CN103982329B - 一种用于发动机废热发电orc系统的热量回收器 - Google Patents

一种用于发动机废热发电orc系统的热量回收器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于发动机废热发电ORC系统的热量回收器，包括第一级高温废热回收器、第二级废热回收器、所述两级废热回收器间金属连接管路以及位于两端的与发动机尾气排放管连接的带法兰的波纹管。本发明采用高效紧凑汽车换热器强化传热技术，以及结合发动机尾气易于积碳堵塞的特性，设计了具有两级发动机废气热量吸收器的装置，实现发动机废热发电ORC系统对发动机高温尾气的热量高效吸收和利用，避免了ORC系统中冷媒工质与高温废气热量吸收造成的冷媒分解。

Description

一种用于发动机废热发电ORC系统的热量回收器
技术领域
本发明专利涉及了废热回收利用领域，尤其是涉及发动机废热回收ORC系统的一种发动机尾气废热回收装置。
背景技术
随着能源紧张的加剧，提高能源的利用效率变得越来越重要。节能减排成为当前最重要的课题。而基于有机郎肯循环的ORC系统，对各种工业余热或废热的利用，是一个很好的提升能源利用效率的技术。
发动机的能源利用效率比较低，一般为40％左右，其余60％的热量以各种形式散失而排入大气。在发动机各种形式废热中，以发动机排气废热比重最大。基于ORC原理的发动机废热发电，目前成为发动机研究的热点问题，成为下一代提高发动机燃油经济性的一个重要措施或手段。其中发动机尾气的排烟温度高达600℃以上，近年来，为了提高发动机的效率和功率输出，发动机正向高增压和双级增压双极冷却方向发展。同时，随着排放法规进一步提升，对发动机高增压和NOx排放要求也更高，从而使发动机排气温度更高。在ORC系统中，如何吸收发动机尾气的热量成为发动机ORC系统的一个关键点。比如，如何避免ORC系统中冷媒工质与高温废气热量吸收造成的冷媒分解，如何在空间体积上更加紧凑。
发明内容
本发明要解决的是现有技术存在的上述问题，旨在提供一种有效的用于发动机废热发电ORC系统的热量回收器。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：一种用于发动机废热发电ORC系统的热量回收器，包括第一级高温废热回收器、第二级废热回收器、所述第一级高温废热回收器和第二级废热回收器之间的金属连接管路以及位于两端的与发动机尾气排放管连接的带法兰的波纹管，其特征在于：
所述的第一级高温废热回收器包括由外壳、扁管及扁管内部的传热翅片、扁管与扁管之间起支撑和强化传热作用的段紊流翅片和包围在扁管外部与两端连接扁管的主板所构成的缸套水侧通道以及设置在所述外壳上的缸套水进出水管。
所述的第二级废热回收器包括由外壳、扁管及扁管内部的传热翅片、扁管与扁管之间起支撑和强化传热作用的紊流翅片和包围在扁管外部与两端连接扁管的主板所构成的冷媒介质通道以及冷媒工质进出管。
本发明的一种用于发动机废热发电ORC系统的热量回收器，采用高效紧凑汽车换热器强化传热技术，以及结合发动机尾气易于积碳堵塞的特性，设计了具有两级发动机废气热量吸收器的装置，实现发动机废热发电ORC系统对发动机高温尾气的热量高效吸收和利用，避免了ORC系统中冷媒工质与高温废气热量吸收造成的冷媒分解。
作为本发明的进一步改进，由于液态缸套水的传热系数大，所述第一级高温废热回收器中的紊流翅片做成间断式，由不连续的2～3段构成。所述第一级高温废热回收器中的紊流翅片为平直翅片或锯齿型翅片，高度为3～5mm。
作为本发明的再进一步改进，在第一级高温废热回收器中，其内部是发动机缸套冷却水与高温废气进行热交换，吸收高温废气热量，扁管内部的传热翅片采用波纹翅片或平直翅片。在强化传热的同时，要降低发动机尾气积碳，并且易于积碳清理，其翅片间距为4～6mm。
作为本发明的再进一步改进，缸套水与尾气流向上成顺流布置，进出水管在空间布置上，在尾气进口主板侧为进水管，出气端主板侧为出水管，且所述的进出水管采用下进上出。顺流布置既可以充分的吸收废气的热量，也防止逆流布置时在水出口侧汽化成水蒸气。
作为本发明的再进一步改进，在所述的第二级废热回收器中，其内部是经过换热之后的废气和冷媒工质的热量交换，扁管内部的传热翅片采用不间断连续的波纹翅片或平直翅片，翅片间距为4-6mm。
作为本发明的再进一步改进，在所述的第二级废热回收器中，扁管与扁管之间起支撑和强化传热作用的紊流翅片为锯齿型翅片，翅片高度为6～9mm，推荐为7.5mm。相比较液态缸套水，冷媒工质为汽液混合物或者气态，传热系数低，因此紊流翅片做成非间断式的，保证充分吸收废气的热量；锯齿翅片的高度与扁管内部强化传热翅片高度相同。
作为本发明的再进一步改进，在第二级废热回收器中，冷媒工质与尾气流向上成顺流布置，冷媒工质进出管在空间布置上，在尾气进口主板侧为冷媒进口管，出气端主板侧为冷媒出口管，且采用下进上出。顺流布置既可以充分的吸收废气的热量，保证气态冷媒工质顺利排出，也防止逆流布置时冷媒出口管附件冷媒温度太高而分解。
作为本发明的再进一步改进，第一级高温废热回收器和第二级废热回收器相比，扁管间距略小，保证废气热量的充分利用以及防止废气在第二级废热回收器内积炭，同时强化了二级废热吸收器冷媒侧传热能力。
作为本发明的更进一步改进，所述第一级高温废热回收器和第二级废热回收器内的扁管排布方向相互垂直，使得废气能够在回收器内均匀的流动，加强换热。
此外，本发明采用带有法兰的波纹管实现和发动机尾气排气管的连接，波纹管用于热胀冷缩，以减少两级废热回收单元内部的热应力。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1中Ⅰ处的放大图。
图3是图1中Ⅱ处的放大图。
图4是图1中A向放大图。
图5是图1中B向放大图。
图6是图1中C-C向的剖视放大图。
图7是图1中E-E向的剖视放大图。
具体实施方式
参照附图，本发明的一种用于发动机废热发电ORC系统的热量回收器，包括第一级高温废热回收器12、第二级废热回收器10、所述两级废热回收器间金属连接管路7以及位于两端的与发动机尾气排放管连接的带法兰的波纹管1。
其中，第一级高温废热回收器12包括由金属薄壁外壳3、扁管5及扁管内部的强化传热翅片13、扁管与扁管之间起支撑和强化传热作用的间断不连续的2～3段紊流翅片4和包围在扁管外部与两端连接扁管的主板11所构成的缸套水侧通道以及设置在所述外壳3上的缸套水进出水管14、6。
第二级废热回收器10包括由金属薄壁外壳19、扁管8及扁管内部的强化传热翅片18、扁管与扁管之间起支撑和强化传热作用的不间断连续的紊流翅片9和包围在扁管外部与两端连接扁管的主板15所构成的冷媒介质通道以及冷媒工质进出管16、17。
在第一级高温废热回收器12中，其内部是发动机缸套冷却水与高温废气进行热交换，吸收高温废气热量，扁管内部的传热翅片13采用波纹翅片或平直翅片；在扁管与扁管之间起加强支撑和强化传热作用的紊流翅片4为平直翅片或锯齿型翅片。由于液态缸套水的传热系数大，因此紊流翅片4做成间断式的。紊流翅片4的高度，也即是扁管与扁管之间距离为3～5mm。扁管内部强化传热的翅片13，在强化传热的同时，要降低发动机尾气积碳，并且易于积碳清理，其翅片间距为4～68mm，翅片类型为波纹型或平直型等非间断类翅片。
缸套水与尾气流向上成顺流布置。进出水管14、6在空间布置上，在尾气进口主板侧为进水管14，出气端主板侧为出水管6。两个水管采用下进上出。顺流布置既可以充分的吸收废气的热量，也防止逆流布置时在水出口侧汽化成水蒸气。
在第二级废热回收器10中，其内部是经过换热之后的废气和冷媒工质的热量交换，扁管8内部的传热翅片18采用波纹翅片或平直翅片，翅片间距为6-8mm；扁管与扁管之间起支撑和强化传热作用的翅片9为锯齿型翅片，翅片高度为6～9mm，推荐为7.5mm。相比较液态缸套水，冷媒工质为汽液混合物或者气态，传热系数低，因此紊流翅片9做成非间断式的，保证充分吸收废气的热量；锯齿翅片的高度与扁管内部强化传热翅片高度相同。
在二级废热回收器中，冷媒工质与尾气流向上成顺流布置，冷媒工质进出管16、17在空间布置上，在尾气进口主板侧为冷媒进口管16，出气端主板侧为冷媒出口管17，采用下进上出。以保证气态冷媒工质顺利排出。顺流布置既可以充分的吸收废气的热量，保证气态冷媒工质顺利排出，也防止逆流布置时冷媒出口管附件冷媒温度太高而分解。
第一级高温废热回收器12和第二级废热回收器10相比，扁管间距Tn要小，这样做的目的是要保证废气热量的充分利用以及防止废气在第二级废热回收器内积炭，以及强化二级废热吸收器冷媒侧传热能力。
用带有法兰的波纹管1实现和发动机尾气排气管的连接。同时，波纹管用于热胀冷缩，以减少两级废热回收单元内部的热应力。在第一级高温废热回收器和第二级废热回收器间通过金属管路7实现连接，并且两级废热回收器各自的扁管排布方向成90°方向，这样做的目的是使得废气能够在回收器内均匀的流动，加强换热。。
应该理解到的是：上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于发动机废热发电ORC系统的热量回收器，包括第一级高温废热回收器(12)、第二级废热回收器(10)、所述第一级高温废热回收器(12)和第二级废热回收器(10)之间的金属连接管路(7)以及位于两端的与发动机尾气排放管连接的带法兰的波纹管(1)，其特征在于：
所述的第一级高温废热回收器(12)包括由外壳(3)、扁管(5)及扁管内部的传热翅片(13)、扁管与扁管之间起支撑和强化传热作用的段紊流翅片(4)和包围在扁管外部与两端连接扁管的主板(11)所构成的缸套水侧通道以及设置在所述外壳(3)上的缸套水进出水管(14、6)；
所述的第二级废热回收器(10)包括由外壳(19)、扁管(8)及扁管内部的传热翅片(18)、扁管与扁管之间起支撑和强化传热作用的紊流翅片(9)和包围在扁管外部与两端连接扁管的主板(15)所构成的冷媒介质通道以及冷媒工质进出管(16、17)。
2.如权利要求1所述的一种用于发动机废热发电ORC系统的热量回收器，其特征在于所述第一级高温废热回收器(12)中的紊流翅片(4)为间断不连续的2～3段。
3.如权利要求2所述的一种用于发动机废热发电ORC系统的热量回收器，其特征在于所述第一级高温废热回收器(12)中的紊流翅片(4)为平直翅片或锯齿型翅片，所述第一级高温废热回收器(12)中的紊流翅片(4)的高度为3～5mm。
4.如权利要求1所述的一种用于发动机废热发电ORC系统的热量回收器，其特征在于在所述第一级高温废热回收器(12)中，扁管(5)内部的传热翅片(13)采用波纹翅片或平直翅片，其翅片间距为4～6mm。
5.如权利要求1所述的一种用于发动机废热发电ORC系统的热量回收器，其特征在于缸套水与尾气流向上成顺流布置，进出水管(14、6)在空间布置上，在尾气进口主板侧为进水管(14)，出气端主板侧为出水管(6)，且所述的进出水管采用下进上出。
6.如权利要求1所述的一种用于发动机废热发电ORC系统的热量回收器，其特征在于在所述的第二级废热回收器(10)中，其扁管(8)内部的传热翅片(18)为波纹翅片或平直翅片，翅片间距为4-6mm。
7.如权利要求1所述的一种用于发动机废热发电ORC系统的热量回收器，其特征在于在第二级废热回收器中，扁管与扁管之间起支撑和强化传热作用的紊流翅片(9)为非间断式的锯齿型翅片，翅片高度为6～9mm。
8.如权利要求1所述的一种用于发动机废热发电ORC系统的热量回收器，其特征在于在第二级废热回收器中，冷媒工质与尾气流向上成顺流布置，冷媒工质进出管(16、17)在空间布置上，在尾气进口主板侧为冷媒进口管(16)，出气端主板侧为冷媒出口管(17)，且采用下进上出。
9.如权利要求1所述的一种用于发动机废热发电ORC系统的热量回收器，其特征在于第一级高温废热回收器(12)和第二级废热回收器(10)相比，扁管间距(Tn)略小。
10.如权利要求1-9任何一项所述的一种用于发动机废热发电ORC系统的热量回收器，其特征在于所述第一级高温废热回收器(12)和第二级废热回收器(10)内的扁管排布方向相互垂直。
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