CN104712403A - 超临界蓄热式有机朗肯循环尾气余热综合利用装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超临界蓄热式有机朗肯循环尾气余热综合利用装置，包括亚临界ORC、超临界ORC和超临界蓄热三个模块，主要由冷凝器、工质储存罐、电磁阀、工质泵、膨胀机、预热器、后处理器、超临界蓄热器、过热蒸发器和控制单元等组成，利用超临界蓄热器将排气温度稳定在一定范围内再进入后处理器，使后处理器在发动机在大多数工况下都能保持高净化效率降低污染物排放；同时利用有机朗肯循环对排气的热量回收提高能源的利用率，本发明利用有机朗肯循环达到污染物低排放和能源高效利用的有益效果。

Description

超临界蓄热式有机朗肯循环尾气余热综合利用装置
技术领域
本发明属于有机朗肯循环低品质能源利用技术领域，具体涉及开发一种超临界蓄热式有机朗肯循环尾气余热综合利用装置，达到稳定发动机后处理器入口温度和提高能源利用率的有益效果。
背景技术
低温热源是指品位相对较低的热能，一般温度低于200℃。这些能源种类繁多，包括太阳能、各种工业余(废)热、地热、生物质能、海洋温差能等可再生能源。这些资源总量巨大，以工业废热为例，人类所利用的热能中有50％最终以低品位废热的形式直接排放。利用和回收这部分能源，既有助于解决我国能源问题，又能减少能源生产过程中的环境污染。发动机废热中的能量也是主要的废热来源，合理利用这些废热具有将发动机整体热效率提高10％的潜力。
有机朗肯循环能很好的实现这一目标，它可以利用有机工质将低温余热回收后进行发电，该系统还减少了常规能源利用过程中CO2、NOx、SO2的排放，同时提高了能源的总利用率。有机朗肯循环特指使用R113、R245fa、正戊烷等低沸点有机物作为工质的朗肯循环，被广泛运用在工业废热回收、太阳热能发电、生质能燃烧发电上。与水蒸气朗肯循环相比，系统中所采用的有机物工质能够在低温下蒸发并达到较高的压力，利用空气或水将做功后乏汽冷凝至常温，使得系统的高温端和低温端建立较高压差，获得较高的热效率。因此，在低品位热能的回收利用中，有机朗肯循环显示出更高的优越性。
随着排放法规的日趋严格，汽车要满足国Ⅳ以上排放法规，除了采取机内净化措施还需要加装后处理装置实现机外净化。发动机的后处理装置特别是催化型的后处理装置对发动机排温有极为严格的要求，仅在一定的排气温度范围内有较高的净化效率，例如柴油机氧化催化反应器的工作温度范围为200℃～350℃；在其余温度范围后处理器的净化效率大幅降低，而柴油机的排气温度范围为150℃～650℃，变化范围较宽，难以满足后处理器对排温的要求，因此后处理器净化效率大幅下降并且缩短工作寿命。
车用内燃机经常处于瞬态工况，相应的其尾气热状态也处于瞬变状态。车用内燃机尾气热状态的固有的瞬变性带来两个关键问题：1)、由有机朗肯循环余热回收系统与热源的匹配的敏感性引起的余热机械能利用方式低效化和控制的复杂化；2)、由后处理入口温度适宜窗口窄、与实时排温不匹配引起的有害物转化率低及尾气余热利用率低。
发明内容
本发明提供一种超临界蓄热式有机朗肯循环尾气余热综合利用装置，该装置以有机朗肯循环为依据，充分利用工质吸收的热量，一方面利用有机朗肯循环中的超临界蓄热器21把后处理器15进口端排气温度稳定在预先设定范围内，使后处理器15始终保持较高的净化效率，从而达到降低污染物排放的有益效果；另一方面利用有机朗肯循环将尾气的热能转化为机械能，而且改进了有机朗肯循环的实施方式，使得工质的汽化潜热得到充分利用，提高了热功转换效率，从而达到低品质能源利用和节约能源的有益效果。本发明达到将尾气余热利用方式由单一机械能利用扩展至机械能输出和后处理器入口温度控制热利用这两个方面的有益效果。
本发明由温度传感器Ⅰ1、压力传感器Ⅰ2、冷凝器3、工质储存罐4、工质泵5、三通接头Ⅰ6、工质喷射电磁阀Ⅰ7、工质喷嘴Ⅰ8、电磁阀Ⅰ9、工质喷嘴Ⅱ10、膨胀机11、压力传感器Ⅱ12、温度传感器Ⅱ13、预热器14、后处理器15、三通接头Ⅱ16、流量控制阀17、温度传感器Ⅲ18、压力传感器Ⅲ19、温度传感器Ⅳ20、超临界蓄热器21、电磁阀Ⅱ22、排气管23、过热蒸发器24、温度传感器Ⅴ25、发动机26、工质流通管道27、温度传感器Ⅵ28、压力传感器Ⅳ29、电磁阀Ⅲ30、电磁阀Ⅳ31、三通接头Ⅲ32、控制单元33、工质喷射电磁阀Ⅱ34、温度传感器Ⅶ35和压力传感器Ⅴ36组成。
本发明提供一种超临界蓄热式有机朗肯循环尾气余热综合利用装置，其中膨胀机11与电磁阀Ⅰ9相通；所述的电磁阀Ⅰ9和冷凝器3连接；其中温度传感器Ⅰ1和压力传感器Ⅰ2安装在冷凝器3上；所述的冷凝器3、工质储存罐4与工质泵5串联连接；所述的工质泵5通过三通接头Ⅰ6分别与工质喷射电磁阀Ⅰ7、预热器14连接；工质喷射电磁阀Ⅰ7与工质喷嘴Ⅰ8连接；三通接头Ⅰ6、预热器14和三通接头Ⅱ16串联连接，其中压力传感器Ⅱ12和温度传感器Ⅱ13安装在预热器14上；三通接头Ⅱ16、电磁阀Ⅱ22、过热蒸发器24、电磁阀Ⅳ31和三通接头Ⅲ32串联连接，其中温度传感器Ⅵ28和压力传感器Ⅳ29安装在过热蒸发器24上；三通接头Ⅱ16、流量控制阀17、超临界蓄热器21、电磁阀Ⅲ30和三通接头Ⅲ32串联连接，其中温度传感器Ⅳ20和压力传感器Ⅲ19安装在超临界蓄热器21上；所述的三通接头Ⅲ32、工质喷射电磁阀Ⅱ34和工质喷嘴Ⅱ10串联连接；工质喷嘴Ⅰ8和工质喷嘴Ⅱ10分别与膨胀机11相通；温度传感器Ⅶ35和压力传感器Ⅴ36安装在膨胀机11上；发动机26、过热蒸发器24、超临界蓄热器21、后处理器15和预热器14串联连接；温度传感器Ⅲ18安装于超临界蓄热器21和后处理器15之间的排气管23管段上；温度传感器Ⅴ25安装于发动机26和过热蒸发器24之间的排气管23管段上。
本发明的原理是：发动机26的排气通过排气管23进入过热蒸发器24，排气与过热蒸发器24中的工质进行换热；排气离开过热蒸发器24进入超临界蓄热器21，排气与超临界蓄热器21中的工质进行换热；控制单元33根据温度传感器Ⅲ18、压力传感器Ⅲ19、温度传感器Ⅳ20和温度传感器Ⅴ25的信号操纵流量控制阀17的开度，从而控制进入超临界蓄热器21的工质流量，在超临界蓄热器21中工质与发动机排气进行换热，使得排气温度在后处理器15的入口前达到预先设定的温度范围，该温度范围由后处理器15达到较高净化效率的排温要求所决定，目标是使后处理器15在发动机26大多数工况下都能保持较高净化效率。
发动机26的排温是脉动变化的，而且变化频繁，波动量大，但后处理器15高效净化尾气污染物是有一个固定的较小的温度范围的，一旦排温在该温度范围外，后处理器15的净化效率会大幅下降，排放污染物得不到有效净化就直接排向环境，同时后处理器15的可靠性和耐久性均受到影响。本发明根据有机朗肯循环的原理，将预热器14布置于后处理器15后，充分吸收尾气余热并预热工质；超临界蓄热器21置于后处理器15上游，在不同尾气余热状态下通过调节进入超临界蓄热器21的工质量、输送至过热蒸发器24的工质量，使超临界蓄热器21内的超临界工质始终保持超临界态；超临界蓄热器中工质所储存的高温热能一方面可以稳定ORC系统能量品位，另一方面也可以在尾气温度低于后处理高效窗口时反向加热尾气实现尾气余热的热利用；膨胀机11通过改变工质进/出膨胀机时刻实现膨胀比可变可控；工质泵5、过热蒸发器24、冷凝器3的结构、功能、工作过程等与传统ORC系统相似，本发明利用超临界蓄热器21一方面稳定ORC系统能量品位，提高有机朗肯循环的热功转换效率，从而达到低品质能源利用的有益效果；另一方面控制柴油机后处理器15进口端尾气温度使后处理器15始终处于高效净化状态，从而达到降低排气污染物排放的有益效果。
超临界蓄热模块的主要目标及过程简述如下：
一、蓄热/稳定热源品质：1)初始蓄热，根据发动机尾气状态及后处理需求计算设定超临界态蓄热温度、压力(超临界点温度工质不液化，超临界压力提升工质蓄能密度)；当尾气温度低于临界温度时降低ORC系统吸热量，充分保证超临界蓄热器21的热量；当尾气温度高于临界温度后再引入少量工质，如此循环直至温度、压力均达到设定的状态；2)再蓄热：当超临界蓄热器21定容放热后内部温度、压力会明显低于设定状态，此时限制ORC系统做功能力、优先保证超临界蓄热器21加热直至达到设定状态；3)、定量动态蓄热/部分超临界循环稳定系统能量品质：当超临界蓄热器21处于设定状态时为避免亚临界ORC系统蒸发器过高换热损失，在合理强化过热蒸发器24吸热量前提下超临界蓄热器21作吸热器使用；部分超临界工质、与二次过热器做功工质一起进入膨胀机，实现部分超临界循环，以提升能量品质；相应的通过冷工质补给量控制保证蓄热器蓄热量及状态稳定。
二、放热过程/后处理入口温度控制：当发动机实时排气温度低于蓄热设定温度范围时停止ORC系统工作，超临界蓄热器21内工质以超临界态定容放热过程自发反向传热至尾气。当蓄热工质温度降至临界点温度以下时工质会达到特定饱和状态并出现饱和放热过程，此时工质会有大量的汽化潜热放出，实现后处理器15入口温度长效稳定控制，从而将后处理入口温度控制在高效窗口内。
工作阶段：发动机26的排气经过过热蒸发器24、超临界蓄热器21、后处理器15和预热器14排到环境中。工质储存罐4中的冷工质在工质泵5的作用下经过三通接头Ⅰ6分别进入工质喷射电磁阀Ⅰ7和预热器14所在的管路，其中冷工质流进预热器14后吸收排气热量升温。
当尾气实时余热能量不能满足后处理器15的热量需求和超临界蓄热器21的设定蓄热需求时，本装置进入初始蓄热状态，此时电控单元33关闭电磁阀Ⅱ22、电磁阀Ⅲ30和电磁阀Ⅳ31，打开流量控制阀17；工质经预热器14加热后通过三通接头Ⅱ16、流量控制阀17进入超临界蓄热器21，但由于此时排气能量较低，超临界蓄热器21中工质积蓄的热量不足以稳定后处理器15的入口温度，超临界蓄热器21经历初始蓄热-放热-再蓄热-放热的过程。
当尾气实时余热能量能满足后处理器15的热量需求和超临界蓄热器21的设定蓄热需求时，本装置进入超临界定量蓄热和亚临界ORC状态，此时电控单元33关闭电磁阀Ⅲ30，打开电磁阀Ⅱ22、电磁阀Ⅳ31和流量控制阀17；工质经预热器14加热后，一部分工质通过三通接头Ⅱ16、流量控制阀17进入超临界蓄热器21，由于此时排气温度较高，超临界蓄热器21中工质经历超临界加热升温过程，此时利用工质积蓄的热量来稳定后处理器15的入口温度；另一部分工质经电磁阀Ⅱ22进入过热蒸发器24中继续吸热升温成为过热工质，工质再经电磁阀Ⅳ31、三通接头Ⅲ32进入工质喷射电磁阀Ⅱ34所在的管道，控制单元33控制工质喷射电磁阀Ⅱ34的开启时刻和持续时间，使适量过热工质通过工质喷嘴Ⅱ10喷入膨胀机11，喷入膨胀机11的过热工质充分膨胀，控制单元33控制工质喷射电磁阀Ⅰ7的开启时刻和持续时间，冷工质通过工质喷嘴Ⅰ8喷入膨胀机11，使膨胀机11内温度降低，热工质大量液化，膨胀机11内压力下降，实现汽化潜热充分利用；控制单元33控制电磁阀Ⅰ9的开启时刻和持续时间，从而顺利将工质排出，气态和液态共存的工质直到进入冷凝器3中才得到完全液化，完全液化后的低温工质进入工质储存罐4中，至此工质经历一个循环。
当尾气实时余热能量不但能满足后处理器15的热量需求和超临界蓄热器21的设定蓄热需求而且能满足高效亚临界ORC时，本装置进入超临界动态蓄热、亚临界和超临界ORC状态，此时电控单元33打开电磁阀Ⅱ22、电磁阀Ⅲ30、电磁阀Ⅳ31和流量控制阀17；工质流经预热器14加热后，一部分工质通过三通接头Ⅱ16、流量控制阀17进入超临界蓄热器21，由于此时排气温度很高，超临界蓄热器21中工质经历超临界加热升温过程，此时利用工质积蓄的热量已经足以稳定后处理器15的入口温度而且还有较大盈余，超临界蓄热器21中的过量热工质通过电磁阀Ⅲ30、三通接头Ⅲ32进入工质喷射电磁阀Ⅱ34所在的管道；另一部分工质经电磁阀Ⅱ22进入过热蒸发器24中继续吸热升温成为过热工质，工质再经电磁阀Ⅳ31、三通接头Ⅲ32进入工质喷射电磁阀Ⅱ34所在的管道；此时工质喷射电磁阀Ⅱ34所在的管道中的过热工质由两部分组成，一部分是流经过热蒸发器24的工质、另一部分是流经超临界蓄热器21的工质；控制单元33控制工质喷射电磁阀Ⅱ34的开启时刻和持续时间，使适量过热工质通过工质喷嘴Ⅱ10喷入膨胀机11，喷入膨胀机11的过热工质充分膨胀，控制单元33控制工质喷射电磁阀Ⅰ7的开启时刻和持续时间，冷工质通过工质喷嘴Ⅰ8喷入膨胀机11，使膨胀机11内温度降低，热工质大量液化，膨胀机11内压力下降，实现汽化潜热充分利用；控制单元33控制电磁阀Ⅰ9的开启时刻和持续时间，从而顺利将工质排出，气态和液态共存的工质直到进入冷凝器3中才得到完全液化，完全液化后的低温工质进入工质储存罐4中，至此工质经历一个循环。
控制单元33控制工质喷射电磁阀Ⅱ34的开启时刻和持续时间，使通过工质喷嘴Ⅱ10的适量过热工质喷入膨胀机11，喷入膨胀机11的过热工质充分膨胀，控制单元33控制工质喷射电磁阀Ⅰ7的开启时刻和持续时间，冷工质通过工质喷嘴Ⅰ8喷入膨胀机11，使膨胀机11内温度降低，热工质大量液化，膨胀机11内压力下降，实现汽化潜热充分利用；在传统的有机朗肯循环中，工质都是在冷凝器中完成液化过程的，这样就损失了工质的汽化潜热，限制了有机朗肯循环热功转换效率的提升，而在本发明中热工质的液化过程分为两个阶段，第一阶段是在膨胀机11中完成的，此时喷入膨胀机11的过热工质充分膨胀，控制单元33控制工质喷射电磁阀Ⅰ7的开启时刻和持续时间，冷工质通过工质喷嘴Ⅰ8喷入膨胀机11，使膨胀机11内温度降低，热工质大量液化，但此时尚有一部分工质为气态未得到液化；控制单元33控制电磁阀Ⅰ9的开启时刻和持续时间，顺利将气态和液态的工质排出，工质进入冷凝器3完成第二阶段的液化过程，至此工质得到完全液化降温；本发明的两阶段液化过程使热工质的汽化潜热得到了利用，这样就达到提高有机朗肯循环的热功转换效率和节约能源的有益效果。
亚临界有机朗肯循的关键科学问题是蒸发器内热源流体与有机工质的换热过程温度匹配。亚临界循环中由于工质存在等温蒸发，因此在蒸发器内与热源流体温度匹配较差。而超临界循环中工质吸热过程无两相区，能够显著改善冷热流体的温度匹配情况，进而降低蒸发器内火用损失。与水相比，有机工质的临界压力及临界温度均较低，因此超临界有机朗肯循环并不难实现。可在很多低温余热加热条件下，利用工质在超临界压力下的变温相变特性，在加热器中工质气液相转变时没有两相区出现，不存在亚临界压力下的定温蒸发阶段。在超临界有机朗肯循环中工质在超临界压力下，从过冷液体开始吸热，温度不断升高，直到大于临界温度下的状态，这种不断吸热的变温过程能够很好地与余热源相匹配，减少加热过程中由于冷热流体传热温差的不均衡性而引发的额外不可逆熵增，所以能获得较高的动力循环火用效率。
本发明的核心创新点：利用超临界有机工质高比焓、强换热和高体积密度的特点实现尾气余热的大比例积蓄和释放，从而缓冲热源瞬变性改善ORC系统能量品位并为后处理器入口温度调控提供热源。蓄热过程中采用可控超临界态(根据尾气余热均值设定蓄热临压力)、设定压力下临界点温度反馈控制策略(根据工质热物性确定该压力下的超临界温度，控制液相工质注入量使得工质温度接近且略高于超临界温度)以实现全汽相/极高干度超临界蓄热；放热过程采用设定温度下压力反馈控制策略(根据后处理器入口温度需求、朗肯循环工质能量品位需求计算最低可用放热温度，实时监控工质温度并保持压力接近且略低于超临界压力)以实现先利用显热最后利用相变热。通过改变系统运行参数(如工质运行压力、温度、工质泵功和工质质量流量等)来改善循环热效率或输出功。从而利用超临界蓄热器21可实现将排气温度稳定在高效窗口范围内，使后处理器15在发动机26大多数工况下都能保持高净化效率，降低污染物排放；同时利用有机朗肯循环对排气的热量进行回收实现热功转换提高能源的利用率，本发明利用有机朗肯循环达到污染物低排放和能源高效利用的有益效果。
附图说明
图1为超临界蓄热式有机朗肯循环尾气余热综合利用装置。
其中：温度传感器Ⅰ1、压力传感器Ⅰ2、冷凝器3、工质储存罐4、工质泵5、三通接头Ⅰ6、工质喷射电磁阀Ⅰ7、工质喷嘴Ⅰ8、电磁阀Ⅰ9、工质喷嘴Ⅱ10、膨胀机11、压力传感器Ⅱ12、温度传感器Ⅱ13、预热器14、后处理器15、三通接头Ⅱ16、流量控制阀17、温度传感器Ⅲ18、压力传感器Ⅲ19、温度传感器Ⅳ20、超临界蓄热器21、电磁阀Ⅱ22、排气管23、过热蒸发器24、温度传感器Ⅴ25、发动机26、工质流通管道27、温度传感器Ⅵ28、压力传感器Ⅳ29、电磁阀Ⅲ30、电磁阀Ⅳ31、三通接头Ⅲ32、控制单元33、工质喷射电磁阀Ⅱ34、温度传感器Ⅶ35和压力传感器Ⅴ36。
具体实施方式
以下结合附图1对本发明技术方案作进一步详细阐述：本发明由温度传感器Ⅰ1、压力传感器Ⅰ2、冷凝器3、工质储存罐4、工质泵5、三通接头Ⅰ6、工质喷射电磁阀Ⅰ7、工质喷嘴Ⅰ8、电磁阀Ⅰ9、工质喷嘴Ⅱ10、膨胀机11、压力传感器Ⅱ12、温度传感器Ⅱ13、预热器14、后处理器15、三通接头Ⅱ16、流量控制阀17、温度传感器Ⅲ18、压力传感器Ⅲ19、温度传感器Ⅳ20、超临界蓄热器21、电磁阀Ⅱ22、排气管23、过热蒸发器24、温度传感器Ⅴ25、发动机26、工质流通管道27、温度传感器Ⅵ28、压力传感器Ⅳ29、电磁阀Ⅲ30、电磁阀Ⅳ31、三通接头Ⅲ32、控制单元33、工质喷射电磁阀Ⅱ34、温度传感器Ⅶ35和压力传感器Ⅴ36组成。
本发明提供一种超临界蓄热式有机朗肯循环尾气余热综合利用装置，其中膨胀机11与电磁阀Ⅰ9相通；所述的电磁阀Ⅰ9和冷凝器3连接；其中温度传感器Ⅰ1和压力传感器Ⅰ2安装在冷凝器3上；所述的冷凝器3、工质储存罐4与工质泵5串联连接；所述的工质泵5通过三通接头Ⅰ6分别与工质喷射电磁阀Ⅰ7、预热器14连接；工质喷射电磁阀Ⅰ7与工质喷嘴Ⅰ8连接；三通接头Ⅰ6、预热器14和三通接头Ⅱ16串联连接，其中压力传感器Ⅱ12和温度传感器Ⅱ13安装在预热器14上；三通接头Ⅱ16、电磁阀Ⅱ22、过热蒸发器24、电磁阀Ⅳ31和三通接头Ⅲ32串联连接，其中温度传感器Ⅵ28和压力传感器Ⅳ29安装在过热蒸发器24上；三通接头Ⅱ16、流量控制阀17、超临界蓄热器21、电磁阀Ⅲ30和三通接头Ⅲ32串联连接，其中温度传感器Ⅳ20和压力传感器Ⅲ19安装在超临界蓄热器21上；所述的三通接头Ⅲ32、工质喷射电磁阀Ⅱ34和工质喷嘴Ⅱ10串联连接；工质喷嘴Ⅰ8和工质喷嘴Ⅱ10分别与膨胀机11相通；温度传感器Ⅶ35和压力传感器Ⅴ36安装在膨胀机11上；发动机26、过热蒸发器24、超临界蓄热器21、后处理器15和预热器14串联连接；温度传感器Ⅲ18安装于超临界蓄热器21和后处理器15之间的排气管23管段上；温度传感器Ⅴ25安装于发动机26和过热蒸发器24之间的排气管23管段上。
超临界蓄热模块的主要目标及过程简述如下：
一、蓄热/稳定热源品质：1)初始蓄热，根据发动机尾气状态及后处理需求计算设定超临界态蓄热温度、压力(超临界点温度工质不液化，超临界压力提升工质蓄能密度)；当尾气温度低于临界温度时降低ORC系统吸热量，充分保证超临界蓄热器21的热量；当尾气温度高于临界温度后再引入少量工质，如此循环直至温度、压力均达到设定的状态；2)再蓄热：当超临界蓄热器21定容放热后内部温度、压力会明显低于设定状态，此时限制ORC系统做功能力、优先保证超临界蓄热器21加热直至达到设定状态；3)、定量动态蓄热/部分超临界循环稳定系统能量品质：当超临界蓄热器21处于设定状态时为避免亚临界ORC系统蒸发器过高换热损失，在合理强化过热蒸发器24吸热量前提下超临界蓄热器21作吸热器使用；部分超临界工质、与二次过热器做功工质一起进入膨胀机，实现部分超临界循环，以提升能量品质；相应的通过冷工质补给量控制保证蓄热器蓄热量及状态稳定。
二、放热过程/后处理入口温度控制：当发动机实时排气温度低于蓄热设定温度范围时停止ORC系统工作，超临界蓄热器21内工质以超临界态定容放热过程自发反向传热至尾气。当蓄热工质温度降至临界点温度以下时工质会达到特定饱和状态并出现饱和放热过程，此时工质会有大量的汽化潜热放出，实现后处理器15入口温度长效稳定控制，从而将后处理入口温度控制在高效窗口内。
工作阶段：发动机26的排气经过过热蒸发器24、超临界蓄热器21、后处理器15和预热器14排到环境中。工质储存罐4中的冷工质在工质泵5的作用下经过三通接头Ⅰ6分别进入工质喷射电磁阀Ⅰ7和预热器14所在的管路，其中冷工质流进预热器14后吸收排气热量升温。
当尾气实时余热能量不能满足后处理器15的热量需求和超临界蓄热器21的设定蓄热需求时，本装置进入初始蓄热状态，此时电控单元33关闭电磁阀Ⅱ22、电磁阀Ⅲ30和电磁阀Ⅳ31，打开流量控制阀17；工质经预热器14加热后通过三通接头Ⅱ16、流量控制阀17进入超临界蓄热器21，但由于此时排气能量较低，超临界蓄热器21中工质积蓄的热量不足以稳定后处理器15的入口温度，超临界蓄热器21经历初始蓄热-放热-再蓄热-放热的过程。
当尾气实时余热能量能满足后处理器15的热量需求和超临界蓄热器21的设定蓄热需求时，本装置进入超临界定量蓄热和亚临界ORC状态，此时电控单元33关闭电磁阀Ⅲ30，打开电磁阀Ⅱ22、电磁阀Ⅳ31和流量控制阀17；工质经预热器14加热后，一部分工质通过三通接头Ⅱ16、流量控制阀17进入超临界蓄热器21，由于此时排气温度较高，超临界蓄热器21中工质经历超临界加热升温过程，此时利用工质积蓄的热量来稳定后处理器15的入口温度；另一部分工质经电磁阀Ⅱ22进入过热蒸发器24中继续吸热升温成为过热工质，工质再经电磁阀Ⅳ31、三通接头Ⅲ32进入工质喷射电磁阀Ⅱ34所在的管道，控制单元33控制工质喷射电磁阀Ⅱ34的开启时刻和持续时间，使适量过热工质通过工质喷嘴Ⅱ10喷入膨胀机11，喷入膨胀机11的过热工质充分膨胀，控制单元33控制工质喷射电磁阀Ⅰ7的开启时刻和持续时间，冷工质通过工质喷嘴Ⅰ8喷入膨胀机11，使膨胀机11内温度降低，热工质大量液化，膨胀机11内压力下降，实现汽化潜热充分利用；控制单元33控制电磁阀Ⅰ9的开启时刻和持续时间，从而顺利将工质排出，气态和液态共存的工质直到进入冷凝器3中才得到完全液化，完全液化后的低温工质进入工质储存罐4中，至此工质经历一个循环。
当尾气实时余热能量不但能满足后处理器15的热量需求和超临界蓄热器21的设定蓄热需求而且能满足高效亚临界ORC时，本装置进入超临界动态蓄热、亚临界和超临界ORC状态，此时电控单元33打开电磁阀Ⅱ22、电磁阀Ⅲ30、电磁阀Ⅳ31和流量控制阀17；工质流经预热器14加热后，一部分工质通过三通接头Ⅱ16、流量控制阀17进入超临界蓄热器21，由于此时排气温度很高，超临界蓄热器21中工质经历超临界加热升温过程，此时利用工质积蓄的热量已经足以稳定后处理器15的入口温度而且还有较大盈余，超临界蓄热器21中的过量热工质通过电磁阀Ⅲ30、三通接头Ⅲ32进入工质喷射电磁阀Ⅱ34所在的管道；另一部分工质经电磁阀Ⅱ22进入过热蒸发器24中继续吸热升温成为过热工质，工质再经电磁阀Ⅳ31、三通接头Ⅲ32进入工质喷射电磁阀Ⅱ34所在的管道；此时工质喷射电磁阀Ⅱ34所在的管道中的过热工质由两部分组成，一部分是流经过热蒸发器24的工质、另一部分是流经超临界蓄热器21的工质；控制单元33控制工质喷射电磁阀Ⅱ34的开启时刻和持续时间，使适量过热工质通过工质喷嘴Ⅱ10喷入膨胀机11，喷入膨胀机11的过热工质充分膨胀，控制单元33控制工质喷射电磁阀Ⅰ7的开启时刻和持续时间，冷工质通过工质喷嘴Ⅰ8喷入膨胀机11，使膨胀机11内温度降低，热工质大量液化，膨胀机11内压力下降，实现汽化潜热充分利用；控制单元33控制电磁阀Ⅰ9的开启时刻和持续时间，从而顺利将工质排出，气态和液态共存的工质直到进入冷凝器3中才得到完全液化，完全液化后的低温工质进入工质储存罐4中，至此工质经历一个循环。
控制单元33控制工质喷射电磁阀Ⅱ34的开启时刻和持续时间，使通过工质喷嘴Ⅱ10的适量过热工质喷入膨胀机11，喷入膨胀机11的过热工质充分膨胀，控制单元33控制工质喷射电磁阀Ⅰ7的开启时刻和持续时间，冷工质通过工质喷嘴Ⅰ8喷入膨胀机11，使膨胀机11内温度降低，热工质大量液化，膨胀机11内压力下降，实现汽化潜热充分利用；在传统的有机朗肯循环中，工质都是在冷凝器中完成液化过程的，这样就损失了工质的汽化潜热，限制了有机朗肯循环热功转换效率的提升，而在本发明中热工质的液化过程分为两个阶段，第一阶段是在膨胀机11中完成的，此时喷入膨胀机11的过热工质充分膨胀，控制单元33控制工质喷射电磁阀Ⅰ7的开启时刻和持续时间，冷工质通过工质喷嘴Ⅰ8喷入膨胀机11，使膨胀机11内温度降低，热工质大量液化，但此时尚有一部分工质为气态未得到液化；控制单元33控制电磁阀Ⅰ9的开启时刻和持续时间，顺利将气态和液态的工质排出，工质进入冷凝器3完成第二阶段的液化过程，至此工质得到完全液化降温；本发明的两阶段液化过程使热工质的汽化潜热得到了利用，这样就达到提高有机朗肯循环的热功转换效率和节约能源的有益效果。
本发明中利用换热器(预热器14、超临界蓄热器21、过热蒸发器24)实现了后处理温度控制和低品质能源与有机工质的能量交换的有益效果，按此原理在实际应用中板式换热器、管壳式换热器、套管式换热器和管板式换热器等均可实现此有益效果；本发明中利用膨胀机11实现了利用热能转换为机械能的有益效果，按此原理在实际应用中采用向心透平膨胀机、轴流透平膨胀机、活塞式膨胀机、涡旋式膨胀机、旋转叶片式膨胀机、螺杆式膨胀机、三角转子膨胀机和摆线膨胀机等都能实现此有益效果；本发明中利用沸点较低有机工质可以充分吸收热量，在较低压力(0.2～1.5MPa左右)，较低温度(100℃、甚至40～50℃)就可以汽化为蒸汽，按此原理在实际应用中在标况下沸点较低的有机工质(如R134a、R22、R32、R227ea、R143a、R218、RC318和R152a等)均可实现此有益效果。

Claims (1)

1.超临界蓄热式有机朗肯循环尾气余热综合利用装置，其主要由温度传感器Ⅰ(1)、压力传感器Ⅰ(2)、冷凝器(3)、工质储存罐(4)、工质泵(5)、三通接头Ⅰ(6)、工质喷射电磁阀Ⅰ(7)、工质喷嘴Ⅰ(8)、电磁阀Ⅰ(9)、工质喷嘴Ⅱ(10)、膨胀机(11)、压力传感器Ⅱ(12)、温度传感器Ⅱ(13)、预热器(14)、后处理器(15)、三通接头Ⅱ(16)、流量控制阀(17)、温度传感器Ⅲ(18)、压力传感器Ⅲ(19)、温度传感器Ⅳ(20)、超临界蓄热器(21)、电磁阀Ⅱ(22)、排气管(23)、过热蒸发器(24)、温度传感器Ⅴ(25)、发动机(26)、工质流通管道(27)、温度传感器Ⅵ(28)、压力传感器Ⅳ(29)、电磁阀Ⅲ(30)、电磁阀Ⅳ(31)、三通接头Ⅲ(32)、控制单元(33)、工质喷射电磁阀Ⅱ(34)、温度传感器Ⅶ(35)和压力传感器Ⅴ(36)组成；其中膨胀机(11)与电磁阀Ⅰ(9)相通；所述的电磁阀Ⅰ(9)和冷凝器(3)连接；其中温度传感器Ⅰ(1)和压力传感器Ⅰ(2)安装在冷凝器(3)上；所述的冷凝器(3)、工质储存罐(4)与工质泵(5)串联连接；所述的工质泵(5)通过三通接头Ⅰ(6)分别与工质喷射电磁阀Ⅰ(7)、预热器(14)连接；工质喷射电磁阀Ⅰ(7)与工质喷嘴Ⅰ(8)连接；三通接头Ⅰ(6)、预热器(14)和三通接头Ⅱ(16)串联连接，其中压力传感器Ⅱ(12)和温度传感器Ⅱ(13)安装在预热器(14)上；三通接头Ⅱ(16)、电磁阀Ⅱ(22)、过热蒸发器(24)、电磁阀Ⅳ(31)和三通接头Ⅲ(32)串联连接，其中温度传感器Ⅵ(28)和压力传感器Ⅳ(29)安装在过热蒸发器(24)上；三通接头Ⅱ(16)、流量控制阀(17)、超临界蓄热器(21)、电磁阀Ⅲ(30)和三通接头Ⅲ(32)串联连接，其中温度传感器Ⅳ(20)和压力传感器Ⅲ(19)安装在超临界蓄热器(21)上；所述的三通接头Ⅲ(32)、工质喷射电磁阀Ⅱ(34)和工质喷嘴Ⅱ(10)串联连接；工质喷嘴Ⅰ(8)和工质喷嘴Ⅱ(10)分别与膨胀机(11)相通；温度传感器Ⅶ(35)和压力传感器Ⅴ(36)安装在膨胀机(11)上；发动机(26)、过热蒸发器(24)、超临界蓄热器(21)、后处理器(15)和预热器(14)串联连接；温度传感器Ⅲ(18)安装于超临界蓄热器(21)和后处理器(15)之间的排气管(23)管段上；温度传感器Ⅴ(25)安装于发动机(26)和过热蒸发器(24)之间的排气管(23)管段上。
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