CN109989848A - 一种用于内燃机排气多品质余热的梯级回收系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种用于内燃机排气多品质余热的梯级回收系统，包括两级余热回收回路，两级余热回收回路组成如下：一级回路包括蒸发器、汽轮机、冷凝器等；二级回路包括能量储存池、低温差斯特林发动机。工作过程中，一级回路根据朗肯循环原理，工质水被高品质的排气能量加热、产生相变，并膨胀做功推动汽轮机旋转；二级回路根据概括性卡诺循环原理，汽轮机排出的二次废气中剩余的能量储存于能量储存池中，为低温差斯特林发动机提供稳定热源，使其连续工作。控制单元管理系统的运行，能量评估单元进行系统参数、效率的计算。本发明实现了能量的梯级回收利用，能量转换效率高、工作可靠。

Description

一种用于内燃机排气多品质余热的梯级回收系统

技术领域

本发明涉及的是一种内燃机余热回收装置。

背景技术

能源是人类生存和发展的重要物质基础，随着社会发展，能源消耗量日益 增加，其中化石能源的消耗在能源总消耗量中占有很大的比重。近年来，经济 飞速发展，内燃机的需求量和使用量大大提高，但是其能量利用率较低，仅有 大约40％的燃油能量转化为机械能，其他热量则通过尾气和冷却水释放到大气 环境中心。

内燃机是目前效率最高的动力机械，但排气中的能量占燃料燃烧总能量的 30％左右。排气能量品质较高，具有很强的做功能力，回收利用潜力大。目前， 对于排气余热回收的技术尚处于不断研究提高中，目前已有一些形式的余热回 收技术。

在申请号为201810934630.4的专利《基于复叠朗肯循环和两级水蓄热的工 业余热回收发电系统》中，包括余热回收蓄热回路、一级蒸汽朗肯循环发电回 路和二级有机朗肯循环发电回路，当系统处于正常工作模式时，水工质吸收余 热介质中的热量，吸热后的水工质可处于液态，气态或气液两相，通过复叠朗 肯循环将热量转换为功，而液态水品位较低，通过二级有机朗肯循环将热量转 换为功。该专利所述系统设备数量较多，结构复杂，对于一般功率内燃机实用 性不强。

目前已知的发动机尾气余热回收技术处于研究改进阶段，存在热回收效率 低，可靠性差，系统结构复杂等诸多缺点，严重制约了尾气余热回收能力。

发明内容

本发明的目的在于提供解决目前发动机尾气余热回收装置热回收效率低、 可靠性差、系统结构复杂等诸多缺点的一种用于内燃机排气多品质余热的梯级 回收系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种用于内燃机排气多品质余热的梯级回收系统，其特征是：包括 内燃机、蒸发器、冷凝器、汽轮机、能量储存池、低温差斯特林发动机，内燃 机尾气接入排气管，排气管里的尾气连通蒸发器，并经过蒸发器的废气通道进 入蒸发器排气管路，能量储存池包括能量储存池箱体，能量储存池箱体里设置 盘管管路，能量储存池箱体里充有换热工质，蒸发器排气管路与盘管管路相通， 低温差斯特林发动机的热缸伸入至能量储存池箱体里的换热工质中，汽轮机的 蒸汽入口通过管路连通蒸发器的蒸汽出口，汽轮机的乏蒸汽出口连通冷凝器的 乏蒸汽入口，冷凝器的水工质出口通过循环水泵连接蒸发器的水工质进口，冷 凝器的冷凝出口和冷凝进口分别连通冷凝管路的两端，冷凝管路上安装冷凝水 泵，汽轮机连接第一发电机，低温差斯特林发动机连接第二发电机。

本发明还可以包括：

1、所述汽轮机为轴流式三级汽轮机，所述冷凝器为气液两相冷凝器，低温 差斯特林发动机为β型传动结构。

2、所述能量储存池箱体里的换热工质为石蜡油，能量储存池和冷凝器外层 壁面均通过石棉层保温。

本发明的优势在于：

本发明提出了能量梯级利用系统，对能量实现了两级回收利用。两级回路 由排气管实现串联，通过朗肯循环原理和概括性卡诺循环原理实现排气能量的 梯级回收利用，提高能量利用率。

一级回路中，蒸发器3实现对内燃机排气热量回收，排气余热使蒸馏水相 变为高温蒸气，并推动汽轮机4工作，对外做功输出。

二级回路中，能量储存池8来作为低温差斯特林8的热源，具有热源稳定、 受热均匀等优点，持续加热低温差斯特林15，提高排气能量回收系统的可行性、 稳定性、适用范围广。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为能量储存池与低温差斯特林发动机示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-2，本发明一种用于内燃机排气多品质余热的梯级回收系统，排 气能量梯级利用系统包括内燃机1、两级余热利用回路、控制单元12、能量评 估单元13、传感器等。所述两级余热利用回路包括：

一级回路包括蒸发器3、汽轮机4、冷凝器5、冷凝水泵6、循环水泵7； 所述蒸发器3上端蒸气工质出口连通汽轮机4的蒸气入口，下端水工质进口经 由循环水泵7连通冷凝器5出口；所述汽轮机4蒸气入口连通蒸发器3蒸气出 口，乏蒸气出口连通冷凝器5入口，同时连接发电机10；所述冷凝器5一侧连 接汽轮机4、循环水泵，其另一侧与冷凝水泵6连接；

二级回路包括能量储存池8、低温差斯特林发动机9；所述能量储存池8中 排气管2为盘管形式穿过；所述斯特林发动机9热缸安装在能量储存池8上， 同时与发电机11连接；

一级回路中，高品质的排气能量加热工质水，使其变为蒸气状态，高温蒸 气在汽轮机9中膨胀做功，进而通过发电机10输出电能，乏蒸气经冷凝器冷却 后成为液态，重新进入一级回路循环；二级回路中，低品质的排气余热加热能 量储存池8内工质，使其保持恒温，保证低温差斯特林发动机9热源稳定，持 续工作；

蒸发器3为气液两相换热器，排气余热使工质水相变生成高温蒸气，换热 性能好；汽轮机4为轴流式三级汽轮机，高温蒸气作用其旋转做功；冷凝器5 为气液两相冷凝器，使乏蒸气冷却为工质水，换热性能好；能量储存池8包括 能量储存池箱体14、盘管管路15，能量储存池8内部具有用于排气流动的盘管 管路15，其足够大的空间能够确保能量的连续存储，外部由隔热层包围，降低 能量损失；低温差斯特林发动9机为β型结构，薄壁气缸嵌入，强化换热，实 现低品质能量的高效利用。

根据权利要求1所述的排气多品质余热的两级回收系统，汽轮机4为轴流 式三级汽轮机，高温蒸气在汽轮机中膨胀做功，通过发电机10输出电能。

能量储存池8中的工质为石蜡油，具有高沸点、高闪点、高比热容的特点， 用于储存排气余热，并加热斯特林发动机9热缸。

能量储存池8中排气在盘管管路15中通过，增加排气流动、换热的时间， 使容器内的温度更加均匀，为低温差斯特林15提供稳定的热源；外部由隔热层 包围，降低能量损失。

汽轮机4和低温差斯特林发动机9分别与发电机10、发电机11相连接， 由能量管理模块20对电能进行合理利用。

全部管路和能量储存池等换热区域均采用保温绝热的石棉材料，对装置能 量起到很好的隔热效果。

控制单元12实现对于系统运行的监测控制，能量评估单元13实现对系统 输出电能的管理控制以及参数的相关分析计算。

工作时内燃机1的排气经由排气管2进入蒸发器4中，加热蒸馏水，相变 为高温蒸气。过热蒸汽在汽轮机4中膨胀做功，乏蒸气在冷凝器5中被冷却后 重新流入蒸发器3中。冷凝水泵6、循环水泵7为一级回路提供循环动力，完 成一级回路余热回收和对外输出；排气从蒸发器4排出后进入能量储存池8中， 在盘管管路15中加热石蜡油，能量储存池8为低温差斯特林发动机9提供热源， 使其工作对外做功，完成二级回路余热回收和对外输出。

本发明提出的汽轮机4和斯特林发动机9并联工作是能量梯级利用的主要 输出部件，过热蒸汽在汽轮机中膨胀做功，带动发电机，实现能量回收；通过 蒸发器后的排气能量再次用于加热低温差斯特林，提高能量利用率。

本发明提出的能量储存池8是二级回路介质石蜡油的储存装置，实现对排 气能量的储存的二次回收。在能量储存池8中，排气在螺旋管道中加热石蜡油， 使低温差斯特林发动机9热源温度均匀，有充分的换热。此外，在能量储存池 8外侧用石棉层保温，同样，冷凝器5的外层壁面和其他管路外，均用石棉层 保温，减少介质在流动过程中的热量损失，提高能量回收率。

本发明采用低温差斯特林发动机9的热缸直接安装于能量储存池14内，使 二级回路介质石蜡油直接与低温差斯特林发动机9热缸接触，充分加热。

系统工作时，内燃机1排气通过排气管路进入蒸发器3中，介质水在冷凝 器4中被排气加热生成高温蒸气，然后在汽轮机4中膨胀做功，推动汽轮机工 作，最后经发电机1输出电能。其中，冷凝水泵16、循环水泵5的推动工质的 流动，保证一级回路工作顺畅，实现能量的第一级利用。

排气进入能量储存池8的盘管管路15中，加热其中的石蜡油介质，能量储 存池8实现了对二级回路介质能量的储存。如图2所示，在能量储存池8中， 排气在能量储存池内部螺旋线管路中流动，向低温差斯特林发动机15提供稳定 热源，斯特林发动机9做功，经发电机2发电，实现能量的第二级利用。

Claims (3)

1.一种用于内燃机排气多品质余热的梯级回收系统，其特征是：包括内燃机、蒸发器、冷凝器、汽轮机、能量储存池、低温差斯特林发动机，内燃机尾气接入排气管，排气管里的尾气连通蒸发器，并经过蒸发器的废气通道进入蒸发器排气管路，能量储存池包括能量储存池箱体，能量储存池箱体里设置盘管管路，能量储存池箱体里充有换热工质，蒸发器排气管路与盘管管路相通，低温差斯特林发动机的热缸伸入至能量储存池箱体里的换热工质中，汽轮机的蒸汽入口通过管路连通蒸发器的蒸汽出口，汽轮机的乏蒸汽出口连通冷凝器的乏蒸汽入口，冷凝器的水工质出口通过循环水泵连接蒸发器的水工质进口，冷凝器的冷凝出口和冷凝进口分别连通冷凝管路的两端，冷凝管路上安装冷凝水泵，汽轮机连接第一发电机，低温差斯特林发动机连接第二发电机。

2.根据权利要求1所述的一种用于内燃机排气多品质余热的梯级回收系统，其特征是：所述汽轮机为轴流式三级汽轮机，所述冷凝器为气液两相冷凝器，低温差斯特林发动机为β型传动结构。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于内燃机排气多品质余热的梯级回收系统，其特征是：所述能量储存池箱体里的换热工质为石蜡油，能量储存池和冷凝器外层壁面均通过石棉层保温。