CN104165102A - 一种基于有机郎肯循环的发动机废热回收系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有机郎肯循环的发动机废热回收系统，包括发动机尾气回路、发动机缸套水回路、冷媒回路和外部冷却水回路。本发明充分回收发动机废热，回收能量高，回收效率更高，并且整个系统的运行更为平稳和结构布置更为紧凑。其主要特点是包括发动机尾气与缸套水为一体的热源回收系统，以及蒸发器、冷凝器、膨胀机及冷媒泵为主的冷媒ORC系统。通过对本系统各个部件有效控制，可以实现发动机废热回收再利用，进而提高发动机单位燃油消耗的发电量，缩短发电机的投资回报周期。

Description

一种基于有机郎肯循环的发动机废热回收系统

技术领域

本发明涉及了发动机废热回收利用系统，尤其涉及有机郎肯循环发动机废热回收利用系统，具体地说是一种基于有机郎肯循环发动机废热回收利用的系统装置，利用制冷剂（如R245fa）从发动机尾气及缸套水中吸收热量，通过郎肯循环的四个阶段，对外输出功，实现能量的回收再利用。

背景技术

随着能源短缺的日益严峻，发动机的节能备受人们关注。利用ORC系统来回收发动机的废热，不仅容易实现而且热回收效率高。发动机可回收利用的热源主要包括缸套水的热量以及向环境排放高温尾气的热量等。发动机缸套水的温度一般低于100℃，因此可以直接与ORC系统中的冷媒进行换热，实现热量的回收利用。而发动机的排烟温度一般高于500℃，在ORC系统中冷媒的承受温度低于350℃，这在一定程度上限制了ORC系统在发动机废热回收领域的应用。

为更高效的利用发动机的废热，基于有机郎肯循环的发动机废热回收系统装置在实现方式上也各有侧重。经过现有文献和专利的检索，发现目前存在几种不同结构形式的发动机有机郎肯循环系统并不够完善。专利号为US6986251专利，提出的发动机的废气回收装置，主要是是利用一个主泵和一个辅助泵，以减少制冷剂工质在高速主泵内产生的穴蚀问题，同时该系统中主要包括废气蒸发器、冷凝器和相关的水箱，油冷器、增压中冷器等，制冷剂工质分别冷却水箱散热器，增压中冷器，发动机油冷器等。该发明的系统中没有过多的考虑到发动机废气再循环装置，对现有装置改变比较大。专利号为CN102787889A专利，提出一种柴油机缸套水及尾气余热回收系统，分别使用发动机缸套水加热ORC系统中的预热器，发动机的尾气先经过SCR降温后再加热ORC系统中的蒸发器。该发明的系统比较复杂，缸套水和尾气分别加热预热器和蒸发器，在性能匹配及系统控制方面均较为困难，且尾气经过SCR后会有一部分能量损失。

因此，针对上述现状，如果能发明出一种高效利用发动机缸套水和尾气废热的ORC系统，将大大推动其在发动机废热回收领域的应用。

发明内容

本发明的目的是提出一种发动机ORC系统，充分利用发动机缸套水和尾气的废热，更有效的提高其回收利用效率。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：一种基于有机郎肯循环的发动机废热回收系统，包括发动机尾气回路、发动机缸套水回路、冷媒回路和外部冷却水回路，其特征在于：

在所述的发动机尾气回路中，发动机尾气在直接排放环境前，先经过废气换热器放热，把热量传递给缸套水，从而实现尾气热量的回收；在废气换热器中，发动机尾气与缸套水顺流布置；

在所述的发动机缸套水回路中，缸套水在发动机自带循环水泵的作用下进入发动机缸套吸热，从发动机出来后接着进入废气换热器中吸收尾气的热量，再分别经过蒸发器和预热器的水侧通道放热，实现缸套水和尾气热量的回收；

在所述的冷媒回路中，储液罐中低温低压的液态冷媒经过工质泵后变成低温高压的冷媒；接着依次经过预热器、蒸发器，吸收发动机的废热后蒸发，变成高温高压的气态冷媒；气态冷媒再进入膨胀机或膨胀发电机，对外做功或发电，从而实现废热的再利用；从膨胀机或膨胀发电机出来的低压气态冷媒，再通过冷凝器放热，成为低温低压的液态冷媒回到储液罐中；

在所述的外部冷却水回路中，外部冷却水经过冷凝器，吸收气态冷媒的热量，使其成为低温低压的冷媒。

本发明的一种基于有机郎肯循环的发动机废热回收系统，充分回收发动机废热，回收能量高，回收效率更高，并且整个系统的运行更为平稳和结构布置更为紧凑。其主要特点是包括发动机尾气与缸套水为一体的热源回收系统，以及蒸发器、冷凝器、膨胀机及冷媒泵为主的冷媒ORC系统。通过对本系统各个部件有效控制，可以实现发动机废热回收再利用，进而提高发动机单位燃油消耗的发电量，缩短发电机的投资回报周期。

作为本发明的进一步改进，在膨胀机或膨胀发电机和冷凝器之间加设回热器，进行从工质泵出来的液态冷媒和从膨胀机或膨胀发电机出来的气态冷媒的热交换，进一步提高整个系统的废热回收效率。

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是本发明的结构框图。

具体实施方式

参照附图，本发明的一种基于有机郎肯循环的发动机废热回收系统，包括发动机尾气回路、发动机缸套水回路、冷媒回路和外部冷却水回路。

在所述的发动机尾气回路中，发动机尾气13在排放环境前，先经过废气换热器9，把热量传递给缸套水12，从而实现尾气热量的回收。在废气换热器9中，发动机尾气13与缸套水12顺流布置。在实际运行中，为了符合环保要求及废气换热器的可靠使用，从废气换热器出来的烟气温度不能过低，一般不能低于140℃。

在所述的发动机缸套水回路中，缸套水12在发动机自带循环水泵的作用下进入发动机缸套吸热，从发动机出来后接着进入废气换热器9吸收尾气的热量，再分别经过蒸发器5和预热器4的水侧通道，向冷媒放热，实现缸套水和尾气热量的回收。在实际的运行中，需要控制缸套水的水温：水温太低，发动机节温器不会全开，缸套水的热量不能完全利用；水温太高，发动机高温报警，甚至自动停机。

在所述的冷媒回路中，储液罐1中的低温低压液态冷媒11经过工质泵2升压，接着依次经过预热器4、蒸发器5，吸收发动机的废热后蒸发，变成高温高压的气态冷媒；气态冷媒再进入膨胀机或膨胀发电机6，对外做功或发电，从而实现发动机废热的再利用；从膨胀机或膨胀发电机6出来的低压气态冷媒，再通过冷凝器7，向外部冷却水放热，成为低温低压的液态冷媒回到储液罐1中。为了进一步提高整个系统的废热回收效率，可以在膨胀机或膨胀发电机6和冷凝器7之间加回热器3，进行从工质泵2出来的液态冷媒和从膨胀机6出来气态冷媒的热交换。使用的冷媒为制冷剂工质，如R245fa。

在所述的外部冷却水回路中，外部冷却水10经过冷凝器7，用来吸收气态冷媒的热量，使其成为低温低压的液态冷媒。

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 (2)

1.一种基于有机郎肯循环的发动机废热回收系统，包括发动机尾气回路、发动机缸套水回路、冷媒回路和外部冷却水回路，其特征在于：

在所述的发动机尾气回路中，发动机尾气（13）在直接排放环境前，先经过废气换热器（9）放热，把热量传递给缸套水（12），从而实现尾气热量的回收；在废气换热器（9）中，发动机尾气（13）与缸套水（12）顺流布置；

在所述的发动机缸套水回路中，缸套水（12）在发动机自带循环水泵的作用下进入发动机缸套吸热，从发动机出来后接着进入废气换热器（9）中吸收尾气的热量，再分别经过蒸发器（5）和预热器（4）的水侧通道放热，从而实现发动机缸套水和尾气热量的回收；

在所述的冷媒回路中，储液罐（1）中低温低压的液态冷媒（11）经过工质泵（2）后变成低温高压的冷媒；接着依次经过预热器（4）和蒸发器（5），吸收发动机的废热后蒸发，变成高温高压的气态冷媒；气态冷媒再进入膨胀机或膨胀发电机（6），对外做功或发电，从而实现废热的再利用；从膨胀机或膨胀发电机（6）出来的低压气态冷媒，再通过冷凝器（7）放热，成为低温低压的液态冷媒回到储液罐中；

在所述的外部冷却水回路中，外部冷却水（10）经过冷凝器（7），吸收气态冷媒的热量，使其成为低温低压的冷媒。

2.如权利要求1所述的一种基于有机郎肯循环的发动机废热回收系统，其特征在于在膨胀机或膨胀发电机（6）和冷凝器（7）之间加设回热器（3），进行从工质泵出来的液态冷媒和从膨胀机或膨胀发电机（6）出来的气态冷媒的热交换。