CN102812211B - 朗肯循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供朗肯循环系统。朗肯循环系统（100）具备过热器（8）以及被作为从该过热器（8）供给的汽化制冷剂的蒸汽驱动而进行能量回收的膨胀器（10）。膨胀器（10）具备排出蒸汽的第一排出口（10a1）、以及排出在膨胀器（10）的内部蒸汽凝结而生成的液化制冷剂的第二排出口（10a2）。朗肯循环系统（100）具备与第一排出口（10a1）连接并从膨胀器（10）排出蒸汽的第一排出通路（11）、以及通过第一排出通路（11）被导入蒸汽并对被导入的蒸汽进行凝结来作为液化制冷剂的冷凝器（12）。在冷凝器（12）中生成的液化制冷剂被贮存在凝结水箱（14）中。第二排出口（10a2）和凝结水箱（14）被第二排出通路（15）连接。

Description

朗肯循环系统

技术领域

本发明涉及朗肯循环系统。

背景技术

以往，已知对伴随内燃机的运转而产生的无用热量进行回收的朗肯循环。在这样的朗肯循环中，例如将发动机的水冷冷却系统设为密闭构造来进行沸腾冷却，通过被发动机中的无用热量汽化的制冷剂、即蒸汽来驱动蒸汽涡轮的膨胀器，并将该蒸汽具有的热能转换为电能等来进行回收。作为对这样的朗肯循环系统进行改进的情况，例如有专利文献1。

专利文献1：日本特开2009-103060号公报

但是，在上述专利文献1的提案中，在例如内燃机的冷起动时有可能产生如下所述的不良情况。在内燃机的冷间时通常膨胀器的温度也低。如果向低温状态的膨胀器供给蒸汽、则蒸汽在膨胀器内凝结而恢复为液化制冷剂。在膨胀器内所生成的液化制冷剂贮存在膨胀器内，从而有可能成为膨胀器驱动的阻力而导致膨胀器的劣化或破损。当在车辆中搭载朗肯循环系统的情况下，由于膨胀器成为冷间状态的情况频繁地出现，因此必须解决如上所述的膨胀器的劣化和破损的问题。为了抑制这样的膨胀器的劣化和破损，考虑设置抑制在内燃机的暖机时蒸汽向膨胀器的流入的控制阀等。然而，为了实现这些控制，需要使控制阀工作的执行器、用于设定控制定时的温度传感器、或者用于估算温度的逻辑构筑等，成本变高。

发明内容

因此，本说明书公开的朗肯循环系统以抑制因在如蒸汽涡轮的膨胀器中液化制冷剂的生成而引起的膨胀器的劣化和破损为目的。

为了解决该课题，本说明书公开的朗肯循环系统，其特征在于，具备：过热器；膨胀器，该膨胀器被从所述过热器供给的汽化制冷剂亦即蒸汽驱动来进行能量回收，并具备排出蒸汽的第一排出口、以及排出所述蒸汽在内部凝结而生成的液化制冷剂的第二排出口；第一排出通路，该第一排出通路与所述第一排出口连接，从所述膨胀器排出所述蒸汽；冷凝器，该冷凝器通过所述第一排出通路被导入所述蒸汽，并将所述蒸汽凝结而形成液化制冷剂；凝结水箱，该凝结水箱贮存所述冷凝器中生成的液化制冷剂；以及第二排出通路，该第二排出通路连接所述第二排出口和所述凝结水箱，从所述膨胀器排出所述液化制冷剂箱制冷剂。

膨胀器由于具备第二排出口，因此能够排出在膨胀器是冷间状态时在膨胀器的内部凝结而生成的液化制冷剂。如果能够从膨胀器内排出液化制冷剂，则能够降低膨胀器的驱动负载。其结果是，能够抑制膨胀器的劣化和破损。

所述第二排出口优选设置在所述膨胀器的下部。宗旨在于考虑膨胀器的内部形状等来有效地排出液化制冷剂。通常，通过在膨胀器的下部设置第二排出口能够使液化制冷剂流出。

对于所述凝结水罐内的液面高度，当将该液面与所述第二排出通路内的最低液面的差设为Δh、将所述蒸汽通过所述第一排出通路从所述膨胀器流入到所述冷凝器时的压力损失设为ΔPto、将所述液化冷却剂的密度设为ρ、将重力加速度设为g时，满足Δh>ΔPto/ρg的关系。

凝结水箱内的液面高度只要被维持在满足这样关系的状态下，就能够抑制蒸汽通过第二排出口的情况。

另外，所述第二排出通路与所述凝结水箱的连接位置相比所述第二排出通路内的最低液面位于上侧。例如，在通过U字管形成第二排出通路的情况下，第二排出通路的最低液面为U字管的U字状部，从而能够将Δh较大地设定。只要能够将Δh较大地设定，就能够有效地抑制第二排出口的蒸汽通过。

并且，所述第二排出口的口径比所述第一排出口的口径小。通过将第一排出口的口径和第二排出口的口径的关系进行如上所述设定，能够有效地抑制第二排出口的蒸汽通过。另外，如果第一排出口的口径变大则能够使压力损失ΔPto较小，具有抑制第二排出口的蒸汽通过的效果。

另外，所述第二排出通路的流路面积比所述第一排出通路的流路面积小。例如，将形成第二排出通路的配管的内径与形成第一排出通路的配管的内径比设为小径，由此能够实现由上述的式子表示出的关系。通过将第二排出通路的流路面积和第一排出通路的流路面积的关系如上所述设定，能够有效地抑制第二排出口的蒸汽通过。另外，如果第一排出通路的流路面积变大则能够使压力损失ΔPto较小，具有抑制第二排出口的蒸汽通过的效果。

根据本说明书公开的朗肯循环系统，能够抑制由膨胀器中的液化制冷剂的生成引起的膨胀器的劣化和破损。

附图说明

图1是实施例的朗肯循环系统的简要构成图。

图2示放大示出图1中的A部的说明图。

图3是示出第二排出通路的其他的形状的说明图。

具体实施方式

以下将用于实施本发明的方式与附图一起进行详细地说明。

实施例

参照图1、图2对朗肯循环系统100的简要构成进行说明。图1是朗肯循环系统100的简要构成图。图2是放大示出图1中的A部的说明图。朗肯循环系统100具备通过在内部制冷剂沸腾而被冷却的发动机1。发动机1是相当于蒸汽产生器的内燃机的一例。发动机1具备缸体1a和缸盖1b。在缸体1a以及缸盖1b内形成水套，通过该水套内的制冷剂沸腾来进行发动机1的冷却。此时，发动机1使蒸汽产生。发动机1还具备排气管2。发动机1的缸盖1b与蒸汽通路3的一端连接。

在蒸汽通路3中配设有气液分离器4。从发动机1侧以气液混合状态流入到气液分离器4的制冷剂在气液分离器4内被分离为气相（蒸汽）和液相（液化制冷剂）。气液分离器4的下端部与制冷剂循环通路5的一端连接。该制冷剂循环通路5的另一端与缸体1a连接。另外，在制冷剂循环通路5中配设有向发动机1内压送液化制冷剂的第一水泵6。该第一水泵6是所谓的机械式，将发动机1具备的曲轴作为驱动源。通过该第一水泵6，液化制冷剂在发动机1和气液分离器4之间循环。

在蒸汽通路3中设置有过热器8。过热器8在下侧具备蒸发部8a，在其上侧具备过热部8b。排气管2被引入到过热器8中。在排气管2的内部，由发动机1产生的废气流通。排气管2以使废气按照过热部8b、蒸发部8a的顺序通过的方式贯通过热器8。蒸发部8a与液化制冷剂通路7的一端连接。废气与通过气液分离器4的蒸汽进行热交换。液化制冷剂通路7的另一端与气液分离器4的下端部连接。在液化制冷剂通路7中设置有开关阀7a。通过该开关阀7a的开闭状态来决定从气液分离器4向蒸发部8a的液化制冷剂的供给状态。被供给到蒸发部8a的液化制冷剂通过在过热部8b经蒸汽过热后的废气的热量而能够蒸汽化。由此，随着蒸汽产生量增大，蒸汽的过热度提高，无用热量回收效率提高。在过热部8b的上端部设置有蒸汽排出管3a。在蒸汽排出管3a的顶端部设置有喷嘴9。

在过热器8的下游侧配设有膨胀器10。膨胀器10被由过热器8供给的汽化制冷剂、即蒸汽驱动来进行能量回收。膨胀器10是具备壳体10a以及设置在该壳体10a上的涡轮翼10b的蒸汽涡轮。喷嘴9安装在壳体10a上，以将通过蒸汽通路3供给的蒸汽向涡轮翼10b喷射。由此，涡轮翼10b被通过蒸汽通路3供给的蒸汽驱动旋转。涡轮翼10b的旋转力辅助发动机1具备的曲轴的旋转，或者驱动发电机。由此，进行无用热量的回收。

膨胀器10的壳体10a具备排出蒸汽的第一排出口10a1、以及排出在内部蒸汽凝结而生成的液化制冷剂的第二排出口10a2。这里，第二排出口10a2以能够排出膨胀器10的壳体10a内的液化制冷剂的方式被设置在膨胀器10的壳体10a的下部。第二排出口10a2的口径D2比第一排出口10a1的口径D1小。即，为D2<D1的关系。

第一排出口10a1与第一排出通路11的一端连接。第一排出通路11的另一端与冷凝器12连接。第一排出通路11从膨胀器10排出蒸汽，并将排出的蒸汽导入到冷凝器12。冷凝器12通过冷却蒸汽进行凝结来生成液化制冷剂。冷凝器12能够接受风扇13的送风，来有效地冷却、凝结蒸汽。冷凝器12的下部设置有贮存在冷凝器12中生成的液化制冷剂的凝结水箱14。

第二排出口10a2与第二排出通路15的一端连接。第二排出通路15的另一端与凝结水箱14连接。这样的第二排出通路15从膨胀器10将液化制冷剂排出到凝结水箱14。在凝结水箱14内贮存有在冷凝器12被冷却的液化制冷剂。在膨胀器10内凝结的液化制冷剂被排出到凝结水箱14内，由此与在冷凝器12中被冷却的液化制冷剂混合，温度被降低。第二排出通路15的流路面积S2与第一排出通路11的流路面积S1比是小径。即，为S2<S1的关系。

在凝结水箱14的下游侧设置有使暂时贮存在凝结水箱14内的液化制冷剂再次向发动机1侧循环的制冷剂回收通路16。制冷剂回收通路16与制冷剂循环通路5的第一水泵6的上游侧连接。在制冷剂回收通路16中配设有第二水泵17。该第二水泵17是电式叶片泵。当第二水泵17为运转状态时，凝结水箱14内的液化制冷剂被供应给制冷剂循环通路5。另外，在第二水泵17的下游配设有用于避免制冷剂的逆流的单向阀18。如上所述，朗肯循环系统100具备制冷剂循环的路径。

朗肯循环系统100具备的第一排出口10a1的口径D1和第二排出口10a2的口径D2如前所述具有D2<D1的关系。另外，朗肯循环系统100具备的第一排出通路11的流路面积S1和第二排出通路15的流路面积S2如前所述具有S2<S1的关系。这些关系的维持对抑制第二排出口10a2的蒸汽通过是有效的。在朗肯循环系统100中，被供给到膨胀器10内的蒸汽极力希望从第一排出口10a1排出。假设作为没有凝结的汽化制冷剂的蒸汽从第二排出口10a2排出，则蒸汽通过第二排出通路15、凝结水箱14流入到冷凝器12。即，蒸汽从与针对冷凝器12的本来的流入方向不同的方向流入。如此，当在冷凝器12中蒸汽从与本来不同的方向流入时，冷凝器12的功能受损。即，冷凝器12在从上侧导入的蒸汽到达凝结水箱14之前的期间通过热交换冷却并凝结蒸汽，生成液化制冷剂。当从凝结水箱14侧流入高温的蒸汽时，冷凝器12的功能受损。另外，凝结水箱14内的液化制冷剂的温度也上升。凝结水箱14内的液化制冷剂再次被供给给发动机1，并用在发动机1的冷却上。因此，还要求希望将凝结水箱14内的液化制冷剂的温度尽量保持为低温。

为了避免蒸汽从第二排出口10a2排出，朗肯循环系统100满足以下的式（1）的关系。

Δh>ΔPto/ρg    式（1）

Δh：凝结水箱14内的液面高度和第二排出通路15内的最低液面的高度的差

ΔPto：蒸汽通过第一排出通路11从膨胀器10流入到冷凝器12时的压力损失

ρ：液化制冷剂的密度

g：重力加速度

这里，本实施例中的Δh如图1和图2所示是Δh=Δh1。另外，本实施例中的ΔPto设为在图1和图2中由B示出的范围的压力损失。

通过满足这样的式（1）的关系，能够避免蒸汽从第二排出口10a2排出。为了满足式（1）的关系，将Δh的值设定得尽量大、将ΔPto的值设定得尽量小是有效的。通过将第一排出口10a1的口径D1较大地设定、或者将第一排出通路11的流路面积S1较大地设定，能够缩小ΔPto的值。

另一方面，为了将Δh较大地设定，可以将第二排出通路15置换为图3所示的第二排出通路151。如图3所示，第二排出通路151到凝结水箱14的连接位置P1与第二排出通路151内的最低液面151a相比靠上侧。通过将第二排出通路151的形状设为U字状，最低液面151a降低。由此，确保了Δh2。如图3可知，Δh2比使用第二排出通路15的情况的Δh1大。其结果是，Δh2容易满足式（1）的条件。

如以上说明的那样，根据本说明书公开的朗肯循环系统，能够有效地排出在膨胀器10内生成的液化制冷剂。其结果是，能够抑制由膨胀器10中的液化制冷剂的生成而引起的膨胀器的劣化和破损。此时，由于不需要从膨胀器10内排出液化制冷剂的特别的控制装置，因此在节约成本方面也是有利的。

上述实施例只不过是用于实施本发明的例，本发明并不限于这些，对这些实施例进行各种变形是本发明的范围内，并且，在本发明的范围内，根据上述记载能够有其他各种各样的实施例是不言自明的。

符号说明：

1…发动机；2…排气管；3…蒸汽通路；3a1…蒸汽排出管；4…气液分离器；5…制冷剂循环通路；6…第一水泵（W/P）；7…液化制冷剂通路；8…过热器；8a…蒸发部；8b…过热部；9…喷嘴；10…膨胀器；10a…涡轮壳体；10b…涡轮翼；11…第一排出通路；12…冷凝器；13…风扇；14…凝结水箱；15、151…第二排出通路；16…制冷剂回收通路；17…第二水泵（W/P）；18…单向阀；100…朗肯循环系统。

Claims (5)

1.一种朗肯循环系统，其特征在于，

所述朗肯循环系统具备：

过热器；

膨胀器，该膨胀器被从所述过热器供给的汽化制冷剂亦即蒸汽驱动来进行能量回收，并具备排出蒸汽的第一排出口、以及排出所述蒸汽在内部凝结而生成的液化制冷剂的第二排出口；

第一排出通路，该第一排出通路与所述第一排出口连接，从所述膨胀器排出所述蒸汽；

冷凝器，该冷凝器通过所述第一排出通路被导入所述蒸汽，并将所述蒸汽凝结而形成液化制冷剂；

凝结水箱，该凝结水箱贮存所述冷凝器中生成的液化制冷剂；以及

第二排出通路，该第二排出通路连接所述第二排出口和所述凝结水箱，从所述膨胀器排出所述液化制冷剂，

对于所述凝结水箱内的液面高度，当将该液面高度与所述第二排出通路内的最低液面的高度差设为Δh、将所述蒸汽通过所述第一排出通路从所述膨胀器流入到所述冷凝器时的压力损失设为ΔPto、将所述液化制冷剂的密度设为ρ、将重力加速度设为g时，满足Δh＞ΔPto/ρ g的关系。

2.根据权利要求1所述的朗肯循环系统，其特征在于，

所述第二排出口设置在所述膨胀器的下部。

3.根据权利要求1或2所述的朗肯循环系统，其特征在于，

所述第二排出通路与所述凝结水箱的连接位置相比所述第二排出通路内的最低液面位于上侧。

4.根据权利要求1或2所述的朗肯循环系统，其特征在于，

所述第二排出口的口径比所述第一排出口的口径小。

5.根据权利要求1或2所述的朗肯循环系统，其特征在于，

所述第二排出通路的流路面积比所述第一排出通路的流路面积小。