CN110821707A - 基于二氧化碳动力循环的柴油机余热利用梯级耦合系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于二氧化碳动力循环的柴油机余热利用梯级耦合系统，包括：工质泵、缸套冷却水换热器、增压中冷换热器、中间换热器、烟气换热器、EGR中冷换热器、膨胀发电一体机、储液罐以及冷凝器。在根据本发明所述的适用于柴油机余热利用的梯级耦合系统中，采用跨临界或超临界二氧化碳动力循环，通过设置不同的换热器，基于按质用能和温度匹配理论将柴油机各梯级余热予以高效回收，已达到提高柴油机效率、降低燃油消耗量的目的。

Description

基于二氧化碳动力循环的柴油机余热利用梯级耦合系统
技术领域
本发明涉及柴油机余热利用技术，特别涉及一种基于二氧化碳动力循环的适用于柴油机余热利用的梯级耦合系统。
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，柴油机余热利用被公认为是最具潜力的节能措施。从目前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％(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等形式被散失到大气中。因此，将柴油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。
现有柴油机余热利用CO2动力循环系统，具有能同时高效回收缸套冷却水和柴油机尾气能量的特点，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，由于柴油机余热热源的温度特性具有温度梯度大、品味差异大等的特点，现有系统的效率不高，热源利用不充分，使得系统输出功率较有机工质偏低，导致系统做功能力和实际应用受到制约。
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，合理充分利用各个柴油机余热热源，则对于柴油机节能降耗会产生有利效果。因此，本发明提出了一种基于二氧化碳动力循环的适用于柴油机余热能利用的梯级耦合系统，以提高系统做功能力，达到柴油机节能减排的目标。
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柴油机余热利用的梯级耦合二氧化碳动力循环系统，能够对各个品味、不同温区的柴油机余热进行合理利用以提高柴油机净功率输出和热效率，进而达到改善柴油机燃油经济性的目的。
本发明所采用的技术方案是：一种基于二氧化碳动力循环的柴油机余热利用梯级耦合系统，包括工质泵，所述工质泵的出口分为第一支路和第二支路，所述第一支路连接缸套冷却水换热器的管程进口，所述缸套冷却水换热器的壳程内通入所述柴油机的缸套冷却水；所述第二支路连接增压中冷换热器的管程进口，所述增压中冷换热器的壳程内通入所述柴油机的增压空气；所述缸套冷却水换热器的管程出口和所述增压中冷换热器的管程出口汇合后连接中间换热器的冷侧流道进口，所述中间换热器的冷侧流道出口分为第三支路和第四支路，所述第三支路连接烟气换热器的管程进口，所述烟气换热器的壳程内通入所述柴油机的排气；所述第四支路内连接EGR中冷换热器的管程进口，所述EGR中冷换热器的壳程内通入所述柴油机的废气；所述烟气换热器的管程出口和所述EGR中冷换热器的管程出口汇合后依次连接膨胀发电一体机、所述中间换热器的热侧流道、冷凝器和储液罐的进口，所述储液罐的出口连接至所述工质泵的进口。
进一步地，所述工质泵的出口通过第一分流阀分为所述第一支路和所述第二支路。
进一步地，所述缸套冷却水换热器的管程出口和所述增压中冷换热器的管程出口通过第一合流阀汇合。
进一步地，所述中间换热器的冷侧流道出口通过第二分流阀分为所述第三支路和所述第四支路。
进一步地，所述烟气换热器的管程出口和所述EGR中冷换热器的管程出口通过第二合流阀汇合。
本发明的有益效果是：本发明基于按质用能和温度匹配原则，由低温区到高温区的换热器合理布置，对柴油机主要余热热源进行综合利用，改善系统吸热能力，继而提高系统工质CO2的质量流量，进一步增加系统做功能力，通过两次分流两次合流的新颖设计，改善系统性能，更好的吸收柴油机多品味、大温度梯度余热以达到节能目的。
附图说明
图1：本发明基于二氧化碳动力循环的柴油机余热利用梯级耦合系统示意图。
附图标注：1、工质泵；2、缸套冷却水换热器；3、增压中冷换热器；4、中间换热器；5、EGR中冷换热器；6、烟气换热器；7、膨胀发电一体机；8、冷凝器；9、储液罐；10、柴油机；
A、第一分流阀；B、第一合流阀；C、第二分流阀；D、第二合流阀；
其中，粗实线表示CO2动力循环；短划线表示柴油机缸套冷却水循环路径；双细实线表示柴油机增压空气中冷循环路径；长划线代表柴油机废气再循环(EGR)中冷循环路径；双细划线代表柴油机排气路径。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如附图1所示，一种基于二氧化碳动力循环的柴油机余热利用梯级耦合系统，包括工质泵1、缸套冷却水换热器2、增压中冷换热器3、中间换热器4、EGR中冷换热器5、烟气换热器6、膨胀发电一体机7、储液罐9、冷凝器8、柴油机10、第一分流阀A、第二分流阀C、第一合流阀B及第二合流阀D等。
所述工质泵1的出口通过第一分流阀A分为第一支路和第二支路，所述第一支路连接所述缸套冷却水换热器2的管程进口，所述缸套冷却水换热器2的壳程内通入所述柴油机10的缸套冷却水；所述第二支路连接所述增压中冷换热器3的管程进口，所述增压中冷换热器3的壳程内通入所述柴油机10的增压空气。所述缸套冷却水换热器2的管程出口和所述增压中冷换热器3的管程出口通过第一合流阀B汇合后连接所述中间换热器4的冷侧流道进口，所述中间换热器4的冷侧流道出口通过第二分流阀C分为第三支路和第四支路，所述第三支路连接所述烟气换热器6的管程进口，所述烟气换热器6的壳程内通入所述柴油机10的排气；所述第四支路内连接所述EGR中冷换热器5的管程进口，所述EGR中冷换热器5的壳程内通入所述柴油机10的再循环废气。所述烟气换热器6的管程出口和所述EGR中冷换热器5的管程出口通过第二合流阀D汇合后依次连接所述膨胀发电一体机7、所述中间换热器4的热侧流道、所述冷凝器8和所述储液罐9的进口，所述储液罐9的出口连接至所述工质泵1的进口。
本发明综合考察柴油机主要余热热源，根据不同热源的温度特性基于按质用能、温度匹配原则予以充分利用，其工作流程为：系统中的工质CO2由工质泵1加压后，成为高压低温流体；接着通过第一分流阀A的设计进行分流分为两路，其中一股工质CO2进入缸套冷却水换热器2，利用柴油机10的缸套水热量加热缸套水换热器中的工质CO2，该股工质CO2吸收柴油机10的缸套水余热，成为较高温度的高压流体；另一股工质CO2则进入增压中冷换热器3，利用柴油机10增压空气的中冷能量加热增压中冷换热器3中的工质CO2，吸收柴油机10的增压空气中冷的热量；两股工质CO2经过第一合流阀B汇合后，统一进入中间换热器4，由工质CO2膨胀后的乏汽热量进行进一步加热；接着工质CO2进行二次分流，通过第二分流阀C，其中一股工质CO2流入烟气换热器6，由柴油机10的高温排气加热烟气换热器6中的工质CO2，吸收柴油机10的排气热量；另一股工质CO2则进入EGR中冷换热器5，利用柴油机10的废气再循环的中冷热量对EGR中冷换热器5中的工质CO2进行加热，吸收柴油机10废气再循环中冷的热量；两股工质CO2在第二合流阀D进行二次合流后，形成高温高压超临界CO2工质，将高温高压超临界CO2工质通入膨胀发电一体机7中膨胀做功并在推动发电机发电；做功后的高温高压超临界CO2仍具有一定的能量，故将其通入中间换热器4完成内部换热进一步利用其热量加热冷测工质，再流入冷凝器8中进行冷凝，变成低温低压的CO2流体，使其重新具备做功能力，最后回流至储液罐9，完成整个CO2循环，并重新回到工质泵1中完成下一次循环，如图1中粗实线所示。针对缸套水换热器，图1中短划线表示柴油机10缸套冷却水循环路径；针对增压中冷换热器3，图1中细双实线部分表示柴油机10增压空气中冷循环路径；针对EGR中冷换热器5，图1中长划线部分表示柴油机10废气再循环中冷循环路径；针对烟气换热器6，图1中双细划线部分表示柴油机10尾气路径。
缸套冷却水换热器2和增压中冷换热器3实现对工质的初步加热功能，即完成缸套冷却水余热和增压中冷余热的利用；中间换热器4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；EGR中冷换热器5和烟气换热器6实现对柴油机10废气再循环中冷余热和尾气热量的利用。
第一分流阀A、第二分流阀C及第一合流阀B、第二合流阀D实现系统分流和合流的目的，同时进行工质质量流量的合理分配和调节控制。
膨胀发电一体机7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9周围布置冷却水路，以确保进入储液罐9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。
本发明通过一次分流及二次分流的新颖设计，基于按质用能和温度匹配理论，实现柴油机各项余热的梯级利用，充分吸收各柴油机余热，使得系统对于余热源能量的利用得以优化，克服了不分流系统效率低、做功能力差的弊端，以改善柴油机效率降低燃油消耗量，对柴油机节减排意义重大。
本发明循环系统适用于跨临界或超临界CO2循环，采用跨临界或超临界CO2作为动力循环，通过设置不同的换热器，通过由低到高的合理温度匹配和分流流量调节控制，将柴油机各梯级余热予以高效回收，最大限度地实现柴油机多品味、大温度梯度范围内的余热的充分利用，以达到柴油机节能和提高系统做功能力的目的。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于二氧化碳动力循环的柴油机余热利用梯级耦合系统，其特征在于，包括工质泵(1)，所述工质泵(1)的出口分为第一支路和第二支路，所述第一支路连接缸套冷却水换热器(2)的管程进口，所述缸套冷却水换热器(2)的壳程内通入柴油机(10)的缸套冷却水；所述第二支路连接增压中冷换热器(3)的管程进口，所述增压中冷换热器(3)的壳程内通入所述柴油机(10)的增压空气；所述缸套冷却水换热器(2)的管程出口和所述增压中冷换热器(3)的管程出口汇合后连接中间换热器(4)的冷侧流道进口，所述中间换热器(4)的冷侧流道出口分为第三支路和第四支路，所述第三支路连接烟气换热器(6)的管程进口，所述烟气换热器(6)的壳程内通入所述柴油机(10)的排气；所述第四支路内连接EGR中冷换热器(5)的管程进口，所述EGR中冷换热器(5)的壳程内通入所述柴油机(10)的废气；所述烟气换热器(6)的管程出口和所述EGR中冷换热器(5)的管程出口汇合后依次连接膨胀发电一体机(7)、所述中间换热器(4)的热侧流道、冷凝器(8)和储液罐(9)的进口，所述储液罐(9)的出口连接至所述工质泵(1)的进口。
2.根据权利要求1所述的一种基于二氧化碳动力循环的柴油机余热利用梯级耦合系统，其特征在于，所述工质泵(1)的出口通过第一分流阀(A)分为所述第一支路和所述第二支路。
3.根据权利要求1所述的一种基于二氧化碳动力循环的柴油机余热利用梯级耦合系统，其特征在于，所述缸套冷却水换热器(2)的管程出口和所述增压中冷换热器(3)的管程出口通过第一合流阀(B)汇合。
4.根据权利要求1所述的一种基于二氧化碳动力循环的柴油机余热利用梯级耦合系统，其特征在于，所述中间换热器(4)的冷侧流道出口通过第二分流阀(C)分为所述第三支路和所述第四支路。
5.根据权利要求1所述的一种基于二氧化碳动力循环的柴油机余热利用梯级耦合系统，其特征在于，所述烟气换热器(6)的管程出口和所述EGR中冷换热器(5)的管程出口通过第二合流阀(D)汇合。
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