加燃料消耗的情况下，提高了动力性能，或者说，在具有相同的动力输出条件下，本发明节省了燃料的消耗；也同时减少了热机的有害废气排放，降低大气环境污染和城市热污染，从而有利于环境保护。本发明中的换能装置可以采用活塞式、转子式、螺杆式及离心式等其它动力转换装置，上述装置均可将热能转化为动力输出。

作为本发明的一种改进，本发明所述的热机余热转换系统还包括自动调控器，所述自动调控器设于所述蒸发器与所述涡旋式膨胀机之间的管路上。本发明自动调控器的工作压力可以人为设定，当高压气体状态的介质的压力达到设定压力时，可控制涡旋式膨胀机的阀门开启，使上述高压气体状态的介质冲入涡旋式膨胀机内进行做功。

作为本发明的进一步改进，所述涡旋式膨胀机上还设有用于监测其产生扭矩的力矩传感器。力矩传感器用于监测涡旋式膨胀机在高速旋转时所产生的扭矩，以确定动力输出值。

作为本发明的实施方式，所述热机为压燃式发动机、点燃式发动机或者燃烧锅炉。

作为本发明的一种实施方式，所述低沸点介质可以是烷烃类有机化合物、氟立昂、氨或醇类化合物，其中，所述烷烃类有机化合物为乙烷、丙烷、丁烷或戊烷；所述醇类化合物为甲醇或者乙醇。

与现有技术相比，本发明具有如下显著的技术效果：

(1)本发明依据低沸点介质动力循环原理，并结合的理论，有效地回收了热机工作时所产生的高温热能，低沸点介质获取

值后，在换能装置内做功，从而产生动力输出，使热机余热转换为动力，因此大大提高了热机的热能利用率，在现有基础上可以实现热能利用率提高10％的技术效果，完全突破了现有技术的瓶颈；

(2)本发明输出的动力可应用于其它动力系统，如用于机械传动、发电机、液压传动系统等，对节能降耗具有积极的经济效益；

(3)当本发明应用于汽车发动机上时，可将动力输出发送给发动机主动力系统，因此在不增加油耗的情况下，能够提高动力性能，或者说，在具有相同的动力输出条件下，本发明节省了发动机燃料的消耗；

(4)本发明也同时减少了有害废气的排放，降低了大气环境污染和城市热污染，有利于环境保护。

附图说明

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。

图1为本发明实施例1的结构框图。

具体实施方式

实施例1

图1所示的是本发明一种热机余热能量转换系统的实施例1，它包括换热装置1、换能装置2及介质热交换装置3，换热装置1包括蒸发器4和换热器5，介质热交换装置3包括回热器6、冷凝交换器7、介质储罐8及循环泵9，换能装置2采用涡旋式膨胀机，其中，蒸发器4具有介质进、出口41、42和余热进、出口43、44，换热器5具有介质进、出口51、52和余热进、出口53、54，回热器6具有热介质进、出口61、62和冷介质进出口63、64，回热器6的热介质进口61与涡旋式膨胀机的介质出口21连接，而回热器6的热介质出口62则与冷凝交换器7的介质进口71连接，回热器6的冷介质进口63与循环泵9连接，而回热器6的冷介质出口64则与换热器5的介质进口51连接，冷凝交换器7、介质储罐8及循环泵9通过管路依次连接，换热器5的介质出口52与蒸发器4的介质进口41连接，而蒸发器4的介质出口42则通过设置在管路上的自动调控器10与涡旋式膨胀机的介质进口23连通，蒸发器4的余热进口43及换热器5的余热进口53均分别与热机的余热排出口连接。

本实施例是对于公交车余热能量的转化利用，所使用的热机为内燃发动机，其为6缸四冲程压然式发动机，即为柴油发动机，额定输出功率100KW，每百公里油耗25升柴油，本实施例中热机的余热排出口是指柴油发动机水箱的循环冷却水管和柴油发动机的排气管，使用本发明时，将本发明换热器5的余热进口53与柴油发动机水箱的循环冷却水管连接，而蒸发器4的余热进口43则与柴油发动机的排气管连接，涡旋式膨胀机的动力输出轴22与柴油发动机的主动力系统连接，排气管中排出的高温气体A从蒸发器4的余热进口43进入蒸发器4内，而循环冷却水管中的冷却水B从换热器5的余热进口53进入换热器5内，本实施例中低沸点介质采用氟立昂，即R134a，启动发动机约5～10分钟以后(怠速为600n/m)，当发动机的循环水温为65℃以上时，本发明开始工作，本发明的工作原理如下：循环泵9将介质贮罐8内的R134a抽压进回热器6，R134a通过管路进入换热器5内，在换热器5内R134a与冷却水B进行热量交换，热量交换完成后冷却水B从换热器5的余热出口54排出，此时R134a的温度和压力均升高，再通过管路进入蒸发器4内，在蒸发器4内与来自发动机排气管的余热气体A进行热交换，热量交换完成后余热气体A从蒸发器4的余热出口44排出，R134a则经过在上述换热器5与蒸发器4内的热量交换，获取

值，变成高温高压气体，当该气体的压力达到设定值时，自动调控器10开启，使R134a进入涡旋式膨胀机内，高压R134a高速冲击涡旋式膨胀机的涡片，涡片高速旋转做功，将热能转化为机械能并由动力输出轴22输出，涡旋式膨胀机上设有用于监测其产生扭矩的力矩传感器11，其可用于监测涡旋式膨胀机所产生的扭矩，以确定动力输出值，动力输出轴22将动力输送给柴油发动机的主动力系统，做功后的R134a呈气相或者气液两相形态流经回热器6，在回热器6内进行热交换，即将部分热量传递给由循环泵9供出的液态R134a，既降低了做功后的R134a的冷凝温度和压力，又提高了液态R134a进入换热器5前的温度，从而可以提高

效率和循环效率；在回热器6内经能量交换后，R134a以液相形态进入冷凝交换器7内，并在冷凝交换器7内释放热量，最终流入介质贮罐8中，完成一个工作循环，R134a可在本发明的管路中循环往复，通过吸收余热—对外做功—还原液态的能量转换过程，实现不断做功并向发动机的主动力输出动力，提高发动机的动力性能。

在本实施例中，当发动机正常运行至额定功率为2000n/m时，本发明输出的功率达到10KW，而在油耗不变的状况下，对应节油率为15％以上，提高了发动机的热能利用率，同时也增加了发动机的动力性能，或者说节省了柴油消耗；同时大幅度减少了发动机向大气环境排放的热量，有利于环境保护。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例是对家用小汽车发动机的余热能量进行转化利用，该发动机为4缸四冲程点燃式发动机，即汽油发动机，额定输出功率60KW，每百公里油耗8升，本发明按照实施例1的连接方式与汽油发动机连接，本实施例中，低沸点介质采用氟立昂，即R142b，开始工作后，当发动机转速在2000～3000n/m时，输出的轴功率为8KW，对应节油率达到23％以上。由此可见，采用本发明之后，发动机的燃料消耗大幅度减少，完全能够满足节能降耗的经济效益需求。

实施例3

本实施例与实施例1的不同之处在于：本发明是对燃烧锅炉的烟道余热进行利用，燃烧锅炉为燃烧无压式热水锅炉，其工作参数是：每产生100℃热水1吨的油耗为10公斤/小时；本实施例中，低沸点介质采用氨，本发明在使用时，将本发明的换热器5及蒸发器4共同放入烟道中，介质在换热器5及蒸发器4内与烟气热能进行热交换，当烟道排出烟气温度约为140～180℃时，本发明作为节能减排装置，可以将排出尾气中的热能回收转化为动力，余热回收利用率折合油耗大于10％。

本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，本发明还可以应用于其它热机上，将热机余热能量转换为动力后，动力可以输出到发电机、机械传动装置或者液压传动装置等其它传动系统上。

本发明的低沸点介质还可以采用烷烃类有机化合物或者醇类化合物，其中，烷烃类有机化合物可采用乙烷、丙烷、丁烷或戊烷等；而氟立昂除采用R134a、R142b之外，还可以采用其它种类；醇类化合物则可采用乙醇、丙醇或丁醇等。

因此按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (9)

1、一种热机余热能量转换系统，其特征在于：它包括换热装置(1)、换能装置(2)及介质热交换装置(3)，所述三个装置均分别具有介质进、出口，其中，所述换热装置(1)包括蒸发器(4)和换热器(5)，所述蒸发器(4)和换热器(5)均分别具有余热进、出口，所述余热进口用于与热机的余热排出口连接，所述余热出口用于将完成热交换的余热介质分别从蒸发器(4)和换热器(5)中排出，所述换热装置(1)的介质进口即为所述换热器(5)的介质进口(51)，该介质进口(51)与介质热交换装置的介质出口连接，换热器(5)同时具有的介质出口(52)则与蒸发器(4)具有的介质进口(41)连接，而所述蒸发器(4)的介质出口(42)即为所述换热装置(1)的介质出口，该介质出口(42)则与换能装置(2)的介质进口连通，换能装置(2)的介质出口则与介质热交换装置(3)的介质进口连接，使所述换热装置(1)、换能装置(2)及介质热交换装置(3)通过管路依次构成一回路，低沸点介质在回路中实现吸收余热—对外做功—还原液态的能量转换过程，并使该过程循环往复。

2、根据权利要求1所述的热机余热能量转换系统，其特征在于：所述介质热交换装置包括回热器(6)、冷凝交换器(7)、介质储罐(8)及循环泵(9)，其中，所述回热器(6)具有热介质进、出口(61、62)及冷介质进、出口(63、64)，所述回热器(6)的热介质进口(61)为所述介质热交换装置的介质进口，所述回热器(6)的热介质出口(62)与冷凝交换器(7)的介质进口(71)连接，所述回热器(6)的冷介质进口(63)则与循环泵(9)连接，所述回热器(6)的冷介质出口(64)即为所述介质热交换装置的介质出口，所述冷凝交换器(7)、介质储罐(8)及循环泵(9)通过管路依次连接，以使来自换能装置(2)的气液两相介质从介质热交换装置(3)的介质进口进入该装置后依次流经回热器(6)、冷凝交换器(7)、介质储罐(8)和循环泵(9)后再流经回热器(6)，然后向换热装置(1)输出液相介质。

3、根据权利要求1所述的热机余热能量转换系统，其特征在于：所述换能装置(2)为涡旋膨胀机，所述涡旋膨胀机的动力输出轴(22)与发电机、机械传动装置或者液压传动装置相连接。

4、根据权利要求3所述的热机余热能量转换系统，其特征在于：所述的热机余热能量转换系统还包括自动调控器(10)，所述自动调控器(10)设于所述蒸发器(4)与所述涡旋式膨胀机之间的管路上。

5、根据权利要求3所述的热机余热能量转换系统，其特征在于：所述涡旋式膨胀机上还设有用于监测其产生扭矩的力矩传感器(11)。

6、根据权利要求1所述的热机余热能量转换系统，其特征在于：所述热机为压燃式发动机、点燃式发动机或者燃烧锅炉。

7、根据权利要求1所述的热机余热能量转换系统，其特征在于：所述低沸点介质是烷烃类有机化合物、氟立昂、氨或醇类化合物。

8、根据权利要求7所述的热机余热能量转换系统，其特征在于：所述烷烃类有机化合物为乙烷、丙烷、丁烷或戊烷。

9、根据权利要求7所述的热机余热能量转换系统，其特征在于：所述醇类化合物为甲醇或乙醇。

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