CN109931184B - 基于二氧化碳布雷顿循环的柴油机余热源回收系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于CO2布雷顿循环的重载卡车柴油机余热源回收系统，包括CO2压缩机，缸套水预热器，2台烟气换热器，回热器，EGR再热器，2台CO2膨胀机，冷却器，涡轮增压器，EGR控制阀和进气阀等。以柴油机缸套水，烟气和EGR为驱动热源。超临界CO2通过压缩机增压后，在缸套水预热器中预热。预热后的CO2分为两路，一路进入低温烟气换热器，另外一路进入回热器，随后两路CO2汇入到高温烟气换热器中进一步被烟气加热。高温高压CO2通过高压膨胀机做功后进入EGR再热器再次加热。再热后的CO2通过低压CO2膨胀机做功，随后经回热器，冷凝器完成整个循环。该系统中缸套水预热器可以部分或者完全取代柴油机的缸套水散热器，EGR再热器可以替代柴油机的EGR冷却器。
Description
技术领域
本发明属于柴油机节能减排技术领域，具体涉及一种基于CO2布雷顿循环的重载卡车柴油机多种余热源高效回收系统。
背景技术
随着能源日益短缺和环境问题的日益严峻，柴油机的节能减排受到世人关注。中重载卡车是石油消耗大户，据统计，我国只占汽车总量13.9％的重型卡车消耗了汽车消耗石油总量的49.2％；美国重型卡车虽然只占美国汽车保有量的4％，但其石油消耗和温室气体排放比例达到25％。世界各国卡车能耗还在增长，预计到2040年，全球重型卡车能耗将增加65％，成为世界主要经济体交通运输业中最大CO2排放源。因此提高重载卡车能效进而降低CO2排放得到了主要国家的高度重视。
从目前重载卡车柴油机的能量平衡来看，动力输出功率一般只占燃油燃烧总热量的30％～45％，除了不到10％用于克服摩擦等功率损失之外，其余的余热能量没有得到利用，主要通过烟气，缸套水和EGR冷却等被排放到大气中，随着各国相继出台越来越严格的排放法规，热功转化的余热回收技术成为提高重载卡车能效，减少燃油消耗和CO2排放的重要途径。
传统的有机朗肯循环技术回收柴油机余热存在工质高温易分解，环保性能差，工质成本昂贵，系统体积庞大等方面的问题。而CO2属于自然工质，环境性能好，热稳定度高，不燃不爆，无毒性，被认为是理想的动力系统工质。同时用于重载卡车的余热回收系统需满足小型化，轻量化的要求。超临界CO2具有高密度，低粘度的特性，适于实现微通道换热及高速膨胀，匹配车用系统小型轻量的要求。
另一方面，重载卡车柴油机余热具有大温差，多品位的特点。一般来说，柴油机烟气和EGR温度较高，回收潜力较大。柴油机缸套水虽然温度低，但其余热量大，回收价值大。针对重载卡车柴油机主要的这三种余热源，传统的余热回收系统存在诸多问题：有机朗肯循环增加缸套水预热的方法对难以实现对缸套水热量的充分利用，复叠式循环结构复杂，经济性能不佳，难以在重载卡车上安装实现。因此，探索针对卡车柴油机余热特点，满足其应用条件的循环系统成为了提高重载卡车能源利用率的关键。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于CO2布雷顿循环的柴油机余热源回收系统，该系统利用CO2的特点与重载卡车柴油机不同余热源的特点相耦合的，能够实现重载卡车柴油机缸套水余热，烟气余热，EGR余热完全回收的CO2动力循环系统，本系统可以显著提升重载卡车能效，具有大规模的应用的潜力。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
基于CO2布雷顿循环的重载卡车柴油机余热源回收系统，包括CO2压缩机、缸套水预热器、高温烟气加热器、回热器、低温烟气加热器、高压膨胀机、EGR再热器、低压膨胀机、冷却器、柴油机、涡轮增压器、EGR控制阀和EGR进气阀；缸套水预热器、低温烟气加热器和回热器之间通过三通阀A相互连通，低温烟气加热器、回热器和高温烟气加热器之间接通过三通阀B相互连通，所述回收系统回收的余热源包括来自柴油机烟气余热，缸套水余热和EGR余热，分为四个回路，具体如下：
第一条回路：缸套水从柴油机出来后在缸套水预热器中对接近临界点的超临界CO2进行预热，缸套水温度降低后回到柴油机中；
第二条回路：柴油机排出的烟气一部分进入至涡轮增压器中推动涡轮机做功，做功后部分烟气在高温烟气加热器中对全部CO2工质进行加热后温度下降，之后进入低温烟气加热器对部分CO2工质加热，以保证烟气余热完全利用；
第三条回路：柴油机的一部分烟气不经过涡轮增压器与柴油机进气混合以实现柴油机EGR循环，高温的EGR在与进气混合前经过冷却，这部分冷却能量在EGR再热器中对经过高压膨胀机的CO2乏气再次加热，EGR温度降低后通过EGR进气阀和EGR控制阀控制与增压后的柴油机进气混合；
第四条回路为CO2动力循环主回路，CO2在整个循环过程中没有相变，工作过程为：超临界CO2通过CO2压缩机后，经过缸套水预热器预热；预热后的CO2分为两路，一路进入回热器加热，另外一路通过低温烟气加热器加热后两路汇合进入通过高温烟气加热器加热，随后CO2工质在经过高压膨胀机做工后，经过EGR再热器再次加热，再热后的CO2工质在低压膨胀机中膨胀做工后经过回热器和冷却器完成整个循环。
进一步的，所述回收系统运行压力小于等于15MP。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明系统充分利用CO2的物理特点和重载卡车柴油机不同余热源特点，可以实现重载卡车柴油机缸套水余热，烟气余热和EGR余热等的完全利用和高效转化，从而显著提高重载卡车能源利用率，提升柴油机原机效率。具体体现在：利用超临界CO2工质在近临界点比热突增的特点，实现对低温缸套水余热的完全利用；利用回热器与低温烟气加热器并联后与高温烟气加热器串联的连接形式实现对烟气余热的完全利用；利用高压膨胀机后连接EGR再热器的连接形式实现对EGR余热的完全利用。同时系统中的部分部件可以替代柴油机原机已有部件，故不需对原机系统做过多的调整，适于重载卡车使用。
附图说明
图1是本发明系统的结构示意图。
附图标记：1-柴油机；2-EGR进气阀；3-EGR控制阀；4-涡轮增压器；5-CO2压缩机；6-缸套水预热器；7-低温烟气加热器；8-回热器；9-高温烟气加热器；10-高压膨胀机；11-EGR再热器；12-低压膨胀机；13-冷却器；14-三通阀；14-1-三通阀A；14-2-三通阀B。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，基于CO2布雷顿循环的重载卡车柴油机多种余热源回收系统，包括：柴油机1、EGR进气阀2、EGR控制阀3、涡轮增压器4、CO2压缩机5、缸套水预热器6、低温烟气加热器7、回热器8、高温烟气加热器9、高压膨胀机10、EGR再热器11、低压膨胀机12、冷却器13、三通阀14。缸套水预热器6、低温烟气加热器7和回热器8中间接三通阀A14-1，低温烟气加热器7、回热器8和高温烟气加热器9之间接三通阀B14-2。系统所用工质为CO2，运行过程中CO2始终工作在临界点之上，整个循环过程中没有相变。本系统利用超临界CO2在近临界区域比热峰值与缸套水温度匹配来实现对缸套水余热的高效利用，因此CO2压缩机出口处于近临界区域，系统运行压力不宜过高(不超过15MPa)。
该系统工作原理是：系统运行工质为超临界CO2，由于超临界CO2在近临界区域比热存在突变与柴油机低温缸套水余热温度范围匹配，保证了系统对于柴油机缸套水的高效充分利用。系统的压比小，需要通过增加回热的方式提高系统热效率。增加回热器8限制了系统对于烟气余热的利用，需要通过工质分流加热的方式，实现烟气的完全利用。同时回热器8中CO2冷侧比热容远大于热侧，冷侧CO2分流可以有效减小回热器温差，提高回热器8性能。再热过程利用高温的EGR热完成，在不增加部件的情况下，实现EGR的完全利用和系统输出功的进一步提升。
上述系统的热源来自柴油机烟气余热，缸套水余热和EGR余热，为此该系统设有四个回路，具体来说：
第一条回路：缸套水从柴油机1出来后在缸套水预热器6中对近临界区CO2进行预热，缸套水温度降低后回到柴油机1中。
第二条回路：柴油机1排出的高温烟气一部分到涡轮增压器4中推动涡轮机做功，做功后仍具有较高能量的烟气在高温烟气换热器9中对全部工质进行加热后温度下降，然后进入低温烟气换热器7对部分工质加热，以保证烟气余热完全利用。
第三条回路：柴油机1的一部分烟气不经过涡轮增压器4与柴油机1进气混合以实现柴油机EGR循环。高温的EGR在与进气混合前经过冷却，这部分冷却能量在EGR再热器11中对经过高压膨胀机10的CO2乏气再次加热。EGR温度降低后通过EGR进气阀2控制与增压后的柴油机进气混合。
第四条回路为CO2动力循环主回路，CO2在整个循环过程中没有相变。工作过程为：超临界CO2通过CO2压缩机5后，经过缸套水预热器6预热。预热后的CO2分为两路，一路进入回热器8加热，另外一路通过低温烟气加热器7加热后两路汇合进入通过高温烟气加热器9加热。随后工质在经过高压膨胀机10做工后，经过EGR再热器11再次加热。再热后的工质在低压膨胀机12中膨胀做工后经过回热器8和冷却器13完成整个循环。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.基于CO2布雷顿循环的柴油机余热源回收系统，其特征在于，包括CO2压缩机、缸套水预热器、高温烟气加热器、回热器、低温烟气加热器、高压膨胀机、EGR再热器、低压膨胀机、冷却器、柴油机、涡轮增压器、EGR控制阀和EGR进气阀；缸套水预热器、低温烟气加热器和回热器之间通过三通阀A相互连通，低温烟气加热器、回热器和高温烟气加热器之间接通过三通阀B相互连通，所述回收系统回收的余热源包括来自柴油机烟气余热，缸套水余热和EGR余热，分为四个回路，具体如下：
第一条回路：缸套水从柴油机出来后在缸套水预热器中对接近临界点的超临界CO2进行预热，缸套水温度降低后回到柴油机中；
第二条回路：柴油机排出的烟气一部分进入至涡轮增压器中推动涡轮机做功，做功后部分烟气在高温烟气加热器中对全部CO2工质进行加热后温度下降，之后进入低温烟气加热器对部分CO2工质加热，以保证烟气余热完全利用；
第三条回路：柴油机的一部分烟气不经过涡轮增压器与柴油机进气混合以实现柴油机EGR循环，高温的EGR在与进气混合前经过冷却，这部分冷却能量在EGR再热器中对经过高压膨胀机的CO2乏气再次加热，EGR温度降低后通过EGR进气阀和EGR控制阀控制与增压后的柴油机进气混合；
第四条回路为CO2动力循环主回路，CO2在整个循环过程中没有相变，工作过程为：超临界CO2通过CO2压缩机后，经过缸套水预热器预热；预热后的CO2分为两路，一路进入回热器加热，另外一路通过低温烟气加热器加热后两路汇合进入通过高温烟气加热器加热，随后CO2工质在经过高压膨胀机做工后，经过EGR再热器再次加热，再热后的CO2工质在低压膨胀机中膨胀做工后经过回热器和冷却器完成整个循环，所述回收系统运行压力小于等于15MPa。
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