CN104995478B - 串并联废热回收系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种废热回收系统，包括第一加热管线、第二加热管线和阀部分。位于工作流体回路中的第一加热管线包括被以可操作方式连接以将热能传递给工作流体的第一热交换器。位于工作流体回路中的第二加热管线包括被以可操作方式连接以将热量传递给工作流体的第二热交换器。所述阀部分能够被选择性地控制以提供第一构造和第二构造，在第一构造中，第一热交换器和第二热交换器以可操作方式并联连接至工作流体回路，而在第二构造中，第一热交换器和第二热交换器以可操作方式串联连接至工作流体回路。
Description
技术领域
本发明涉及与来自内燃机的废热连接的废热回收(WHR)系统，更具体地，涉及用于提高WHR工作流体的废热回收的灵活性的设备和方法。
背景技术
废热回收系统使得能够利用排气和其它热源中的能量，若不加利用，它们将白白损失。当结合在具有内燃机的汽车中时，废热回收系统增加了某些优点。例如(但不限于此)，废热回收系统可设计成回收来自排气或EGR(排气再循环)系统的热量，这降低了发动机冷却系统上的冷却负荷。另外，废热回收系统能够从离开尾管或排气管的排气中获得有用的能量，否则，它们将流失到环境中。
所回收的废热的量可以根据不同的条件而改变，例如包括发动机负荷和发动机运行时间。
作为一个示例，与车辆已经变热后或者在中到高RPM运行期间相比，在起动后不久或者在低RPM运行期间，仅有较少的热量可供回收。本领域普通技术人员将会理解，在能够从工作流体中有效地产生有用的能量之前，WHR中使用的工作流体必须被加热到最小阈值。被设计成仅在中等或高发动机负荷或废热运行期间或者车辆已经变热后才有效获得能量的系统可能在低发动机负荷运行期间或开始起动后不久不能非常有效地获得能量。
作为另一个示例，与起动后不久或在低发动机负荷运行期间相比，在车辆已经变热后以及在中到高发动机负荷运行期间，有大量的废热可供回收。本领域普通技术人员将会理解，在工作流体已经被加热和使用后，可以获得WHR中的能量，其在能够被重新加热以获得更多能量之前必须频繁地被冷却和冷凝。被设计成仅在起动后不久或在低发动机负荷运行期间能最有效地获得能量的系统可能在高发动机负荷期间过度地加热工作流体，因此，增加了冷却和冷凝循环的持续时间，却未增加所能获得的能量的量。
本发明提供了用于提高WHR工作流体的废热回收的灵活性的方法和设备。
发明内容
根据本发明的一个实施例，废热回收系统包括第一加热管线、第二加热管线、阀部分、至少一个温度传感器和一个或多个电子装置。该第一加热管线位于工作流体回路中并包括第一热交换器，该第一热交换器被以可操作方式连接以将热能传递给工作流体。该第二加热管线位于工作流体回路中并包括第二热交换器，该第二热交换器被以可操作方式连接以将热量传递给工作流体。该阀部分位于工作流体回路中，以可操作方式连接至第一加热管线和第二加热管线并能被选择性地控制以提供第一构造和第二构造，在该第一构造中，第一热交换器和第二热交换器以可操作方式并联连接至工作流体回路，在该第二构造中，第一热交换器和第二热交换器以可操作方式串联连接至工作流体回路。所述至少一个温度传感器被以可操作方式连接以监测工作流体和排气流中的至少一个的温度并产生表示所述工作流体和排气流中的至少一个的温度的输出信号。所述一个或多个电子装置被以可操作方式连接以接收所述至少一个温度传感器的输出信号并响应于该输出信号来控制所述阀部分的构造。
根据本发明的另一实施例，废热回收系统包括泵、膨胀器、冷凝器、第一加热管线、第二加热管线、阀部分、至少一个温度传感器和一个或多个电子装置。该泵位于工作流体回路中并被以可操作方式连接以泵送工作流体回路中的工作流体。该膨胀器位于工作流体回路中并被以可操作方式连接以接收工作流体。该冷凝器位于工作流体回路中并被以可操作方式连接以接收来自所述膨胀器的工作流体。该第一加热管线位于工作流体回路中并包括第一热交换器，该第一热交换器被以可操作方式连接以将热能传递给工作流体。该第二加热管线位于工作流体中并包括第二热交换器，该第二热交换器被以可操作方式连接以将热量传递给工作流体。该阀部分位于工作流体回路中，以可操作方式连接至第一加热管线和第二加热管线并能被选择性地控制以提供第一构造和第二构造，在该第一构造中，第一热交换器和第二热交换器以可操作方式并联连接至工作流体回路，在该第二构造中，第一热交换器和第二热交换器以可操作方式串联连接至工作流体回路。所述至少一个温度传感器被以可操作方式连接以监测工作流体和排气流中的至少一个的温度并产生表示所述工作流体和排气流中的至少一个的温度的输出信号。所述一个或多个电子装置被以可操作方式连接以接收所述至少一个温度传感器的输出信号并响应于该输出信号来控制所述阀部分的构造。
根据本实施例的另一个方面，一种用于废热回收系统中回收废热的方法，该废热回收系统设有：工作流体回路；泵，该泵用于泵送工作流体回路中的工作流体；膨胀器，该膨胀器用于接收工作流体；冷凝器，该冷凝器用于接收来自膨胀器的工作流体；第一加热管线，该第一加热管线位于工作流体回路中并包括第一热交换器，第一热交换器被以可操作方式连接以将热能传递给工作流体；和第二加热管线，该第二加热管线位于工作流体回路中并包括第二热交换器，第二热交换器被以可操作方式连接以将热量传递给工作流体，所述方法包括以下步骤：选择性地控制与所述工作流体回路、第一加热管线及第二加热管线连接的阀部分，以提供具有第一构造和第二构造的所述阀部分，在该第一构造中，第一热交换器和第二热交换器并联连接至工作流体回路，在该第二构造中，第一热交换器和第二热交换器串联连接至工作流体回路；使用至少一个温度传感器来监测工作流体和排气流中的至少一个的温度并产生表示所述工作流体和排气流中的至少一个的温度的输出信号；以及，使用一个或多个电子装置来接收所述至少一个温度传感器的输出信号并响应于该输出信号来控制所述阀部分的构造。
附图说明
图1示出了根据一个实施例的废热回收系统的示意图。
图2示出了一个实施例中的并联连接的第一和第二热交换器的示意图。
图3示出了一个实施例中的串联连接的第一和第二热交换器的示意图。
图4示出了一个实施例中的串联且并联连接的第一和第二热交换器的示意图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明一个实施例的废热回收系统10的实施例。所示出的废热回收系统10包括工作流体回路12，该工作流体回路12形成一个闭合回路，工作流体在该闭合回路中循环。
位于工作流体回路12中的膨胀器14被以可操作方式连接以接收工作流体。本领域普通技术人员将意识到，该膨胀器以可操作方式连接以便被工作流体驱动而将工作流体中的热能转换为机械能，例如扭矩或电力。本领域普通技术人员将意识到，膨胀器14的输出轴(未示出)可连接成驱动发电机(未示出)或连接成向发动机(未示出)提供扭矩。该膨胀器可以是能从工作流体中回收热量并输出机械功率的任何装置，包括但不限于：涡轮机、涡旋膨胀器或热电转换器。
位于工作流体回路12中的冷凝器20被以可操作方式连接以接收离开膨胀器14的工作流体。本领域普通技术人员将意识到，冷凝器20冷却并冷凝该工作流体。冷凝器冷却器回路(未示出)被连接用于从冷凝器20中带走从工作流体传递给冷却流体的热量。该冷凝器冷却回路(未示出)可方便地连接至车辆冷却系统，即，散热器或另一冷却系统。
位于工作流体回路12中的泵24被以可操作方式连接，以泵送工作流体回路12中的工作流体，例如从工作流体储存器27泵送至工作流体回路12的加热侧，工作流体在该加热侧被加热。
工作流体回路12的所述加热侧包括第一加热管线30和第二加热管线40。第一加热管线30包括第一热交换器36，该第一热交换器36被以可操作方式连接以从热源(如37处)将热量传递给位于第一热交换器36中的工作流体(如38处)。第二加热管线40包括第二热交换器46，该第二热交换器46被以可操作方式连接以从热源(如47处)将热量传递给位于第二热交换器46中的工作流体(如48处)。该热源可以是与具有内燃机的车辆相关联的任何热量产生或热处理系统，该内燃机包括发动机排气、发动机冷却剂系统、排气再循环(EGR)冷却器、中冷器、发动机油冷却器、或上述这些的一些组合。
根据本实施例的一个方面，废热回收系统10设有位于工作流体回路12中的阀部分50，该阀部分50以可操作方式连接至第一加热管线30和第二加热管线40。根据本发明的另一个方面，阀部分50被构造成运行串联或并联的第一热交换器36和第二热交换器46。如图2所示，阀部分50可被选择性地控制以提供第一构造51，在该第一构造51中，第一热交换器36和第二热交换器46以可操作方式并联连接至工作流体回路12。如图3所示，阀部分50可被选择性地控制以提供第二构造52，在该第二构造52中，第一热交换器36和第二热交换器46以可操作方式串联连接至工作流体回路12。
如图2和3所示，阀部分50可以包括压力止回阀55和调节流量的流量阀56；然而，本领域普通技术人员将意识到，也可提供各种阀结构来用于该目的并且，提供能选择性地并联或串联运行第一热交换器36和第二热交换器46的任何类型的阀结构都在本实施例的范围内。作为示例，图4示出了一个使用阀56’的替代实施例，它例如(但不限于)是比例阀，其具有第一构造(类似于图2)、第二构造(类似于图3)和第三构造(图4)，在该第一构造中，热交换器36、46并联连接至工作流体回路12，在该第二构造中，热交换器36、46串联连接至工作流体回路12，而在该第三构造中，热交换器36、46同时串联且并联连接至流体工作回路12，由此，一部分工作流体在串联方式下被加热，另一部分工作流体在并联方式下被加热。
如图1所示，本实施例的废热回收系统10包括一个或多个温度传感器T，该温度传感器T被以可操作方式连接以监测工作流体和热源中的至少一个的温度并产生表示所述工作流体和热源中的至少一个的温度的输出信号。作为一个示例(但不限于此)，如图1所示，监测工作流体温度的温度传感器T可位于第一和第二热交换器36、46的上游但在膨胀器14的下游。作为另一个示例(但不限于此)，监测工作流体温度的温度传感器T可位于膨胀器14的下游但在冷凝器20的上游。作为又一个示例(但不限于此)，监测热源37和/或工作流体38的温度的温度传感器T可位于第一热交换器36和第二热交换器46中。
还如图1所示，本实施例的废热回收系统10包括一个或多个电子装置60，该电子装置60被以可操作方式连接，以接收至少一个温度传感器T的输出信号并响应于该输出信号来产生控制阀部分50的构造的输出信号。
本实施例可提供许多优点，包括降低了对冷凝回路的散热需求，改善了具有少量可用废热的运行状况下的低负荷能力，并改善了具有最大工作流体温度和系统峰值热力效率的改进的管理的高负荷能力。本实施例结合了并联系统和串联系统的优点，具有最小的硬件改造。
本说明书描述了具体例子以教导本领域技术人员如何制造和利用本发明的最佳模式。为了教导本发明的原理，已经简化或省略了一些常规方面。上述实施例的详细说明不是发明人所构思的落入本发明范围内的所有实施例的详尽说明。作为示例(但不限于此)，另外的预热器、回收装置和热交换器可结合到该系统中。本领域技术人员将意识到，这些例子和所示的实施例的所有变型都落入本发明的范围内。
本领域技术人员将认识到，上述实施例的某些元件可通过各种方式结合或省略以形成进一步的的实施例，并且这些进一步的实施例都落入本发明的教导和范围内。上述实施例可被整体结合或部分结合以形成落入本发明的教导和范围内的另外的实施例，这对于本领域普通技术人员来说也是显而易见的。因此，尽管本文出于说明性目的而描述了本发明的具体实施例和例子，但相关领域的技术人员将认识到，各种等效的变型例也在本发明的范围内。因此，本发明的范围由所附权利要求及其等效物决定。
Claims (9)
1.一种废热回收系统，包括：
第一加热管线，所述第一加热管线位于工作流体回路中并包括第一热交换器，所述第一热交换器被以可操作方式连接以将热能传递给工作流体；
第二加热管线，所述第二加热管线位于所述工作流体回路中并包括第二热交换器，所述第二热交换器被以可操作方式连接以将热量传递给所述工作流体；
阀部分，所述阀部分位于所述工作流体回路中，以可操作方式连接至所述第一加热管线和第二加热管线并能被选择性地控制以提供第一构造和第二构造，在所述第一构造中，所述第一热交换器和第二热交换器以可操作方式并联连接至所述工作流体回路，在所述第二构造中，所述第一热交换器和第二热交换器以可操作方式串联连接至所述工作流体回路；
至少一个温度传感器，所述至少一个温度传感器被以可操作方式连接以监测工作流体和排气流中的至少一个的温度，并产生表示所述工作流体和排气流中的至少一个的温度的输出信号；以及
一个或多个电子装置，所述一个或多个电子装置被以可操作方式连接以接收所述至少一个温度传感器的所述输出信号并响应于所述输出信号来控制所述阀部分的构造。
2.根据权利要求1所述的废热回收系统，其中，所述阀部分以可操作方式连接所述第一加热管线和第二加热管线并能被选择性地控制以提供第三构造，在所述第三构造中，所述第一热交换器和第二热交换器以可操作方式并联且串联连接至所述工作流体。
3.一种废热回收系统，包括：
泵，所述泵位于工作流体回路中并被以可操作方式连接以泵送所述工作流体回路中的工作流体；
膨胀器，所述膨胀器位于所述工作流体回路中并被以可操作方式连接以接收工作流体；
冷凝器，所述冷凝器位于所述工作流体回路中并被以可操作方式连接以接收来自所述膨胀器的工作流体；
第一加热管线，所述第一加热管线位于所述工作流体回路中并包括第一热交换器，所述第一热交换器被以可操作方式连接以将热能传递给工作流体；
第二加热管线，所述第二加热管线位于所述工作流体回路中并包括第二热交换器，所述第二热交换器被以可操作方式连接以将热量传递给所述工作流体；
阀部分，所述阀部分位于所述工作流体回路中，以可操作方式连接至所述第一加热管线和第二加热管线并能被选择性地控制以提供第一构造和第二构造，在所述第一构造中，所述第一热交换器和第二热交换器以可操作方式并联连接至所述工作流体回路，在所述第二构造中，所述第一热交换器和第二热交换器以可操作方式串联连接至所述工作流体回路；
至少一个温度传感器，所述至少一个温度传感器被以可操作方式连接以监测工作流体和排气流中的至少一个的温度并产生表示所述工作流体和排气流中的至少一个的温度的输出信号；以及
一个或多个电子装置，所述一个或多个电子装置被以可操作方式连接以接收所述至少一个温度传感器的所述输出信号并响应于所述输出信号来控制所述阀部分的构造。
4.根据权利要求3所述的废热回收系统，其中，所述阀部分以可操作方式连接所述第一加热管线和第二加热管线并能被选择性地控制以提供第三构造，在所述第三构造中，所述第一热交换器和第二热交换器以可操作方式并联且串联连接至所述工作流体。
5.根据权利要求3所述的废热回收系统，其中，监测工作流体的温度的所述至少一个温度传感器位于所述第一热交换器和第二热交换器的上游但在所述膨胀器的下游。
6.根据权利要求3所述的废热回收系统，其中，监测工作流体的温度的所述至少一个温度传感器位于所述膨胀器的下游但在所述冷凝器的上游。
7.根据权利要求3所述的废热回收系统，其中，监测工作流体和热源中的至少一个的温度的所述至少一个温度传感器位于所述第一热交换器和第二热交换器中。
8.一种用于在废热回收系统中回收废热的方法，所述废热回收系统设有：工作流体回路；泵，所述泵用于泵送工作流体回路中的工作流体；膨胀器，所述膨胀器用于接收工作流体；冷凝器，所述冷凝器用于接收来自所述膨胀器的工作流体；第一加热管线，所述第一加热管线位于工作流体回路中并包括第一热交换器，所述第一热交换器被以可操作方式连接以将热能传递给工作流体；和第二加热管线，所述第二加热管线位于工作流体回路中并包括第二热交换器，所述第二热交换器被以可操作方式连接以将热量传递给工作流体，所述方法包括以下步骤：
选择性地控制与所述工作流体回路、第一加热管线及第二加热管线连接的阀部分，以提供具有第一构造和第二构造的所述阀部分，在所述第一构造中，所述第一热交换器和第二热交换器并联连接至所述工作流体回路，在所述第二构造中，所述第一热交换器和第二热交换器串联连接至所述工作流体回路；
使用至少一个温度传感器来监测工作流体和排气流中的至少一个的温度并产生表示所述工作流体和排气流中的至少一个的温度的输出信号；以及
使用一个或多个电子装置来接收所述至少一个温度传感器的所述输出信号并响应于所述输出信号来控制所述阀部分的构造。
9.根据权利要求8所述的用于在废热回收系统中回收废热的方法，其中，选择性地控制与所述工作流体回路、第一加热管线及第二加热管线连接的阀部分以提供具有其中所述第一热交换器和第二热交换器并联连接至所述工作流体回路的第一构造和其中所述第一热交换器和第二热交换器串联连接至所述工作流体回路的第二构造的所述阀部分的步骤还包括：选择性地控制所述阀部分以提供具有第三构造的所述阀部分，在所述第三构造中，所述第一热交换器和第二热交换器串联且并联连接至所述工作流体回路。
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