CN102505980B - 发动机余热分类回收系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发动机余热分类回收系统，其系统组成为：高温换热器与低温换热器气侧的进、出口并联，发动机排气总管分为两根歧管，两根歧管分别串接第一节气门和第二节气门。发动机排气歧管作为高、低温换热器的气侧通道，高、低温换热器、气侧的进口与出口并联。由换热器、膨胀机、冷凝器以及循环泵，构成高、低温侧两个工质循环回路，所不同的是低温侧还串接了冷却水换热器和电加热器。两侧发电机的信号线均接至第一电控单元。通过高低温两个换热器分类回收发动机排气和冷却水余热，可使发动机的余热得到充分而有效地回收利用，既可以提高发动机的效率及功率，又可有效的减少有害排放，由此提高系统热效率和输出功率。

Description

发动机余热分类回收系统
技术领域
本发明属于余热回收技术，具体涉及一种对发动机余热进行分类回收的朗肯循环发电系统装置。
技术背景
目前，发动机燃料转化为机械能的热量仅有1/3被利用，其余的热量绝大部分被排气和冷却水带走。如果能将这部分热能通过朗肯循环回收利用则是非常有意义的。既可以提高发动机的效率及功率，提高经济性达到节能的目的，又可有效的减少有害排放物达到减排的目的。
一般热回收利用，均是在排气管后加装热回收装置，但这种方式存在着一些缺陷，最大的问题是，在排气管后添加换热器，会增加排气背压。如果发动机排气温度较高，这时可回收利用的能量较高，这种影响相对并不十分严重，但是当发动机排气温度较低时，这种影响就会显得相对严重，甚至会得不偿失。其次，当发动机的排气温度和流量变化时，热回收系统的工作参数(如工质的温度和压力)也会发生相应变化，不能保证该循环系统的稳定工作。因此，需要根据能量大小的不同，对发动机余热进行分类回收。
发明内容
本发明的目的是，提出一种针对发动机余热变化而进行分类热回收的装置。
本发明通过下述技术方案予以实现：发动机余热分类回收系统包括：膨胀机、冷凝器、发电机、冷却水换热器、循环泵等，其系统连接为：发动机排气总管分为两根歧管，两根歧管分别串接第一节气门和第二节气门。发动机排气歧管作为高温换热器与低温换热器的气侧通道，高温换热器与低温换热器气侧的进口与出口并联在一起。高温换热器工质侧依次串接高温侧膨胀机、高温侧冷凝器以及高温侧循环泵构成高温侧工质循环回路，高温侧膨胀机与高温侧发电机轴连接。低温换热器工质侧依次串接电加热器、低温侧膨胀机、低温侧冷凝器、低温侧循环泵以及冷却水换热器构成低温侧工质循环回路，低温侧膨胀机与低温侧发电机轴连接。高、低温侧发电机的信号线均接至第一电控单元，蓄电池的电力输出接于电加热器，蓄电池以及发动机中电动机的电力输入由第一电控单元供给与调控。
为了实现对两并联换热器气侧的进口流量分配进行调节，第一、第二节气门内各装有一片扇叶，两个节气门的叶片用连杆连接，以便实现联动，两个叶片互成90°角，扇叶角度位置由第二电控单元同步控制。为了减小流动阻力，节气门两个叶片的直径与发动机排气歧管直径相同。在发动机排气总管上装有温度传感器和流量传感器，分别对排气温度和流量进行采集，温度传感器和流量传感器的输出信号均接至第二电控单元，由该单元进行转换处理。
本发明的特点以及产生的有益效果是：(1)当排气温度或流量过高时，利用高温换热器一侧回收高温排气余热，并通过分流排气来稳定高温侧系统循环，减小对排气背压的影响。当排气温度或流量过低时，利用低温换热器一侧回收低温排气余热，并通过自供电的电加热器为低温循环提供主要热源。(2)通过高低温两个换热器分类回收发动机排气和冷却水余热，可使发动机的余热得到充分而有效地回收利用，既可以提高发动机的效率及功率，又可有效的减少有害排放，由此提高系统热效率和输出功率。
附图说明
所示附图为发明系统循环以及结构原理图。
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。
发动机余热分类回收系统，其系统组成结构为：发动机排气总管1分为两根歧管，两根歧管分别串接第一节气门2-1和第二节气门2-2，发动机排气歧管作为高温换热器3与低温换热器4的气侧通道。高温换热器3与低温换热器4气侧的进口与出口并联，高温换热器3工质侧依次串接高温侧膨胀机5、高温侧冷凝器6以及高温侧循环泵7构成高温侧工质循环回路，高温侧膨胀机与高温侧发电机8轴连接。低温换热器4工质侧依次串接电加热器9、低温侧膨胀机10、低温侧冷凝器11、低温侧循环泵12以及冷却水换热器13构成低温侧工质循环回路，低温侧膨胀机10与低温侧发电机14轴连接。高温侧发电机和低温侧发电机的信号线均接至第一电控单元15，蓄电池16的电力输出接于电加热器9，蓄电池以及发动机中电动机的电力输入由第一电控单元15供给与调控。
发动机排气总管上装有温度传感器18和流量传感器19；温度传感器和流量传感器的输出信号均接至第二电控单元17。
第一、第二节气门内各装有一片扇叶，两个节气门的叶片用连杆连接，两个叶片互成90°角，扇叶角度位置由第二电控单元19同步控制；节气门两个叶片的直径与发动机排气管路直径相同。
高温换热器为螺旋管换热器，壳侧与发动机排气歧管连接，管侧内走循环工质水，可以提高换热效率，同时使换热器尺寸更加紧凑，有利于系统的小型强化，从而更适合应用于汽车发动机。
低温换热器的壳侧走循环工质，管侧与发动机排气歧管连接，管侧管径与发动机排气歧管直径相等，从而避免换热器对发动机排气背压的影响。
作为实施例，在排气温度或流量较低时，通过调节节气门的开度，使发动机排气只流经低温换热器。低温侧循环工质R245fa利用冷却水换热器和低温换热器为预热热源，电加热器作为主要热源，使有机工质蒸发至饱和蒸汽状态，再通过膨胀机做功发电，为发动机提供辅助动力。电加热器所需电力由第一控制单元分配，通过蓄电池供应，从而实现系统对低温侧工质循环回路主要热源的自供电。
当排气温度过高且不稳定时，可通过控制节气门进入高温换热器的流量，使进入高温换热器温度以及流量控制在设计参数范围内。此时低温换热器回收能量是经由第一节气门分流而来的部分高温排气。
高低温侧两发电机发出的电能经第一控制单元调控分配至发动机中的电动机以及蓄电池。两个传感器的输出信号经过第二控制单元转换处理，用来调节两个节气门的开度。
实施例循环过程：发动机排气经过排气总管时，第二控制单元根据温度传感器(T信号)和流量传感器(m信号)，由公式Q＝cmT(c为排气的定压比热容，可根据排温计算获得)通过模/数转换，从而控制调节节气门的开度。当排气焓值Q低于设定值Q0min时，通往高温侧气流的第一节气门关闭，通往低温侧气流的第二节气门全开，使发动机排气流经低温换热器和冷却水换热器，一起作为低温侧循环工质R245fa的预热热源，即低温侧系统进行，高温侧系统则不再进行。当排气焓值Q过高大于设定值Q0max时，第一节气门部分打开，第二节气门也部分打开，使通过高温换热器的排气焓值为Q0max，剩余的焓值为(Q-Q0max)的排气通过低温换热器，两侧系统同时进行循环。当排气焓值Q在预设范围Q0max至Q0min内时，第一节气门全开，高温侧系统运行；低温侧系统中只有冷却水换热器提供预热热源。低温侧系统循环进行时，电加热器所需电力由第一控制单元分配，通过蓄电池供应。

Claims (5)

1.发动机余热分类回收系统，具有膨胀机、冷凝器、发电机、冷却水换热器、循环泵、第一与第二电控单元、第一与第二节气门、蓄电池、温度传感器以及流量传感器，其特征在于，发动机排气总管（1）分为两根歧管，两根歧管分别串接第一节气门（2-1）和第二节气门（2-2），发动机排气歧管作为高温换热器（3）与低温换热器（4）的气侧通道，高温换热器与低温换热器气侧的进口与出口并联，高温换热器（3）工质侧依次串接高温侧膨胀机（5）、高温侧冷凝器（6）以及高温侧循环泵（7）构成高温侧工质循环回路；高温侧膨胀机与高温侧发电机（8）轴连接，低温换热器工质侧依次串接电加热器（9）、低温侧膨胀机（10）、低温侧冷凝器（11）、低温侧循环泵（12）以及冷却水换热器（13）构成低温侧工质循环回路；低温侧膨胀机与低温侧发电机（14）轴连接，高温侧发电机和低温侧发电机的信号线均接至第一电控单元(15)，蓄电池（16）的电力输出接于电加热器，蓄电池以及发动机中电动机的电力输入由第一电控单元供给与调控。
2.根据权利要求1所述的发动机余热分类回收系统，其特征在于所述第一、第二节气门（2-1、2-2）内各装有一片扇叶，两个节气门的叶片用连杆连接，两个叶片互成90°角，扇叶角度位置由第二电控单元（17）同步控制；节气门两个叶片的直径与发动机排气管路直径相同。
3.根据权利要求1或2所述的发动机余热分类回收系统，其特征在于所述发动机排气总管（1）上装有温度传感器（18）和流量传感器（19）；温度传感器和流量传感器的输出信号均接至所述第二电控单元(17)。
4.根据权利要求1所述的发动机余热分类回收系统，其特征在于所述高温换热器（3）为螺旋管换热器，壳侧与所述发动机排气歧管连接，管侧内走循环工质水。
5.根据权利要求1所述的发动机余热分类回收系统，其特征在于所述低温换热器（4）的壳侧走循环工质R245fa，管侧与所述发动机排气歧管连接，管侧管径与发动机排气歧管直径相等。
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