CN103670558B - 双压力多级膨胀再热的内燃机余热回收系统 - Google Patents

双压力多级膨胀再热的内燃机余热回收系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双压力多级膨胀再热的内燃机余热回收系统。其系统组成为：由冷凝器、低高压工质泵、预热器和高温中冷器以及烟气换热器、第一膨胀机、再热器、第二膨胀机、混合热交换器以及第三膨胀机，依次串接构成ORC主循环系统。低压工质泵输出的工质分向高低压级二个支路，两个支路的工质在混合热交换器内汇合。缸套冷却水出口与预热器、低温蒸发器及缸套冷却水进口，串接组成冷却水循环。进气口与涡轮增压器压气机进口、高低温中冷器串接组成增压空气回路。排气口与涡轮增压器中的涡轮机、烟气换热器及再热器连接构成排气热利用系统。按内燃机余热品质分级组成回路，使各个部分的余热得到充分利用，增大了从余热源中回收的热量。

Description

双压力多级膨胀再热的内燃机余热回收系统
技术领域
本发明属于内燃机余热利用技术，具体涉及一种双压力多级膨胀再热的内燃机余热回收利用的朗肯循环系统。
背景技术
对于内燃机来说燃料产生的能量很大一部分都被排气以及缸套冷却水等带走。随着能源短缺和环境问题的日益严重，人们越来越关注内燃机余热能量的回收，以减少能源的消耗。有机朗肯循环（ORC）技术结构简单，热效率高，并且安全可靠，是目前内燃机余热利用技术研究热点。内燃机运行将产生较多的余热源，并且各余热源的温度、热流量等都不一样，简单的有机朗肯循环其回收的能量就显得非常有限。如果想提高发动机余热的高效利用，必须在热回收系统中，根据各热源的不同品质，合理地梯级利用各余热源能量，才能使系统的输出功尽可能大。
因此针对这种情况，本发明提出一种双压力多级膨胀再热内燃机余热回收系统来梯级利用各热源的能量，增大系统回收的热量，进而提高输出功。
发明内容
本发明的目的是，提出一种适用于内燃机余热回收的双压力多级膨胀再热的朗肯循环系统，可以充分利用内燃机余热，梯级利用不同热源的能量，从而提高回收系统的输出功，达到提高内燃机燃油经济性的目的。
以下结合附图对本发明的原理与系统组成进行说明：双压力多级膨胀再热的内燃机余热回收系统具有：冷凝器、两个工质泵、高低温中冷器、低温蒸发器、混合热交换器、预热器、烟气换热器、三个膨胀机以及涡轮增压器等。其系统组成为：由冷凝器、低压工质泵、高压工质泵、预热器和高温中冷器以及烟气换热器工质侧、第一膨胀机、再热器的工质侧、第二膨胀机、混合热交换器以及第三膨胀机，依次串接构成ORC循环系统。在高、低压工质泵与混合热交换器工质侧之间，依次接有低温中冷器和低温蒸发器，将ORC主循环系统分为高低压级两个支路，低压工质泵输出的工质分别泵入两个支路，两个支路的工质在混合热交换器内汇合。内燃机缸套冷却水出口通过管路与预热器、低温蒸发器的水侧、以及缸套冷却水进口，依次串接组成冷却水闭路循环。空气进气口与涡轮增压器中压气机进口、高温中冷器和低温中冷器的空气侧、以及内燃机进气口，依次串接组成增压空气回路。内燃机排气口与涡轮增压器中的涡轮机、烟气换热器以及再热器依次连接构成排气热利用系统。
高压级支路由高压工质泵、预热器和高温中冷器以及烟气换热器工质侧、第一膨胀机、再热器的工质侧、第二膨胀机以及混合热交换器组成；低压级支路由低压工质泵、低压工质泵、低温中冷器、低温蒸发器、混合热交换器、第三膨胀机以及冷凝器组成。两个支路在混合热交换器中交汇并换热。
本发明的特点及有益效果是，按照内燃机余热的品质分级组成回路，使内燃机各个部分的余热得到充分利用，增大了从余热源中回收的热量，进而提高了回收系统的输出功，达到了提高内燃机燃油经济性的目的。
附图说明
所示附图为本发明系统原理和部件连接结构图。图中粗实线表示ORC循环；长虚线表示空气增压余热循环；细虚线表示缸套冷却水循环；粗虚线表示内燃机高温排气循环。
具体实施方式
以下结合附图并通过实施例对本发明的原理与设置方案做进一步的说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而非是限定性的，不以此限定本发明的保护范围。
双压力多级膨胀再热的内燃机余热回收系统，其系统组成及部件连接的技术方案为：由冷凝器1、低压工质泵2、高压工质泵6、预热器7和高温中冷器8以及烟气换热器9工质侧、第一膨胀机10、再热器11的工质侧、第二膨胀机12、混合热交换器以及第三膨胀机14，依次串接构成ORC主循环系统。在高、低压工质泵与混合热交换器工质侧之间，依次接有低温中冷器3和低温蒸发器4，将ORC主循环分为高低压级两个支路，低压工质泵输出的工质分别泵入两个支路，两个支路的工质在混合热交换器5内汇合。内燃机缸套冷却水出口通过管路与预热器、低温蒸发器4的水侧、及缸套冷却水进口，依次串接组成冷却水闭路循环。空气进气口与涡轮增压器13中压气机进口、高温中冷器8和低温中冷器3的空气侧、以及内燃机进气口，依次串接组成增压空气回路。内燃机排气口与涡轮增压器中的涡轮机、烟气换热器以及再热器依次连接构成排气热利用系统。由低温中冷器、低温蒸发器、混合热交换器三个换热器的工质侧、第三膨胀机、冷凝器的工质侧以及低压工质泵，依次串接构成整体ORC循环的低压级支路。压气机与涡轮膨胀机轴连接构成涡轮增压器。ORC主循环系统高低压级两个支路中循环的工质均为(CH3)3SiOSi(CH3)3（六甲基二硅氧烷）。
ORC循环系统的热源（通过涡轮增压器）来自排气余热、缸套冷却水余热和空气增压余热。为此系统主要组成三个循环回路，
第一条回路：缸套冷却水从内燃机出来后先通过预热器对来自高压支路的工质进行预热，再通过低压蒸发器使其工质蒸发，冷却水温度降低后回到内燃机中。
第二条回路：从增压器压气机中排出的空气温度升高，依次通过两个中冷却器，预热高、低压支路的工质，空气温度降低后再进入气缸。这两条回路的热负荷不是很大，且温度相对也比较低，所以主要用来预热或加热低压支路的工质，使其变为低压气体。
第三条回路是ORC整体循环回路，从冷凝器出来的工质经过低压泵加压后分为高低压两条支路：低压支路的工质首先通过低温中冷器与增压空气进行换热，再到低压蒸发器中与缸套冷却水进行换热成为低压气体。高压支路工质经过预热器和高温中冷器初步换热后，到烟气换热器中被内燃机的高温排气加热变成高温、高压气体，然后进入第一膨胀机中膨胀做功。做功后的工质温度有所降低但仍具有一定的能量，于是又进入再热器中与高温排气进行第二次换热，温度升高后再进入第二膨胀机中膨胀做功。做功后的乏汽在混合热交换器中与低压支路的工质蒸汽汇合，同时又被加热成饱和蒸汽进入第三膨胀机进行第三次膨胀做功，工质乏汽在冷凝器中冷凝，通过低压工质泵打回系统完成循环。在第三回路中，因为内燃机排气的温度比较高，所携带的热负荷较大，所以ORC循环回路是内燃机余热利用的主要循环回路。

Claims (3)

1.双压力多级膨胀再热的内燃机余热回收系统，具有：冷凝器、两个工质泵、高低温中冷器、低温蒸发器、混合热交换器、预热器、烟气换热器、三个膨胀机以及涡轮增压器，其特征在于：由冷凝器(1)、低压工质泵(2)、高压工质泵(6)、预热器(7)和高温中冷器(8)以及烟气换热器(9)工质侧、第一膨胀机(10)、再热器(11)的工质侧、第二膨胀机(12)、混合热交换器(5)以及第三膨胀机(14)，依次串接构成ORC主循环系统，在高、低压工质泵与混合热交换器工质侧之间，依次接有低温中冷器(3)和低温蒸发器(4)，将ORC主循环系统分为高低压级两个支路，低压工质泵输出的工质分别泵入两个支路，两个支路的工质在混合热交换器(5)内汇合，内燃机缸套冷却水出口通过管路与预热器、低温蒸发器(4)的水侧、以及缸套冷却水进口，依次串接组成冷却水闭路循环；空气进气口与涡轮增压器(13)中压气机进口、高温中冷器(8)和低温中冷器(3)的空气侧、以及内燃机进气口，依次串接组成增压空气回路；内燃机排气口与涡轮增压器中的涡轮机、烟气换热器以及再热器依次连接构成排气热利用系统。
2.根据权利要求1所述的双压力多级膨胀再热的内燃机余热回收系统，其特征是所述ORC主循环系统低压级支路由低温中冷器(3)、低温蒸发器(4)、混合热交换器(5)的工质侧，第三膨胀机(14)、冷凝器(1)的工质侧以及低压工质泵(2)，依次串接组成。
3.根据权利要求1所述的双压力多级膨胀再热的内燃机余热回收系统，其特征是所述ORC主循环系统高低压级两个支路中循环的工质均为(CH3)3SiOSi(CH3)3。
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