CN102444439A - 发动机余热回收热力循环系统装置 - Google Patents

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舒歌群
赵健
田华
卫海桥
梁兴雨
赵智博
梁友才
于国鹏
刘丽娜
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Abstract

本发明公开了一种发动机余热回收热力循环系统装置，其系统组成是：发动机的排气管串接于温差发电器和蒸发器；温差发电器的工质侧通过管路依次串接于蒸发器、膨胀机、回热器、冷凝器、工质泵、预热器的工质侧、再经回热器的低温侧返回温差发电器，构成闭路循环系统。回热器高温侧的进口与外部出口管路之间、以及预热器的进口与外部出口管路之间分别设有旁通阀。利用自动电气控制系统，监测该热力循环系统中6个点的温度及压力，控制两个旁通阀的开启与关闭，从而保证系统的工质的最佳流程。本发明克服了目前发动机余热回收技术中的缺陷，实现发动机余热能的梯级利用，达到提高发动机的燃油经济性和降低排放的目的。

Description

发动机余热回收热力循环系统装置
技术领域
本发明属于余热利用技术，具体涉及一种对发动机余热回收的热力循环系统。
技术背景
众所周知，发动机燃料燃烧释放的能量仅有一部分转化为机械功，驱动输出轴，而其余大部分热能则作为废热排放掉。目前，发动机的热效率柴油机一般为30％-45％，汽油机为20％-30％。表明约2/3的能量通过冷却系统、润滑系统和排气进入周围环境，造成严重的能源浪费并且对环境产生了污染，因此如何提高燃料利用率和降低尾气排放，成为发动机行业节能减排的主要问题。由此可见对发动机排气余热的回收，是提高发动机燃油利用率的一项关键技术。
对于发动机而言，余热利用主要分三个方面：余热取暖或制冷、余热温差发电、余热做功等。利用余热取暖，系统密封性要求较高、容易积碳、易腐蚀，安全性较差；利用余热进行吸收式制冷，则存在制冷效率低、系统体积大、并且受运行工况限制等；利用余热进行温差发电，虽然存在效率较低、成本高、结构不够紧凑等缺陷，但是主要问题是热电材料技术不过关。发动机余热属于中低温热源，所以利用余热做功一般采用朗肯循环，而且通常采用水作为传热介质，因此其余热回收效率较低、装置体积大。如果采用适合于余热循环的有机工质，效率会升高，装置体积会减小，但由于有机工质的分解温度较低而受到限制。能否针对上述缺陷提出一种相对于发动机余热回收效率较高的热力循环系统，则是发动机行业之所求。
发明内容
本发明的目的是，提出一种对发动机余热回收的热力循环系统，实现中低温余热能的梯级利用，从而达到提高发动机的燃油经济性和降低排放的目的。
本发明通过下述技术方案予以实现：发动机余热回收热力循环系统装置包括：发动机、温差发电器、蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质泵、预热器、旁通阀、发电机、风扇和压力及温度传感器等。其系统组成：发动机的排气管串接于温差发电器和蒸发器；温差发电器的工质侧通过管路依次串接于蒸发器、膨胀机、回热器的高温侧、冷凝器、工质泵、预热器的工质侧、再经冷凝器的低温侧返回温差发电器，构成闭路循环系统。回热器高温侧的进口与外部出口管路之间设有第一旁通阀；预热器的进口与外部出口管路之间设有第二旁通阀。预热器是给工质泵排出的工质进行加热的，但是如果工质泵排出的工质温度高于预热器发动机冷却水的温度时，第二旁通阀就要开启，而无需预热器加热。回热器的作用也是给进入温差发电器的工质来预热的，一般情况下，回热器高温侧的温度高于低温侧的温度，但是如果出现膨胀机排出的乏汽温度低于该回热器低温侧温度的情况时，第一旁通阀开启，使工质则直接从膨胀机进入到冷凝器。利用自动电气控制系统，监测该热力循环系统中6个点的温度及压力，控制两个旁通阀的开启与关闭，从而保证系统的工质的最佳流程，使余热得到充分的利用。
除了温差发电器外，有回热器、冷凝器和预热器三套换热设备投入运行。发动机高温排气通过温差发电器与工质换热后即可输出一部分电能，而从蒸发器开始循环工质经膨胀机、回热器、冷凝器、工质泵、预热器等返回温差发电器所构成的闭路循环系统，为有机朗肯循环热利用发电系统。
即从蒸发器出来的高温高压气态工质，进入膨胀机做功，膨胀机与发电机轴连接而带动发电机发电。离开膨胀机的工质乏汽先进入回热器，对进入温差发电器的工质进行预热，然后进入冷凝器(风冷换热)继续降温，以保证进入工质泵的工质为液态。然后该工质进入预热器，与(发动机进行冷却后的)预热器循环水进行换热升温，再经回热器的二次预热后返回温差发电器进行下一个循环。
本发明的特点以及产生的有益效果是：
(1)克服了目前发动机余热回收技术中的缺陷，实现发动机余热能的梯级利用，达到提高发动机的燃油经济性和降低排放的目的。
(2)通过温差发电器与有机朗肯循环间的热交换，将未被温差发电器利用的能量，传递给有机朗肯循环，实现较高的余热回收效率。
(3)通过自动电气控制系统，监测该热力循环系统中6个点的温度及压力，控制旁通阀的开启与关闭，保证系统的工质的最佳流程，使系统工况稳定运行。
附图说明
所示附图为本发明的系统装置以及工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明系统结构以及工作过程做进一步的说明。需要说明的是，本实施例是叙述性的，而不是限定性的，不以此限定本发明的保护范围。
发动机余热回收热力循环系统装置，其系统组成以及结构特征是：发动机1的排气管串接于温差发电器2和蒸发器3；温差发电器的工质侧通过管路依次串接于蒸发器3、膨胀机4、回热器5-1的高温侧、冷凝器5-2、工质泵6、预热器7的工质侧、再经回热器5-1的低温侧返回温差发电器，构成闭路循环系统。回热器高温侧的进口与外部出口管路之间设有第一旁通阀8-1；预热器7的进口与外部出口管路之间设有第二旁通阀8-2。膨胀机与发电机9轴连接；冷凝器通过风扇10冷却。蒸发器的出口以及冷凝器的出口设有检测孔11。发动机与温差发电器之间设有第一压力及温度传感器12-1；温差发电器与蒸发器之间设有第二压力及温度传感器12-2；发动机与预热器冷却水进口之间设有第三压力及温度传感器12-3；工质泵与预热器工质进口之间设有第四压力及温度传感器12-4；预热器工质出口与回热器低温侧工质进口之间设有第五压力及温度传感器12-5；以及膨胀机4出口与回热器高温侧工质进口之间设有第六压力及温度传感器12-6。
为适应不同工作压力下的，保证热能得到更有效地利用，本发明设有6套温度及压力传感器。当第四个传感器表明该处工质的温度高于第三个传感器处的温度时，第二旁通阀开启，工质直接从工质泵进入到回热器，预热器关闭。当第六个传感器表明该处工质的温度低于第五个传感器处的温度时，第一旁通阀开启，工质直接从膨胀机进入到冷凝器，回热器关闭。此外，为了监视进入膨胀机的工质为纯气态，和工质泵的工质为纯液态，分别设有监测孔。本实施例所采用的循环工质是R123。
加入温差发电器的目的有两个，一是利用排气高温与循环工质的温差进行发电，二是对循环工质进行预热。因为在温差发电器中虽然排气温度很高，但是工质通道的换热面积比较小，所以不能使工质温度(压力)达到饱和或过热。循环工质的相变蒸发主要在蒸发器中进行。对于本实施例而言，发动机排气管出口(进入温差发电器)温度为792K，进入蒸发器的温度为731K，蒸发器出口(排气管最终出口)的温度为450K。对于循环工质而言：进入温差发电器的温度为393K，进入蒸发器(温差发电器出口)的温度为420K，蒸发器出口(进入膨胀机做功)的温度为500K。因此温差发电器在降低排气温度的同时，可以更多的回收排气因温度降低所散失掉的那部分热量。
该系统适用于中低温余热源的余热回收，温差发电器、蒸发器分别梯级利用排气的余热能，从而最大限度利用排气的余热能。与传统的只回收发动机排气余热的热力循环系统相比，热回收效率得到明显提高。

Claims (5)

1.发动机余热回收热力循环系统装置，包括发动机、温差发电器、蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质泵、预热器、旁通阀、发电机、风扇和压力及温度传感器，其特征是：发动机(1)的排气管串接于温差发电器(2)和蒸发器(3)；温差发电器的工质侧通过管路依次串接于蒸发器(3)、膨胀机(4)、回热器(5-1)的高温侧、冷凝器(5-2)、工质泵(6)、预热器(7)的工质侧、再经回热器(5-1)的低温侧返回温差发电器，构成闭路循环系统。
2.按照权利要求1所述的发动机余热回收热力循环系统装置，其特征是所述回热器(5-1)高温侧的进口与外部出口管路之间设有第一旁通阀(8-1)；所述预热器(7)的进口与外部出口管路之间设有第二旁通阀(8-2)。
3.按照权利要求1所述的发动机余热回收热力循环系统装置，其特征是所述膨胀机(4)与发电机(9)轴连接；所述冷凝器(5-2)通过风扇(10)冷却。
4.按照权利要求1所述的发动机余热回收热力循环系统装置，其特征是所述蒸发器(3)的出口以及冷凝器(5-2)的出口设有监测孔(11)。
5.按照权利要求1所述的发动机余热回收热力循环系统装置，其特征是所述发动机(1)与温差发电器(2)之间设有第一压力及温度传感器(12-1)；温差发电器与所述蒸发器(3)之间设有第二压力及温度传感器(12-2)；发动机与所述预热器(7)冷却水进口之间设有第三压力及温度传感器(12-3)；所述工质泵(6)与预热器工质进口之间设有第四压力及温度传感器(12-4)；预热器工质出口与所述回热器(5-1)低温侧工质进口之间设有第五压力及温度传感器(12-5)；以及所述膨胀机(4)出口与回热器高温侧工质进口之间设有第六压力及温度传感器(12-6)。
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