CN110273723A - 一种用于内燃机余热回收的分流式二氧化碳动力循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于内燃机余热能利用的三种分流二氧化碳循环系统，即低温分流二氧化碳循环系统、中温分流二氧化碳循环系统和高温分流二氧化碳循环系统，上述三种系统均包括具体部件：工质泵、缸套冷却水换热器、中间换热器、低温级烟气换热器、高温级烟气换热器、膨胀发电一体机以及冷凝器；在根据本发明所述的适用于内燃机余热回收的分流二氧化碳循环系统中，采用跨临界或超临界二氧化碳动力循环，通过不同换热器同时高效的将内燃机尾气和内燃机缸套水的两部分余热充分吸收利用，采用分流系统进一步提高系统做功能力。

Description

一种用于内燃机余热回收的分流式二氧化碳动力循环系统

技术领域

本发明属于内燃机余热回收利用领域，具体为提出了三种适用于内燃机余热回收的分流二氧化碳循环系统，特别涉及一种用于内燃机余热回收的分流式二氧化碳动力循环系统。

背景技术

节能与减排已成为国内外主要动力装置追求的目标之一，内燃机余热利用被公认为是最具潜力的节能措施。从目前内燃机的能量平衡来看，动力输出功率一般只占燃油燃烧总热量的30％-45％(柴油机),其余超过60％的余热能量并没有得到利用，而是通过冷却回路的散热以及排气被排放到大气中。因此，将内燃机的余热能回收再利用是提高总能效率、降低油耗的一个有效途径。

现有内燃机余热回收CO₂动力循环系统，具有能同时高效回收缸套冷却水和发动机尾气能量的特点，且结构较为简单，具备小型化和轻量化的优势，在余热能利用方面受到了广泛的关注和研究。但是，由于其系统效率不高，输出功率较有机工质偏低，使得系统做功能力受到制约。

针对以上背景和技术现状，如果能够进一步提高系统做功能力，则对于内燃机节能降耗产生有利效果。因此，本发明提出了三种适用于内燃机余热能回收的低温分流、中温分流和高温分流CO₂动力循环系统，以提高系统做功能力。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供适用于内燃机余热回收的分流二氧化碳循环系统，在提高能量利用率的基础上，同时高效回收缸套冷却水能量和发动机尾气能量，进而达到改善内燃机燃油经济性的目的。

为实现本发明的目的，以下对采用的技术方案进行说明。

内燃机余热回收分流二氧化碳循环系统的组成部分包括：1个储液罐、1个工质泵、1个缸套水预热器、1个中间换热器、1个低温级烟气换热器、1个高温级烟气换热器、1个冷凝器、1 个膨胀发电一体机、2个分流阀装置以及内燃机。

低温分流系统所采用的技术方案是：

S1,二氧化碳工质经过工质泵升压后，成为高压低温流体；

S2,通过分流阀A的设计进行分流，分流后的工质，其中一股经由缸套冷却水预热器和低温级烟气换热器依次加热，成为较高温度的高压流体；另一股工质经中间换热器加热，吸收膨胀后的高温低压乏汽能量；这两股二氧化碳再经过合流阀B汇合后，统一由高温级烟气换热器进一步加热，得到高温高压的超临界二氧化碳流体；

S3,将其通入膨胀发电一体机中做功发电，其乏汽进入中间换热器进一步利用其热量加热冷测工质，

S4,进入冷凝器中进行冷却，变成低温低压的二氧化碳流体，使其重新具备做功能力回流至储液罐中，完成整个CO₂循环。

中温分流系统所采用的技术方案是：

S1,二氧化碳工质经由工质泵升压后，成为高压低温流体；

S2,通过分流阀A的设计进行分流后，由缸套冷却水预热器、中间换热器组成一个分流支路，由低温级烟气蒸发器组成另一个分流支路，二氧化碳工质分别通过这两个分流支路进行分别的加热，成为较高温度的高压流体；这两股二氧化碳经合流阀B汇合后，统一经高温级烟气蒸发器5进一步加热，得到高温高压的超临界二氧化碳流体；

S3,将其通入膨胀发电一体机中做功发电，其乏汽进入中间换热器完成内部换热进一步利用其热量加热冷测工质，

S4,进入冷凝器中进行冷却，变成低温低压的二氧化碳流体，使其重新具备做功能力后，最后回流至储液罐，完成整个CO₂循环。。

高温分流系统所采用的技术方案是：

S1,二氧化碳工质经由工质泵升压后，成为高压低温流体；

S2,将工质全部通入缸套冷却水预热器进行加热，以充分吸收和利用发动机缸套水余热热量；之后由分流阀A进行分流设计，由中间换热器组成一分流支路，由低温级烟气蒸发器组成另一个分流分路，二氧化碳分别通过这两个分流支路进行分别的加热成为较高温度的高压流体；这两股二氧化碳经合流阀B汇合后，统一经过高温级烟气蒸发器进一步加热，得到高温高压的超临界二氧化碳；

S3，将其通入膨胀发电一体机中做功发电，其乏汽进入中间换热器加热缸套冷却水出口后的部分分流冷工质，

S4,进入冷凝器中进行冷却重新具备做功能力并流回至储液罐中，完成整个CO₂循环。

有益效果

1、本发明采用不同位置的高中低温分流系统来改善系统吸热能力，继而提高系统工质质量流量，进一步增加系统做功能力，通过烟气换热器前的一系列分流设计，改善系统性能，更好的吸收内燃机尾气余热和缸套冷却水热量，达到节能目的。

2、本发明具体针对低温分流系统，其设计思路为解决二氧化碳动力循环系统效率较低的问题，通过中间换热器与低温分流结合的设计，最大限度地利用膨胀机做功后的乏汽的能量，使其循环效率提高。

3、本发明具体针对中温分流系统，通过改善对于发动机缸套水余热热源的利用，即提高系统热源利用率，增加二氧化碳吸热量，提高工质的质量流量，使得系统做功能力增强。

4、本发明具体针对中温分流系统，在保持系统热效率提高的基础上，对于缸套水热源的利用率亦能够维持较高水平，兼顾系统热效率和发动机热源利用率高的两层特点，提高系统做功能力。

附图说明

图1为低温分流CO₂动力循环系统。

图2为中温分流CO₂动力循环系统。

图3为高温分流CO₂动力循环系统。

其中：粗实线表示CO₂动力循环；粗虚线表示内燃机缸套冷却水循环路径；双细实线表示内燃机尾气循环路径。

具体实施方式

以下结合附图并通过实施例对本发明的原理与设置方案做进一步的说明。需要在此说明的是，本实施例是叙述性的，而非限定性的，不以此限定本发明的保护范围。

本发明的内燃机余热回收分流二氧化碳循环系统的组成部分包括：1个储液罐、1个工质泵、1个缸套水预热器、1个中间换热器、1个低温级烟气换热器、1个高温级烟气换热器、1 个冷凝器、1个膨胀发电一体机、2个分流阀装置以及内燃机。

低温分流系统所采用的技术方案是：内燃机的排气依次加热高温级烟气换热器和低温级烟气换热器，缸套冷却水加热预热器，经工质泵升压后的CO₂工质分流为两路，其中一股工质进入缸套冷却水预热器和低温级的烟气换热器，另一股则通过中间换热器加热，在各自出口处汇合后进入高温级烟气换热器继续加热，得到高温高压的超临界CO₂，进入膨胀机中做功并在发电机中发电。如附图1所示，低温分流CO₂动力循环系统的部件组成包括：工质泵、分流阀、缸套冷却水预热器、中间换热器、低温级蒸发器、合流阀、高温级蒸发器、膨胀发电一体机、冷凝器及储液罐。其系统结构具体组成为：二氧化碳工质经过工质泵1升压后，成为高压低温流体。接着通过一分流阀A的设计进行分流，分流后的工质，其中一股经由缸套冷却水预热器2和低温级烟气换热器4依次加热，成为较高温度的高压流体。另一股工质经中间换热器3加热，吸收膨胀后的高温低压乏汽能量。这两股二氧化碳再经过合流阀B汇合后，统一由高温级烟气换热器5进一步加热，得到高温高压的超临界二氧化碳流体。将其通入膨胀发电一体机6中做功发电，其乏汽进入中间换热器3进一步利用其热量加热冷测工质，接着进入冷凝器7中进行冷却，变成低温低压的二氧化碳流体，使其重新具备做功能力，最后回流至储液罐8中，完成整个CO₂循环。

中温分流系统所采用的技术方案是：与低温分流系统的不同之处在于分流后进入的换热器不同。中温分流系统经工质泵升压后分流，其中一股工质直接进入低温级烟气换热器，另一股工质进入缸套水预热器和中间换热器，在各自的出口处汇合后进入高温级烟气换热器继续加热，得到高温高压的超临界CO₂，进入膨胀机中做功并在发电机中发电，依次实现内燃机尾气余热和缸套冷却水余热的利用，达到内燃机节能和提高系统做功能力的目的。如附图2 所示，中温分流CO₂动力循环系统包括的部件与低温分流系统相同，内燃机缸套水循环和尾气排放路径均相同，分别如附图2中虚线和双细实线表示，在分流后进入的换热器有所不同。其系统结构具体组成为：二氧化碳工质经由工质泵1升压后，成为高压低温流体。接着通过一分流阀A的设计进行分流后，由缸套冷却水预热器2、中间换热器3组成一个分流支路，由低温级烟气蒸发器4组成另一个分流支路，二氧化碳工质分别通过这两个分流支路进行分别的加热，成为较高温度的高压流体。这两股二氧化碳经合流阀B汇合后，统一经高温级烟气蒸发器5进一步加热，得到高温高压的超临界二氧化碳。将其通入膨胀发电一体机6中做功发电，其乏汽进入中间换热器3完成内部换热进一步利用其热量加热冷测工质，接着进入冷凝器7中进行冷却，变成低温低压的二氧化碳流体，使其重新具备做功能力后，最后回流至储液罐8，完成整个CO₂循环，如图中粗实线所示。针对缸套水预热器2，虚线部分为内燃机缸套水循环路径，这对低温级和高温级烟气蒸发器，附图中细双实线部分为内燃机尾气排气路径。

高分流系统所采用的技术方案是：与中温分流系统不同之处在于分流位置的改变，从工质泵出口处变为缸套水预热器出口处，分为两路，一路经中间换热器，与另一路经低温级烟气换热器后的工质汇合，进入高温级蒸发器中，继而膨胀做功。如附图3所示，高温分流CO₂动力循环系统包括的部件与中温分流系统相同，内燃机缸套水循环和尾气排放路径均相同，分别如附图3中虚线和双细实线表示，在分流位置处有所区别。其系统结构具体组成为：二氧化碳工质经由工质泵1升压后，成为高压低温流体。接着先全部通入缸套冷却水预热器进行加热，以充分吸收和利用发动机缸套水余热热量。之后由分流阀A进行分流设计，由中间换热器3组成一分流支路，由低温级烟气蒸发器4组成另一个分流分路，二氧化碳分别通过这两个分流支路进行分别的加热成为较高温度的高压流体。这两股二氧化碳经合流阀B汇合后，统一经过高温级烟气蒸发器5进一步加热，得到高温高压的超临界二氧化碳。将其通入膨胀发电一体机6中做功发电，其乏汽进入中间换热器3加热缸套冷却水出口后的部分分流冷工质，接着进入冷凝器7中进行冷却重新具备做功能力并流回至储液罐8中，完成整个循环。如附图3中粗实现所示。

缸套冷却水预热器实现对工质的初步加热功能，即完成缸套冷却水余热的利用；中间换热器实现膨胀后的高温低压工质对低温高压工质的加热功能，即完成系统内部热量的再利用；低温级和高温级烟气蒸发器实现对内燃机尾气热量的利用。

分流阀A及合流阀B实现系统分流和合流的目的。

膨胀发电一体机6可实现由CO₂工质内能向动能的转变，经发电机高效完成动能向电能的转变。

储液罐8周围布置冷却水路，以确保进入储液罐8的CO₂已被完全冷却至饱和液态。

CO₂作为本发明系统循环工质，适用于跨临界循环和超临界循环。

本发明通过采用低温分流、中温分流和高温分流设计，使得系统对于余热源能量的利用提升，克服了不分流系统效率低、做功能力差的弊端，对内燃机节能减排技术的提高意义重大。

应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种用于内燃机余热回收的分流式二氧化碳动力循环系统，包括储液罐、工质泵、缸套水预热器、中间换热器、低温级烟气换热器、高温级烟气换热器、冷凝器、膨胀发电一体机、分流阀、合流阀和内燃机，其特征在于，实现低温二氧化碳分流。具体包括如下步骤：

S1,二氧化碳工质经过工质泵升压后，成为高压低温流体；

S2,通过分流阀A的设计进行分流，分流后的工质，其中一股经由缸套冷却水预热器和低温级烟气换热器依次加热，成为较高温度的高压流体；另一股工质经中间换热器加热，吸收膨胀后的高温低压乏汽能量；这两股二氧化碳再经过合流阀B汇合后，统一由高温级烟气换热器进一步加热，得到高温高压的超临界二氧化碳流体；

S3,将其通入膨胀发电一体机中做功发电，其乏汽进入中间换热器进一步利用其热量加热冷测工质；

S4,进入冷凝器中进行冷却，变成低温低压的二氧化碳流体，使其重新具备做功能力回流至储液罐中，完成整个CO₂循环。

2.一种用于内燃机余热回收的分流式二氧化碳动力循环系统，包括储液罐、工质泵、缸套水预热器、中间换热器、低温级烟气换热器、高温级烟气换热器、冷凝器、膨胀发电一体机、分流阀、合流阀和内燃机，其特征在于，实现中温二氧化碳分流。具体包括如下步骤：

S1,二氧化碳工质经由工质泵升压后，成为高压低温流体；

S2,通过分流阀A的设计进行分流后，由缸套冷却水预热器、中间换热器组成一个分流支路，由低温级烟气蒸发器组成另一个分流支路，二氧化碳工质分别通过这两个分流支路进行分别的加热，成为较高温度的高压流体；这两股二氧化碳经合流阀B汇合后，统一经高温级烟气蒸发器进一步加热，得到高温高压的超临界二氧化碳流体；

S3,将其通入膨胀发电一体机中做功发电，其乏汽进入中间换热器完成内部换热进一步利用其热量加热冷测工质；

S4,进入冷凝器中进行冷却，变成低温低压的二氧化碳流体，使其重新具备做功能力后，最后回流至储液罐，完成整个CO₂循环。

3.一种用于内燃机余热回收的分流式二氧化碳动力循环系统，包括储液罐、工质泵、缸套水预热器、中间换热器、低温级烟气换热器、高温级烟气换热器、冷凝器、膨胀发电一体机、分流阀、合流阀和内燃机，其特征在于，实现中温二氧化碳分流。具体包括如下步骤：

S1,二氧化碳工质经由工质泵升压后，成为高压低温流体；

S2,将工质全部通入缸套冷却水预热器进行加热，以充分吸收和利用发动机缸套水余热热量；之后由分流阀A进行分流设计，由中间换热器组成一分流支路，由低温级烟气蒸发器组成另一个分流分路，二氧化碳分别通过这两个分流支路进行分别的加热成为较高温度的高压流体；这两股二氧化碳经合流阀B汇合后，统一经过高温级烟气蒸发器进一步加热，得到高温高压的超临界二氧化碳；

S3，将其通入膨胀发电一体机中做功发电，其乏汽进入中间换热器加热缸套冷却水出口后的部分分流冷工质；

S4,进入冷凝器中进行冷却重新具备做功能力并流回至储液罐中，完成整个CO₂循环。