CN108661765B - 一种汽车发动机尾气余热回收高效发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种汽车发动机尾气余热回收高效发电系统，包括高温换热器、尾气换热器、压缩机和膨胀机；发动机尾气排气管连接高温换热器、尾气换热器的壳程后排空，尾气换热器的管程进口与闪蒸罐连接，尾气换热器的管程出口与压缩机连接，压缩机通过高压缓冲罐连接升压床进口，升压床出口连接分离罐Ⅰ，分离罐Ⅰ一路连接膨胀机，一路连接闪蒸罐；膨胀机通过低压氢气缓冲罐连接升压床的进口。升压床出口连接分离罐Ⅱ，分离罐Ⅱ一路连接低压氢气缓冲罐，一路连接尾气换热器。闪蒸罐的液相出口一路连接升压床进口，一路连接尾气换热器。本发明通过氢燃料发动机与升压床结合，充分利用发动机尾气余热发电，为汽车提供动力，提高发动机的热效率。
Description
技术领域
本发明属于余热回收技术领域，涉及一种节能环保的汽车发动机尾气余热回收高效发电系统。
背景技术
工业革命以来，世界各国尤其是西方国家经济的飞速发展是以大量消耗能源资源为代价的，并且造成了生态环境的日益恶化。有关研究表明，过去50年全球平均气温上升的原因，90%以上与人类使用石油等燃料产生的温室气体增加有关，由此引发了一系列生态危机。节约能源资源，保护生态环境，已成为世界人民的广泛共识。进一步加强节能减排工作，既是对人类社会发展规律认识的不断深化，也是积极应对全球气候变化的迫切需要。近年来，我国的资源环境问题日益突出，节能减排形势十分严峻。我国的石油、天然气人均占有储量只有世界平均水平的11%和4.5%，我国能源利用效率比国际先进水平低10个百分点左右，单位GDP能耗是世界平均水平的3倍左右。由于我国已经进入工业化和城镇化加速期，重化工业较快增长还会持续一段较长时间，这一过程中能源资源消耗和污染排放与经济增长一般呈现正向关联。因此，在资源稀缺与环境承载能力有限的情况下，传统的高投入、高消耗、高排放、低效率的增长方式已经走到了尽头。不加快转变经济发展方式，资源难以支撑，环境难以容纳，社会难以承受，科学发展难以实现。因此，为了我们的国家，为了我们了社会，为了更好的生存我们必须贯彻实施节能减排。
汽车节能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针。我国高速公路网形成，乡村公路，公路客货运输量和汽车保有量均迅速不断地增长，因此，我国汽车运输需求的能源数量将不断激增，而我国的石油资源远远不能满足其需要。我国汽车技术的平均水平低于世界发达国家，机动车燃油经济性水平比欧洲低25%，比日本低20%，比美国整体水平低10%，载货汽车百吨公里油耗7.6升，比国外先进水平高1倍以上，提高汽车的热工转化效率、燃油经济性是节能减排的研究方向。
发明内容
本发明的目的是提供一种汽车发动机尾气余热回收高效发电系统，充分利用发动机尾气余热发电为汽车提供动力，提高了发动机的热效率和燃油经济性。
本发明的技术方案是：
汽车发动机尾气余热回收高效发电系统，包括尾气换热器、压缩机、高压缓冲罐、分离罐Ⅰ、膨胀机、发电机、分离罐Ⅱ、氢气循环泵、有机工质循环泵、闪蒸罐、低压氢气缓冲罐、升压床、蓄电池和高温换热器。升压床设置至少三台交替工作的氢反应床，各氢反应床均为空腔结构的罐体，各氢反应床设置高压进口、高压出口、低压进口和低压出口。分离罐Ⅰ的出口设有高压氢气过滤膜，分离罐Ⅱ的出口设有低压氢气过滤膜。高温换热器的壳程进口与发动机尾气排气管连接，高温换热器的壳程出口与尾气换热器的壳程进口连接，尾气换热器的壳程出口排空。尾气换热器的管程进口与闪蒸罐的出口连接，尾气换热器的管程出口与压缩机的进口连接。压缩机的出口与高压缓冲罐的进口连接，高压缓冲罐的出口通过阀门连接到升压床中各氢反应床的高压进口，升压床中各氢反应床的高压出口通过阀门连接分离罐Ⅰ，分离罐Ⅰ设有二路出口管，一路通过高压氢气过滤膜、高温换热器的管程连接到膨胀机的进口，一路连接到闪蒸罐的进口。膨胀机的出口与低压氢气缓冲罐的进口连接，低压氢气缓冲罐的出口通过阀门连接到升压床中各氢反应床的低压进口。升压床中各氢反应床的低压出口通过阀门连接到分离罐Ⅱ，分离罐Ⅱ设有二路出口管，一路通过低压氢气过滤膜、氢气循环泵连接到低压氢气缓冲罐的进口，一路连接到尾气换热器的管程进口。闪蒸罐的下部液相出口分为两路，一路通过有机工质循环泵连接到升压床中氢反应床的低压进口，一路连接到尾气换热器的管程进口。压缩机电路连接蓄电池，膨胀机连接发电机，发电机与蓄电池或与外部电力系统电路连接。
汽车发动机尾气余热回收高效发电系统不设置分离罐Ⅰ，升压床中氢反应床增设液相出口，液相出口连接闪蒸罐的进口，升压床中氢反应床的高压出口设置高压氢气过滤膜经高压氢气过滤膜分离出来的氢气，不再需要分离罐Ⅰ的分离，直接进入膨胀机膨胀做功；在保证分离效果的情况下，可以采用其他分离方式代替分离罐Ⅱ。
所述系统的工作介质为有机工质和/或氢气，所述的有机工质中可以掺混一定比例的氢气作为换热介质，当掺混一定比例的氢气的有机工质加热金属氢化物放氢时，放出的氢气和有机工质中掺混的氢气混合进入高温换热器再热，然后进入膨胀机做功，从而提高膨胀机的做功能力；掺混的氢气可以用小分子的气体或性质稳定的气体所代替，以上气体与有机工质分离后汇同氢反应床产生的高压氢气，进入膨胀机做功，掺混氢气的比例可以在0-100%之间调整；对于给定余热量的汽车发动机尾气的热量，在高温换热器和尾气换热器之间的比例分配在0-100%之间调整；掺混氢气的比例分配与热量在高温换热器和尾气换热器之间的比例分配，是以膨胀机做功与压缩机消耗功的差值最大、并且在合理范围内反应床体积重量较小以及系统的体积重量为最小为依据。
或者另一种一种汽车发动机尾气余热回收高效发电系统，包括尾气换热器、压缩机、高压缓冲罐、膨胀机、发电机、低压氢气缓冲罐、升压床、蓄电池、级间换热器和高温换热器；升压床设置至少三台交替工作的氢反应床，各氢反应床均为中空腔体结构，各氢反应床设置高压进口、高压出口、低压进口和低压出口；高温换热器的壳程进口与发动机尾气排气管连接，高温换热器的壳程出口与尾气换热器的壳程进口连接，尾气换热器的壳程出口排空，尾气换热器的管程进口通过阀门与升压床中各氢反应床的低压出口连通，尾气换热器的管程出口与压缩机的进口连接，压缩机的出口与高压缓冲罐的进口连接，高压缓冲罐的出口通过阀门连接到升压床中各氢反应床的高压进口，各氢反应床的高压出口连接高温换热器的管程进口，高温换热器的管程出口连接到膨胀机的进口；膨胀机的出口与低压氢气缓冲罐的进口连接，低压氢气缓冲罐的出口通过阀门连接到升压床中各氢反应床的低压进口。升压床中各氢反应床的低压出口通过阀门连接尾气换热器的管程进口；压缩机与蓄电池电路连接，膨胀机连接发电机，发电机与蓄电池或与外部电力系统电路连接。
所述系统的工作介质为氢气，升压床放氢、吸氢时的换热用氢气；对于给定余热量的汽车发动机尾气的热量，在高温换热器和尾气换热器之间的比例分配，是以膨胀机做功与压缩机消耗功的差值最大、并且在合理范围内反应床体积重量较小以及系统的体积重量为最小为依据；该比例可以在0-100%之间调整。
上述两种方案中：
所述升压床中氢反应床的高压进口和低压进口合并为单一的进口，高压出口和低压出口合并为单一的出口。
汽车发动机尾气余热回收高效发电系统还包括级间换热器，压缩机的中间抽头出口与级间换热器的壳程进口连接，级间换热器的壳程出口与压缩机的中间进口连接；膨胀机的中间抽头出口与级间换热器的管程进口连接，级间换热器的管程出口与膨胀机的中间进口连接。
升压床是在低温下吸收低压氢气并在高温下放出高压氢气的氢气热压缩设备。根据氢反应床的工作参数如吸氢温度、吸氢压力、放氢温度、放氢压力，升压床分为三台氢反应床或多台氢反应床。升压床放氢、吸氢时可以直接换热也可以间接换热。升压床为三台一组或为多台一组，或升压床为一组或为多组对余热进行梯级利用。
升压床的型式、结构以及金属储氢材料的种类和载量相同或不同，升压床内的各个氢反应床的型式、结构以及金属储氢材料的种类和载量相同或不同，升压床中1号氢反应床、2号氢反应床、3号氢反应床的重量和体积可以相同，也可以不同；换热介质可以是氢气、惰性气体或性质稳定的液体和气体。换热方式可以直接换热也可以间接换热。
升压床的氢反应床罐体由金属或非金属材料制成，设置有内保温或外保温或内、外保温措施，连接各个设备、单元的管道均可设置有内保温或外保温或内、外保温措施。
升压床内金属氢化物的更换可以通过抽吸散装的细料更换，也可以将金属氢化物做成一个整体的内芯进行整体更换，也可以整体更换氢反应床。为了减少升压床的装载量和升压床的体积，可以通过缩短升压床的吸放氢时间，提高升压床的操作频率来实现。
上述系统既可以用于汽车尾气的余热回收，也可以用于固定场所的尾气余热或空气能、地热等的回收。
本发明充分利用发动机尾气余热发电为汽车提供动力，提高了发动机的热效率和燃油经济性，单位功率的汽车发动机排放减少了一半，排放远超欧六标准节能环保。对于汽车保有量第一的我国汽车制造行业和使用者具有重大意义。使用气态氢气作为换热介质时系统体积会稍大，使用液态有机工质作为换热介质时系统体积比较小，但是做功效率没有前者大。为了兼顾设备体积与效率，采用氢气与有机工质混合物作为换热介质，可以取长补短效果更理想。
附图说明
图1为本发明汽车发动机尾气余热回收高效发电系统的流程示意图；
图2为本发明另一种实施例的流程示意图。
其中：其中：1—尾气换热器、2—压缩机、3—高压缓冲罐、4—分离罐Ⅰ、5—膨胀机、6—发电机、7—分离罐Ⅱ、8—氢气循环泵、9—有机工质循环泵、10—闪蒸罐、11—低压氢气缓冲罐、12—升压床、121—高压进口、122—低压进口、123—高压出口、124—低压出口、13—蓄电池、14—低压氢气过滤膜、15—高压氢气过滤膜、16—级间换热器、17—高温换热器、A—1号氢反应床、B—2号氢反应床、C—3号氢反应床。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明汽车发动机尾气余热回收高效发电系统如图1所示，包括尾气换热器1、轴流式的压缩机2、高压缓冲罐3、分离罐Ⅰ4、轴流式的膨胀机5、发电机6、分离罐Ⅱ7、氢气循环泵8、有机工质循环泵9、闪蒸罐10、低压氢气缓冲罐11、升压床12、蓄电池13、低压氢气过滤膜14、高压氢气过滤膜15、级间换热器16、高温换热器17。升压床12设置至少三台交替工作的氢反应床，各氢反应床均为中空腔体结构，各氢反应床设置高压进口121、高压出口123、低压进口122和低压出口124。分离罐Ⅰ4的出口设有高压氢气过滤膜15，分离罐Ⅱ7的出口设有低压氢气过滤膜14。高温换热器17的壳程进口与发动机尾气排气管连接，高温换热器17的壳程出口与尾气换热器1的壳程进口连接，尾气换热器的壳程出口排空，高温换热器17的管程进口与分离罐Ⅰ4的气相出口连接，高温换热器17的管程出口与轴流式的膨胀机5进口连接，尾气换热器的管程进口与闪蒸罐10的出口连接，尾气换热器的管程出口与轴流式的压缩机2的进口连接，轴流式的压缩机2的中间抽头出口与级间换热器16的壳程进口连接，级间换热器16的壳程出口通过管路回接到轴流式的压缩机的中间进口。轴流式的压缩机2的出口与高压缓冲罐3的进口连接，高压缓冲罐3的出口连接到升压床12中处于放氢状态的氢反应床的高压进口121，升压床中处于放氢状态的氢反应床的高压出口123连接分离罐Ⅰ4，分离罐Ⅰ4设有二路出口管，一路通过高压氢气过滤膜15、高温换热器17连接到轴流式的膨胀机5的进口，一路连接到闪蒸罐10的进口。轴流式的膨胀机5的出口与低压氢气缓冲罐11的进口连接，轴流式的膨胀机5的中间抽头出口与级间换热器16的管程进口连接，级间换热器16的管程出口通过管路回接到轴流式的膨胀机的中间进口。低压氢气缓冲罐11的出口连接到升压床12中处于吸氢状态的氢反应床的低压进口122。升压床12中处于吸氢状态的氢反应床的低压出口124连接到分离罐Ⅱ7，分离罐Ⅱ7设有二路出口管，一路通过低压氢气过滤膜14、氢气循环泵8连接到低压氢气缓冲罐的进口，一路连接到尾气换热器的管程进口。闪蒸罐10的下部液相出口分为两路，一路通过有机工质循环泵9连接到升压床12中处于吸氢状态的氢反应床的低压进口122，一路连接到尾气换热器的管程进口。轴流式的压缩机电路2连接蓄电池13，轴流式的膨胀机5连接发电机6，发电机6与蓄电池13或与外部电力系统电路连接。
本发明汽车发动机尾气余热回收高效发电系统的运行过程是，气液混合-50℃的低温有机工质进入尾气换热器1，回收尾气余热完全气化升温到50℃后进入轴流式的压缩机2，经轴流式的压缩机2加压到3.5MPa同时升温到150℃进入高压缓冲罐3。有机工质在轴流式的压缩机2中经过多级压缩，压力由0.1MPa升高到3.5MPa总的温升约250℃，为控制轴流式的压缩机出口温度不能高于150℃，采用中间抽头级间冷却的方式，将热量传给级间换热器16。从高压缓冲罐出来的高温高压的有机工质进入升压床12内，直接加热金属氢化物放出3.5MPa、120℃的高压氢气，此时3.5MPa、150℃的加热用的有机工质完全液化，放出液化潜热和部分显热变为3.5MPa、120℃的液体与金属氢化物放出的3.5MPa、120℃的高压氢气混合。从升压床12出来的3.5MPa、120℃的高压氢气与液体有机工质混合物进入分离罐Ⅰ进行气液分离，分离后的气相3.5MPa、120℃的高压氢气经高压氢气过滤膜15后出来，进入高温换热器17加热到3.5MPa、300℃，进入轴流式的膨胀机5推动轴流式的膨胀机做功带动发电机6发电，将电力储存在蓄电池13中作为汽车的动力。轴流式的膨胀机5是多级膨胀叶片同轴串联模式，为了提高氢气在轴流式的膨胀机5中的做功能力，采用中间抽头级间加热的方式，将级间换热器16的热量传给低温氢气，提高氢气的温度和焓值之后再返回到轴流式的膨胀机的下一级。经轴流式的膨胀机做功后的0.1MPa、-60℃低温低压氢气回到低压氢气缓冲罐11，从低压氢气缓冲罐11出来的0.1MPa、-60℃低温低压氢气进入升压床进行吸氢循环使用。经分离罐Ⅰ气液分离后的液相3.5MPa、120℃的高温高压有机工质，进入闪蒸罐10减压闪蒸，减压闪蒸后的有机工质压力0.1MPa温度-60℃,有约20%的液体有机工质气化，从闪蒸罐10出来的气相有机工质直接进入尾气换热器1循环使用，从闪蒸罐10出来的-60℃液相有机工质一半经过有机工质循环泵9进入升压床12用于放氢吸热，从闪蒸罐10出来的-60℃液相有机工质另一半与其气相混合直接进入尾气换热器1循环使用。从有机工质循环泵9出来的-60℃液相有机工质与从低压氢气缓冲罐11出来的0.1MPa、-60℃低温低压氢气混合进入升压床12进行吸氢，吸氢在-40℃下进行。吸氢是一个大量放热的过程，不仅把-130℃低温低压原料氢气加热到-40℃，也把-60℃的液相有机工质加热到-40℃，同时将液相有机工质全部气化为-40℃的气体。-40℃气体有机工质与未吸收完全的-40℃氢气混合从升压床12出来进入分离罐Ⅱ，从分离罐Ⅱ经低压氢气过滤膜14后出来的-40℃氢气经氢气循环泵打回升压床继续吸氢，从分离罐Ⅱ出来的-40℃气体有机工质进入尾气换热器1循环使用。
为方便陈述原理，上述氢反应床设置分别独立的高压进口121和低压进口122，高压出口123和低压出口124；实际操作中可将高压进口和低压进口合并为单一进口，高压出口和低压出口合并为单一出口。
升压床是在低温下吸收低压氢气并在高温下放出高压氢气的氢气热压缩设备。根据氢反应床的工作参数如吸氢温度、吸氢压力、放氢温度、放氢压力，升压床分为三台氢反应床或多台氢反应床。升压床放氢、吸氢时的换热用有机工质/或氢气，所述的有机工质中可以掺混一定比例的氢气作为换热介质，当掺混一定比例的氢气的有机工质加热金属氢化物放氢时，放出的氢气和有机工质中掺混的氢气混合进入高温换热器17再热，然后进入轴流式的膨胀机5做功，从而提高膨胀机的做功能力；掺混的氢气可以用小分子的气体或性质稳定的气体所代替，以上气体与有机工质分离后汇同氢反应床产生的高压氢气，进入轴流式的膨胀机做功，掺混氢气的比例可以在0-100%之间调整。升压床可以直接换热也可以间接换热。升压床为三台一组或为多台一组，或升压床为一组或为多组对余热进行梯级利用。
升压床的型式、结构以及金属储氢材料的种类和载量相同或不同，升压床内的各个氢反应床的型式、结构以及金属储氢材料的种类和载量相同或不同，升压床中1号氢反应床A、2号氢反应床B、3号氢反应床C的重量和体积可以相同，也可以不同；换热介质可以是氢气、惰性气体或性质稳定的液体和气体。
升压床的氢反应床罐体由金属或非金属材料制成，设置有内保温或外保温或内、外保温措施，连接各个设备、单元的管道均可设置有内保温或外保温或内、外保温措施。
升压床内金属氢化物的更换可以通过抽吸散装的细料更换，也可以将金属氢化物做成一个整体的内芯进行整体更换，也可以整体更换氢反应床。为了减少升压床的装载量和升压床的体积，可以通过缩短升压床的吸放氢时间，提高升压床的操作频率来实现。按照最短10秒的操作周期，24小时升压床的吸放氢次数达到8640次，对于一定吸放氢寿命的升压床使用半个月左右，即需要更换装载的金属氢化物。整体更换内芯的方式可以方便快速的完成更换。
在保证分离效果的情况下，可以采用其他分离方式代替分离罐Ⅱ7。分离罐Ⅰ4的设置目的是将液化的有机工质与氢气分离，也可以不单独设置分离罐Ⅰ，液化的有机工质与氢气在升压床内部分离后，有机工质走液相出口直接进入闪蒸罐10、氢气走气相出口直接进入轴流式的膨胀机5。
本实施例的工艺参数是：汽车发动机燃料的总能量为212.5KW，发动机热工转化效率40%，发动机功率85KW，尾气余热127.5 KW温度500℃，尾气经过利用后温度为20℃余热全部回收。尾气余热回收采用有机工质，有机工质与尾气换热的工作温度为-50℃（液态+气态）～50℃（气态），有机工质主要以气化潜热和部分显热携带热量。轴流式的压缩机2的进口有机工质是0.1MPa、50℃（气态），轴流式的压缩机2的出口有机工质为3.5MPa、150℃（气态），轴流式的压缩机功率为40KW、结构形式为耐高温多级轴流式的。3.5MPa、150℃（气态）的有机工质进入升压床12，释放热量后冷凝为3.5MPa、120℃（液态）。升压床吸氢温度-40℃吸氢压力0.1 MPa、放氢温度120℃放氢压力3.5 MPa。轴流式的膨胀机的进口高温高压氢气3.5MPa、120℃，中间抽头再热后的温度达到150℃，出口低温低压氢气0.1MPa、-60℃，轴流式的膨胀机的转速为3.5（或10）万rpm、三级串联在一根膨胀轴上，轴流式的膨胀机的轴输出经减速比为12的减速机连接到发电机6，发电机转速为3000 rpm，轴流式的膨胀机和发电机的功率均为125KW配套。有机工质是27.5%R236ea六氟丙烷和72.5%R1234yf四氟丙烷的混合物，常温常压下是气态，常压下的沸点-60℃、3.5MPa下的沸点120℃。
该发明装置既可以用于发电，也可以用于动力输出。
实施例2
本发明汽车发动机尾气余热回收高效发电系统的另一实施例如图2所示，包括尾气换热器1、轴流式的压缩机2、高压缓冲罐3、轴流式的膨胀机5、发电机6、低压氢气缓冲罐11、升压床12、蓄电池13、级间换热器16、高温换热器17。升压床12设置至少三台交替工作的氢反应床，各氢反应床均为中空腔体结构，各氢反应床设置高压进口121、高压出口123、低压进口122和低压出口124。高温换热器17的壳程进口与发动机尾气排气管连接，高温换热器17的壳程出口与尾气换热器1的壳程进口连接，尾气换热器的壳程出口排空，高温换热器17的管程进口与升压床12连接，高温换热器17的管程出口与轴流式的膨胀机5进口连接，切换阀门尾气换热器的管程进口与升压床12处于吸氢状态的氢反应床的低压出口连通，尾气换热器的管程出口与轴流式的压缩机2的进口连接，轴流式的压缩机2的中间抽头出口与级间换热器16的壳程进口连接，级间换热器16的壳程出口通过管路回接到轴流式的压缩机的中间进口。轴流式的压缩机2的出口与高压缓冲罐3的进口连接，切换阀门高压缓冲罐3的出口连接到升压床12中处于吸氢状态的氢反应床的高压进口121，升压床中处于吸氢状态的氢反应床的高压出口123连接高温换热器17的管程进口，高温换热器17的管程出口连接到轴流式的膨胀机5的进口。轴流式的膨胀机5的出口与低压氢气缓冲罐11的进口连接，轴流式的膨胀机5的中间抽头出口与级间换热器16的管程进口连接，级间换热器16的管程出口通过管路回接到轴流式的膨胀机的中间进口。切换阀门低压氢气缓冲罐11的出口连接到升压床12中处于吸氢状态的氢反应床的低压进口122。升压床12中处于氢状态的氢反应床的低压出口123连接尾气换热器1的管程进口。轴流式的压缩机与蓄电池13电路连接，轴流式的膨胀机5连接发电机6，发电机6与蓄电池13或与外部电力系统电路连接。
本发明汽车发动机尾气余热回收高效发电系统的运行过程是，0.1MPa、-50℃的氢气进入尾气换热器1，回收尾气余热升温到50℃后进入轴流式的压缩机2，经轴流式的压缩机2加压到3.5MPa同时升温到150℃进入高压缓冲罐3。氢气在轴流式的压缩机2中经过多级压缩，压力由0.1MPa升高到3.5MPa总的温升约250℃，为控制轴流式的压缩机出口温度不能高于150℃，采用中间抽头级间冷却的方式，将热量传给级间换热器16。从高压缓冲罐出来的高温高压的氢气进入升压床12内，直接加热金属氢化物放出3.5MPa、120℃的高压氢气，此时3.5MPa、150℃的加热用的氢气与金属氢化物放出的3.5MPa、120℃的高压氢气混合。从升压床12出来的3.5MPa、120℃的高压氢气进入高温换热器17加热到3.5MPa、300℃，进入轴流式的膨胀机5推动轴流式的膨胀机做功带动发电机6发电，将电力储存在蓄电池13中作为汽车的动力。轴流式的膨胀机5是多级膨胀叶片同轴串联模式，为了提高氢气在轴流式的膨胀机5中的做功能力，采用中间抽头级间加热的方式，将级间换热器16的热量传给低温氢气，提高氢气的温度和焓值之后再返回到轴流式的膨胀机的下一级。经轴流式的膨胀机做功后的0.1MPa、-60℃低温低压氢气回到低压氢气缓冲罐11，从低压氢气缓冲罐11出来的0.1MPa、-60℃低温低压氢气进入升压床进行吸氢，吸氢在-40℃下进行。吸氢是一个大量放热的过程，把-60℃低温低压原料氢气加热到-40℃，吸氢过程吸收了5%的氢气，剩余95%的-40℃的氢气进入尾气换热器1循环使用。对于给定余热量的汽车发动机尾气的热量，在高温换热器17和尾气换热器1之间的比例分配，是以反应床体积重量最小、轴流式的膨胀机做功能力最大为依据；该比例可以在0-100%之间调整。
本实施例的工艺参数是：汽车发动机燃料的总能量为212.5KW，发动机热工转化效率40%，发动机功率85KW，尾气余热127.5 KW温度500℃，尾气经过利用后温度为20℃余热全部回收。尾气余热回收使用氢气，氢气与尾气换热的工作温度为-50℃～50℃。轴流式的压缩机2的进口氢气是0.1MPa、50℃，轴流式的压缩机2的出口氢气为3.5MPa、150℃，轴流式的压缩机功率为40KW、结构形式为耐高温多级轴流式。3.5MPa、150℃的氢气进入升压床12释放热量。升压床吸氢温度-40℃吸氢压力0.1 MPa、放氢温度120℃放氢压力3.5 MPa。轴流式的膨胀机的进口高温高压氢气3.5MPa、300℃，中间抽头再热后的温度达到150℃，出口低温低压氢气0.1MPa、-60℃，轴流式的膨胀机的转速为3.5（或10）万rpm、三级串联在一根膨胀轴上，轴流式的膨胀机的轴输出经减速比为12的减速机连接到发电机6，发电机转速为3000rpm，轴流式的膨胀机和发电机的功率均为125KW配套。该发明装置既可以用于发电，也可以用于动力输出。
本实施例的其它原理和工艺过程与实施例1相同。
Claims (10)
1.一种汽车发动机尾气余热回收高效发电系统，其特征是：包括尾气换热器（1）、压缩机（2）、高压缓冲罐（3）、分离罐Ⅰ（4）、膨胀机（5）、发电机（6）、分离罐Ⅱ（7）、氢气循环泵（8）、有机工质循环泵（9）、闪蒸罐（10）、低压氢气缓冲罐（11）、升压床（12）、蓄电池（13）和高温换热器（17）；升压床（12）设置至少三台交替工作的氢反应床，各氢反应床均为空腔结构的罐体，各氢反应床设置高压进口（121）、高压出口（123）、低压进口（122）和低压出口（124）；分离罐Ⅰ（4）的出口设有高压氢气过滤膜（15），分离罐Ⅱ（7）的出口设有低压氢气过滤膜（14）；高温换热器（17）的壳程进口与发动机尾气排气管连接，高温换热器（17）的壳程出口与尾气换热器（1）的壳程进口连接，尾气换热器的壳程出口排空，尾气换热器的管程进口与闪蒸罐（10）的出口连接，尾气换热器的管程出口与压缩机（2）的进口连接；压缩机（2）的出口与高压缓冲罐（3）的进口连接，高压缓冲罐（3）的出口通过阀门连接到升压床（12）中各氢反应床的高压进口（121），升压床中各氢反应床的高压出口（123）通过阀门连接分离罐Ⅰ（4），分离罐Ⅰ（4）设有二路出口管，一路通过高压氢气过滤膜（15）和高温换热器（17）的管程连接到膨胀机（5）的进口，一路连接到闪蒸罐（10）的进口；膨胀机（5）的出口与低压氢气缓冲罐（11）的进口连接，低压氢气缓冲罐（11）的出口通过阀门连接到升压床（12）中各氢反应床的低压进口（122），升压床（12）中各氢反应床的低压出口（124）通过阀门连接到分离罐Ⅱ（7），分离罐Ⅱ（7）设有二路出口管，一路通过低压氢气过滤膜（14）和氢气循环泵（8）连接到低压氢气缓冲罐的进口，一路连接到尾气换热器的管程进口；闪蒸罐（10）的液相出口分为两路，一路通过有机工质循环泵（9）连接到升压床（12）中氢反应床的低压进口（122），一路连接到尾气换热器的管程进口；压缩机（2）电路连接蓄电池（13），膨胀机（5）连接发电机（6），发电机（6）和蓄电池（13）与外部电力系统电路连接。
2.根据权利要求1所述的汽车发动机尾气余热回收高效发电系统，其特征是：汽车发动机尾气余热回收高效发电系统不设置分离罐Ⅰ（4），升压床（12）中氢反应床增设液相出口，液相出口连接闪蒸罐（10）的进口，升压床（12）中氢反应床的高压出口设置高压氢气过滤膜，经高压氢气过滤膜分离出来的氢气，不再需要分离罐Ⅰ（4）的分离，直接进入膨胀机（5）膨胀做功。
3.根据权利要求1所述的汽车发动机尾气余热回收高效发电系统，其特征是：所述系统的工作介质为有机工质和氢气，所述的有机工质中掺混一定比例的氢气作为换热介质，当掺混一定比例的氢气的有机工质加热金属氢化物放氢时，放出的氢气和有机工质中掺混的氢气混合进入高温换热器（17）再热，然后进入膨胀机（5）做功，从而提高膨胀机的做功能力；掺混氢气的比例在0-100%之间调整；对于给定余热量的汽车发动机尾气的热量，在高温换热器和尾气换热器之间的比例分配在0-100%之间调整；根据膨胀机做功与压缩机消耗功的差值、反应床体积重量以及系统的体积重量，确定掺混氢气的比例；根据膨胀机做功与压缩机消耗功的差值、反应床体积重量以及系统的体积重量，确定热量在高温换热器和尾气换热器之间的比例分配。
4.一种汽车发动机尾气余热回收高效发电系统，其特征是：包括尾气换热器（1）、压缩机（2）、高压缓冲罐（3）、膨胀机（5）、发电机（6）、低压氢气缓冲罐（11）、升压床（12）、蓄电池（13）、级间换热器（16）和高温换热器（17）；升压床（12）设置至少三台交替工作的氢反应床，各氢反应床均为中空腔体结构，各氢反应床设置高压进口（121）、高压出口（123）、低压进口（122）和低压出口（124）；高温换热器（17）的壳程进口与发动机尾气排气管连接，高温换热器（17）的壳程出口与尾气换热器（1）的壳程进口连接，尾气换热器的壳程出口排空，尾气换热器的管程进口通过阀门与升压床（12）中各氢反应床的低压出口（124）连通，尾气换热器的管程出口与压缩机（2）的进口连接，压缩机（2）的出口与高压缓冲罐（3）的进口连接，高压缓冲罐（3）的出口通过阀门连接到升压床（12）中各氢反应床的高压进口（121），各氢反应床的高压出口（123）连接高温换热器（17）的管程进口，高温换热器（17）的管程出口连接到膨胀机（5）的进口；膨胀机（5）的出口与低压氢气缓冲罐（11）的进口连接，低压氢气缓冲罐（11）的出口通过阀门连接到升压床（12）中各氢反应床的低压进口（122）；升压床（12）中各氢反应床的低压出口（124）通过阀门连接尾气换热器（1）的管程进口；压缩机与蓄电池（13）电路连接，膨胀机（5）连接发电机（6），发电机（6）和蓄电池（13）与外部电力系统电路连接。
5.根据权利要求4所述的汽车发动机尾气余热回收高效发电系统，其特征是：所述系统的工作介质为氢气，升压床放氢、吸氢时的换热用氢气；对于给定余热量的汽车发动机尾气的热量，在高温换热器（17）和尾气换热器（1）之间的比例分配在0-100%之间调整；根据膨胀机做功与压缩机消耗功的差值、反应床体积重量以及系统的体积重量，确定热量在高温换热器和尾气换热器之间的比例分配。
6.根据权利要求1或4所述的汽车发动机尾气余热回收高效发电系统，其特征是：所述升压床（12）中氢反应床的高压进口（121）和低压进口（122）合并为单一的进口，高压出口（123）和低压出口（124）合并为单一的出口。
7.根据权利要求1或4所述的汽车发动机尾气余热回收高效发电系统，其特征是：还包括级间换热器（16），压缩机（2）的中间抽头出口与级间换热器（16）的壳程进口连接，级间换热器（16）的壳程出口与压缩机的中间进口连接；膨胀机（5）的中间抽头出口与级间换热器（16）的管程进口连接，级间换热器（16）的管程出口与膨胀机（5）的中间进口连接。
8.根据权利要求1或4所述的汽车发动机尾气余热回收高效发电系统，其特征是：所述升压床（12）是在低温下吸收低压氢气并在高温下放出高压氢气的氢气热压缩设备；根据氢反应床的工作参数，升压床分为多台氢反应床，对余热进行梯级利用；升压床放氢和吸氢时直接换热或间接换热；
升压床内的各个氢反应床的型式相同或不同，升压床内的各个氢反应床的结构相同或不同，升压床内的各个氢反应床的金属储氢材料种类相同或不同，升压床内的各个氢反应床的金属储氢材料载量相同或不同；升压床中1号氢反应床A、2号氢反应床B、3号氢反应床C的重量相同或不同；升压床中1号氢反应床A、2号氢反应床B、3号氢反应床C的体积相同或不同；换热介质是氢气或惰性气体；换热方式为直接换热或间接换热。
9.根据权利要求1或4所述的汽车发动机尾气余热回收高效发电系统，其特征是：所述升压床（12）的氢反应床罐体由金属或非金属材料制成，设置有内保温或外保温或内、外保温措施，连接各个设备、单元的管道均设置有内保温或外保温或内、外保温措施；
升压床内金属氢化物的更换通过抽吸散装的细料更换，或者将金属氢化物做成一个整体的内芯进行整体更换，或者整体更换氢反应床；为了减少升压床的装载量和升压床的体积，通过缩短升压床的吸放氢时间，提高升压床的操作频率来实现。
10.根据权利要求1或4所述的汽车发动机尾气余热回收高效发电系统，其特征是：所述系统用于汽车尾气的余热回收，或者用于空气能、地热的回收。
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| GR01 | Patent grant | ||
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