CN103758658A - 二级双回路内燃机余热梯级利用热回收系统 - Google Patents

二级双回路内燃机余热梯级利用热回收系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二级双回路内燃机余热梯级利用热回收系统，其技术方案是：由第一工质泵、第一冷却水预热器、增压中冷蒸发器、第一汽轮机及第一冷凝器依次串接组成低温级循环；由第二工质泵、增压中冷预热器、第二冷却水预热器、排气蒸发器、第二高压汽轮机、再热器、第三低压汽轮机以及第二冷凝器依次串接组成高温级循环。将内燃机排气以及气缸冷却水作为高低两个循环系统的热源，梯级回收发动机的排气，使其具有三级有机朗肯循环的能源再输出，不但解除了单级ORC技术在内燃机余热回收上的限制，关键在于使内燃机的余热得到最充分的利用。

Description

二级双回路内燃机余热梯级利用热回收系统
技术领域
本发明属于内燃机余热利用技术，具体涉及一种用于内燃机多余热梯级回收的二级有机朗肯循环系统。
背景技术
随着能源日益短缺和环境问题的日益严峻，内燃机的节能减排受到世人关注，利用有机朗肯循环（ORC）技术回收内燃机余热是目前的研究热点。ORC热效率和安全性较高，结构简单，但是利用朗肯循环回收余热的技术目前大多集中在单级循环。通过研究发现，内燃机的余热集中在几个不同的温度段内，其中排气温度属于温度较高的高品位余热，而缸套冷却水和增压后进气则属于温度较低的中低品位余热，这几部分余热占了燃料转化的总能量的一半以上，因此具有很高的回收利用的潜能。对于ORC循环，不同的工质和循环模式所对应的最佳工作温度范围是不同的，最好用二级循环针对不同品味的热源分别进行回收。因为含有再热的ORC循环不仅可以进一步利用余热能，增加系统的功率输出，还可以降低对膨胀机高压缩比的要求，减轻设备负担，同时避免工质在膨胀机中进入气液两相区，损坏膨胀机叶片。
针对上述技术现状，如果能利用二级再热ORC循环将内燃机各温度范围内的余热充分回收利用，则对内燃机节能减排技术的提高意义重大。
发明内容
本发明的目的是，提出一种采用二级双回路多次膨胀再热回收系统，梯级回收发动机的排气，冷却水以及增压后进气中的余热，使发动机的余热得到充分利用。
以下对本发明的系统组成结构进行说明。二级双回路内燃机余热梯级利用热回收系统包括：2个工质泵、2个冷却水预热器、3个汽轮机、2个冷凝器、2个工质泵、增压中冷蒸发器、增压中冷预热器、排气蒸发器、再热器、发电机、冷却水预热器、内燃机以及涡轮增压器等。其技术方案是：由第一工质泵、第一冷却水预热器、增压中冷蒸发器、第一汽轮机及第一冷凝器依次串接组成低温级循环；由第二工质泵、增压中冷预热器、第二冷却水预热器、排气蒸发器、第二高压汽轮机、再热器、第三低压汽轮机以及第二冷凝器依次串接组成高温级循环。内燃机排气依次通过增压器、排气蒸发器和再热器排出。发动机冷却水依次经过第一、第二冷却水预热器，构成机内冷却水封闭循环换热。空气经过涡轮增压器增压后依次经过增压中冷蒸发器和增压中冷预热器进入发动机进气管。第一、第二和第三汽轮机分别于与各自对应的发电机轴连接。
系统原理是：缸套冷却水和增压后的进气作为低温级循环的热源，对低温级工质进行加热后，再进入了高温级循环对工质进行预热，然后内燃机高温排气在高温级排气蒸发器中对工质进行加热。工质在高压膨胀机中先输出一部分功，乏汽再通过再热器与排气进行再次换热，最后在低压膨胀机中完全做功。由此实现内燃机阶梯余热的充分利用，达到节能和系统高效热力循环的目的。
本发明的特点及有益效果是，利用多级有机朗肯循环，可以解除单级ORC技术在内燃机余热回收上的限制，使发动机不同品味的余热得到最充分利用。通过多次膨胀再热回收发动机的排气余热，达到充分回收余热，降低膨胀机压缩比限制和避免膨胀机出口出现气液混合态的目的。
附图说明
所示附图为发明原理与系统组成结构图。图中的粗短虚线表示低温级循环；粗实线表示高温级循环；粗长虚线表示内燃机排气路径；点化线表示空气进气路径；细虚线表示内燃机冷却水封闭循环路径。
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。
二级双回路内燃机余热梯级利用热回收系统，其系统组成结构是：由第一工质泵1、第一冷却水预热器2、增压中冷蒸发器3、第一汽轮机4及第一冷凝器5依次串接组成低温级循环（图中粗短虚线）；由第二工质泵6、增压中冷预热器7、第二冷却水预热器8、排气蒸发器9、第二高压汽轮机10、再热器11、第三低压汽轮机12以及第二冷凝器13依次串接组成高温级循环（图中粗实线）。内燃机14排气依次通过增压器、排气蒸发器和再热器11排出（图中粗长虚线）。发动机冷却水依次经过第一、第二冷却水预热器，构成机内冷却水封闭循环换热（图中细虚线）。空气经过涡轮增压器15增压后依次经过增压中冷蒸发器3和增压中冷预热器7进入发动机进气管（图中点化线）。增压中冷蒸发器与增压中冷预热器、以及第一第二冷却水预热器将低温级与高温级两个循环系统连接起来。涡轮增压器由涡轮机与压气机轴连构成。
低温级朗肯循环中的工质为R245fa（CF3CH2CHF2）。高温级朗肯循环中的工质为(CH3)3SiOSi(CH3)3（六甲基二硅氧烷）。
二级双回路内燃机余热梯级利用热回收系统循环过程为：
冷却内燃机后（温度较高的）冷却水和涡轮增压机中的压气机加热（温度也较高）的空气，分别通过第一冷却水预热器和增压中冷蒸发器进入低温级循环，将低温级工质进行加热，使其蒸发成为饱和（或过热）的高温高压气体，进入第一汽轮机做功，驱动第一发电机发电。做功后的乏汽通过第一冷凝器冷却为低温低压的液体，经第一工质泵增压后依次送至第一冷却水预热器和增压中冷蒸发器，完成低温级系统的热力循环。
来自低温级系统第一冷却水预热器排出的冷却水，作为热源通过高温级系统第二冷却水预热器对该系统的工质进行预热，预热后的工质被涡轮增压器增压后的内燃机高温排气继续加热，使其蒸发成饱和（或过热）的高温高压蒸气，进入第二汽轮机做功，驱动第二发电机发电。做功后的工质乏汽进入再热器，在再热器中与高温排气第二次换热，重新蒸发为饱和（或过热）的高温高压气体，进入第三汽轮机做功，驱动第三发电机发电。做功后的低压乏汽通过第二冷凝器冷却为低温低压的液体，经第二工质泵增压后依次送至增压中冷预热器、第二冷却水预热器以及排气蒸发器，完成高温级系统的热力循环。因此在高温级循环中进行了二次膨胀再热循环。
本发明通过阶梯热源的利用，使其具有三级有机朗肯循环的能源再输出，不但解除了单级ORC技术在内燃机余热回收上的限制，关键在于使内燃机的余热得到最充分的利用。

Claims (3)

1.二级双回路内燃机余热梯级利用热回收系统，包括：2个工质泵、2个冷却水预热器、增压中冷蒸发器、3个汽轮机、2个冷凝器、2个工质泵、增压中冷预热器、排气蒸发器、再热器、发电机、冷却水预热器、内燃机以及涡轮增压器，其特征是：由第一工质泵（1）、第一冷却水预热器（2）、增压中冷蒸发器（3）、第一汽轮机（4）及第一冷凝器（5）依次串接组成低温级循环；由第二工质泵（6）、增压中冷预热器（7）、第二冷却水预热器（8）、排气蒸发器（9）、第二高压汽轮机（10）、再热器（11）、第三低压汽轮机（12）以及第二冷凝器（13）依次串接组成高温级循环，内燃机（14）排气依次通过增压器、排气蒸发器和再热器（11）排出，发动机冷却水依次经过第一、第二冷却水预热器，构成机内冷却水封闭循环换热，空气经过涡轮增压器（15）增压后依次经过增压中冷蒸发器（3）和增压中冷预热器（7）进入发动机进气管。
2.根据权利要求1所述的二级双回路内燃机余热梯级利用热回收系统，其特征是低温级朗肯循环中所述的工质或者是R245fa，或者是R218，或者是R143a。
3.根据权利要求1所述的二级双回路内燃机余热梯级利用热回收系统，其特征是所述高温级朗肯循环中的工质是六甲基二硅氧烷。
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