CN109891059A - 具有工作流体回路的余热回收系统和用于运行这种余热回收系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有引导工作流体的工作流体回路(1)的余热回收系统，所述余热回收系统具有至少一个连接到内燃机(5)的废气管路(3)中的热交换器(2)，所述热交换器是具有至少一个膨胀机(11)、冷凝器(12)和至少一个流体泵(15)的所述工作流体回路(1)的一部分。本发明所基于的任务是，所述余热回收系统具有用于避免由所述工作流体的液态部分导致所述膨胀机(11)损坏的装置(27)。所述装置(11)例如是容器(21)、静置容器(28,28a)、管路区段(36)或者过滤器(26)，或者所述装置(11)具有至少一个这种构件。

Description

具有工作流体回路的余热回收系统和用于运行这种余热回收 系统的方法
技术领域
本发明涉及一种具有工作流体回路的余热回收系统，所述余热回收系统具有至少一个连接在内燃机废气管路中的热交换器，所述热交换器是具有至少一个膨胀机、冷凝器和流体泵的工作流体回路的一部分。此外，本发明涉及一种用于运行这种余热回收系统的方法。
背景技术
由DE 10 2013 211 875A1已知这种余热回收系统。该余热回收系统具有带有两个热交换器的工作流体回路，其中，第一热交换器连接在内燃机废气管路中并且第二热交换器连接在内燃机废气回流管路中。此外，工作流体回路具有膨胀机、冷凝器和流体泵，其中，工作流体回路在流体泵下游分为两个流体分支，所述流体分支分别通向第一热交换器和第二热交换器。在流体分支的输入端处，分配器阀被置入到该流体分支中，所述分配器阀调整工作流体的供应给热交换器的量。在正常情况下，这样构造的余热回收系统在安装到车辆中的内燃机中至少部分地被安装到车辆的接收内燃机的发动机舱中。
发明内容
本发明所基于的任务是：提供一种余热回收系统，该余热回收系统相对于已知系统进行改进。
该任务通过以下方式来解决：余热回收系统具有用于避免由工作流体的液态部分导致膨胀机损坏的装置。用于运行余热回收系统的方法规定，借助一装置从工作流体中分离出液态部分和/或使该液态部分变得无害，使得排除由液态部分引起的膨胀机损坏。该构型或者该方法基于以下认识：尤其当膨胀机实施为带有具有涡轮叶片的涡轮的涡轮机时，供应给膨胀机的蒸汽状工作流体的质量尤其具有特别的意义。这由以下状况决定：涡轮机在非常高的转速下运行，这导致在涡轮机的涡轮叶片上的非常大的相对速度。如果涡轮机不是以单相的、气态的工作流体(作为干蒸汽)运行，而是相反地以携带处于液相的呈湿蒸气形式未蒸发工作流体(在工作流体中的例如呈流体液滴形式的液态部分)的蒸汽状工作流体运行，则由于碰撞过程而发生对涡轮叶片的腐蚀。此外，温度传感器通常在余热回收系统中直接位于涡轮机之前，所述温度传感器例如实施为温度计。如果热传感器被流体液滴冲击或者流体液滴甚至沉积在热传感器上，则使当前测量值失真，这对系统的调节产生不利影响。因为由运行策略决定地不能或者不应防止在工作流体中存在湿蒸气(具有液体部分的气态蒸汽)，以便例如提高效率，所以涡轮机或者必须容忍湿蒸气，然而或者根据本发明，液态部分必须从膨胀机旁被引导，然而或者，必须在涡轮机之前对工作流体清除所携带的液态部分。这通过首先一次性地任意构型的装置来实现。
在本发明的扩展方案中，所述装置在工作流体回路中布置在至少一个热交换器的输出端和膨胀机之间。在此，该装置通常在工作流体回路的输入端之前直接布置在膨胀机中。由此保证，实际上也只有供应给膨胀机的工作流体流过所述装置。然而也可以考虑，将该装置放置在第一热交换器之后并且在与第二热交换器合并之前，只要该第二热交换器产生“可靠地”过度加热的蒸汽、即单相的气态工作流体。
在本发明的另一构型中，所述装置是用于将液态部分从工作流体中分离的分离装置。该装置或者说该分离装置是容器、静置容器或工作流体回路的管路区段或具有这样的构件。
在另一构型中，所述装置、尤其容器或者管路区段具有导向装置、尤其至少一个导向板。该导向装置使优选轴向地流入到容器中并且具有液态部分的工作流体处于旋转运动中，由此，尤其呈流体液滴形式的液态部分被甩到容器或者管路区段的周壁上并且附着在那里。从那里，液态部分或者可以从所述装置向外被导出或者变得无害，其方式是：例如所述液态部分被蒸发。两种可能性的组合也是可能的。
在本发明的另一构型中，呈容器、静置容器和/或管路区段形式的装置将液态部分导至使周壁运动的旋转装置上。在一般构型中，所述旋转装置可以任意地构型，其中，旋转装置优选是至少一个切向的、与工作流体回路连接的流入端口。具有液态部分的工作流体通过该切向的流入端口到达所述装置中并且在该装置内处于旋转中。该旋转通过作用的离心力引起(重的)液态部分从工作流体中分离出，所述液态部分例如通过设置在另一构型中的液体排出口从所述装置中被导出并且又被供应给例如在膨胀机之后的工作流体回路。另一构型设置，液态部分在所述装置中连续地或不连续地被蒸发。无液态部分的工作流体以干蒸汽Td的形式例如通过轴向的流出端口离开所述装置并且被供应给膨胀机。
在本发明的扩展方案中，所述装置是过滤器或者具有过滤器。该过滤器例如可以是膜过滤器或烧结过滤器，工作流体的液态部分在所述过滤器中被分离出(并且或者经由液体排出口例如在膨胀机之后被供应给工作流体回路、或者通过加热装置转化为干蒸汽)。在此，过滤器也可以这样设计，使得该过滤器对于以湿蒸气运行的运行阶段具有足够大的液体存储能力，其中，所收集的液态部分通过以过度加热的蒸汽运行的运行阶段被蒸发并且从而又使过滤器再生。然而，过滤器也可以是化学过滤器、例如由沸石的材料组制成的化学过滤器。
在本发明的扩展方案中，所述装置是静置容器。该静置容器原则上这样地构造，使得流动速度这样地减缓，使得液态部分具有足够的时间用于蒸发。如果液态部分不蒸发，而是例如由结构决定地沉积，则必要时在余热回收系统的低压部分中包含节流阀的情况下经由所提及的液体排出口回引是可能的。在静置容器或一般装置的沉积有液态部分的区域也可以配备有加热装置，该加热装置将液态部分可靠地蒸发。
在本发明的扩展方案中，所述装置具有磁铁，该磁铁产生强磁场，所述强磁场又在液态部分、即流体液滴上导致电荷分离并且由此允许偏转。液态部分又可以沉积在所述装置的壁上并且如之前那样被导出或者转化。
简要地，根据本发明实现以下优点：
-成本低地这样制备工作流体，使得所携带的液态部分对膨胀机不构成危险，
-余热回收系统变得更稳健，
-余热回收系统可以在更长的时间段上运行，因为由于在工作流体中存在的液态部分而很少必须经由旁通管路绕开膨胀机，
-能够使用成本低的热传感器，
-系统调节通过对湿蒸气的提高的安全性而更简单，
-系统提高的稳健性导致更高的能量收益和更高的总效率。
附图说明
从附图说明得到本发明的另外的有利构型，在附图说明中详细地说明在附图中所示的实施例。附图示出了：
图1根据本发明构型的余热回收系统的线路图，该余热回收系统具有工作流体回路和用于避免由工作流体的液态部分导致膨胀机损坏的装置，
图2在第一实施方式中的用于避免由工作流体的液态部分导致膨胀机损坏的装置的细节视图，
图3在另一实施方式中的用于避免由工作流体的液态部分导致膨胀机损坏的装置的细节视图，
图4在另一实施方式中的用于避免由工作流体的液态部分导致膨胀机损坏的装置的细节视图，
图5在另一实施方式中的用于避免由工作流体的液态部分导致膨胀机损坏的装置的细节视图，
图6在另一实施方式中的用于避免由工作流体的液态部分导致膨胀机损坏的装置的细节视图，
图7在另一实施方式中的用于避免由工作流体的液态部分导致膨胀机损坏的装置的细节视图，
图8在另一实施方式中的用于避免由工作流体的液态部分导致膨胀机损坏的装置的细节视图，
图9在另一实施方式中的用于避免由工作流体的液态部分导致膨胀机损坏的装置的细节视图，
图10在另一实施方式中的用于避免由工作流体的液态部分导致膨胀机损坏的装置的细节视图，和
图11在另一实施方式中的用于避免由工作流体的液态部分导致膨胀机损坏的装置的细节视图。
具体实施方式
在图1中示意性地示出的余热回收系统具有工作流体回路1，该工作流体回路具有第一热交换器2a和第二热交换器2b，其中，原则上也可以仅一个唯一的热交换器或者多于两个热交换器是余热回收系统的组成部分。在此，热交换器2a,2b构造为蒸发器或者起蒸发器作用，并且适配于内燃机5，用于回收在内燃机5运行时产生的余热。在此，第一热交换器2a被内燃机5的在内燃机废气管路3中被引导并且构成余热流的废气流4流过。除第一热交换器2a外，第二热交换器2b安装在呈废气回流管路6形式的管路或者其它热载体管路中。经由废气回流管路6从废气流4中取出部分量的废气并且将该废气经由废气回流管路阀7受控地供应给内燃机5的进气系统8。该进气系统8可以优选地构造为增压空气管路系统。在车辆(内燃机5优选安装到该车辆中)的内燃机5的确定运行状态中，必要时能够经由未示出的热交换器旁通管路绕开两个热交换器2a,2b。在将内燃机5安装到车辆中的情况下，内燃机5和余热回收系统优选至少部分地被安装到车辆的发动机舱中，所述余热回收系统具有工作流体回路1和所提及的或者下面还说明的部件。
内燃机5在运行时被供应燃料和燃用空气，所述燃料和燃用空气在内燃机5的燃烧室中在产生功率的情况下燃烧成热的废气，该废气在内燃机5运行时形成废气流4。在此，废气流4通过废气管路3最终导出到周围环境中，从所述废气管路中也分支出废气回流管路6。在废气管路3中，在第一热交换器2a之前和/或之后能够以任意顺序安装有废气消音器9以及用于废气后处理的、例如呈催化器和/或过滤器形式的装置10。内燃机5例如是以柴油运行的自行点火式内燃机。在此，例如借助共轨喷射系统将柴油燃料喷射到燃烧室中。然而，内燃机也可以是外源点火的、以汽油运行的内燃机，所述内燃机也可以具有共轨喷射系统。
第一热交换器2a和第二热交换器2b如之前所解释的那样本身是工作流体回路1的一部分，所述工作流体回路除热交换器2a,2b外还具有膨胀机11、冷凝器12，必要时冷凝器泵13、补偿容器14和一个或两个流体泵15a,15b。流体泵15a经由第一输送管路16a与第一热交换器2a以通流方式连接，并且第二流体泵15b经由第二输送管路16b与第二热交换器2b以通流方式连接。流体泵15a,15b可以是独立的泵，或者例如以双行程叶片泵的形式构型。例如能够这样调整双行程叶片泵，使得在工作流体的总输送量恒定或者可调整的情况下，分配到第一热交换器2a和第二热交换器2b的输送量可以在0％至100％之间被增加地并且相应地被减小地调整。总输送量例如可以通过流体泵15a,15b的转速改变来调整。然而，如之前所示地，也可以仅存在一个唯一的流体泵15，其中，用于调整输送量分配的调节阀安装到第一输送管路16a和第二输送管路16b中。如果仅存在一个唯一的热交换器，之前所说明的输送量分配当然是多余的。
膨胀机11优选是具有至少一个带有涡轮叶片的涡轮的涡轮机，在该涡轮机之后通常连接有减速传动装置，以便减小高的涡轮转速并且使该涡轮转速匹配之后连接的做功机器或者其它消耗装置的转速。
在余热回收系统运行时，由流体泵15a,15b将适用于朗肯(Rankine)过程的流体，例如乙醇、环戊烷或者制冷剂，压缩到高压并且供应给热交换器2a,2b。流体在热交换器2a,2b中被加热并且在高压下被转化为蒸汽状的状态。这样产生的蒸汽被供应给膨胀机11并且在工作流体膨胀的情况下驱动该膨胀机。为了能够将工作流体回路1从膨胀机11旁引导，可以设置具有旁通阀18的旁通管路17，经由所述旁通管路能够绕开膨胀机11。为了防止在工作流体中也可能含有的在蒸汽状态下的液态部分完全地或者在紧要状况下被供应给膨胀机11和尤其涡轮，在通向膨胀机11中的输入端之前在工作流体回路1中安装有装置27。装置27截住液态部分并且将该液态部分以合适方式导出、将该液态部分转化或使该液态部分以其它方式变得无害。由此，保护涡轮或者膨胀机11的其它部分免受例如呈流体液滴25形式的液态部分(图2)。装置27可以如下面还阐述的那样也具有两个输入端。当热交换器2a,2b的输出管路被引导至装置27并且旁通管17在合适的位置处预先从输出管路分支时，例如是这种情况。这将意味着，可能必须存在两个旁路。至少对于所述实施方式的一部分(不针对过滤器方案)也可以考虑，将装置27放置在旁路之前。也可以考虑，将旁路、即旁通管路17集成到装置27中。
供应给膨胀机11的工作流体在该膨胀机中在产生机械式轴做功的情况下减压，所述轴做功通过从动轴19被导出。从动轴19例如可以与用于产生电功率的发电机耦合。此后，“冷的”蒸汽在冷凝器12中冷凝并且最终又被供应给流体泵15a,15b。在冷凝器12和双行程叶片泵16之间的连接管路中可以连接有补偿容器14。除之前所说明的部件外还可以存在任意其它部件、尤其用于求取在工作流体回路1的不同区段中的温度和压力的传感器。此外，存在用于控制余热回收系统的控制器20。
图2示出例如呈容器21形式的装置27，所述容器在图1所示的位置中直接在膨胀机11之前被安装到工作流体回路1中。为此，构成工作流体回路1的管路系统可以具有法兰接口，所述法兰接口能够与容器21连接、例如旋紧。也可能的是，装置27在管路系统上恰好布置在膨胀机11的接口部位的区域中。装置27也可以作为管路区段直接集成到管路系统中，其中，则省去容器21。容器21具有轴向的流入端口22，通过该流入端口，掺有液态部分的工作流体进入到容器21中。在容器21中布置有呈导向板24形式的导向装置，该导向装置使进入的工作流体处于所示的旋转R中。通过该旋转R，例如呈流体液滴25形式的液态部分从工作流体中被分离出，该工作流体作为“纯的”干蒸汽经由流出端口23朝膨胀机11方向离开容器21。然后，如部分地下面还阐述的那样，呈流体液滴25形式的液态部分例如可以或者经由液体排出口例如在膨胀机11之后被供应给工作流体回路1，或者通过加热装置被转化为干蒸汽，或者在以过度加热的蒸汽运行的运行阶段中被蒸发。
图3示出呈容器21形式的装置27，所述容器具有切向的流入端口22a。具有液态部分的工作流体通过切向的流入端口22a到达容器21中并且由此处于旋转R中。由此也分离出流体液滴25并且工作流体作为干蒸汽通过轴向的流出端口23离开容器21。附加地，在容器21中也可以存在导向板24。
在根据图4的实施例中，与根据图3的实施例不同地，例如与热交换器2a,2b的输出管路连接的两个切向的流入端口22a安装在容器21上，工作流体通过所述两个切向的流入端口流入到容器21中。当然，也可能的是，在容器21上设置多于两个切向的流入端口22a。
图5示意性地示出装置27，该装置构造为呈烧结过滤器形式的过滤器26，具有液态部分的工作流体通过所述过滤器作为干蒸汽Td离开该烧结过滤器26。仅为了直观说明，湿蒸气Nd和干蒸汽Td在过滤器26之前作为分开的支路示出，当然，所述分开的支路作为一个支路进入到过滤器26中。然而，两个支路也可以是两个热交换器2a,2b的管路，即所述管路引导呈湿蒸气Nd和干蒸汽Td形式的工作流体。
根据图6的实施例示出呈化学过滤器、例如沸石形式的过滤器26，所述过滤器储存液态部分。过滤器26通过以下方式再生：将呈(仅)过度加热的蒸汽形式的工作流体供应给化学过滤器，该化学过滤器将液态部分转化为干蒸汽Td。
根据图7的实施例示出构造为静置容器28的装置27，在该装置中置入有撞击板29。撞击板29这样地布置，使得进入的工作流体冲击到撞击板29上并且由此分离出液态部分，所述液态部分作为流体液滴25沉积在静置容器28的底部上。在静置容器28外可以在底部下方设置有加热装置30，该加热装置又使液滴25蒸发。
根据图8的实施例示出呈静置容器28a形式的装置27，该装置在大地测绘学上的深位置处具有液体排出口31。该液体排出口31与导出管路32连接，节流部33可以被置入到所述导出管路中，或者所述导出管路直接构造为节流部状的。导出管路32与工作流体回路1在冷凝器12之后的区域中连接。通过导出管路32将流体液滴25引回到工作流体回路1中。然而，导出管路32也能够在膨胀机11之后和在冷凝器12之前通入到工作流体回路1中。这例如可以在确定的空间条件下是有意义的。
根据图9的实施例示出与图8类似的构型，其中，膜34在这里被安装到静置容器28a中，所述膜对于液态部分是不能透过的并且与流出端口23a连接。流体液滴25又沉积在底部壁上并且如之前所实施地那样被引回到工作流体回路1中。
根据图10的实施例示出喷嘴35，通过所述喷嘴将包含流体液滴25的、呈湿蒸气Nd形式的工作流体喷射到例如呈容器21形式的装置27中。通过喷嘴25将呈流体液滴25a形式的液态部分碎化，使得所述液态部分与干蒸汽Td一起在不造成损坏的情况下被引导通过膨胀机11。
根据图11的实施例示出呈管路区段36形式的装置27，例如呈电磁铁37a和/或永磁铁37b形式的磁铁37在外部安装在所述管路区段上，并且所述磁铁将带电的流体液滴25从流经的工作流体中分离出。优选地，强电磁场首先引起电荷分离，并且随后，流体液滴25被永磁铁37b吸引到壁上。
随后应指出，只要在技术上有意义，本发明的之前所说明的任意部分特征可以彼此间和相互地组合。

Claims (11)

1.一种具有引导工作流体的工作流体回路(1)的余热回收系统，所述余热回收系统具有至少一个连接到内燃机(5)的废气管路(3)中的热交换器(2)，所述热交换器是具有至少一个膨胀机(11)、冷凝器(12)和至少一个流体泵(15)的所述工作流体回路(1)的一部分，
其特征在于，所述余热回收系统具有用于避免由所述工作流体的液态部分导致所述膨胀机(11)损坏的装置(27)。
2.根据权利要求1所述的余热回收系统，
其特征在于，所述装置(27)在所述工作流体回路中布置在所述热交换器(2)的输出端和所述膨胀机(11)之间。
3.根据权利要求1或2所述的余热回收系统，
其特征在于，所述装置(27)是用于将所述液态部分从所述工作流体分离的分离装置，尤其是容器(21)和/或静置容器(28,28a)和/或所述工作流体回路(1)的管路区段(36)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的余热回收系统，
其特征在于，所述装置(27)具有导向装置、尤其至少一个导向板(24)。
5.根据权利要求3或4所述的余热回收系统，
其特征在于，所述容器(21)和/或所述静置容器(28,28a)和/或所述管路区段(26)具有至少一个切向的流入端口(22,22a)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的余热回收系统，
其特征在于，所述装置(27)是过滤器(26)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的余热回收系统，
其特征在于，所述装置(27)是加热装置(30)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的余热回收系统，
其特征在于，所述装置(27)具有流体排出口(31)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的余热回收系统，
其特征在于，所述装置(27)具有喷嘴(35)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的余热回收系统，
其特征在于，所述装置(27)具有磁铁(37)。
11.一种用于运行具有引导工作流体的工作流体回路(1)的余热回收系统的方法，所述余热回收系统具有连接到内燃机(5)的废气管路(3)中的热交换器(2)，所述热交换器是具有至少一个膨胀机(11)、冷凝器(12)和至少一个流体泵(15)的所述工作流体回路(1)的一部分，
其特征在于，借助装置(27)从所述工作流体中分离出液态部分和/或使该液态部分变得无害，使得排除由液态部分导致所述膨胀机(11)的损坏。
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