CN110905619B - 一种用于内燃机余热回收的混合工质朗肯循环系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于内燃机余热回收的混合工质朗肯循环系统，包括烟气换热器(8)、缸套水换热器(7)、增压空气换热器(6)、高温回热器(10)、低温回热器(12)、分液冷凝器(1)、第一工质泵(4)、第二工质泵(5)、第一储液罐(2)、第二储液罐(3)以及高温膨胀机(9)和低温膨胀机(11)。本发明公开的一种用于内燃机余热回收的混合工质朗肯循环系统，其可按照能量品质，充分梯级利用内燃机的不同热源，显著提高内燃机的整体能源效率，具有良好的节能减排效果，有利于推广应用，具有重大的实践意义。

Description

一种用于内燃机余热回收的混合工质朗肯循环系统
技术领域
本发明涉及能源利用技术领域，特别是涉及一种用于内燃机余热回收的混合工质朗肯循环系统。
背景技术
目前，内燃机在现代工业中广泛应用，有着不可替代的作用。然而，内燃机的效率往往仅有40％左右，其余的能量都被烟气和缸套冷却水等带走，因此，非常有必要通过回收这部分余热，来提高内燃机的效率。而内燃机具有多种余热源，且每种余热源品位不同，其中：最主要的余热源是烟气，其温度最高可达600℃左右；其次是缸套水余热，缸套水出内燃机的温度一般大约在85℃左右，进内燃机的要求温度大概在75℃左右；此外，对于进气增压内燃机，增压空气还会带走一部分热量，其在增压器出口的温度一般为150℃左右。
但是，现有简单的余热回收系统，并不能对内燃机的余热进行有效的回收利用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种用于内燃机余热回收的混合工质朗肯循环系统。
为此，本发明提供了一种用于内燃机余热回收的混合工质朗肯循环系统，包括烟气换热器、缸套水换热器、增压空气换热器、高温回热器、低温回热器、分液冷凝器、第一工质泵、第二工质泵、第一储液罐、第二储液罐以及高温膨胀机和低温膨胀机，其中：
分液冷凝器的第一出液口和第二出液口，分别与第一储液罐和第二储液罐相连通；
第一储液罐和第二储液罐的出液口，分别与第一工质泵和第二工质泵相连通；
其中，第二工质泵依次连接增压空气换热器和缸套水换热器；
增压空气换热器的进气口，分别与内燃机的增压空气出口和涡轮增压器的出气口相连通；
缸套水换热器的进水口，与内燃机的缸套水出口相连通；
缸套水换热器的工质出口，与高温回热器的第一工质进口相连通；
高温回热器的第一工质出口，与低温膨胀机的工质进口相连通；
低温膨胀机的出口，与分液冷凝器的进液口相连通。
其中，烟气换热器的进气口，与内燃机的烟气出口相连通；
烟气换热器的工质出口，与高温膨胀机的工质进口相连通；
高温膨胀机的工质出口，与高温回热器的第二工质进口相连通；
高温回热器的第二工质出口，与低温回热器的工质进口相连通；
低温回热器的工质出口，与分液冷凝器的进液口相连通。
其中，第一工质泵的工质出口，与低温回热器的冷流体侧进口相连通；
低温回热器的冷流体侧出口，连接至烟气换热器的冷流体进口。
由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种用于内燃机余热回收的混合工质朗肯循环系统，其可按照能量品质，充分梯级利用内燃机的不同热源，显著提高内燃机的整体能源效率，具有良好的节能减排效果，有利于推广应用，具有重大的实践意义。
附图说明
图1为本发明提供的一种用于内燃机余热回收的混合工质朗肯循环系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
参见图1，本发明提供了一种用于内燃机余热回收的混合工质朗肯循环系统，包括烟气换热器8、缸套水换热器7、增压空气换热器6、高温回热器10、低温回热器12、分液冷凝器1、第一工质泵4、第二工质泵5、第一储液罐2、第二储液罐3以及高温膨胀机9和低温膨胀机11，其中：
分液冷凝器1的第一出液口和第二出液口，分别与第一储液罐2和第二储液罐3相连通；
第一储液罐2和第二储液罐3的出液口，分别与第一工质泵4和第二工质泵5相连通；
其中，第二工质泵5依次连接增压空气换热器6和缸套水换热器7；
增压空气换热器6的进气口，分别与内燃机100的增压空气出口和涡轮增压器101的出气口相连通；
缸套水换热器7的进水口，与内燃机100的缸套水出口相连通；
缸套水换热器7的工质出口，与高温回热器10的第一工质进口相连通；
高温回热器10的第一工质出口(即低温混合工质出口)，与低温膨胀机11的工质进口相连通；
低温膨胀机11的出口，与分液冷凝器1的进液口相连通。
在本发明中，具体实现上，烟气换热器8的进气口，与内燃机100的烟气出口相连通(通过中空的连接管道)；
烟气换热器8的工质出口，与高温膨胀机9的工质进口相连通；
高温膨胀机9的工质出口，与高温回热器10的第二工质进口相连通；
高温回热器10的第二工质出口，与低温回热器12的工质进口相连通；
需要说明的是，高温回热器10的第二工质出口通过内部的连接管道，与第二工质进口相连通。
低温回热器12的工质出口，与分液冷凝器1的进液口相连通。
在本发明中，具体实现上，第一工质泵4的工质出口，与低温回热器12的冷流体侧进口相连通；
低温回热器12的冷流体侧出口，连接至烟气换热器8的冷流体进口。
在本发明中，分液冷凝器1用于调整两路混合工质的组分，使整个系统的性能最优。
在本发明中，具体实现上，本发明的系统使用两种在标准状态下沸点相差很大(相差60～200℃)的物质的混合物作为系统工质，并分成一股含高沸点工质较高的混合物和一股含低沸点工质较多的混合物。
在本发明中，具体实现上，含低沸点工质较多的流路上，依次连接有增压空气换热器6和缸套水换热器7，并用以完全取代内燃机原来的增压空气冷却器和缸套水冷却器。
在本发明中，具体实现上，高温膨胀机9后连接高温回热器10，在此高温回热器10中，高温膨胀机9后的高温混合工质，用来加热缸套水换热器7所加热的含低沸点工质较多的混合工质，从而提升含低沸点工质较多的混合工质的做功能力。
在本发明中，具体实现上，高温回热器10后连接有低温回热器12。低温回热器12的冷流体侧是第一工质泵4出口含高沸点工质较多的混合工质，低温回热器12的热流体侧是高温回热器10出口含高沸点工质较多的混合工质。
对于本发明，该余热回收系统采用高沸点和低沸点工质的混合物作为工质，并分成一股含高沸点流体较多的混合工质和一股含低沸点流体较多的混合工质。两股混合工质在分液冷凝器混合，然后，被分液冷凝成两股不同组分的工质。含低沸点工质较多的流体依次被增压空气和缸套水加热，并完全回收这两股热源的余热，之后，被含高沸点工质较多的流路中膨胀机后的高温混合工质加热，接着到低温膨胀机中膨胀做功。含高沸点工质较多的流体主要用于完全回收内燃机烟气的余热，然后，在高温膨胀机中膨胀做功。膨胀后的高温工质依次通过高温回热器和低温回热器加热缸套水换热器后含低沸点工质较多的流体，和泵后含高沸点工质较多的流体。两股工质最后在分液冷凝器中混合冷凝，分液冷凝器用于调整两路混合工质的组分，使整个系统的性能最优。该余热回收系统可按照能量品质充分梯级，利用内燃机的不同热源，显著提高内燃机的整体能源效率。
对于本发明，任意两个相互连通的部件之间，通过中空的连接管道相连通。
需要说明的是，本发明针对现有技术存在的问题，根据按质用能，梯级利用的原则，提出更高效的余热回收系统，充分利用内燃机的余热。
对于本发明提供的余热回收系统，采用高沸点和低沸点工质的混合物作为工质，例如高碳原子数烷烃类和卤代烃制冷剂，并分成一股含高沸点流体较高的工质和一股含低沸点流体较多的工质。两股混合工质在分液冷凝器1前混合，然后被分液冷凝成两股不同组分的工质。
其中，含低沸点工质较多的流体，依次通过增压空气换热器6和缸套水换热器7被增压空气和缸套水加热，并完全回收这两股热源的余热。低沸点工质含量较多的流体，可在较低的温度和较高的压力下蒸发，因此，该股流体以完全回收缸套水和增压空气的余热为目的，设置工质的流量和蒸发压力，在此条件下，以尽量大的输出功为目的，调整两种工质的组分。基于此，增压空气换热器6和缸套水换热器7可将内燃机原来的缸套水冷却器和增压空气冷却器完全取代。在完全回收缸套水和增压空气的余热后，该股混合工质继续被含高沸点工质较多的流路中高温膨胀机9后的高温混合工质加热，接着到低温膨胀机11中膨胀做功。做功后的混合工质乏汽流入分液冷凝器1中。
其中，含高沸点工质较多的流体，主要用于完全回收内燃机烟气的余热，因此它的流量和最高压力的设置，以完全回收烟气余热并同时获得最高效率为目的。在烟气换热器8中完全回收烟气余热后的混合工质，在高温膨胀机9中膨胀做功。膨胀后的高温混合工质首先通过高温回热器10进一步加热缸套水换热器7输出的含低沸点工质较多的流体，以提升其循环效率。然后，在低温回热器12中加热第一工质泵4输送的含高沸点工质较多的流体，最后流入分液冷凝器1中和另一股混合工质混合。分液冷凝器1可根据工况变化调整两路混合工质的组分，使内燃机全工况下各类余热源都能被充分回收利用，同时尽可能提高两路循环的能源利用效率。
为了更加清楚地理解本发明的技术方案，以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
具体实现上，本发明的余热回收系统，可以采用高沸点和低沸点工质的混合物作为工质，例如甲苯和CO2，并分成一股含高沸点流体较高的工质和一股含低沸点流体较多的工质。两股工质在分液冷凝器1内混合，然后被分液冷凝成两股不同组分的工质。分液冷凝器1用于调整两路混合工质的组分，使整个系统的性能最优。
分液冷凝器1后连接第一储液罐2和第二储液罐3，分别用于存储两种不同组分的工质。第一储液罐2和第二储液罐3后分别连接第一工质泵4和第二工质泵5，用于加压输送工质。其中，含低沸点工质较多的流体流路上，在第二工质泵5后依次连接增压空气换热器6和缸套水换热器7，增压空气换热器6和缸套水换热器7这两个换热器的热源分别是增压空气和缸套水。含低沸点工质较多的混合工质作为冷流体，依次流经增压空气换热器6和缸套水换热器7，并完全回收这两股热源的低温余热，同时，取代内燃机原来的增压空气冷却器和缸套水冷却器。对这部分余热利用的多少，主要通过调整含低沸点工质较多的混合工质流量来改变。在通过增压空气换热器6和缸套水换热器7后，混合工质继续被通入高温回热器10，被高温膨胀机9输送的高温混合工质加热升温，以提高其做功能力。高温回热器10的低温混合工质出口连接低温膨胀机11，含低沸点工质较多的混合工质最终在此处膨胀做功。低温膨胀机11后连接分液冷凝器1，两路混合工质在此汇合。
对于本发明，在含高沸点工质较多的流体流路上，第一工质泵4的工质出口连接到低温回热器12的冷流体侧。低温回热器12的热源为高温回热器10流出的含高沸点工质较多的混合物。低温回热器12的冷流体侧出口连接至烟气换热器8的冷流体进口。工质在这里完全回收烟气的余热，然后，通入到高温膨胀机9中膨胀做功。高温膨胀机9再依次连接高温回热器10和低温回热器12的热流体侧。
如上所述，高温回热器10的冷流体侧是缸套水换热器7输送含低沸点流体较多的混合工质，低温回热器12的冷流体侧是第一工质泵4出口输送的含高沸点工质较多的混合工质。经过两次乏汽热量回收后的含高沸点工质较多的混合工质，最终连接至分液冷凝器1，在这里和另一路工质混合冷凝。两路工质混合冷凝后，被分液冷凝器1分成一股含高沸点工质较多的工质，和另一股含低沸点工质较多的混合工质，分别流入第一储液罐2和第二储液罐3中，然后被第一工质泵4和第二工质泵5加压输送，重新开始下一个循环。
综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种用于内燃机余热回收的混合工质朗肯循环系统，其可按照能量品质，充分梯级利用内燃机的不同热源，显著提高内燃机的整体能源效率，具有良好的节能减排效果，有利于推广应用，具有重大的实践意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种用于内燃机余热回收的混合工质朗肯循环系统，其特征在于，包括烟气换热器（8）、缸套水换热器（7）、增压空气换热器（6）、高温回热器（10）、低温回热器（12）、分液冷凝器（1）、第一工质泵（4）、第二工质泵（5）、第一储液罐（2）、第二储液罐（3）以及高温膨胀机（9）和低温膨胀机（11），其中：
分液冷凝器（1）的第一出液口和第二出液口，分别与第一储液罐（2）和第二储液罐（3）相连通；
第一储液罐（2）和第二储液罐（3）的出液口，分别与第一工质泵（4）和第二工质泵（5）相连通；
其中，第二工质泵（5）依次连接增压空气换热器（6）和缸套水换热器（7）；
增压空气换热器（6）的进气口，分别与内燃机（100）的增压空气出口和涡轮增压器（101）的出气口相连通；
缸套水换热器（7）的进水口，与内燃机（100）的缸套水出口相连通；
缸套水换热器（7）的工质出口，与高温回热器（10）的第一工质进口相连通；
高温回热器（10）的第一工质出口，与低温膨胀机（11）的工质进口相连通；
低温膨胀机（11）的出口，与分液冷凝器（1）的进液口相连通；
烟气换热器（8）的进气口，与内燃机（100）的烟气出口相连通；
烟气换热器（8）的工质出口，与高温膨胀机（9）的工质进口相连通；
高温膨胀机（9）的工质出口，与高温回热器（10）的第二工质进口相连通；
高温回热器（10）的第二工质出口，与低温回热器（12）的工质进口相连通；
低温回热器（12）的工质出口，与分液冷凝器（1）的进液口相连通。
2.如权利要求1所述的混合工质朗肯循环系统，其特征在于，第一工质泵（4）的工质出口，与低温回热器（12）的冷流体侧进口相连通；
低温回热器（12）的冷流体侧出口，连接至烟气换热器（8）的冷流体进口。
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