CN103758659B - 高效紧凑内燃机-有机朗肯循环复合系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
一种高效紧凑内燃机-有机朗肯循环复合系统及其工作方法，属于能源动力领域。其特征在于：该系统包括内燃机子系统、冷却子系统、余热回收子系统和动力传输子系统。上述直接接触换热器（9）将废烟气余热直接传递给循环水（24），循环水（24）再通过蒸发器（17）为ORC子系统提供主要热源；冷却子系统回路中的预热器（12）对ORC子系统提供次要热源。由于直接接触换热器（9）的传热系数远高于常规非接触对流换热结构，在相同传热量条件下结构更为紧凑；蒸发器（17）和预热器（12）热侧工质均为液体，其整体传热系数高，可采用结构紧凑的板式换热器。此外直接接触换热器（9）还能对废烟气初步净化。该系统高效紧凑，特别适合对空间及载荷要求高的内燃机车节能改造。
Description
技术领域
本发明涉及一种高效紧凑余热回收内燃机-有机朗肯循环复合动力循环系统及其工作方法，属于能源与动力领域。
背景技术
车辆内燃机发动机目前的热效率一般为1/3，而其余2/3余热主要以废烟气、冷却剂、冷却润滑油的形式排入环境。为了改善车辆内燃机热力环境性能，目前各种形式的废烟气余热回收形式已被提出。其中采用有机朗肯底循环来回热内燃机废热并将其转化为机械能，能够显著提高内燃机的热力性能，目前文献报到该方案能够将内燃机的热效率提高10%左右，该技术已经成为了目前的研究热点之一。对内燃机各种形式的废热进行分析可以发现：内燃机废烟气一般在600K~1000K，余热数量占总废热的30%左右。发动机冷却剂的温度一般在363K~388K之间，虽然能量品质很差，但数量占总废热的40%左右，目前采用的通过散热器直接释放至环境的方式存在极大浪费。其余30%的废热主要以内燃机辐射散热和润滑油废热的形式排入环境。其中冷却剂或者内燃机润滑油带走的废热，尽管其温度较低，热品位不高，采用对流换热余热回收的形式，因其对流换热系数较高，在有效回热的条件下，换热器结构尺寸较小。
但对于烟气废热，因其热品位较高，采用ORC底循环的关键设备之一是采用烟气余热回收蒸发器，通过常规对流换热的形式来回收废烟气余热，存在因烟气侧对流传热系数极低（50W/m2/k-200W/m2/k），换热器设备尺寸较大的不足,而换热器是影响ORC子系统整体尺寸和重量的关键。
对于空间和自身载重要求较高的机车，如果能够利用有机朗肯循环技术回收车辆发动机多种余热，且采用结构紧凑的高效换热设备。则能有效增加车辆内燃机输出动力及热效率，实现节能减排。
发明内容
本发明的目的在于提出一种可以回收车辆余热，提高车辆输出动力，减少排气污染的一种高效紧凑余热回收内燃机-有机朗肯循环复合动力循环系统及工作方法。
该系统包括内燃机子系统、冷却子系统、余热回收有机朗肯循环子系统和动力传输子系统；
上述内燃机子系统包括涡轮增压、间冷器、吸气端、内燃机发动机、排气端、废气涡轮、烟气触媒净化装置、直接接触换热器、消音器、排气阀、净化水箱、循环水泵；内燃机发动机包括冷却剂入口、冷却剂出口、气缸入口、气缸出口；直接接触换热器包括水入口、水出口、烟气入口、烟气出口；
其中涡轮增压入口与外界环境空气相连，涡轮增压出口依次经过间冷器、吸气端与内燃机发动机的气缸入口相连，内燃机发动机的气缸出口依次经过排气端、废气涡轮、烟气触媒净化装置与接触换热的烟气入口相连，直接接触换热器的烟气出口经过消音器与排气阀相连，排气阀出口与环境空气相连；
直接接触换热器水出口与有机朗肯循环子系统中的蒸发器热侧入口相连，蒸发器热侧出口依次与净化水箱、循环水泵和直接接触换热器水入口相连；
上述冷却子系统包括预热器、散热器和冷却剂循环泵；预热器还包括有机工质入口、冷侧出口、热侧入口和热侧出口，内燃机发动机的冷却剂出口与预热器热侧入口相连，预热器热侧出口依次与散热器、冷却剂循环泵和内燃机发动机的冷却剂入口相连；
上述余热回收有机朗肯循环子系统包括蒸发器、有机透平、回热器、冷凝器、储液罐和有机泵；回热器包括热侧进口、热侧出口、冷侧进口、冷侧出口。有机泵出口与回热器热侧入口相连；回热器热侧出口与预热器冷侧入口相连，预热器冷侧出口依次与蒸发器冷侧入口相连，蒸发器冷侧出口与有机透平入口相连，有机透平出口与回热器热侧入口相连，回热器热侧出口依次与冷凝器、储液罐和有机泵相连；
上述动力传输子系统包括主轴、动力传动装置、启动电机和辅助传动机构；内燃机发动机通过曲轴与主轴动力连接，主轴与动力传动装置动力联接，启动电机与动力传动装置动力相连，动力传动装置与辅助传动机构动力相连。
上述高效紧凑余热回收ICE-ORC复合动力系统中，内燃机子系统热烟气与低温循环水在直接接触换热器内，通过直接接触方法进行传热。与常规非直接接触式的对流换热器相比，由于避免了烟气侧对流换热系数低的不足，此种方法能够有效提高高温烟气和循环水的换热系数，在相同换热量条件下，直接接触换热器的结构尺寸能显著降低。而且体积流量较小的循环水能够对体积流量较大的烟气中的部分颗粒物等污染杂质进行清洗，便于集中除污，有利于降低排烟污染。
上述高效紧凑余热回收ICE-ORC复合动力系统，冷却子系统的预热器和ORC子系统的蒸发器均采用板式换热器。换热器结构是影响整个ORC子系统尺寸和重量的关键，降低换热器尺寸是影响ORC系统结构紧凑性和重量的主要方法。其中预热器冷侧为冷却剂，热侧为液态有机工质，整体换热系数不低，采用板式结构能够显著降低换热器面积。而ORC子系统蒸发器热侧为高温热水，冷侧为有机工质相变蒸发，整体换热系数较高，采用板式结构能够显著降低换热器结构尺寸。
上述高效紧凑余热回收ICE-ORC复合动力系统，包括以下过程：
来自环境的空气经过涡轮增压升压升温后，通过间冷器冷却后经过吸气端进入内燃机发动机气缸，与燃料发生燃烧反应，气缸内燃料燃烧释放热能并推动活塞运动排出排气端，内燃机发动机将燃料热能转化为机械能并输送给动力传输子系统；排气端出口烟气进入废气涡轮，废气涡轮回收部分烟气的压力能并转化为机械能，再通过机械能对涡轮增压提供动力。废气涡轮出口废气通过烟气触媒净化装置净化杂质后，进入直接接触换热器，直接与循环水接触，循环水被加热，烟气温度迅速降低。最后该低温烟气通过消音器和排气阀后排入环境空气中；同时冷却发动机的冷却剂通过冷却剂循环泵进入预热器热侧，对来自ORC子系统的有机工质进行预热后再进入散热器，经过环境空气冷却将冷却剂废热释放至环境空气中，然后再通过冷却剂循环泵送入内燃机发动机冷却剂入口；来自直接接触换热器冷侧出口的高温热水作为热源进入蒸发器热侧，对进入蒸发器冷侧的有机工质加热，有机工质吸热蒸发后进入有机透平膨胀做功并转化为机械能输送至动力传输子系统，有机透平出口温度较高的乏气通过回热器对低温有机工质预热后，自身降温并进入冷凝器被冷凝为液相后送至储液罐；来自储液罐的液态低压有机工质再经过有机泵循环进入回热器冷侧入口；低温有机工质被加热后再进入预热器冷侧，回收部分冷却剂的显热后，自身温度升高并进入蒸发器冷侧入口。
上述高效紧凑余热回收ICE-ORC复合动力系统，由于采用了高效直接接触换热器来回热烟气余热，结构紧凑的板式蒸发器和板式预热器回收烟气废热和冷却剂废热，因此增加废热回热ORC子系统后，整体结构较为紧促，整体热效率也较高，实现了整体节能减排。
附图说明
图1是现有车辆内燃机动力系统；
图2是本发明高效紧凑余热回收ICE-ORC复合动力循环系统。
图中标号名称：1.空气，2.涡轮增压，3.间冷器，4.吸气端，5.内燃机发动机,6.排气端,7.废气涡轮，8.烟气触媒净化装置,9.直接接触换热器，10.消音器，11.排气阀，12.预热器，13.散热器，14.冷却剂循环泵，15.冷却剂，16.有机工质，17.蒸发器，18.有机透平，19.回热器，20.冷凝器，21.储液罐，22.有机泵，23.净化水箱，24.循环水，25.循环水泵，26.主轴，27.启动电机，28.动力传输装置，29.辅助传动机构.
具体实施方式
下面参照图1说明高效紧凑的余热回收ICE-ORC复合动力循环系统过程。
图2是本发明提出高效紧凑的余热回收ICE-ORC复合动力循环系统。
该系统的启动过程如下：启动冷却剂循环泵14，冷却剂进入内燃机发动机5冷却剂入口，对内燃机发动机5气缸和润滑油进行冷却后进入预热器12热侧入口，从预热器12热侧出来的冷却剂再进入散热器13冷却，冷却后的冷却剂15再通过循环泵进入内燃机发动机5冷却剂入口。
启动电机27驱动活塞式内燃机发动机5开始运转；环境空气1从活塞式经过涡轮增压3然后经过冷器3冷却后，进入发动机吸气端4进入ICE子系统的内燃机发动机5气缸和燃料燃烧，燃烧后的烟气热能推动活塞运动转化为曲轴的机械能，待发动机正常工作后切断启动电机27，并将机械能输送给动力传输子系统，同时冷却内燃机发动机5气缸冷却剂15的空气冷却子系统启动；从发动机排气端6输出的高压高温排气先经过废热涡轮7回收机械能后，再进入触媒净化装置8脱除烟气中的毒害性和腐蚀性成分；净化后的高温高压净化烟气再进入直接接触换热器9热侧，对循环水24进行加热自身温度降低，同时能够通过水洗起到净化的左右，直接接触换热器出口的低温烟气再进入消音器10，最后通过排气阀11排入环境空气。至此，如果不启动有机朗肯循环子系统，该系统运行过程与图1相同。
待上述过程稳定后，启动循环水泵25，循环水24被泵入直接接触换热器9与高温烟气接触进行换热，循环热水被加热后从直接接触换热器9液相出口排出并进入蒸发器热侧17入口，蒸发器17热侧出来的热水进入净化水箱23后再经过循环水泵25送入直接接触换热器9。
启动有机泵22对来自储液罐21的液态有机工质16进行增压，增压泵出口的有机工质先进入回热器冷侧回收有机透平出口乏气的显热，然后再进入预热器12回收冷却剂显热，最后进入蒸发器17冷侧，在蒸发器17内被加热蒸发后变为高温高压有机蒸气。有机蒸气进入有机透平18膨胀做功并转化为机械能，并通过辅助传动机构29送入动力传输装置28。有机透平18出口的有机工质乏气进入回热器19热侧对低温液态有机工质进行预热后进入冷凝器20，被环境空气冷却凝结后进入储液罐21，然后从储液罐21出来再被有机泵22增压开始下一次循环。至此，高效紧凑的余热回收ICE-ORC复合动力循环系统开始运行。
Claims (4)
1.一种高效紧凑内燃机-有机朗肯循环复合系统，其特征在于：
该系统包括内燃机子系统、冷却子系统、余热回收有机朗肯循环子系统和动力传输子系统；
上述内燃机子系统包括涡轮增压（2）、间冷器（3）、吸气端（4）、内燃机发动机（5）、排气端（6）、废气涡轮（7）、烟气触媒净化装置（8）、直接接触换热器（9）、消音器（10）、排气阀（11）、净化水箱（23）、循环水泵（25）；内燃机发动机（5）包括冷却剂入口、冷却剂出口、气缸入口、气缸出口；直接接触换热器（9）包括水入口、水出口、烟气入口、烟气出口；
其中涡轮增压（2）入口与外界环境空气（1）相连，涡轮增压（2）出口依次经过间冷器（3）、吸气端（4）与内燃机发动机（5）的气缸入口相连，内燃机发动机（5）的气缸出口依次经过排气端（6）、废气涡轮（7）、烟气触媒净化装置（8）与直接接触换热器（9）的烟气入口相连，直接接触换热器（9）的烟气出口经过消音器（10）与排气阀（11）相连，排气阀（11）出口与环境空气相连；
直接接触换热器（9）水出口与有机朗肯循环子系统中的蒸发器（17）热侧入口相连，蒸发器（17）热侧出口依次与净化水箱（23）、循环水泵（25）和直接接触换热器（9）水入口相连；
上述冷却子系统包括预热器（12）、散热器（13）和冷却剂循环泵（14）；预热器（12）包括冷侧入口、冷侧出口、热侧入口、热侧出口；内燃机发动机（5）的冷却剂出口与预热器（12）热侧入口相连，预热器（12）热侧出口依次与散热器（13）、冷却剂循环泵（14）和内燃机发动机（5）的冷却剂入口相连；
上述余热回收有机朗肯循环子系统包括蒸发器（17）、有机透平（18）、回热器（19）、冷凝器（20）、储液罐（21）和有机泵（22）；回热器（19）包括热侧进口、热侧出口、冷侧进口、冷侧出口；有机泵（22）出口与回热器（19）热侧入口相连，回热器（19）热侧出口与预热器（12）冷侧入口相连，预热器（12）冷侧出口依次与蒸发器（17）冷侧入口相连，蒸发器（17）冷侧出口与有机透平（18）入口相连，有机透平（18）出口与回热器（19）热侧入口相连，回热器（19）热侧出口依次与冷凝器（20）、储液罐（21）和有机泵（22）相连；
上述动力传输子系统包括主轴（26）、动力传动装置（28）、启动电机（27）和辅助传动机构（29）；内燃机发动机（5）通过曲轴与主轴（26）动力连接，主轴（26）与动力传动装置（28）动力联接，启动电机（27）与动力传动装置（28）动力相连，动力传动装置（28）与辅助传动机构（29）动力相连。
2.根据权利要求1所述的高效紧凑内燃机-有机朗肯循环复合系统，其特征在于：上述内燃机子系统热烟气与低温循环水在直接接触换热器（9）内通过直接接触方式进行传热。
3.根据权利要求1所述的高效紧凑内燃机-有机朗肯循环复合系统，其特征在于：上述冷却子系统的预热器（12）和有机朗肯循环子系统的蒸发器（17）均采用板式换热器。
4.根据权利要求1所述的高效紧凑内燃机-有机朗肯循环复合系统的工作方法，其特征在于包括以下过程：
来自环境的空气（1）经过涡轮增压（2）升压升温后，通过间冷器（3）冷却后经过吸气端（4）进入内燃机发动机（5）气缸，与燃料发生燃烧反应，气缸内燃料燃烧释放热能并推动活塞运动排出排气端（6），内燃机发动机（5）将燃料热能转化为机械能并输送给动力传输子系统；排气端（6）出口的烟气进入废气涡轮（7），废气涡轮（7）回收部分烟气的压力能并转化为机械能，再通过机械能对涡轮增压（2）提供动力；废气涡轮（7）出口废气通过烟气触媒净化装置（8）净化杂质后，进入直接接触换热器（9），直接与循环水接触，循环水（24）被加热，烟气温度迅速降低；最后该低温烟气通过消音器（10）和排气阀（11）后排入环境空气中；蒸发器（17）中被冷却的水进入净化水箱（23），经循环水泵（25）注入直接接触换热器（9）进行加热；
同时冷却发动机（5）的冷却剂（15）通过冷却剂循环泵（14）进入预热器热侧，对来自有机朗肯循环子系统的有机工质（16）进行预热后再进入散热器（13），经过环境空气冷却将冷却剂废热释放至环境空气中，然后再通过冷却剂循环泵（14）送入内燃机发动机（5）冷却剂入口；
来自直接接触换热器（9）冷侧出口的高温热水作为热源进入蒸发器（17）热侧，对进入蒸发器（17）冷侧的有机工质（16）加热，有机工质（16）吸热蒸发后进入有机透平（18）膨胀做功并转化为机械能输送至动力传输子系统，有机透平（18）出口温度较高的乏气通过回热器（19）对低温有机工质预热后，自身降温并进入冷凝器（20）被冷凝为液相后送至储液罐（21）；来自储液罐（21）的液态低压有机工质再经过有机泵（22）循环进入回热器（19）冷侧入口；低温有机工质被加热后再进入预热器（12）冷侧，回收部分冷却剂的显热后，自身温度升高并进入蒸发器（17）冷侧入口。
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