CN103109046B - 具有局部回收的废热回收系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于与内燃机一起使用的废热回收设备，其包括工作流体回路，该工作流体回路具有：第一加热管线以及与第一加热管线平行的第二加热管线；在第一加热管线中的第一热交换器，该第一热交换器以可操作方式连接成从内燃机的废排气流向工作流体传递热能；在第二加热管线中的第二热交换器，该第二热交换器以可操作方式连接成从内燃机的再循环排气向工作流体传递热能；以及回收热交换器，该回收热交换器以可操作方式连接成从在膨胀器出口和冷凝器入口的接点处的工作流体向第一加热管线中的工作流体传递热能。

Description

具有局部回收的废热回收系统
本申请要求2010年7月14日提交的美国临时申请No.61/364,201的权益。
技术领域
本发明涉及与内燃机联接的废热回收(WHR)系统，更具体地，涉及用于改善对WHR工作流体的热能回收的设备和方法。
背景技术
废热回收系统使得可有效利用排气中的能量，否则，这种能量将白白流失。当结合到具有内燃机的车辆中时，废热回收系统增加了某些优势。例如，废热回收系统可以设计成从EGR(排气再循环)系统中回收热量，这减少了发动机冷却系统的冷却负荷。
另外，废热回收系统可以从离开排气尾管或排气竖管的排气中提取可用能量，否则，这种能量将流失到周围环境中。
发明内容
本发明提供一种用于改善对内燃机排气的废热回收的方法和设备。通过回收额外的能量，整体提高了系统的效率。
另外，根据一个方面，本发明改善了废热回收系统自身的运行，例如通过减少废热回收系统冷凝器的冷却负荷来实现。
此外，通过在工作流体进入排气热交换器之前预热该工作流体，排气保持较高温度，从而避免排气流中的冷凝。
用于内燃机的废热回收设备可以包括工作流体回路，在该工作流体回路上连接有：用于将热能转换成机械能或电能的膨胀器；冷凝器；用于使工作流体移动通过所述回路的泵；以及用于将热量从内燃机排气传递到工作流体的第一热交换器。
根据本发明，所述工作流体回路包括第一加热管线和第二加热管线，第二加热管线平行于第一加热管线。第一热交换器或加热器(boiler)连接在第一加热管线中，并以可操作方式连接到将排气运送到排气竖管出口或排气尾管的排气管道。
通过将工作流体回路连接到排气再循环冷却器，第二热交换器被设置在第二加热管线中，该排气再循环冷却器被构造成从再循环到发动机进气口的排气向工作流体传递热量。
在所述泵的下游且响应于废热回收系统的焓需求(enthalpydemand)的阀控制了工作流体的流量以及工作流体向第一加热管线和第二加热管线中的分配。
替代地，也可在第一加热管线和第二加热管线中的每一个上设有一个泵，这两个泵位于所述工作流体回路被分支为两个加热管线处的接点的下游，每个泵均响应于废热回收系统的焓需求而受到控制，以将工作流体流泵送到各自的加热管线中。所述泵可以是可变转速泵或可变输出泵。替代地，第一加热管线和第二加热管线中的每一个均可以包括旁通设备，该旁通设备包括旁通管线和阀，以运送所述泵输出的一部分或全部并使其返回到冷凝器、泵入口或贮存箱。
焓需求考虑了废热回收系统的输出要求、来自发动机排气的可用热能以及该系统的内部限制，例如工作流体的温度限制、冷凝器上的排热负荷、以及本领域技术人员将会理解的其它因素。
根据发明的另一方面，回收热交换器以可操作方式连接成：从在膨胀器出口和冷凝器入口的接点处(高温、低压位置)的工作流体向第一热交换器上游(低温、高压位置)的第一加热管线传递热量。
有利地，所述回收热交换器回收热量的一部分，否则，该热量将通过冷凝器作为废热排出；因此，所述回收热交换器的作用是提高了总的能量转换效率。另外，所述回收热交换器去除了工作流体中的热能(否则，该热能必须由冷凝器去除)，因此，减小了对冷凝器的冷却要求。
在本发明的以上描述中，结合兰金循环式废热回收设备描述了所述设备和方法，但应当理解，本发明也适用于其它的废热回收或再生装置。
附图说明
当参照以下详细描述、结合附图来阅读时，将能更好地理解本发明，在这些附图中：
图1是根据本发明的废热回收设备的第一实施例的示意图，该废热回收设备被示出为连接到内燃机；并且
图2是根据本发明的废热回收设备的第二实施例的示意图。
具体实施方式
下面，作为本发明的一个应用实例，图1示出了用于内燃机100的、基于兰金循环的废热回收设备10。虽然结合兰金循环式废热回收设备示出了本发明，然而，本文所示和描述的实施例仅是说明性而非限制性的，本发明也可适用于其它的废热回收循环和废热回收设备，例如热电循环、埃里克森循环(Ericsson cycle)或其它底循环(bottomingcycle)。
内燃机100包括进气歧管102和排气歧管104。排气的一部分通过排气再循环(EGR)系统再循环到进气歧管102中，该排气再循环(EGR)系统包括EGR阀110、EGR冷却器112以及与进气歧管连接的返回管线114。新鲜空气经由进气管线106供应到进气歧管中，如本领域已知的，可通过涡轮压缩机(未示出)来供应该新鲜空气。
EGR阀110还控制流入排气管道116(例如从排气竖管或排气尾管)的排气流量，排气从该排气管道116释放到周围环境中。
内燃机100可以还包括上文提到的由排气驱动的涡轮压缩机。也可以包括其它装置，例如由排气驱动的复合式涡轮机，以产生电能。该内燃机还可以包括排气后处理系统118，例如用于在排气被释放到周围环境中之前转化排气中的NOx并去除排气中的颗粒物或未燃烧的碳氢化合物。
如该示例性实施例所示，废热回收设备10是闭环系统，其中，工作流体被排气压缩、加热，然后该工作流体膨胀而回收(recover)热能。
如图所示的废热回收设备10包括形成为闭环的工作流体回路12，工作流体通过该工作流体回路而进行循环。膨胀器14连接在工作流体回路12上，从而该膨胀器14被工作流体驱动，以将工作流体中的热能转换为机械能。输出轴16可以连接成用于驱动发电机或连接成用于向发动机提供扭矩。膨胀器14可以是如图所示的涡轮机，或者是涡旋式膨胀器、热电转换器或能够从工作流体中回收热能的其它装置。
冷凝器20连接在工作流体回路12上，以接收离开膨胀器14的工作流体。冷凝器20冷却并凝结该工作流体。冷凝器冷却器环路22连接成用于从冷凝器20带走由工作流体传递给冷却流体的热量。冷凝器冷却器环路22可以方便地连接到车辆冷却系统，即散热器或其它冷却系统。
泵24接收离开冷凝器20的已冷凝工作流体，并将该工作流体泵送到工作流体回路12的加热侧，所述工作流体在该加热侧被加热。
工作流体回路12的该加热侧包括彼此平行布置的第一加热管线30和第二加热管线32。第一加热管线30和第二加热管线32在分流接点处分支，在该分流接点上连接有阀34，该阀34控制工作流体向这两个加热管线的流动。阀34可以响应于稍后详细描述的系统要求和限制而将流体选择性地引导到一个加热管线中或将流体分流到加热管线30、32两者中。该加热管线30、32在合流接点18处再次结合成单个管线13，该管线13连接到膨胀器14的入口。
图2描述另一可替代的设备，其中省略了阀34，且每条加热管线均包括泵，以控制流动并将工作流体泵送加热管线。第一泵26位于第一加热管线30上，第二泵28位于第二加热管线32上。工作流体回路12在泵26、28上游的第一分流接点29处分成第一加热管线30和第二加热管线32。泵26、28可以是可变输出泵或可变转速泵，以控制工作流体向加热管线30、32的流动。泵26、28可以被控制，以选择性地将加热流体引导到加热管线中或分流到两个加热管线30、32中。替代地，也可通过使用包括在第一加热管线30和第二加热管线32中的、具有旁通管线和阀的旁通设备来控制工作流体的流动。应当理解，图2的双泵式设备可以用在图1的实施例中，而图1中的泵和阀设备也可以用在图2的实施例中。
第一加热管线30以可操作方式连接到加热器36或热交换器，该加热器36或热交换器传递将要释放到周围环境中的发动机废排气的热量。排气由环路38引导到加热器36中，该环路38由排气管道116中的阀40控制。
与第一加热管线平行的第二加热管线32在阀34处分支且以可操作方式连接到EGR冷却器112，该EGR冷却器112用于从EGR气体向工作流体传递热量。EGR冷却器112充当了用于第二加热管线32中的工作流体的加热器。在第一加热管线30和第二加热管线32中流动的、分别被排气加热器36和EGR冷却器112加热的工作流体在管线13中的合流接点29处合流并被引导到膨胀器14。
通过使用彼此分开的加热管线，与工作流体进入EGR冷却器之前在排气加热器36中被排气加热时相比，用于从冷却EGR气体的EGR冷却器112回收热能的工作流体在进入EGR冷却器时处于较低温度。这具有更有效地运行EGR冷却器112的优点。
离开膨胀器14的工作流体处于比工作流体的冷凝温度明显更高的温度下，例如，在所示的废热回收设备中，它可以比冷凝温度高大约100℃。该热能必须从工作流体中去除，并且，在图1的设备中，该热负荷被传递到冷凝器热交换器22且未被回收。
图2示出了根据本发明的替代实施例，其中，在膨胀器14中膨胀之后的工作流体中的一部分热能被回收。图2还示出了如上所述的用于将工作流体分流到第一加热管线30和第二加热管线32中的一种替代设备。另外，图2还包括如上所述的发动机100的所有其它部件和废热回收系统10，在此将不再重复描述。
根据图2所示的实施例，在膨胀器14出口的下游但在冷凝器20入口的上游处，回收传热设备50或回收器以可操作方式连接到工作流体回路12，以在工作流体流过冷凝器之前回收来自工作流体的热量。回收器50可以构造为热交换器或构造为能从一个流体向另一个流体传递热量的任何其它设备。回收器50连接成：从已膨胀的工作流体向冷凝器20下游的工作流体传送热能并传送到第一加热管线30中。在所示的实施例中，第一加热管线30在连接到排气热交换器36之前先连通到回收器50。
通过回收器50进行的热传递有利地降低了对冷凝器20的冷却要求。另外，第一加热管线30中的工作流体在进入加热器36之前被预热，其改善了第一加热管线30中的工作流体的能量品质和从排气管道116中的热回收。进入加热器36中的工作流体的较高温度还有如下优势：即，离开卡车排气竖管116的排气较不可能被冷却到冷凝温度。
由于被额外加热后的工作流体仅添加到第一加热管线，而不是被添加到包括EGR冷却器的第二加热管线，所以，工作流体不会在EGR冷却器中过热，且EGR冷却器更容易将EGR气体冷却到供发动机所用的期望温度或目标温度。
上文已经针对优选的原理、实施例和部件描述了本发明，然而，本领域的技术人员将会理解，在不脱离如所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以进行某些替换。

Claims (4)

1.一种用于与内燃机一起使用的废热回收设备，包括：
工作流体回路，所述工作流体回路具有第一加热管线和第二加热管线，所述第二加热管线平行于所述第一加热管线；
膨胀器，所述膨胀器连接在所述工作流体回路中，以接收工作流体；
冷凝器，所述冷凝器连接在所述工作流体回路中，以接收来自所述膨胀器的所述工作流体，所述工作流体回路在所述冷凝器下游的第一接点处分成所述第一加热管线和所述第二加热管线；
在所述第一加热管线中的第一加热器，所述第一加热器以可操作方式连接成从内燃机的废排气流向所述工作流体传递热能；
在所述第二加热管线中的第二加热器，所述第二加热器以可操作方式连接成从所述内燃机的再循环排气向所述工作流体传递热能；
其中，所述第一加热管线和所述第二加热管线在位于所述第一加热器和所述第二加热器下游的第二接点处合流；和
回收器，所述回收器以可操作方式连接成：从离开所述膨胀器的所述工作流体向所述第一加热管线中的所述工作流体传递热能。
2.根据权利要求1所述的设备，包括连接在所述第一接点处的阀，以控制所述工作流体选择性地流到所述第一加热管线和所述第二加热管线中的至少一个中。
3.根据权利要求1所述的设备，包括连接在所述第一加热管线上的第一泵和连接在所述第二加热管线上的第二泵，以控制所述工作流体选择性地流到所述第一加热管线和所述第二加热管线中的至少一个中。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述回收器以可操作方式连接成从所述冷凝器和所述膨胀器之间的所述工作流体回路中的工作流体接收热能，并以可操作方式连接成向所述第一加热器上游的所述第一加热管线中的工作流体传送热量。
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