CN109707512A - 一种余热回收装置及增程式电动汽车 - Google Patents
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Abstract
一种余热回收装置以及增程式电动汽车，该余热回收装置包括尾气收纳单元、做功单元和水箱，尾气收纳单元一端连接燃气轮机的排气口，另一端连接做功单元；水箱与尾气收纳单元连通，用于为尾气收纳单元注入预定量的水；水箱与做功单元连接，用于接收做功单元排出的水并对做功单元的尾气进行清洗。该余热回收装置通过在固定容积内注水吸收燃气轮机尾气中的热量而膨胀做功，将尾气中的热量回收并进一步做功利用，从而提高燃气轮机整体热效率，减少能源浪费。其结构简单，余热回收效率高，可应用于增程式电动汽车。
Description
技术领域
本发明涉及能量回收技术领域，具体涉及一种余热回收装置及增程式电动汽车。
背景技术
目前，现有技术中的汽车发动机、航空发动机、船舶用发动机等都存在热效率较低的技术问题，这主要是因为燃料燃烧产生的能量有很大一部分随着尾气及冷却系统散发而浪费掉了。目前的各类发动机尽管设置有各种余热循环利用装置，但是余热循环利用装置对余热回收利用的效率并不理想。具体地，现有技术中，大多数的发动机主要是靠压缩空气和燃料混合燃烧产生高温高压的燃气，然后由高温高压的燃气提供推力或者推动涡轮等做功以产生动能、电能等。
既然能源的浪费主要存在于发动机的余热中，那么如果能够降低发动机排放尾气的温度，则可以从根本上提高能源的有效利用率，减少能源浪费。现有的燃气轮机主要通过回热器对尾气中的热量进行回收利用。但是经过回热器的尾气的温度依旧比较高，尾气会带走一部分热量，且经过回热器的尾气直接排放到大气中，对大气也有一定的污染。
发明内容
本发明的目的是提供一种设置于燃气轮机排气端的余热回收装置，该余热回收装置采用在固定容积内注水吸收燃气轮机尾气中的热量而膨胀做功的原理，将尾气中的热量回收并进一步做功利用，从而提高燃气轮机整体热效率，减少能源浪费。
为达到上述目的，本发明的第一方面提供了一种余热回收装置，设置于燃气轮机10的排气端；包括：尾气收纳单元20、做功单元30和水箱40；
所述尾气收纳单元20一端连接所述燃气轮机10的排气口，另一端连接所述做功单元30；
所述水箱40与尾气收纳单元20连通，用于为尾气收纳单元20注入预定量的水；
所述水箱40与所述做功单元30连接，用于接收做功单元30排出的水并对做功单元(30)的尾气进行清洗。
进一步的，所述尾气收纳单元20与所述做功单元30连接的一端设置有旁通阀21；
所述旁通阀21在燃气轮机10向尾气收纳单元20排气时打开，在水箱40向尾气收纳单元20注入水和/或水被燃气轮机10排出的尾气加热汽化并驱动做功单元30做功的过程中关闭。
进一步的，所述旁通阀21为电控旁通阀。
进一步的，所述尾气收纳单元20包括多个尾气收纳腔，多个所述尾气收纳腔通过切换单元50连接所述燃气轮机10的排气端。
进一步的，还包括温度检测单元，设置在每个尾气收纳腔的旁通阀21附近，根据检测的温度控制所述切换单元50的切换和相应的旁通阀21的开启和关闭；
或者，还包括计时控制单元，以预定的时间控制所述切换单元50的切换和相应的旁通阀21的开启和关闭。
进一步的，所述做功单元30包括余热涡轮31以及与余热涡轮同轴连接的发电机32，从尾气收纳单元20排出的气体推动余热涡轮31旋转做功，余热涡轮31带动发电机32旋转发电做功。
进一步的，所述做功单元30为活塞式气缸33。
进一步的，所述做功单元30选用耐腐蚀的材料制成。进一步的，在水箱40上设置管路循环回路41，所述管路循环回路41经过燃气轮机10中的燃烧室14后回到水箱40。
进一步的，在水箱40的出水口和/或进水口附近设置过滤器。
进一步的，所述过滤器上设置有压差发讯器。
本发明的另一方面提供了一种增程式电动汽车，包括如前任一项所述的余热回收装置。
综上所述，本发明提供了一种余热回收装置以及包括该余热回收装置的增程式电动汽车。该余热回收装置包括相互连接的尾气收纳单元、做功单元和水箱，通过在固定容积内注水吸收燃气轮机尾气中的热量而膨胀做功，将尾气中的热量回收并进一步做功利用，从而提高燃气轮机整体热效率，减少能源浪费。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
1、本发明的余热回收装置结构简单，成本低，可实现自动化控制。
2、本发明的余热回收装置对尾气余热的回收利用率高，可大幅提高燃气轮机的热效率。
3、本发明的余热回收装置中设置有多个尾气收纳腔，其工作可靠，且切换方便。
4、本发明的余热回收装置中做功单元的具体选择灵活，可根据需要和使用场合进行灵活选择。
5、本发明的余热回收装置能够对燃气轮机的尾气进行清洗，减少了环境污染。
6、本发明的余热回收装置可以和燃烧室进行冷热交换，提高燃烧室内的设计温度，降低了对透平涡轮耐高温的设计要求。
7、本发明的余热回收装置结构简单，余热回收效率高，可应用于增程式电动汽车。
附图说明
图1是本发明的余热回收装置的结构示意图；
图2是根据本发明第一实施方式的余热回收装置的结构示意图；
图3是根据本发明第二实施方式的余热回收装置的结构示意图；
图4是根据本发明第三实施方式的余热回收装置的结构示意图。
附图标记：
10：燃气轮机；11：转轴；12：压气机；13：透平；14：燃烧室；20：尾气收纳单元；21：旁通阀；22：第一尾气收纳腔；23：第二尾气收纳腔；30：做功单元；31：余热涡轮；32：发电机；33：活塞式气缸；40：水箱；41：管路循环回路；50：切换单元。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1所示，本发明提供一种余热回收装置，其设置于燃气轮机10的排气端；本发明的余热回收装置包括尾气收纳单元20、做功单元30和水箱40、其中尾气收纳单元20一端连接所述燃气轮机10的排气口，另一端连接做功单元30，水箱40与尾气收纳单元20连通，用于为尾气收纳单元20注入预定量的水，同时水箱40连接做功单元30，用于接收做功单元30排出的水并能够对做功单元30排出的低温尾气进行清洗，减少环境污染。
本发明的余热回收装置设置于燃气轮机10的排气端，利用燃气轮机1排出的高温尾气在固定容积内对水进行加热汽化，从而大幅度提高了固定容积(即尾气收纳单元20)内气体的压力，同时降低燃气轮机尾气的温度，从尾气收纳单元20中排出的高压低温气体驱动做功单元30做功，从而实现了对燃气轮机尾气中热量的利用。而从做功单元30排出的尾气和水则进入到水箱40进行循环利用，同时水箱40里的水能过对尾气进行清洗，清洗后的尾气排放到大气中，降低了燃气轮机尾气对环境的污染。通过使用本发明的余热回收利用装置，提高了燃气轮机整体热效率，减少能源浪费，降低了环境污染，且其结构简单，成本低。
具体地，所述燃气轮机10包括转轴11、压气机12、透平13、燃烧室14，其中压气机12、透平13固定安装于所述转轴11，燃烧室14的进气口连接所述压气机12的排气口，燃烧室14的高温排气口连接透平13的进气口，透平14的排气口连接的到尾气收纳单元20。
可选地，燃气轮机10也可以设置有常规的回热器，在设置有回热器的情况下，则回热器的排气口连接到尾气收纳单元20，余热回收装置对回热器中排出的尾气的热量进行进一步的回收利用。
可选地，为了避免尾气收纳单元20中的气压对透平13的排气形成一定的背压，尾气收纳单元20的与所述做功单元30连接的一端设置有旁通阀21。该旁通阀21用于在透平13向尾气收纳单元20排气的时候打开，以排尽尾气收纳单元20里原有的常温气体或者已经做完功的低压低温气体；该旁通阀21在水箱40向尾气收纳单元20注入水以及水被透平13排出的尾气加热汽化并驱动做功单元30做功的过程中关闭，以保证尾气收纳单元里的气压。
所述的旁通阀21可以选用电控旁通阀，以便于在工作过程中的自动控制。
进一步地，如图2所示，所述尾气收纳单元20可以设置多个尾气收纳腔，多个所述尾气收纳腔通过切换单元50连接所述透平13的排气端。
所述切换单元50设置为当其中一个尾气收纳腔中完全填充满透平13排出的高温尾气后，所述切换单元50关闭透平13和该尾气收纳腔之间的气道，且关闭对应的旁通阀21，而同时打开透平13与另一尾气收纳腔之间的气道。已填充满高温尾气的尾气收纳腔形成一个封闭的容积，水箱30向该尾气收纳腔注入适量的水，水被高温尾气加热气化，该尾气收纳腔内形成相对低温的高压气体，高压气体推动做功单元30做功，进而实现对燃气轮机10的尾气的有效利用。上述过程中具体注入的水量根据具体的燃气轮机的功率进行设计和调节，只要能够保证从做功单元30排出的尾气和水的温度接近常温常压即可，具体地，温度可以优选20摄氏度到60摄氏度。
例如，如图2所示，尾气收纳单元20设置有两个尾气收纳腔：第一尾气收纳腔22和第二尾气收纳腔23。透平13的排气端通过所述切换单元50与所述第一尾气收纳腔22接通，待所述第一尾气收纳腔22内充满高温尾气后，所述切换单元50切断透平13的排气端与所述第一尾气收纳腔21之间的气道，而将透平13的排气端与所述第二尾气收纳腔22接通，向第二尾气收纳腔22填充高温尾气。同时，第一尾气收纳腔22的旁通阀21关闭，所述水箱30向所述第一尾气收纳腔21内注入水。水被高温尾气加热气化，第一尾气收纳腔21内的气压大幅提高，高压气体推动做功单元30做功。待第二尾气收纳腔22充满高温尾气后则将透平13的排气端切换到与第一尾气收纳腔21连通，重复循环。同理，可根据具体设计要求将上述的尾气收纳腔设置为三个或者更多个。
可选地，为了实现上述各个尾气收纳腔之间切换的主动和可靠进行，在每个尾气收纳腔的旁通阀21附近设置有温度检测单元。在透平向尾气收纳腔内注入高温尾气的过程中，当温度检测单元检测到旁通阀21处的温度达到预定值时，控制旁通阀21关闭，同时切换单元动作，将透平13的排气端连通到其他的尾气收纳腔。
可选地，由于上述的尾气收纳腔在设计时其容积已经确定，因此也可以通过计算或者实验的方式获得尾气充满尾气收纳腔的时间，进而通过控制充气时间来实现各个尾气收纳腔的主动切换，即以预定的时间来控制所述切换单元50和相应的旁通阀21以及水箱40的注水。这样既可省略温度检测单元，也使得控制系统更加简化，降低余热回收装置的成本。
进一步地，做功单元30的具体选择可以有多种，如图3所示，做功单元30可以是余热涡轮31以及与余热涡轮同轴连接的发电机32，从尾气收纳单元20排出的低温高压气体推动余热涡轮31旋转做功，余热涡轮31带动发电机32旋转发电做功。
通过计算可得出上述结构的余热回收装置可以将燃气轮机的热效率提高到41％左右。
可选地，如图4所示，做功单元30也可以是活塞式气缸33，活塞式气缸33带动发电机发电做功。
通过计算可得出上述结构的余热回收装置可以将燃气轮机的热效率提高到49％左右。
在上述过程中，由于驱动做功单元30做功的高压气体中含有较大量的水蒸气，因此做功单元30优先选用耐腐蚀的材料制成，例如氧化铝等。
进一步地，如图2-4所示，本发明的余热回收装置还可以利用燃烧室14的热量对水箱40的水进行预热。这样在提高水的温度，降低水气化时需要吸收的热量的同时，还可以适当降低透平13的涡轮前温度。具体地，在水箱40上设置管路循环回路41，该管路循环回路41经过燃烧室14后回到水箱40。优选地，该管路循环回路41进入燃烧室14后经过燃烧室14的内部侧壁后回到水箱40。在循环过程中，管路里的水与燃烧室14内的高温燃气进行冷热交换。这样可有效降低了燃烧室14出口的燃气的温度，从而降低了对透平14的涡轮的耐高温要求，提高了透平的使用寿命，同时将燃烧室14内的部分热量储存到了水箱40的水中，水箱40中水携带的热量则通过余热回收装置被有效利用。例如对于常规的微型燃气轮机的设计，考虑到透平13的涡轮的耐高温需求，一般将燃烧室14内的温度控制在900摄氏度左右，而对于使用本发明的余热回收装置的微型燃气轮机，其燃烧室14内的温度则可以控制在1000摄氏度左右，而通过水箱40的管路循环回路再将燃烧室14出口的燃气温度控制到900摄氏度即可。
优选地，为了保持水箱40内水的清洁度，及时清除循环水里的杂质，可在水箱的出水口和进水口附近分别设置过滤器，以保持水箱里水的清洁。所述过滤器上设置有压差发讯器，在过滤器的滤芯发生堵塞时，压差发讯器及时报警，提醒更换滤芯。
本发明还提供一种使用上述余热回收装置的增程式电动汽车。
综上所述，本发明提供了一种余热回收装置以及增程式电动汽车，该余热回收装置包括尾气收纳单元、做功单元和水箱，尾气收纳单元一端连接燃气轮机的排气口，另一端连接做功单元；水箱与尾气收纳单元连通，用于为尾气收纳单元注入预定量的水；水箱与做功单元连接，用于接收做功单元排出的水并对做功单元30的尾气进行清洗。该余热回收装置通过在固定容积内注水吸收燃气轮机尾气中的热量而膨胀做功，将尾气中的热量回收并进一步做功利用，从而提高燃气轮机整体热效率，减少能源浪费。其结构简单，余热回收效率高，可应用于增程式电动汽车。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (12)
1.一种余热回收装置，设置于燃气轮机(10)的排气端；其特征在于，包括：尾气收纳单元(20)、做功单元(30)和水箱(40)；
所述尾气收纳单元(20)一端连接所述燃气轮机(10)的排气口，另一端连接所述做功单元(30)；
所述水箱(40)与尾气收纳单元(20)连通，用于为尾气收纳单元(20)注入预定量的水；
所述水箱(40)与所述做功单元(30)连接，用于接收做功单元(30)排出的水并对做功单元(30)的尾气进行清洗。
2.根据权利要求1所述的余热回收装置，其特征在于，所述尾气收纳单元(20)与所述做功单元(30)连接的一端设置有旁通阀(21)；
所述旁通阀(21)在燃气轮机(10)向尾气收纳单元(20)排气时打开，在水箱(40)向尾气收纳单元(20)注入水和水被燃气轮机(10)排出的尾气加热汽化并驱动做功单元(30)做功的过程中关闭。
3.根据权利要求2所述的余热回收装置，其特征在于，所述旁通阀(21)为电控旁通阀。
4.根据权利要求2或3所述的余热回收装置，其特征在于，所述尾气收纳单元(20)包括多个尾气收纳腔，多个所述尾气收纳腔通过切换单元(50)连接所述燃气轮机(10)的排气端。
5.根据权利要求4所述的余热回收装置，其特征在于，还包括温度检测单元，设置在每个尾气收纳腔的旁通阀(21)附近，根据检测的温度控制所述切换单元(50)的切换和相应的旁通阀(21)的开启和关闭；
或者，还包括计时控制单元，以预定的时间控制所述切换单元(50)的切换和相应的旁通阀(21)的开启和关闭。
6.根据权利要求1所述的余热回收装置，其特征在于，所述做功单元(30)包括余热涡轮(31)以及与余热涡轮同轴连接的发电机(32)，从尾气收纳单元(20)排出的气体推动余热涡轮(31)旋转做功，余热涡轮(31)带动发电机(32)旋转发电做功。
7.根据权利要求1所述的余热回收装置，其特征在于，所述做功单元(30)为活塞式气缸(33)。
8.根据权利要求1或6或7所述的余热回收装置，其特征在于，所述做功单元(30)选用耐腐蚀的材料制成。
9.根据权利要求1所述的余热回收装置，其特征在于，在水箱(40)上设置管路循环回路(41)，所述管路循环回路(41)经过燃气轮机(10)中的燃烧室(14)后回到水箱(40)。
10.根据权利要求9所述的余热回收装置，其特征在于，在水箱(40)的出水口和/或进水口附近设置过滤器。
11.根据权利要求10所述的余热回收装置，其特征在于，所述过滤器上设置有压差发讯器。
12.一种增程式电动汽车，其特征在于，包括如权利要求1-11任一项所述的余热回收装置。
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