CN113482735A - 一种工程机械用复叠式跨临界有机朗肯循环余热利用系统 - Google Patents

一种工程机械用复叠式跨临界有机朗肯循环余热利用系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种工程机械用复叠式跨临界有机朗肯循环余热利用系统，包括废气余热回收的主回路和次级回路，采用两级膨胀机实现高膨胀比，系统整体热回收效率高。高温废气经过蒸发器与有机朗肯循环中的工质进行热交换，升温后的工质在一级膨胀机中进行热功转换后，在回热器中与来自次级回路的工质进行热交换；次级回路中的工质升温后进入二级膨胀机，在二级膨胀机中进行热功转换，同轴串联的两级膨胀机产生的机械能传递至行星齿轮机构的太阳轮，与来自内燃机的动力进行合成后，传递至工程机械液压系统中的斜盘柱塞泵的传动轴。可对内燃机系统高温排气中的余热进行有效回收利用，降低动力系统的热损失，提升动力性能，改善工程机械的燃油经济性。

Description

一种工程机械用复叠式跨临界有机朗肯循环余热利用系统
技术领域
本发明属于能源与动力领域，具体为一种工程机械用复叠式跨临界有机朗肯循环余热利用系统。
背景技术
内燃机是我国石油消耗的最大主体，其每年消耗的石油量占全国石油消耗总量的60％以上，故内燃机也是当前节能减排的重要主体。从目前内燃机的能量平衡来看，燃油燃烧释放的能量中仅有约40％转化为输出功，剩余能量中的绝大部分以热能形式通过冷却回路和排气耗散至环境中，能量损失相当大。随着能源与环境问题日趋严峻，对内燃机的废气余热进行有效回收利用也更加重要，这是提高内燃机效率、降低油耗并实现节能减排的重要途径。目前各种形式的废烟气余热回收形式已被提出。其中，采用有机朗肯循环回收内燃机废热并进行利用的方式，被证明可显著提升内燃机的整体热效率。
压路机作为一种以内燃机为动力的工程机械设备，其搭载的内燃机在工作时，具有长时间处于高负荷状态、油耗高、排烟温度高等特点。对压路机用内燃机各种形式的废热进行分析后发现：内燃机废烟气的温度一般在550-650℃,余热量占总能量的33％左右，余热的回收利用价值较高。
当前各类内燃机有机朗肯循环余热回收系统，其回收后的能量多以电能的形式输出并利用。对于压路机而言，工作时对电能的需求不大，但其液压系统对动力的需求则相当大，因此考虑将回收能量以机械能方式输出，并合成到压路机的动力系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种回收内燃机废气余热以机械能的形式补充工程机械动力的复叠式跨临界有机朗肯循环余热利用系统，以提升内燃机热效率和动力性能。
本发明提供了一种工程机械用复叠式跨临界有机朗肯循环余热利用系统，包括斜盘式柱塞泵，其特征在于：本系统还包括有机朗肯循环主回路、有机朗肯循环次级回路、及连接于内燃机动力输出轴连接和所述斜盘式柱塞泵之间的动力传输及合成装置；有机朗肯循环主回路包括依次连通的蒸发器、一级膨胀机、回热器、冷凝器、储液罐、过滤器、油分离器、循环泵和主工质阀，主工质阀与蒸发器连通；有机朗肯循环次级回路包括依次连通的回热器、二级膨胀机、冷凝器、储液罐、过滤器、油分离器、循环泵和次级工质阀，次级工质阀与回热器连通；有机朗肯循环主回路和有机朗肯循环次级回路的回热器、冷凝器、储液罐、过滤器、油分离器和循环泵为共用设备，回热器设置有有机工质进、出口和次级有机工质进、出口；动力传输及合成装置包括依次连接的前端联轴器、行星齿轮机构和后端联轴器，前端联轴器与内燃机的动力输出轴连接，后端联轴器与斜盘式柱塞泵的传动轴连接；有机朗肯循环主回路的蒸发器与内燃机的排气口连通，将内燃机排出的高温废气作为热源与主工质阀送入蒸发器的液态有机工质进行热交换；一级膨胀机和二级膨胀机在热功转换过程中产生的机械能传递至行星齿轮机构，与内燃机的输出动力合成后传递至斜盘式柱塞泵。
上述系统的一种实施方式中，所述蒸发器和回热器均采用金属材料制造的列管式换热器。
上述系统的一种实施方式中，所述一级膨胀机和二级膨胀机均采用涡旋式膨胀机，且它们共输出轴布置。
上述系统的一种实施方式中，所述行星齿轮机构包括齿圈、行星轮、行星架和太阳轮，齿圈与所述前端连接轴连接，太阳轮与所述一级膨胀机和二级膨胀机的输出轴连接，行星架与所述后端联轴器连接。
上述系统的一种实施方式中，所述冷凝器采用风冷式散热器。
上述系统的一种实施方式中，所述循环泵的驱动轴通过传动皮带与内燃机输出轴上的齿轮连接。
本发明采用跨临界有机朗肯循环进行余热回收，包括内燃机废气余热回收的主回路和次级回路，这种复叠式循环布置可提升余热回收量，采用两级膨胀机可实现高膨胀比，系统整体热回收效率高。内燃机排出的高温废气经过蒸发器与有机朗肯循环中的工质进行热交换，升温后的工质在一级膨胀机中进行热功转换后，在回热器中与来自次级回路的工质进行热交换；次级回路中的工质升温后进入二级膨胀机，在二级膨胀机中进行热功转换，同轴串联的两级膨胀机产生的机械能传递至行星齿轮机构的太阳轮，与来自内燃机的动力进行合成后，传递至工程机械液压系统中的斜盘柱塞泵的传动轴。本系统中设置回热器以降低二级膨胀机处工质入口温度和乏气温度，减轻冷凝器的负荷，提升系统输出功率。本系统可对内燃机系统高温排气中的余热进行有效回收利用，降低动力系统的热损失，提升动力性能，从而改善工程机械的燃油经济性。
附图说明
图1为本发明一个实施例的系统示意图。
图2为图1中行星齿轮机构的结构简图。
图中序号：
1、内燃机；2、前端联轴器；
3、齿圈；4、行星轮；5、行星架；6、太阳轮；
7、后端联轴器；8、斜盘式柱塞泵的传动轴；9、斜盘；10、柱塞；
11、蒸发器；12、一级膨胀机；13、回热器；14、二级膨胀机；
15、冷凝器；16、散热器；17、储液罐；18、过滤器；
19、油分离器；20、循环泵；21、主工质阀；22、次级工质阀。
具体实施方式
本实施例公开的这种工程机械用复叠式跨临界有机朗肯循环余热利用系统，针对压路机进行改造。压路机在工作时的动力需求相当大，因此对其动力系统进行改造以提升系统整体动力输出，具有积极意义。
本余热利用系统包括有机朗肯循环主回路、有机朗肯循环次级回路、及连接于内燃机动力输出轴和斜盘式柱塞泵之间的动力传输及合成装置。
如图1所示，有机朗肯循环主回路(以下简称主回路)包括依次连通的蒸发器11、一级膨胀机12、回热器13、冷凝器15、储液罐17、过滤器18、油分离器19、循环泵21和主工质阀21，主工质阀21与蒸发器11连通。
有机朗肯循环次级回路(以下简称次级回路)包括依次连通的回热器13、二级膨胀机14、冷凝器15、储液罐17、过滤器18、油分离器19、循环泵20和次级工质阀22，次级工质阀22与回热器连通。
主回路和次级回路的回热器、冷凝器、储液罐、过滤器、油分离器和循环泵为共用设备，即两回路采用复叠式循环布置。
蒸发器11和回热器13采用金属材料制造的列管式换热器。
一级膨胀机12和二级膨胀机14均采用涡旋式膨胀机，且两膨胀机共输出轴布置。
冷凝器15采用风冷式散热器。
循环泵20的驱动轴通过传动皮带与内燃机输出轴上的齿轮连接，即循环泵的动力由内燃机提供。
蒸发器11的管程流通主工质阀21送入的高压液态有机工质，壳程流通内燃机排出的高温废气。
在蒸发器11中，高温废气与液态有机工质进行热交换，废气放热降温后排出回到内燃机的原排烟路线，液态有机工质吸热升温变成高压气态有机工质排出进入一级膨胀机12中，带动一级膨胀机12进行第一级膨胀做功,输出机械能。做功后温度和压力降低的有机工质进入回热器13的壳程，回热器的管程流通次级工质阀22送入的次级有机工质。
在回热器13中，主回路的有机工质与次级回路的低温次级有机工质进行换热，主回路有机工质的温度进一步降低后变为主路侧乏气送入冷凝器15中，次级回路的有机工质吸热升温变为气态有机工质，然后送入二级膨胀机14中进行第二级膨胀做功，输出机械能，做功后的次级有机工质变为次级侧乏气并入冷凝器15中。
在冷凝器15中，主路侧乏气和次级侧乏气合流后冷凝为液态有机工质，然后送入到储液罐17，再经由过滤器18、油分离器19进入循环泵20，由循环泵20加压后进行下一次循环，即主回路和次级回路中有机工质流通的动力由循环泵20提供。
主回路和次级回路的换热过程中，一级膨胀机12和二级膨胀机14做功输出的机械能传递至动力传输及合成装置。
如图1、图2所示，动力传输及合成装置包括在内燃机1的输出轴和斜盘式柱塞泵之间增设的前端联轴器2及由齿圈3、行星轮4、行星架5和太阳轮6构成的行星齿轮机构及后端联轴器7。
前端联轴器2的前端与内燃机的输出轴连接、后端与齿圈3连接，行星架5与后端联轴器7连接，后端联轴器7与斜盘式柱塞泵的传动轴8连接。
同轴布置的一级膨胀机12和二级膨胀机14在热功转换过程中产生的机械能，通过齿轮和传动皮带连接到行星齿轮机构的太阳轮6。
即前端联轴器2接受来自内燃机的输出动力后传递至行星齿轮机构的齿圈3，两膨胀机产生的机械功传递至行星齿轮机构的太阳轮6，两种来源的动力在行星齿轮机构中进行合成后由行星架5输出，并通过后端联轴器7传递至斜盘式柱塞泵的传动轴8，斜盘9驱动柱塞10对输入柱塞泵的液压油进行加压后再输出。
简言之，本实施例针对压路机进行了以下改造：
一、动力传输路径的改造
为直接利用朗肯循环回收的动力，对原压路机的动力传输路径进行改造，增加前端联轴器2、行星齿轮机构和后端联轴器7。原动力传输路径为内燃机机动力输出轴直接到斜盘式柱塞泵的传动轴8，改造后两级膨胀机输出的动力与内燃机输出的动力在行星齿轮机构中合成后经后端联轴器7输出至斜盘式柱塞泵。
二、内燃机排烟管路的改造
通过在原排烟路线上增设管路，将高温废气引入主回路的蒸发器11中提供热源，降温后的废气从蒸发器中排出再通过管路流回原排烟路线。具体为内燃机的排气歧管中的高温废气，经过废气涡轮增压器后，增压器涡轮机出口管路中的废气通过增设的管路，连接到蒸发器的壳程中流通，换热完成后的废气从蒸发器排出后通过增设的管路流回原涡轮机出口管路。
上述改造与主回路和次级回路配合，将回收的内燃机废气余热以机械能的方式加以利用，以补充系统的动力需求。
本系统以压路机为例进行实施，也同样适用于其他动力需求强的大型工程机械。

Claims (6)

1.一种工程机械用复叠式跨临界有机朗肯循环余热利用系统，包括斜盘式柱塞泵，其特征在于：本系统还包括有机朗肯循环主回路、有机朗肯循环次级回路、及连接于内燃机动力输出轴连接和所述斜盘式柱塞泵之间的动力传输及合成装置；
有机朗肯循环主回路包括依次连通的蒸发器、一级膨胀机、回热器、冷凝器、储液罐、过滤器、油分离器、循环泵和主工质阀，主工质阀与蒸发器连通；
有机朗肯循环次级回路包括依次连通的回热器、二级膨胀机、冷凝器、储液罐、过滤器、油分离器、循环泵和次级工质阀，次级工质阀与回热器连通；
有机朗肯循环主回路和有机朗肯循环次级回路的回热器、冷凝器、储液罐、过滤器、油分离器和循环泵为共用设备，回热器设置有有机工质进、出口和次级有机工质进、出口；
动力传输及合成装置包括依次连接的前端联轴器、行星齿轮机构和后端联轴器，前端联轴器与内燃机的动力输出轴连接，后端联轴器与斜盘式柱塞泵的传动轴连接；
有机朗肯循环主回路的蒸发器与内燃机的排气口连通，将内燃机排出的高温废气作为热源与主工质阀送入蒸发器的液态有机工质进行热交换；
一级膨胀机和二级膨胀机在热功转换过程中产生的机械能传递至行星齿轮机构，与内燃机的输出动力合成后传递至斜盘式柱塞泵。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述蒸发器和回热器均采用金属材料制造的列管式换热器。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述一级膨胀机和二级膨胀机均采用涡旋式膨胀机，且它们共输出轴布置。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于：所述行星齿轮机构包括齿圈、行星轮、行星架和太阳轮，齿圈与所述前端连接轴连接，太阳轮与所述一级膨胀机和二级膨胀机的输出轴连接，行星架与所述后端联轴器连接。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述冷凝器采用风冷式散热器。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述循环泵的驱动轴通过传动皮带与内燃机输出轴上的齿轮连接。
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