CN103711555B - 内燃机余热双回路梯级利用系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种内燃机余热双回路梯级利用系统，其技术方案为：由发动机内的冷却工质侧、高温换热器、高温EGR、第一膨胀机、空冷器、第一循环泵通过管路依次连接组成第一循环回路。由中冷器、低温换热器、低温EGR、第二膨胀机、空冷器、第二循环泵通过管路依次连接组成第二循环回路。发动机高温排气经第一分配器分为两路输出：一路经涡轮增压器、高低温换热器排出；另一路经高低温EGR并通过第二分配器的一路返回发动机进气。涡轮增压器输出高温排气和预热排气。第一、第二膨胀机以及发电机的轴直接相连，膨胀机驱动发电机发电。利用有机朗肯循环、废气再循环与涡轮增压技术相结合，使内燃机排气余热得到充分利用。

Description

内燃机余热双回路梯级利用系统
技术领域
本发明属于内燃机余热利用技术，具体涉及一种将发动机余热作为热源的双回路梯级利用系统。
技术背景
随着当代能源的日益短缺和人们环保意识的加强，节能减排技术或者措施已经成为世人瞩目的热点，其中发动机的节能减排技术研究已被业内外专家及学者高度重视。在低品位能源利用方面，有机朗肯热力循环（ORC）技术以其结构简单、热效率和安全性较高的特点，目前已成为余热利用的研究热点。
朗肯循环余热回收技术大多应用于单级循环。单级循环的特点是，多以发动机尾气余热作为主要热源，将发动机冷却液的热量作为工质的预热热源。冷却液的温度相对发动机排气温度而言较低，但它所含的能量却不容忽视。而且ORC的应用条件是工质温度一般不要高于350℃，而发动机排气温度一般高达500～600℃。目前针对该问题所采用的两级循环技术方案是，一个循环以尾气热量为热源，另一个循环以发动机冷却液为热源。但是这种方案存在的主要技术缺陷是对各部分热量的利用有限，尚有部分空间没有得到充分利用，而本发明的提出可以使发动机余热的回收率得到较大的提高。
发明内容
本发明的目的是，提出一种采用有机朗肯循环（ORC）、废气再循环（EGR）与涡轮增压技术相结合的余热双回路梯级利用系统，使内燃机排气余热和冷却液的余热得到充分利用。
以下对本发明的技术原理与系统组成进行说明。内燃机余热双回路梯级利用系统包括：发动机、高温换热器、低温换热器、高温EGR、低温EGR、第一第二膨胀机、空冷器、第一第二循环泵、中冷器、第一第二分配器、涡轮增压器以及发电机等。其系统组成为：由发动机内的冷却工质侧、高温换热器液侧、高温EGR液侧、第一膨胀机、空冷器液侧、第一循环泵通过管路依次连接组成第一循环回路。由中冷器液侧、低温换热器液侧、低温EGR液侧、第二膨胀机、空冷器液侧、第二循环泵通过管路依次连接组成第二循环回路。发动机高温排气接于第一分配器，第一分配器分为两路输出：一路经涡轮增压器、高温换热器及低温换热器的气侧排出；另一路经高温EGR及低温EGR气侧、并通过第二分配器的一路返回发动机进气。空气进气经涡轮增压器、中冷器接至第二分配器的另一路。涡轮增压器输出高温排气和预热排气。第一、第二膨胀机以及发电机的轴直接相连，膨胀机驱动发电机发电。
本发明的工作原理为：用来冷却发动机的循环工质热量、发动机排气经涡轮增压器后的热量、以及（吸收发动机排气）高温EGR排出热量，三者之和作为第一循环回路的热源。该循环回路的工质流体通过第一循环回路的热源加热后，成为高温蒸汽驱动第一膨胀机做功，做功后的乏汽进入空冷器中冷凝，然后经过第一循环泵加压回到发动机的缸套中完成循环。空气进气经涡轮增压器增压加热后的热量（进入中冷器）、从高温换热器气侧排出的能量、以及低温EGR（也称为第二级EGR）排出的能量，三者之和作为第二循环回路的热源。有机工质流体通过该循环回路的热源加热量后，成为高温蒸汽驱动第二膨胀机做功，做功后的乏汽亦进入空冷器中冷凝，然后经过第二循环泵加压进入中冷器完成第二回路的循环。两个循环回路通过空冷器实现系统连接，即两个回路的循环工质均通过该空气冷却器（简称空冷器）冷凝。
本发明的特点及产生的有益效果是，充分利用涡轮增压的排气和冷却缸套循环工质二部分的能量，对发动机的余热进行回收，比单一利用EGR系统回收效率高出许多。对两个回路系统的能量进行阶梯利用，高温排气再次用来加热发动机的冷却液，使发动机高温排气的余热和冷却缸套那部分流体的余热得到充分利用。第一循环直接用发动机的冷却液作为循环工质，可以减少一次换热的过程，降低设备的复杂程度，并且可以减少换热过程中的能量损失。
附图说明
所示附图为本发明系统部件连接结构原理图。图中的黑实线表示第一回路循环工质的路径；黑短虚线表示第二回路循环工质的路径；长虚线表示发动机高温排气的路径；短虚线表示空气进气经涡流增压加热后的循环路径。
具体实施方式
以下结合附图并通过实例对本发明的原理与系统做进一步的说明。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。
内燃机余热双回路梯级利用系统，其系统组成结构是：由发动机1内的冷却工质侧、高温换热器2的液侧、高温EGR3的液侧、第一膨胀机4-1、空冷器5的液侧、第一循环泵6-1通过管路依次连接组成第一循环回路。由中冷器7的液侧、低温换热器8的液侧、低温EGR9的液侧、第二膨胀机4-2、空冷器的液侧、第二循环泵6-2通过管路依次连接组成第二循环回路。发动机高温排气接于第一分配器10-1，第一分配器分为两路输出：一路经涡轮增压器11、高温换热器及低温换热器的气侧排出；另一路经高温EGR及低温EGR的气侧、并通过第二分配器10-2的一路返回发动机进气。空气进气经涡轮增压器、中冷器接至第二分配器的另一路，涡轮增压器输出高温排气和预热排气。第一、第二膨胀机以及发电机12的轴直接相连。第一循环回路通过空冷器5与第二循环回路连接。第一循环回路冷却发动机所用的工质为水；第二循环回路所用的有机工质为CF3CH2CHF2（R245fa）。
来自发动机内的冷却工质的热量、涡轮增压器输出的高温排气热量、高温EGR排出的热量，三者之和作为所述第一循环回路的热源。
涡轮增压器排出的部分热量、涡轮增压器输出的预热排气热量、低温EGR排出的能量，三者之和作为所述第二循环回路的热源。
冷却发动机缸套后流出的工质进入高温换热器中，通过涡轮增压器的高温排气加热升温，然后（在高温EGR中）又经发动机的高温排气直接加热成为过热或饱和蒸汽，然后进入第一膨胀机中做功驱动发电机发电，从膨胀机排出的乏汽进入空冷器中冷凝，冷凝水经第一循环泵送回发动机冷却系统中完成循环。空冷器的结构是双通道，水蒸汽进入其中的一个通道。空冷器的散热方式为冷风与蒸汽流体换热。
第二循环回路采用的有机工质为R245fa。中冷器中的有机工质被涡轮增压器（增压后的空气）第一次加热，然后进入低温换热器中被高温换热器排出的气体进行第二次加热，再经过低温EGR被高温EGR中排出的废气进行第三次加热，有机工质被三次加热后成为饱和蒸汽进入第二膨胀机中做功。做功后的有机工质乏汽进入空冷器中的另一通道冷凝，工质凝结液经第二循环泵回到中冷器中完成循环。
EGR是废气再循环技术的简称，其结构是利用一部分发动机的排气经处理后作为发动机进气的一部分，因为这部分补充进气具有较高的温度，所以可以节省对环境空气进气的加热能耗。高温EGR与低温EGR区别在于废气通道中的设置位置。

Claims (5)

1.内燃机余热双回路梯级利用系统，包括：发动机、高温换热器、低温换热器、高温EGR、低温EGR、第一、第二膨胀机、空冷器、第一、第二循环泵、中冷器、第一、第二分配器、涡轮增压器以及发电机，其特征是：由发动机（1）内的冷却工质侧、高温换热器（2）液侧、高温EGR（3）液侧、第一膨胀机（4-1）、空冷器（5）液侧、第一循环泵（6-1）通过管路依次连接组成第一循环回路；由中冷器（7）液侧、低温换热器（8）液侧、低温EGR（9）液侧、第二膨胀机（4-2）、空冷器液侧、第二循环泵（6-2）通过管路依次连接组成第二循环回路；发动机高温排气接于第一分配器（10-1），第一分配器分为两路输出：一路经涡轮增压器（11）、高温换热器及低温换热器的气侧排出；另一路经高温EGR及低温EGR气侧、并通过第二分配器（10-2）的一路返回发动机进气，空气进气经涡轮增压器、中冷器接至第二分配器的另一路，涡轮增压器输出高温排气和预热排气，第一、第二膨胀机以及发电机（12）的轴直接相连。
2.根据权利要求1所述的内燃机余热双回路梯级利用系统，其特征是所述第一循环回路通过空冷器（5）与所述第二循环回路连接。
3.根据权利要求1或2所述的内燃机余热双回路梯级利用系统，其特征是所述第一循环回路冷却发动机所用的工质为水；第二循环回路所用的工质为CF3CH2CHF2。
4.根据权利要求1所述的内燃机余热双回路梯级利用系统，其特征是来自所述发动机内的冷却工质的热量、所述涡轮增压器输出的高温排气热量、所述高温EGR排出的热量，三者之和作为所述第一循环回路的热源。
5.根据权利要求1或4所述的内燃机余热双回路梯级利用系统，其特征是所述涡轮增压器排出的部分热量、所述涡轮增压器输出的预热排气热量、所述低温EGR排出的能量，三者之和作为所述第二循环回路的热源。
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