CN105804818A - 一种用于重型柴油机余热梯级利用的co2朗肯循环系统 - Google Patents

一种用于重型柴油机余热梯级利用的co2朗肯循环系统 Download PDF

Info

Publication number
CN105804818A
CN105804818A CN201610192636.XA CN201610192636A CN105804818A CN 105804818 A CN105804818 A CN 105804818A CN 201610192636 A CN201610192636 A CN 201610192636A CN 105804818 A CN105804818 A CN 105804818A
Authority
CN
China
Prior art keywords
diesel engine
turbine
pipeline
temperature
sends
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201610192636.XA
Other languages
English (en)
Inventor
王顺森
吴闯
颜晓江
程上方
刘观伟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Jiaotong University
Original Assignee
Xian Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Jiaotong University filed Critical Xian Jiaotong University
Priority to CN201610192636.XA priority Critical patent/CN105804818A/zh
Publication of CN105804818A publication Critical patent/CN105804818A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F01K25/103—Carbon dioxide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
    • F02G5/04—Profiting from waste heat of exhaust gases in combination with other waste heat from combustion engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B29/00—Combined heating and refrigeration systems, e.g. operating alternately or simultaneously
    • F25B29/006—Combined heating and refrigeration systems, e.g. operating alternately or simultaneously of the sorption type system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2260/00—Recuperating heat from exhaust gases of combustion engines and heat from cooling circuits
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

本发明公开了一种用于重型柴油机余热梯级利用的CO2朗肯循环系统，所述系统是以CO2为工质，以柴油机高温烟气的余热为热源，以柴油机冷却系统热水的余热驱动吸收式制冷产物为冷源的特殊二氧化碳朗肯循环系统。主要由烟气余热交换器、CO2透平、动力设备、回热器、冷凝器、高压泵、烟气热水器和吸收式制冷机组成，巧妙利用CO2工质在临界点附近凝结焓降小的特点，利用高、低品位余热构成特殊的串级联合循环，取得了比ORC或其它循环更高的热功转换效率，使柴油机的燃油利用率提高18％～25％以上。本发明可实现余热发电/驱动、供热和制冷多联产，具有显著的经济效益、社会效益和应用前景。

Description

一种用于重型柴油机余热梯级利用的CO2朗肯循环系统
技术领域
本发明属于机械工程和节能领域，具体涉及一种用于重型柴油机余热梯级利用的CO2朗肯循环系统。
背景技术
重型柴油机是船舶、舰艇、石油开采和分布式发电的主要动力设备，每年消耗大量的石油资源。然而，受各种因素的影响，重型柴油机在实际运行中的动力输出功仅占燃料燃烧总热量的40～50％，其余的燃油能量则通过尾气、冷却系统和润滑油系统耗散到大气中。其中，尾气所含热能占余热总能量的一半左右，温度可达250～500℃。燃气轮机的动力效率更低，通常在40％以内，其排气能量更大、温度也更高。高效利用这些余热资源是减少柴油机能源消耗、提高舰船续航能力或载货量、降低污染物排放的最主要途径。
有机工质朗肯循环(ORC)在低品位余热回收方面具有一定的优势，很多企业和学者对如何利用ORC回收内燃机余热进行了系统的研究。美国Cummins公司将有机朗肯循环的工质用作发动机的冷却介质，即以发动机本体为热源，建立了新颖的有机朗肯循环余热回收系统，使内燃机效率提升9.4％。Katsanos等人采用有机朗肯循环对一台重型卡车柴油机废气余热进行回收，使卡车的燃油消耗能降低10.2％。宝马公司在1.8L发动机上配置了一套“TurboSteamer”系统，使发动机燃油效率提高10％。北京理工大学的方金莉、魏明山等通过合理选择设计点使内燃机余热有机朗肯循环效率达到10％～15％。
在上述研究中，内燃机排气温度大多在400℃以上，按照工程热力学的基本理论，若充分利用这部分余热可以使内燃机油耗降低15～30％(汽油机因余热量大，收益也更大)，而实际油耗大多仅降低10％左右。这是因为，尽管内燃机排气温度很高，但为了避免有机工质在高温下分解，不得不通过导热油等中间介质将余热温度降低到260℃(烷烃类)甚至170℃(冷媒类)以下再传递给有机工质，导致高温侧损过大。另外，与水蒸汽朗肯循环类似，大多有机朗肯循环也存在节点温差问题，造成系统排烟温度过高，余热利用不充分。再者，大多数有机工质价格昂贵、易燃易爆、有毒、对大气环境危害严重，因此使用范围受到很多限制，特别是将其应用于舰船时，由于设备检修以及运行中的颠簸、振动等原因，其泄漏量远大于固定设备。总的来说，ORC可用于柴油机和燃气轮机等中高温余热的回收，但并不是最佳选择。
近年来，以CO2为工质的余热回收系统得到了越来越多的关注。CO2来源广泛，成本低，对环境无害，具有良好的安全性和化学稳定性，在柴油机烟气温度下不分解，不爆炸，这是所有有机工质不具有的性能，在余热利用方面具有非常好的前景。CO2的临界温度和临界压力分别为31.1℃和7.38MPa，容易实现超临界循环，换热过程中具有光滑的温度变化曲线，不存在类似有机工质或水的窄点温差问题。另外，CO2具有优良的流动和传热特性，在工作参数下，其密度是常用有机工质的5～20倍，是水蒸汽的1000～3000倍，这将使CO2循环系统的体积远小于ORC和水蒸汽朗肯循环，非常紧凑。
对比CO2、水蒸汽和有机工质三种朗肯循环不难发现，对于中高温余热回收，CO2循环因吸热段完全处于超临界状态，无窄点温差，损小，其透平进气温度可接近烟气最高温度，这是水蒸汽和有机工质不具备的优势。与燃气轮机循环相比，尽管两者热端损都很小，但CO2在气温或水温较低时就可以冷凝为液体，空气则很难冷凝，因此燃气轮机比CO2朗肯循环消耗更多的压缩功。总的来说，CO2朗肯循环充分利用了工质临界温度接近环境温度的特性，兼具冷端泵功小和热端损小的优势，这是其效率高于其它循环的根本原因。初步分析表明，当透平排气压力为5.0～7.0MPa时，若采用CO2布雷顿循环，其压缩耗功约占透平总做功量的53％～68％，与燃气轮机循环接近；而在同样压比下，采用CO2朗肯循环的泵功只有透平总做功量的20％～35％，使得其净输出功达到布雷顿循环的1.7～2.0倍。当烟气余热为400℃，采用CO2朗肯循环回收烟气余热可以使内燃机油耗降低21％左右，明显高于ORC；但若采用CO2布雷顿循环，则优势较小。
然而，因全球大部分地区的夏季环境温度接近或超过CO2的临界温度，无法利用天然冷源将CO2冷凝为液体，工程应用中不得不采用布雷顿循环，或者布雷顿循环与朗肯循环双模式运行，但系统过于复杂。在2014年第四届超临界CO2动力循环国际会议上，Wright等针对回收燃气轮机余热的CO2循环，又提出在用电低谷时利用多余的电制冰，而在用电高峰时以储存的冰作为CO2循环的冷源，使发电量比CO2布雷顿循环提高66％，利用电价的峰谷差获得显著的经济效益。为了解决循环系统冷源问题，有些学者另辟蹊径，开始寻求可利用的特殊条件，如以液化天热气(LNG)为冷源，或以深海水为冷源的循环方案等。由此可见，如何以更小的成本冷凝CO2成为解决CO2循环高效应用的核心问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于重型柴油机余热梯级利用的CO2朗肯循环系统，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明不仅能大幅度提高重型柴油机的燃油利用率，而且具有夏季制冷、冬季供暖等多联产功能。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于重型柴油机余热梯级利用的CO2朗肯循环系统，包括能够为CO2冷凝液化提供冷源的制冷循环，以及通过冷源将CO2液化后送入透平膨胀做功的动力循环；制冷循环包括采用柴油机冷却系统热水作为热能的吸收式制冷机，柴油机冷却系统热水经过吸收式制冷机后再送回柴油机冷却系统，吸收式制冷机产生的冷源送入动力循环，冷源将CO2液化后再送回吸收式制冷机；动力循环包括利用冷源液化CO2的冷凝器，由冷凝器产生的CO2液体通过高压泵增压后依次通过回热器和烟气余热交换器加热，然后进入一级CO2透平膨胀做功，一级CO2透平乏气经回热器降温后进入冷凝器，其中，烟气余热交换器采用柴油机高温烟气作为其热源，一级CO2透平的功率输出轴连接动力设备。
进一步地，柴油机高温烟气经烟气余热交换器换热后得到中温烟气，所述中温烟气一部分经管道排出，另一部分经管道送入烟气热水器对柴油机冷却系统热水加热，所述的柴油机冷却系统热水经烟气热水器加热后进入吸收式制冷机。
进一步地，排出中温烟气的管道上设有第一烟气阀门，将中温烟气送入烟气热水器的管道上设有第二烟气阀门。
进一步地，柴油机冷却系统热水一部分通过管道送入供暖设备，另一部分经管道送入吸收式制冷机。
进一步地，将柴油机冷却系统热水送入供暖设备的管道上设有第一热水阀门，将柴油机冷却系统热水送入吸收式制冷机的管道上设有第二热水阀门。
进一步地，所述的吸收式制冷机为单效吸收式制冷机，柴油机冷却系统热水经烟气热水器加热后通过热源进口进入单效吸收式制冷机，在单效吸收式制冷机中换热后经热源出口送回柴油机冷却系统，单效吸收式制冷机产生的冷源从冷源出口流出后，一部分经管道送入供冷设备，另一部分经管道送入冷凝器，在冷凝器中换热后经冷源进口送回单效吸收式制冷机。
进一步地，所述的吸收式制冷机为双效吸收式制冷机，柴油机冷却系统热水经烟气热水器加热后通过热源进口进入双效吸收式制冷机，另设循环水路，循环水经烟气热水器加热后也通过热源进口进入双效吸收式制冷机，柴油机冷却系统热水在双效吸收式制冷机中换热后经热源出口送回柴油机冷却系统，循环水在双效吸收式制冷机中换热后经循环水泵送回烟气热水器进行再加热，双效吸收式制冷机产生的冷源从冷源出口流出后，一部分经管道送入供冷设备，另一部分经管道送入冷凝器，在冷凝器中换热后经冷源进口送回双效吸收式制冷机。
进一步地，将冷源送入供冷设备的管道上设有第一冷量阀门，将冷源送入冷凝器的管道上设有第二冷量阀门。
进一步地，动力循环还包括二级CO2透平及CO2热交换器，CO2液体经回热器加热后一部分送入烟气余热交换器中与柴油机高温烟气换热，然后送入一级CO2透平膨胀做功，另一部分送入CO2热交换器与一级CO2透平乏气换热，然后送入二级CO2透平膨胀做功，二级CO2透平乏气与经换热后的一级CO2透平乏气均通过回热器降温后进入冷凝器，一级CO2透平和二级CO2透平的功率输出轴均连接动力设备。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明以CO2为工质，以柴油机高温烟气的余热为热源，以柴油机冷却系统热水的余热驱动吸收式制冷产物为冷源，通过CO2朗肯循环系统实现柴油机余热的高效梯级利用，其产生的机械功可用于发电或辅助驱动，本发明所述CO2朗肯循环系统充分利用了CO2工质临界温度接近环境温度的特性，兼具冷端泵功小和热端损小的优势；另外，充分利用了柴油机高温烟气的余热及柴油机冷却系统热水的余热，在本质上是一种特殊的串行联合循环系统；这两方面的因素使其热功转换效率明显高于其它余热回收循环。本发明系统比ORC或其它循环更高的热功转换效率，使柴油机的燃油利用率提高18％～25％以上，具有显著的经济效益和应用前景，对节能减排、建设低碳环保与可持续发展型社会具有重大意义。
进一步地，当柴油机冷却系统热水温度不足时，将一部分由柴油机高温烟气经烟气余热交换器换热后得到中温烟气通过烟气热水器对柴油机冷却系统热水加热，提高了余热利用效率。
进一步地，在排出中温烟气的管道上设置第一烟气阀门，将中温烟气送入烟气热水器的管道上设置第二烟气阀门，通过调节第一烟气阀门和第二烟气阀门可以方便的控制通入烟气热水器的中温烟气量。
进一步地，当需要冬季供暖时，从烟气热水器出口分流一部分热水，进入供暖设备，提高热水的利用效率。
进一步地，通过设置第一热水阀门V3和第二热水阀门V4可以方便的控制用于供暖的热水量。
进一步地，通过设置第一冷量阀门和第二冷量阀门能够方便的控制送入供冷设备的冷源流量。
进一步地，增加二级CO2透平，采用两级CO2透平实现能量的梯级利用，使透平最终乏气温度和CO2最高工作压力大大降低，提高了动力循环的效率，也更适用于烟气温度超过350℃的工况。
附图说明
图1是本发明实施例1的示意图；
图2是本发明实施例2的示意图；
图3是本发明实施例3的示意图；
图4是本发明实施例4的示意图。
其中，1.烟气余热交换器；2.一级CO2透平；3.动力设备；4.回热器；5.冷凝器；6.高压泵；7.CO2热交换器；8.二级CO2透平；9.单效吸收式制冷机；10.双效吸收式制冷机；11.烟气热水器；12.循环水泵；P1.柴油机高温烟气；P2.中温烟气；P3.低温烟气；P4.柴油机冷却系统热水；P5.供暖设备；P6.柴油机冷却水系统；P7.供冷设备；V1.第一烟气阀门；V2.第二烟气阀门；V3.第一热水阀门；V4.第二热水阀门；V5.第一冷量阀门；V6.第二冷量阀门。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
参见图1至图4，一种用于重型柴油机余热梯级利用的CO2朗肯循环系统，该系统以CO2为工质，以柴油机高温烟气P1的余热为热源，以柴油机冷却系统热水P4的余热驱动吸收式制冷产物为冷源，通过CO2朗肯循环系统实现柴油机余热的高效梯级利用，其产生的机械功可用于发电或辅助驱动。
所述CO2朗肯循环系统主要由热源、CO2透平、回热器4、冷凝器5、高压泵6和冷源等组成，其基本工作过程是：经高压泵6增压后的CO2工质从回热器4和热源吸热后转变为超临界气体，然后进入CO2透平膨胀做功，其乏气依次在回热器4和冷凝器5放热后转变为液体，完成一个循环。
所述CO2朗肯循环系统的热源主要是指柴油机高温烟气P1的余热，其在烟气余热交换器1内将其可利用热能传递给高压CO2工质。经烟气余热交换器1降温后的烟气温度为B℃(若考虑烟气酸腐蚀温度，B>120～150℃)，可利用烟气热水器11进一步回收其热能，提高柴油机冷却系统热水P4的温度。温度B应根据CO2循环冷源和供暖/制冷量的需求合理选择，供暖/制冷量越大或环境温度越高，温度B越高，为了避免酸腐蚀，烟气热水器11一般采用氟塑料管束。
所述CO2朗肯循环系统的冷源主要是指吸收式制冷机所产生的低温流体。进入烟气热水器11的热水主要来自于柴油机冷却系统P6，经烟气热水器11加热后的温度应高于70℃，从吸收式制冷机排出的热水可直接进入柴油机冷却系统P6。为了确保CO2在冷凝器内凝结为液体，吸收式制冷机产生的低温流体温度应比CO2的临界温度低5℃以上。
下面对本发明的实施过程作进一步详细说明：
对于CO2循环来说，柴油机余热中除了柴油机高温烟气的高品位余热外，柴油机中还存在量值上与柴油机高温烟气热能接近的柴油机冷却系统热水余热，其温度在90℃左右。若利用这部分余热驱动吸收式制冷机为CO2冷凝提供冷源，就可以保证CO2朗肯循环在夏季的正常运行，在其它季节的更高效运行。对于水蒸汽朗肯循环来说，由于水的凝结焓降接近透平焓降的2倍，采用上述措施降低冷凝温度显然是得不偿失的，也没有必要；但对处于临界点附近的CO2来说，其凝结焓降常常小于透平焓降，利用柴油机冷却系统热水余热驱动吸收式制冷机的冷量已能够满足CO2的冷凝需求。根据上面的分析，同样参数下CO2朗肯循环的净输出功比布雷顿循环高70％以上，无论采用哪种循环对冷却水余热直接热功转换都很难取得如此多的有用功。在实际运行中如果空调冷量需求过大，还可以利用动力循环的中温烟气余热(一般不低于120℃)来增加制冷量。
上述构思巧妙利用了CO2工质在临界点附近凝结焓降小的特点，用高、低品位余热构成特殊的串级联合循环，取得了更高的热功转换效率。研究表明，采用上述方案的柴油机的燃油利用率比双工质分别回收烟气和冷却水余热的ORC方案提高5～8％以上。经过充分论证，认为该构思创新性强、可行性高，具有重要的科学价值和很强的工业应用前景。
实施例1
一种用于重型柴油机余热梯级利用的CO2朗肯循环系统，如图1所示，所述系统主要包括烟气余热交换器1、一级CO2透平2、动力设备3、回热器4、冷凝器5、高压泵6、单效吸收式制冷机9、烟气热水器11和管路、阀门等。
所述循环系统主要由以下两部分组成：
动力循环：来自冷凝器5的CO2液体(状态点a)首先通过高压泵6增压到状态点b，然后在回热器4中加热到状态点c，接着在烟气余热交换器1内加热到状态点d，然后进入一级CO2透平2膨胀做功，用于发电或驱动其它设备。一级CO2透平乏气(状态点e)经回热器4降温到状态点m后进入冷凝器5，利用制冷循环产生的冷源使CO2凝结，回到状态点a。
制冷循环：该循环的核心是单效吸收式制冷机9，其驱动热源为柴油机冷却系统热水P4，经烟气热水器11和阀门、管路进入单效吸收式制冷机9，放热降温后回到柴油机冷却系统P6。如果柴油机冷却系统热水P4的热量不足，可以将部分中温烟气P2引入烟气热水器11，与柴油机冷却系统热水P4进行热交换后生成低温烟气P3排出，引入烟气热水器11的中温烟气P2由第一烟气阀门V1和第二烟气阀门V2控制。如果需要冬季供暖，可以从烟气热水器11出口分流一部分热水，进入供暖设备P5，用于供暖的热水量由第一热水阀门V3和第二热水阀门V4控制。如果需要夏季供冷，可以从单效吸收式制冷机9分流一部分低温流体，进入供冷设备P5，用于供冷的冷量由第一冷量阀门V5和第二冷量阀门V6控制。
本实施例的特征在于循环系统简单、结构紧凑，通过改变烟气余热交换器1出口的烟气温度B可以满足各种工况下冷凝器对低温流体的需求，并实现供暖、供冷多联产。
实施例2
一种用于重型柴油机余热梯级利用的CO2朗肯循环系统，如图2所示，所述系统主要包括烟气余热交换器1、一级CO2透平2、动力设备3、回热器4、冷凝器5、高压泵6、CO2热交换器7、二级CO2透平8、单效吸收式制冷机9、烟气热水器11和管路、阀门等。所述系统主要由动力循环与制冷循环两部分组成，其中制冷循环与实施例1相同，下面仅对动力循环进行介绍：
动力循环：来自冷凝器5的CO2液体(状态点a)首先通过高压泵6增压到状态点b，接着进入回热器4，吸收二级CO2透平8及CO2热交换器7的乏气余热后升温到状态点c，然后分为两路，第一路在烟气余热交换器1内加热到状态点d后进入一级CO2透平2膨胀做功，第二路在CO2热交换器7内经一级CO2透平2的乏气余热加热到状态点f后进入二级CO2透平8膨胀做功，两个透平共同驱动动力设备3。在理想状态下，状态点g和状态点k的压力、温度相同，合流后在回热器4内降温到状态点m，然后进入冷凝器，利用制冷循环产生的低温流体使CO2凝结，回到状态点a。
与实施例1相比，本实施例采用两级CO2透平实现能量的梯级利用，使透平最终乏气温度和CO2最高工作压力大大降低，提高了动力循环的效率，也更适用于柴油机高温烟气P1温度超过350℃的工况。
实施例3
一种用于重型柴油机余热梯级利用的CO2朗肯循环系统，如图3所示，所述系统主要包括烟气余热交换器1、一级CO2透平2、动力设备3、回热器4、冷凝器5、高压泵6、双效吸收式制冷机10、烟气热水器11、循环水泵12和管路、阀门等。所述系统主要由动力循环与制冷循环两部分组成，其中动力循环与实施例1相同，下面仅对制冷循环进行介绍：
制冷循环：为了提高制冷机的制冷系数，该循环用双效吸收式制冷机10代替了实施例1的单效吸收式制冷机9。因此，除了实施例1的低温热源外，本实施例增加了一套由循环水泵12驱动的中温热水自循环回路，采用其中的循环水作为中温热源，与作为低温热源的柴油机冷却系统热水P4组合驱动吸收式制冷机。新增循环水路从进入烟气热水器11的中温烟气P2吸热，向双效吸收式制冷机10放热。该循环其它部分与实施例1相同。
本实施例采用双效吸收式制冷机，所需中、低温热源的热量明显降低，因此更适用于冷却水热量偏少的柴油机。
实施例4
一种用于重型柴油机余热梯级利用的CO2朗肯循环系统，如图4所示，所述系统主要包括烟气余热交换器1、一级CO2透平2、动力设备3、回热器4、冷凝器5、高压泵6、CO2热交换器7、二级CO2透平8、双效吸收式制冷机10、烟气热水器11、循环水泵12和管路、阀门等。所述系统是实施例2中采用双透平的动力循环与实施例3中采用双效吸收式制冷机的制冷循环的组合，兼具两者的优点。

Claims (9)

1.一种用于重型柴油机余热梯级利用的CO2朗肯循环系统，其特征在于，包括能够为CO2冷凝液化提供冷源的制冷循环，以及通过冷源将CO2液化后送入透平膨胀做功的动力循环；制冷循环包括采用柴油机冷却系统热水(P4)作为热能的吸收式制冷机，柴油机冷却系统热水(P4)经过吸收式制冷机后再送回柴油机冷却系统(P6)，吸收式制冷机产生的冷源送入动力循环，冷源将CO2液化后再送回吸收式制冷机；动力循环包括利用冷源液化CO2的冷凝器(5)，由冷凝器(5)产生的CO2液体通过高压泵(6)增压后依次通过回热器(4)和烟气余热交换器(1)加热，然后进入一级CO2透平(2)膨胀做功，一级CO2透平乏气经回热器(4)降温后进入冷凝器(5)，其中，烟气余热交换器(1)采用柴油机高温烟气(P1)作为其热源，一级CO2透平(2)的功率输出轴连接动力设备(3)。
2.根据权利要求1所述的一种用于重型柴油机余热梯级利用的CO2朗肯循环系统，其特征在于，柴油机高温烟气(P1)经烟气余热交换器(1)换热后得到中温烟气(P2)，所述中温烟气(P2)一部分经管道排出，另一部分经管道送入烟气热水器(11)对柴油机冷却系统热水(P4)加热，所述的柴油机冷却系统热水(P4)经烟气热水器(11)加热后进入吸收式制冷机。
3.根据权利要求2所述的一种用于重型柴油机余热梯级利用的CO2朗肯循环系统，其特征在于，排出中温烟气(P2)的管道上设有第一烟气阀门(V1)，将中温烟气(P2)送入烟气热水器(11)的管道上设有第二烟气阀门(V2)。
4.根据权利要求2所述的一种用于重型柴油机余热梯级利用的CO2朗肯循环系统，其特征在于，柴油机冷却系统热水(P4)一部分通过管道送入供暖设备(P5)，另一部分经管道送入吸收式制冷机。
5.根据权利要求4所述的一种用于重型柴油机余热梯级利用的CO2朗肯循环系统，其特征在于，将柴油机冷却系统热水(P4)送入供暖设备(P5)的管道上设有第一热水阀门(V3)，将柴油机冷却系统热水(P4)送入吸收式制冷机的管道上设有第二热水阀门(V4)。
6.根据权利要求2所述的一种用于重型柴油机余热梯级利用的CO2朗肯循环系统，其特征在于，所述的吸收式制冷机为单效吸收式制冷机(9)，柴油机冷却系统热水(P4)经烟气热水器(11)加热后通过热源进口进入单效吸收式制冷机(9)，在单效吸收式制冷机(9)中换热后经热源出口送回柴油机冷却系统(P6)，单效吸收式制冷机(9)产生的冷源从冷源出口流出后，一部分经管道送入供冷设备(P7)，另一部分经管道送入冷凝器(5)，在冷凝器(5)中换热后经冷源进口送回单效吸收式制冷机(9)。
7.根据权利要求2所述的一种用于重型柴油机余热梯级利用的CO2朗肯循环系统，其特征在于，所述的吸收式制冷机为双效吸收式制冷机(10)，柴油机冷却系统热水(P4)经烟气热水器(11)加热后通过热源进口进入双效吸收式制冷机(10)，另设循环水路，循环水经烟气热水器(11)加热后也通过热源进口进入双效吸收式制冷机(10)，柴油机冷却系统热水(P4)在双效吸收式制冷机(10)中换热后经热源出口送回柴油机冷却系统(P6)，循环水在双效吸收式制冷机(10)中换热后经循环水泵(12)送回烟气热水器(11)进行再加热，双效吸收式制冷机(10)产生的冷源从冷源出口流出后，一部分经管道送入供冷设备(P7)，另一部分经管道送入冷凝器(5)，在冷凝器(5)中换热后经冷源进口送回双效吸收式制冷机(10)。
8.根据权利要求6或7所述的一种用于重型柴油机余热梯级利用的CO2朗肯循环系统，其特征在于，将冷源送入供冷设备(P7)的管道上设有第一冷量阀门(V5)，将冷源送入冷凝器(5)的管道上设有第二冷量阀门(V6)。
9.根据权利要求1所述的一种用于重型柴油机余热梯级利用的CO2朗肯循环系统，其特征在于，动力循环还包括二级CO2透平(8)及CO2热交换器(7)，CO2液体经回热器(4)加热后一部分送入烟气余热交换器(1)中与柴油机高温烟气(P1)换热，然后送入一级CO2透平(2)膨胀做功，另一部分送入CO2热交换器(7)与一级CO2透平乏气换热，然后送入二级CO2透平(8)膨胀做功，二级CO2透平乏气与经换热后的一级CO2透平乏气均通过回热器(4)降温后进入冷凝器(5)，一级CO2透平(2)和二级CO2透平(8)的功率输出轴均连接动力设备(3)。
CN201610192636.XA 2016-03-30 2016-03-30 一种用于重型柴油机余热梯级利用的co2朗肯循环系统 Pending CN105804818A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610192636.XA CN105804818A (zh) 2016-03-30 2016-03-30 一种用于重型柴油机余热梯级利用的co2朗肯循环系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610192636.XA CN105804818A (zh) 2016-03-30 2016-03-30 一种用于重型柴油机余热梯级利用的co2朗肯循环系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN105804818A true CN105804818A (zh) 2016-07-27

Family

ID=56459212

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610192636.XA Pending CN105804818A (zh) 2016-03-30 2016-03-30 一种用于重型柴油机余热梯级利用的co2朗肯循环系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105804818A (zh)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106593691A (zh) * 2016-11-30 2017-04-26 新奥泛能网络科技股份有限公司 一种热电联产系统
CN107178436A (zh) * 2017-02-28 2017-09-19 上海发电设备成套设计研究院 一种冷热电三联供系统及方法
CN108170973A (zh) * 2018-01-10 2018-06-15 中冶华天工程技术有限公司 基于t-q图的余热锅炉热回收利用方案的可视化分析计算方法
WO2018131051A1 (en) * 2017-01-11 2018-07-19 Mahesh Lakshminarayanan Combined-cycle power generation thermodynamic system
CN110259537A (zh) * 2019-05-29 2019-09-20 西安交通大学 一种二氧化碳朗肯循环动力系统及其操作方法
CN111828173A (zh) * 2020-07-14 2020-10-27 西安交通大学 一种微小型燃气轮机的冷热电联产装置及其工作、控制方法
CN113945031A (zh) * 2021-11-11 2022-01-18 西安热工研究院有限公司 一种直接空冷机组复合循环系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102401589A (zh) * 2011-11-21 2012-04-04 昆明理工大学 套管式热管有机介质蒸发中低温烟气余热发电系统
CN102536363A (zh) * 2010-11-19 2012-07-04 通用电气公司 与有机朗肯循环和吸收冷却器循环结合的朗肯循环
CN203132371U (zh) * 2013-03-26 2013-08-14 哈尔滨广瀚新能动力有限公司 一种基于有机朗肯循环的石灰窑烟气余热回收发电系统
CN103806969A (zh) * 2014-03-13 2014-05-21 中冶赛迪工程技术股份有限公司 一种超临界co2工质循环发电系统

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102536363A (zh) * 2010-11-19 2012-07-04 通用电气公司 与有机朗肯循环和吸收冷却器循环结合的朗肯循环
CN102401589A (zh) * 2011-11-21 2012-04-04 昆明理工大学 套管式热管有机介质蒸发中低温烟气余热发电系统
CN203132371U (zh) * 2013-03-26 2013-08-14 哈尔滨广瀚新能动力有限公司 一种基于有机朗肯循环的石灰窑烟气余热回收发电系统
CN103806969A (zh) * 2014-03-13 2014-05-21 中冶赛迪工程技术股份有限公司 一种超临界co2工质循环发电系统

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106593691A (zh) * 2016-11-30 2017-04-26 新奥泛能网络科技股份有限公司 一种热电联产系统
WO2018131051A1 (en) * 2017-01-11 2018-07-19 Mahesh Lakshminarayanan Combined-cycle power generation thermodynamic system
CN107178436A (zh) * 2017-02-28 2017-09-19 上海发电设备成套设计研究院 一种冷热电三联供系统及方法
CN107178436B (zh) * 2017-02-28 2019-07-02 上海发电设备成套设计研究院 一种冷热电三联供系统及方法
CN108170973A (zh) * 2018-01-10 2018-06-15 中冶华天工程技术有限公司 基于t-q图的余热锅炉热回收利用方案的可视化分析计算方法
CN108170973B (zh) * 2018-01-10 2021-05-14 中冶华天工程技术有限公司 基于t-q图的余热锅炉热回收利用方案的可视化分析计算方法
CN110259537A (zh) * 2019-05-29 2019-09-20 西安交通大学 一种二氧化碳朗肯循环动力系统及其操作方法
CN111828173A (zh) * 2020-07-14 2020-10-27 西安交通大学 一种微小型燃气轮机的冷热电联产装置及其工作、控制方法
CN113945031A (zh) * 2021-11-11 2022-01-18 西安热工研究院有限公司 一种直接空冷机组复合循环系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105804818A (zh) 一种用于重型柴油机余热梯级利用的co2朗肯循环系统
CN108868930B (zh) 内燃机余热利用的超临界/跨临界二氧化碳联合循环发电系统
CN102748895B (zh) 基于第三工作介质发电的燃气热泵供能系统
CN112539091B (zh) 一种双燃料动力船lng冷能梯级综合利用系统及方法
CN107178436B (zh) 一种冷热电三联供系统及方法
CN109268095B (zh) 用于双燃料动力船的lng燃料冷能综合利用方法及系统
CN103983036A (zh) 一种用于内燃机余热回收的co2循环多联产系统
CN102563987A (zh) 有机朗肯循环驱动的蒸气压缩制冷装置及方法
CN109736963B (zh) 一种船舶发动机的余热利用系统及方法
CN108518288B (zh) 一种适用于lng混合动力船舶的orc复合发电系统
CN107143435A (zh) 一种lng动力船的分布式能源系统及工作方法
CN110905747A (zh) 一种利用高温太阳能和lng冷能的联合动力循环发电系统
CN206942884U (zh) 一种lng动力船的分布式能源系统
CN111365131B (zh) 一种燃气轮机排烟余热驱动的功冷联供系统及其方法
Qiang et al. Exergy analysis of liquefied natural gas cold energy recovering cycles
CN109519243B (zh) 超临界co2和氨水联合循环系统及发电系统
CN110005486A (zh) 一种基于全热循环的零碳排放冷热电联产装置及工作方法
CN111605667A (zh) 一种多能互补型船舶冷热水系统
CN113864017A (zh) 一种利用lng冷能和地热能的卡琳娜/有机朗肯联合循环发电系统
CN110986418B (zh) 一种基于升温升压技术的吸收式循环系统
CN202501677U (zh) 有机朗肯循环驱动的蒸气压缩制冷装置
Kiani et al. Thermodynamic analysis of load-leveling hyper energy converting and utilization system
CN209539413U (zh) 一种低参数热回收系统
CN103245126A (zh) 船用发动机的冷电双效余热回收系统
CN209444411U (zh) 一种内燃机节能系统

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20160727

RJ01 Rejection of invention patent application after publication