CN111594289A - 二氧化碳布雷顿循环和涡轮增压的内燃机废热利用系统 - Google Patents

二氧化碳布雷顿循环和涡轮增压的内燃机废热利用系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了车辆工程领域的二氧化碳布雷顿循环和涡轮增压的内燃机废热利用系统，以克服现有技术中废热回收系统中采用的工质不同从而导致废热回收系统的庞大复杂的缺陷。二氧化碳布雷顿循环和涡轮增压的内燃机废热利用系统，包括沿废气循环路径中依次设置的内燃机、废热换热器、透平、高温回热器、低温回热器、预冷器、主压缩机和再压缩机，本发明采用二氧化碳作为涡轮增压和布雷顿循环的单一工质，利用二氧化碳稳定的化学性质和临界温度低且临界点附近具有较低压缩因子，可回收高温废热且具有结构紧凑、热效率高等特点，提高内燃机燃料综合利用率；布雷顿循环与涡轮增压可共用一个透平进行动力输出，降低了整体系统的复杂性。

Description

二氧化碳布雷顿循环和涡轮增压的内燃机废热利用系统
技术领域
本发明属于车辆工程领域，具体是二氧化碳布雷顿循环和涡轮增压的内燃机废热利用系统。
背景技术
内燃机作为传统的动力输出装置，广泛应用于工业驱动、分布式能源系统、船舰和汽车动力等领域，其燃料消耗占原油消耗的60％左右。然而，燃料燃烧所释放的能量只有三分之一被转化为输出动力，大部分能量以废热的形式排放至大气中。因此，有效的回收内燃机废热、实现能量的梯级利用对于提高内燃机燃料综合利用效率具有重要意义。
传统的内燃机废热回收方式主要为涡轮增压器和有机朗肯循环系统，其中涡轮增压器可回收排气中的高温能量，而有机朗肯循环系统受工质易受热分解的限制只能回收部分低温能量(<100℃)。
涡轮增压器中透平工质为内燃机成分复杂的排气，其中含有的固体颗粒以及酸性气体对透平叶片产生一定的冲蚀和腐蚀；经过涡轮增压器的排气仍具有较高温度(300℃～500℃)，而有机朗肯循环系统受工质性质的影响无法回收这部分高温能量，节能效果不明显；废热回收装置(包括涡轮增压器和有机朗肯循环系统)所采用的工质不同(分别为排气和有机工质)，增加了系统的复杂性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种单一工质循环的系统，以节省废热回收装置的占地面积和降低废热回收系统的复杂性。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：包括沿废气循环路径中依次设置的内燃机、废热换热器、透平、高温回热器、低温回热器、预冷器、空气压气机、电机、主压缩机和再压缩机，所述透平内带有叶轮，所述废热换热器承接内燃机高温排气且废热换热器将热量传递至超临界二氧化碳，高温高压超临界二氧化碳膨胀做功驱动透平的叶轮旋转，透平转动过程中驱动主压缩机、再压缩机、空气压气机和电机，做功后的超临界二氧化碳经过高温回热器和低温回热器，在低温回热器内超临界二氧化碳分流为主路径循环和次路径循环，主路径的超临界二氧化碳经过预冷器、主压缩机和高温回热器后回流至废热换热器以完成主路径循环。
进一步，次路径的超临界二氧化碳的行程中设有再压缩机，所述再压缩机的驱动件为透平，且次路径的超临界二氧化碳先经过再压缩机后，次路径中的超临界二氧化碳与主路径的超临界二氧化碳交汇于高温回热器一同加热，最终次路径的超临界二氧化碳回流至废热换热器以完成次路径循环。
进一步，低温回热器与再压缩机的交汇处带有分流主路径循环和次路径循环的分流器，分流器的入口处朝向低温回热器，分流器的两个出口处分别朝向预冷器和再压缩机。
进一步，再压缩机与高温回热器的交汇处带有混合器，混合器的接收端朝向主压缩机和再压缩机，混合器的出口处朝向高温回热器。
进一步，透平的输出轴与电机的驱动轴相连接，利用超临界二氧化碳在透平内膨胀做功驱动电机旋转，从而向外输出电能。
进一步，透平的输出轴与空气压气机的驱动轴相连接，透平驱动空气压气机将进口空气压缩至一定压力，提高燃烧室进口空气密度，增加内燃机输出功率。
进一步，内燃机燃料与空气在气缸内燃烧后的高温排气进入废热换热器，将热量传递至超临界二氧化碳。
采用上述方案后实现了以下有益效果：
1、本发明采用二氧化碳作为涡轮增压和布雷顿循环的单一工质，利用二氧化碳稳定的化学性质(受热不易分解)和临界温度低且临界点附近具有较低压缩因子(可有效降低压缩机耗功)，可回收高温废热且具有结构紧凑、热效率高等特点，提高内燃机燃料综合利用率；布雷顿循环与涡轮增压可共用一个透平进行动力输出，降低了整体系统的复杂性。
2、本发明可利用超临界二氧化碳的特殊性质，回收内燃机排气废热从而提供能源综合利用效率；通过透平驱动压气机对空气进行增压，改善内燃机燃料燃烧效率，提高燃料利用率；超临界二氧化碳布雷顿循环系统与涡轮增压器共用一个透平，降低投资成本以及整体系统的复杂性。
附图说明
图1为本发明实施例的示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
说明书附图中的附图标记包括：内燃机1、废热换热器2、透平3、高温回热器4、低温回热器5、预冷器6、主压缩机7、再压缩机8、分流器9、电机10、混合器11、空气压气机12。
实施例基本如附图1所示：包括沿废气循环路径中依次设置的内燃机、废热换热器、透平、高温回热器、低温回热器、预冷器、空气压气机、电机、主压缩机和再压缩机，所述透平内带有叶轮，所述废热换热器承接内燃机高温排气且废热换热器将热量传递至透平内，超临界二氧化碳膨胀做功驱动透平的叶轮旋转，透平转动过程中驱动主压缩机、再压缩机、空气压气机和电机，做功后的超临界二氧化碳经过高温回热器和低温回热器，在低温回热器内超临界二氧化碳分流为主路径循环和次路径循环，主路径的超临界二氧化碳经过预冷器、主压缩机和高温回热器后回流至废热换热器以完成主路径循环。
次路径的超临界二氧化碳的行程中设有再压缩机，再压缩机的驱动件为透平，且次路径的超临界二氧化碳先经过再压缩机后，次路径中的超临界二氧化碳与主路径的超临界二氧化碳交汇于高温回热器一同加热，最终次路径的超临界二氧化碳回流至废热换热器以完成次路径循环。
低温回热器与再压缩机的交汇处带有分流主路径循环和次路径循环的分流器，分流器的入口处朝向低温回热器，分流器的两个出口处分别朝向预冷器和再压缩机，再压缩机与高温回热器的交汇处带有混合器，混合器的接收端朝向主压缩机和再压缩机，混合器的出口处朝向高温回热器。
透平的输出轴与电机的驱动轴相连接，利用超临界二氧化碳在透平内膨胀做功驱动电机旋转，从而向外输出电能，透平的输出轴与空气压气机的驱动轴相连接，透平驱动空气压气机将进口空气压缩至一定压力，提高燃烧室进口空气密度，增加内燃机输出功率，内燃机燃料与空气在气缸内燃烧后的高温排气进入废热换热器，将热量传递至超临界二氧化碳。
具体实施过程如下：内燃机高温排气经废热换热器将热量传递至超临界二氧化碳，超临界二氧化碳在透平中膨胀做功，做功后的超临界二氧化碳依次经过高温回热器、低温回热器，从低温回热器出来的工质一分为二，一部分经过预冷器进入主压缩机中被压缩并在低温回热器中吸热，另一部分进入再压缩机中被压缩，两股工质汇合后经高温回热器加热，进入废热换热器；超临界二氧化碳透平膨胀做功一部分为主压缩机和再压缩机提供动力，一部分为空气压气机提供动力，其余以电的形式输出，其中空气压气机通过提高空气压力改善燃料在内燃机内的燃烧效果，提高燃料利用率。
本发明可利用超临界二氧化碳的特殊性质，回收内燃机排气废热从而提供能源综合利用效率；通过透平驱动压气机对空气进行增压，改善内燃机燃料燃烧效率，提高燃料利用率；超临界二氧化碳布雷顿循环系统与涡轮增压器共用一个透平，降低投资成本以及整体系统的复杂性。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (7)

1.二氧化碳布雷顿循环和涡轮增压的内燃机废热利用系统，其特征在于：包括沿废气循环路径中依次设置的内燃机、废热换热器、透平、高温回热器、低温回热器、预冷器、空气压气机、电机、主压缩机和再压缩机，所述透平内带有叶轮，所述废热换热器承接内燃机高温排气且废热换热器将热量传递至超临界二氧化碳，高温高压超临界二氧化碳膨胀做功驱动透平的叶轮旋转，透平转动过程中驱动主压缩机、再压缩机、空气压气机和电机，做功后的超临界二氧化碳经过高温回热器和低温回热器，在低温回热器内超临界二氧化碳分流为主路径循环和次路径循环，主路径的超临界二氧化碳经过预冷器、主压缩机和高温回热器后回流至废热换热器以完成主路径循环。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳布雷顿循环和涡轮增压的内燃机废热利用系统，其特征在于：所述再压缩机的驱动件为透平，且次路径的超临界二氧化碳先经过再压缩机后，次路径中的超临界二氧化碳与主路径的超临界二氧化碳交汇于高温回热器一同加热，最终次路径的超临界二氧化碳回流至废热换热器以完成次路径循环。
3.根据权利要求2所述的二氧化碳布雷顿循环和涡轮增压的内燃机废热利用系统，其特征在于：所述低温回热器与再压缩机的交汇处带有分流主路径循环和次路径循环的分流器，分流器的入口处朝向低温回热器，分流器的两个出口处分别朝向预冷器和再压缩机。
4.根据权利要求3所述的二氧化碳布雷顿循环和涡轮增压的内燃机废热利用系统，其特征在于：所述再压缩机与高温回热器的交汇处带有混合器，混合器的接收端朝向主压缩机和再压缩机，混合器的出口处朝向高温回热器。
5.根据权利要求4所述的二氧化碳布雷顿循环和涡轮增压的内燃机废热利用系统，其特征在于：透平的输出轴与电机的驱动轴相连接，利用超临界二氧化碳在透平内膨胀做功驱动电机旋转，从而向外输出电能。
6.根据权利要求5所述的二氧化碳布雷顿循环和涡轮增压的内燃机废热利用系统，其特征在于：透平的输出轴与空气压气机的驱动轴相连接，透平驱动空气压气机将进口空气压缩至一定压力，提高燃烧室进口空气密度，增加内燃机输出功率。
7.根据权利要求6所述的二氧化碳布雷顿循环和涡轮增压的内燃机废热利用系统，其特征在于：内燃机燃料与空气在气缸内燃烧后的高温排气进入废热换热器，将热量传递至超临界二氧化碳。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2022057163A1 (zh) * 2020-09-21 2022-03-24 李华玉 回热式热力循环与回热式气体热动装置

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