CN110017183A - 发动机用双循环余热回收发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于余热回收技术领域，涉及一种发动机用双循环余热回收发电系统，该系统包括发动机排气余热回收系统(基于超临界CO2布雷顿循环)和发动机冷却液余热回收系统(基于有机朗肯循环系统)。本发明利用超临界CO2布雷顿循环回收发动机排气余热，利用有机朗肯循环回收发动机冷却液余热。通过结合上述两种热力循环的优点，充分利用发动机高、中、低品位的热能，从而达到“温度对口，梯级利用”的目的。相较于现有的技术方案，本发明具有结构紧凑、余热能利用率较高的优点，具有较为广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于余热回收技术领域，涉及一种利用超临界CO2布雷顿循环回收发动机排气余热和利用有机朗肯循环回收冷却液余热的双循环余热回收发电系统。
背景技术
从发动机的能量平衡来看，输出的有效功率一般只占燃油燃烧总热量的 30％-45％(柴油机)或20％-30％(汽油机)，余热能量主要通过排气和冷却介质 (冷却液、机油散热等)被排放到大气中。由此可以看出，发动机余热能回收利用技术具有广泛的应用空间。
发动机运行时，通过排气系统和冷却系统散失的余热能具有不同的热力状态和属性，其中排气余热属于中高温余热，冷却水余热属于低温余热。因此，如何设计余热回收系统同时回收排气和冷却液的余热能，以提高发动机的热效率具有很大的挑战性。目前在众多余热回收技术中，超临界CO2布雷顿循环与有机朗肯循环因其系统简单、结构紧凑、效率高，被认为在余热发电领域具有良好的应用前景。其中超临界CO2布雷顿循环运行在中高温区域，主要用于回收发动机排气余热。超临界CO2布雷顿循环是以CO2作为循环工质，CO2具有相对稳定的化学性质、良好的物理性能、可靠的安全性，价格低廉以及易于获取等优点，并且CO2的临界温度和临界压力相对较低，易达到超临界状态。当CO2处于超临界状态，其气体粘性小和液体密度大的特殊物理特性，使其具有流动性好、传热效率高、可压缩性小等典型优势，适合用于热力循环。有机朗肯循环采用低沸点的有机物取代水作为循环工质时，有利于通过蒸发从冷却液中吸收余热，同时也有利于与超临界CO2布雷顿循环进行联合工作。
结合上述两种热力循环的优点，本发明提出了一种超临界CO2布雷顿循环加有机朗肯循环的双循环余热回收发电系统。
发明内容
本发明的目的是为了提出一种能够同时回收发动机排气和冷却系统余热的双循环余热回收系统，从而将低品位的余热能转化为高品位的电能。针对发动机排气余热与冷却液余热温度差异大的特点，利用超临界CO2布雷顿循环加有机朗肯循环的双循环余热回收方式，充分利用发动机高、中、低品位的热能，从而达到“温度对口，梯级利用”的目的。为了实现上述目标，本发明采用如下的技术解决方案：
本发明所提出的发动机双循环余热回收发电系统，主要由发动机排气余热回收系统和发动机冷却液余热回收系统组成。所述发动机排气余热回收系统基于超临界CO2布雷顿循环，所述发动机冷却液余热回收系统基于有机朗肯循环。发动机排气余热回收系统和发动机冷却液余热回收系统通过预热器耦合在一起；
上述的发动机排气余热回收系统，包括发动机排气通路、蒸发器、压缩机、涡旋膨胀机、发电机、预热器、储气罐和相应的连接管路组成。储气罐中低温低压的超临界CO2工质经过压缩机升压后进入蒸发器吸收发动机排气余热，高温高压的工质进入涡旋膨胀机，从而带动发电机发电，工质做功后经预热器冷却后进入储气罐，完成一个闭式循环。
上述的发动机冷却液余热回收系统，包括蒸发器、单螺杆膨胀机、冷凝器、风扇、储液罐、工质泵、预热器以及工质管路。工质泵从储液罐中将液态有机工质加压后送入预热器中，吸收发动机排气余热回收系统中超临界CO2工质的热量，预热后的低温有机工质处于气液两相状态，进入蒸发器吸收发动机冷却液的热量，吸热后的低温循环有机工质被蒸发为饱和蒸气或过热蒸气，气态有机工质进入并推动单螺杆膨胀机，从而带动发电机发电，膨胀后的有机工质进入冷凝器被冷却为饱和液体并流回储液罐，完成一个闭式循环。风扇用于加快冷凝器中有机工质的冷却。
与现有的技术方案相比，本发明针对发动机不同品位的余热能特性，结合超临界CO2布雷顿循环和有机朗肯循环的优势，将发动机余热能充分加以利用，从而达到提高发动机热效率和节能减排的目的。
附图说明
附图是发动机用双循环余热回收系统的示意图；
1、风扇；2、冷凝器；3、发动机；4、储液罐；5、工质泵；6、蒸发器I； 7、储气罐；8、压气机；9、涡旋膨胀机；10、14发电机；11、预热器；12、蒸发器II；13、单螺杆膨胀机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明的发动机用双循环余热回收发电系统，其连接关系如图1所示，包括发动机排气余热回收系统和发动机冷却液余热回收系统。上述的发动机排气余热回收系统，包括发动机(3)、排气通路、蒸发器I(6)、储气罐(7)、压气机(8)、涡旋膨胀机(9)、发电机(10)、预热器(11)以及连接管路。上述发动机冷却液余热回收系统，包括发动机(3)、冷却液通路、储液罐(4)、工质泵(5)、预热器(11)、蒸发器II(12)、单螺杆膨胀机(13)、发电机(14)、冷凝器(2)、风扇(1)以及连接管路。
上述发动机用双循环余热回收发电系统内各部件的连接关系是：
发动机排气余热回收系统各部件的连接关系是：发动机(3)排气经排气通路与蒸发器I(6)相连；蒸发器I(6)、涡旋膨胀机(9)、预热器(11)、储气罐(7)以及压气机(8)首尾相连；涡旋膨胀机(9)输出轴与发电机(10)输入轴相连。
发动机冷却液余热回收系统各部件的连接关系是：储液罐(4)、工质泵(8)、预热器(11)、蒸发器(12)、单螺杆膨胀机(13)、冷凝器(2)通过管路首尾相连。风扇(1)用于加快冷凝器(2)中有机工质的冷却，单螺杆膨胀机(13)输出轴与发电机(14)输入轴相连。
本发明的工作原理如下：发动机运行稳定后，排气经蒸发器I(6)放热后排入大气中；储气罐(7)中低温低压的超临界CO2工质经过压缩机(8)升压后进入蒸发器I(6)吸收发动机排气余热，高温高压的超临界CO2工质进入涡旋膨胀机(9)，从而带动发电机(10)发电，超临界CO2工质做功后经预热器 (11)将热量传递给液态有机工质，随后回到储气罐(7)中。与此同时，储液罐(4)中的液态有机工质经工质泵(5)加压后，进入预热器(11)中吸收来自超临界CO2工质的热量，预热后的低温有机工质处于气液两相状态，再经过蒸发器II(12)，继续吸收从发动机水套流出的冷却液的热量，吸热后的有机工质被蒸发为饱和蒸气或过热蒸气，随后进入单螺杆膨胀机(13)，带动发电机(14) 发电，做功后的乏气经冷凝器(2)冷却到饱和液体状态并流回到储液罐(4)中。
Claims (4)
1.发动机用双循环余热回收发电系统，其特征在于：该系统包括发动机排气余热回收系统和发动机冷却液余热回收系统。所述发动机排气余热回收系统基于超临界CO2布雷顿循环，所述发动机冷却液余热回收系统基于有机朗肯循环。发动机排气余热回收系统和发动机冷却液余热回收系统通过预热器耦合在一起；所述的发动机排气余热回收系统包括发动机(3)、排气通路、蒸发器I(6)、储气罐(7)、压气机(8)、涡旋膨胀机(9)、发电机(10)、预热器(11)以及连接管路；所述发动机冷却液余热回收系统，包括发动机(3)、冷却液通路、储液罐(4)、工质泵(5)、预热器(11)、蒸发器II(12)、单螺杆膨胀机(13)、发电机(14)、冷凝器(2)、风扇(1)以及连接管路；
发动机排气余热回收系统各部件的连接关系是：发动机(3)排气经排气通路与蒸发器I(6)相连；蒸发器I(6)、涡旋膨胀机(9)、预热器(11)、储气罐(7)以及压气机(8)首尾相连；涡旋膨胀机(9)输出轴与发电机(10)输入轴相连；
发动机冷却液余热回收系统各部件的连接关系是：储液罐(4)、工质泵(8)、预热器(11)、蒸发器(12)、单螺杆膨胀机(13)、冷凝器(2)通过管路首尾相连；风扇(1)用于加快冷凝器(2)中有机工质的冷却，单螺杆膨胀机(13)输出轴与发电机(14)输入轴相连。
2.根据权利要求1所述的发动机用双循环余热回收发电系统，其特征在于：该系统利用超临界CO2布雷顿循环回收发动机排气余热，利用有机朗肯循环回收发动机冷却液余热的双循环余热回收发电系统；其中超临界CO2布雷顿循环运行在中高温区，主要用于回收发动机排气余热。当CO2处于超临界状态，其气体粘性小和液体密度大的特殊物理特性，使其具有流动性好、传热效率高、可压缩性小等典型优势，适合用于热力循环；有机朗肯循环运行在低温区，采用低沸点的有机物取代水作为循环工质，有利于通过蒸发从冷却液中吸收余热，同时也有利于与超临界CO2布雷顿循环进行联合工作。
3.根据权利要求1所述的发动机排气余热回收系统，其特征在于：发动机运行稳定后，排气经蒸发器I(6)放热后排入大气中；储气罐(7)中低温低压的超临界CO2工质经过压缩机(8)升压后进入蒸发器I(6)吸收发动机排气余热，高温高压的超临界CO2工质进入涡旋膨胀机(9)，从而带动发电机(10)发电，超临界CO2工质做功后经预热器(11)将热量传递给液态有机工质，随后回到储气罐(7)中。
4.根据权利要求1所述的发动机冷却液余热回收系统，其特征在于：储液罐(4)中的液态有机工质经工质泵(5)加压后，进入预热器(11)中吸收来自超临界CO2工质的热量，预热后的低温有机工质处于气液两相状态，再经过蒸发器II(12)，继续吸收从发动机水套流出的冷却液的热量，吸热后的有机工质被蒸发为饱和蒸气或过热蒸气，随后进入单螺杆膨胀机(13)，带动发电机(14)发电，做功后的乏气经冷凝器(2)冷却到饱和液体状态并流回到储液罐(4)中。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20200714 Address after: 067000 Chengde higher education zone, Hebei, Minzu Normal College of Hebei Applicant after: HEBEI NORMAL University FOR NATIONALITIES Address before: 067000 No. 2 College Road, Chengde Development Zone, Hebei Province Applicant before: Hebei Petroleum University of Technology |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190716 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |