CN116537921B - 一种余热回收用热交换器及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种余热回收用热交换器及系统，所述余热回收用热交换器包括尾气排放通道、有机工质循环通道和冷却液循环通道，所述尾气排放通道设于发动机排气通路中，所述尾气排放通道包括多个排气管道，各所述排气管道并联设置；所述有机工质循环通道包括多个循环管道，所述循环管道套设于所述排气管道的外周且形成有循环空间，有机工质在所述循环管道和所述排气管道之间的循环空间内流通，以吸收尾气余热；所述冷却液循环通道包括循环介质，所述循环介质设于各所述循环管道的外周，冷却液在所述循环介质间流通。本方案通过有机工质回收尾气和冷却液余热，使得发动机流失的能量能够较好地回收，提升了余热能量的回收效率。

Description

一种余热回收用热交换器及系统

技术领域

本发明涉及内燃机余热能量回收技术领域，特别涉及一种余热回收用热交换器及系统。

背景技术

发动机一般使用内燃机，内燃机是通过燃烧所产生的热能来作功。但是，内燃机的有效动力仅仅是燃料所具有的全能量的30%～40%，剩下的能量作为排气热损失、机械摩擦热损失而耗损。尤其是为了保持气缸、气缸盖、进排气门的适当温度，需对内燃机各部位进行冷却，从而在冷却液的循环散热过程中也损失了热能。

专利号为CN202210364023.5的中国专利文献公开了一种基于冷藏车的尾气余热能量高效回收系统，该系统将有机朗肯循环系统与车载冷藏制冷系统有效结合，分别将能量直接输入到制冷系统以及发电系统，即节约了制冷、车辆用电的能量，又充分发挥了汽车尾气的余热能量。然而，目前的内燃机余热能量回收技术仅用于回收尾气余热，在内燃机的热量耗散过程中，并未回收到其绝大部分的余热，回收效率较低。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种余热回收用热交换器及系统，旨在解决现有的内燃机余热能量回收技术，回收效率较低的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出一种余热回收用热交换器，所述余热回收用热交换器包括：

尾气排放通道，设于发动机排气通路中，所述尾气排放通道包括多个排气管道，各所述排气管道并联设置；

有机工质循环通道，包括多个循环管道，所述循环管道套设于所述排气管道的外周且形成有循环空间，有机工质在所述循环管道和所述排气管道之间的循环空间内流通，以吸收尾气余热；以及，

冷却液循环通道，包括循环介质，所述循环介质设于各所述循环管道的外周，冷却液在所述循环介质间流通，以使有机工质吸收冷却液余热。

可选地，所述尾气排放通道还包括进气口和出气口，所述排气管道的两端分别连通所述进气口和所述出气口。

可选地，所述排气管道的内壁和外壁均设有多个第一翅片。

可选地，所述有机工质循环通道包括用于流通有机工质的第一进液腔和第一出液腔，所述循环管道的两端分别连通所述第一进液腔和所述第一出液腔。

可选地，所述循环介质包括至少一组由若干个第二翅片折叠构成的第二翅片组，各所述第二翅片连接于相邻的两所述循环管道的外壁上，冷却液流通于各所述第二翅片的间隙。

可选地，所述冷却液循环通道还包括用于流通冷却液的第二进液腔和第二出液腔，所述第二翅片组沿所述循环管道的长度方向延伸，所述第二进液腔和第二出液腔分别设于所述第二翅片组的两端，用以在所述循环介质内流通冷却液。

可选地，所述第二翅片组用于流通的一侧设有导流槽，所述导流槽连通所述第二进液腔且沿所述循环管道的长度方向延伸。

可选地，所述第二翅片组用于流通的另一侧设有集流槽，所述集流槽连通所述第二出液腔且沿所述循环管道的长度方向延伸。

本发明还提出了一种余热回收用热交换系统，所述余热回收用热交换系统包括：

换热系统，包括上述的余热回收用热交换器；

发电系统，包括活塞膨胀机和发电装置，所述活塞膨胀机驱动连接所述发电装置，所述余热回收用热交换器与所述活塞膨胀机连通，用于传输有机工质气体，以推动所述活塞膨胀机运转并使所述发电装置发电；以及，

储能系统，所述储能系统电性连接所述发电装置，以储存电能。

可选地，还包括温控系统，所述温控系统设于所述余热回收用热交换器的冷却液循环通道中，用于监测冷却液温度，以控制冷却液的散热循环。

本发明的技术方案中，通过设置尾气排放通道、有机工质循环通道和冷却液循环通道，发动机排出的高温尾气和用于发动机降温的冷却液分别通过所述尾气排放通道和所述冷却液循环通道，向有机工质循环通道内的低温有机工质放热，使得发动机流失的余热能量能够较好地回收，提升了余热能量的回收效率。此外，吸收热量的有机工质能够快速汽化，并通过有机朗肯循环对外界做功，从而实现了能量回收利用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明提供的余热回收用热交换器一实施例的立体结构图；

图2为图1另一形态的俯视图；

图3为图2内部的结构示意图；

图4为图1内部的立体结构示意图；

图5为图4中部分结构的立体示意图；

图6为图5中部分结构的立体结构示意图；

图7为图1另一视角的立体结构示意图；

图8为图2中A-A截面的截面图；

图9为图2中B-B截面的截面图。

图中：余热回收用热交换器-100，尾气排放通道-1，排气管道-11，第一翅片-112，进气口-12，出气口-13，有机工质循环通道-2，循环管道-21，循环空间-22，第一进液腔-23，第一进液口-231，第一出液腔-24，第一出液口-241，冷却液循环通道-3，循环介质-31，第二翅片组-311，第二翅片-3111，导流槽-312，集流槽-313，第二进液腔-32，第二进液口-321，进液管-322，第二出液腔-33，第二出液口-331，接液管-332，方盒-4，余热回收用热交换系统-200，换热系统-201，发电系统-202，活塞膨胀机-2021，发电装置-2022，储能系统-203，温控系统-204。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为了更好地描述和说明本申请的实施例，可参考一幅或多幅附图，但用于描述附图的附加细节或示例不应当被认为是对本申请的发明创造、目前所描述的实施例或优选方式中任何一者的范围的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示所指的装置必须具有特定的方位或以特定的方位操作，因此不能理解为对本发明的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

发动机一般使用内燃机，内燃机是通过燃烧所产生的热能来作功。但是，内燃机的有效动力仅仅是燃料所具有的全能量的30%～40%，剩下的能量作为排气热损失、机械摩擦热损失而耗损。尤其是为了保持气缸、气缸盖、进排气门的适当温度，需对内燃机各部位进行冷却，从而在冷却液的循环散热过程中也损失了热能。

鉴于此，本发明提出一种余热回收用热交换器，主要用于发动机余热回收，图1-9为本发明提供的余热回收用热交换器一实施例，请参阅图1-9，所述余热回收用热交换器100包括尾气排放通道1、有机工质循环通道2和冷却液循环通道3。

其中，所述尾气排放通道1设于发动机排气通路中，在发动机排除至排气歧管的尾气温度高达800~900℃，经过三元催化器反应后尾气温度在450℃以下，一般所述尾气排放通道1设置在三元催化器后段，尾气温度在150~450℃区间内工作；所述尾气排放通道1包括多个排气管道11，请参阅图1，各所述排气管道11并联设置，以增大尾气和管壁的接触面积；所述有机工质循环通道2包括多个循环管道21，所述循环管道21套设于所述排气管道11的外周且形成有循环空间22，有机工质在所述循环管道21和所述排气管道11之间的循环空间22内流通，以吸收尾气余热；所述冷却液循环通道3包括循环介质31，所述循环介质31设于各所述循环管道21的外周，冷却液在所述循环介质31间流通，以使有机工质吸收冷却液余热。需要说明的是，有机工质是指一些低沸点的烷烃类、芳香烃类等有机化合物，能够快速吸热并汽化。

本发明的技术方案中，通过设置尾气排放通道1、有机工质循环通道2和冷却液循环通道3，发动机排出的高温尾气和用于发动机降温的冷却液分别通过所述尾气排放通道1和所述冷却液循环通道3，向有机工质循环通道2内的低温有机工质放热，使得发动机流失的余热能量能够较好地回收，提升了余热能量的回收效率。吸收热量的有机工质能够快速汽化，并通过有机朗肯循环对外界做功，从而实现了能量回收利用。

进一步地，在本发明的一实施例中，所述尾气排放通道1还包括进气口12和出气口13，请参阅图2和3，所述排气管道11的两端分别连通所述进气口12和所述出气口13。具体地，所述余热回收用热交换器100呈长方体状，其包括一方盒4，所述方盒4具有上下左右前后六个侧板，各所述排气管道11水平并列且间隔设置在该方盒4中，所述进气口12和所述出气口13分别连接在该方盒4的两侧，所述进气口12与各所述排气管道11的进气端连通，所述出气口13与各所述排气管道11的出气端连通；并且，为使尾气能均匀地向各所述排气管道11传输，所述进气口12和所述出气口13呈漏斗状，其进气端和出气端均居中设置。

为提高尾气的散热效率，所述排气管道11的内壁和外壁均设有多个第一翅片112，请参阅图5和6，各所述第一翅片112沿所述排气管道11的长度方向延伸，大大地提升了尾气和所述排气管道11的内壁之间的传热面积，进而能够使更多的热量传递给所述循环空间22内的低温有机工质；此外，在所述循环空间22内的第一翅片112还能够提升低温有机工质和所述排气管道11的外壁之间的接触面积，进而能够吸收更多的热量。在本发明一些实施例中，请参阅图6，所述排气管道11的内壁设置的第一翅片112呈米字形排布。在本发明另一些实施例中，所述循环空间22内的第一翅片112呈蝴蝶状分布，将其中流通的有机工质进行分割，在发动机的稳定工况下，经过热循环的发动机冷却液的温度在90~120℃之间，这相较于尾气的温度，高温冷却液对所述循环空间22内有机工质的放热速度较低；因此，经分割后较多的有机工质用于接触所述排气管道11的外壁，较少的有机工质用于接触所述循环管道21的内壁。需要说明的是，为提升散热效率，各所述排气管道11及其第一翅片112为铜合金材质，或其他导热系数较高的材料。

为使有机工质能够进出各循环管道21的循环空间22内，所述有机工质循环通道2包括用于流通有机工质的第一进液腔23和第一出液腔24，请参阅图2、4、8和9，所述余热回收用热交换器100在水平状态下工作，所述第一进液腔23和所述第一出液腔24分别位于其内部的左上侧和右下侧，当然也可设在其右上侧和左下侧，以使得有机工质进行流通循环。所述循环管道21的两端分别连通所述第一进液腔23和所述第一出液腔24，具体地，所述循环管道21套设在所述排气管道11的外周，其两端分别被所述方盒4的左侧板和右侧板所密封，进而形成了所述循环空间22。位于所述方盒4的左上侧的所述第一进液腔23，其与所述方盒4的上侧板一体成型；并且，所述第一进液腔23的下壁也与各所述循环管道21的左上处一体成型，以使得所述第一进液腔23与各所述循环管道21相连通，进而使得有机工质能够由所述第一进液腔23进入到各所述循环空间22内。同样地，位于所述方盒4的右下侧的所述第一出液腔24，其与所述方盒4的下侧板一体成型；并且，所述第一出液腔24的上壁也与各所述循环管道21的右下处一体成型，以使得所述第一出液腔24与各所述循环管道21相连通，进而使得有机工质能够由各所述循环空间22进入到所述第一出液腔24内。当然，所述第一进液腔23和所述第一出液腔24分别开设有第一进液口231和第一出液口241，用于有机工质流入和流出所述余热回收用热交换器100。

在本发明一实施例中，所述循环介质31包括至少一组由若干个第二翅片3111折叠构成的第二翅片组311。请参阅图3、4和5，各所述第二翅片3111连接于相邻的两所述循环管道21的外壁上，且在同一相邻的两所述循环管道21的外壁间，各所述第二翅片3111呈折叠状，并沿所述循环管道21的长度方向延伸。此外，请参阅图3，每两个所述第二翅片3111之间形成有沿上下方延伸的竖直通道，各所述竖直通道构成了冷却液流通的冷却液循环通道3。通过冷却液在所述第二翅片组311中的冷却液循环通道3间流通，可以将其热量不断地传递给所述循环管道21，进而使得其内部的所述循环空间22内的有机工质得以吸热。需要说明的是，为提升散热效率，所述循环管道21及各所述第二翅片3111为铜合金材质，或其他导热系数较高的材料。

进一步地，所述冷却液循环通道3还包括用于流通冷却液的第二进液腔32和第二出液腔33。请参阅图1、2、7、8和9，各所述第二翅片组311沿所述循环管道21的长度方向延伸，在所述方盒4的前后侧板处，所述第二翅片组311的另一侧连接所述方盒4的前侧板或后侧板。为使高温的冷却液能够进入到所述方盒4内的冷却液循环通道3，所述第二进液腔32和第二出液腔33分别设于所述第二翅片组311的两端处；请参阅图2、8和9，所述余热回收用热交换器100在水平状态下工作，所述第二进液腔32和所述第二出液腔33分别位于其内部的右上侧和左下侧，当然也可设在其左上侧和右下侧，以使得高温冷却液进行流通循环。各所述第二翅片组311的两端分别与所述第二进液腔32和所述第二出液腔33相连通。具体地，位于所述方盒4的右上侧的所述第二进液腔32，其与所述方盒4的上侧板一体成型；并且，所述第二进液腔32的下壁设有通向各所述第二翅片组311的进液管322，以使得所述第二进液腔32与各所述第二翅片组311相连通，进而使得高温冷却液能够由所述第二进液腔32进入到各所述第二翅片组311内的竖直通道中。同样地，位于所述方盒4的左下侧的所述第二出液腔33，其与所述方盒4的下侧板一体成型；并且，所述第二出液腔33的上壁也设有与各所述第二翅片组311连通的接液管332，以使得所述第二出液腔33与各所述第二翅片组311相连通，进而使得经过循环后的高温冷却液能够由所述冷却液循环通道3进入到所述第二出液腔33内。当然，所述第二进液腔32和所述第二出液腔33分别开设有第二进液口321和第二出液口331，用于高温冷却液流入和流出所述余热回收用热交换器100。

在本实施例中，发动机循环的高温冷却液有效保持了所述循环管道21管壁的温度，结合排出的高温尾气对所述排气管道11的管壁温度加热，使得所述循环空间22内的有机工质持续汽化，并将其工作温度保持在90°以上，可高效率地通过膨胀机对外做功，提升了能量回收利用率。

另外，需要说明的是，为使有机工质能够均匀分布在所述循环空间22内，所述第一翅片112未在所述第一进液腔23和第一出液腔24处的循环空间22内设置，以防止其阻塞有机工质的流通。

当然，本发明的实施方式不限于此，还可在所述第二进液口321和各所述进液管322之间、以及所述第二出液口331和所述接液管332之间设置管道，以使冷却液分布更加均匀。同样地，所述第一进液口231和所述第一出液口241也可与所述循环管道21之间通过管道连接。

为使冷却液能够均匀地流入各所述第二翅片3111间的竖直通道，请参阅图4、8和9，所述第二翅片组311用于流通的一侧设有导流槽312，所述导流槽312的右侧连通所述第二进液腔32的进液管322，且所述导流槽312沿所述循环管道21的长度方向延伸。当冷却液由所述第二进液腔32由所述进液管322进入所述导流槽312时，冷却液会注满导流槽312，并向两侧溢出到各所述所述第二翅片3111间的竖直通道内，从而完成高温冷却液均匀分布到所述冷却液循环通道3内。

为便于收集各所述第二翅片组311流出的冷却液，所述第二翅片组311用于流通的另一侧设有集流槽313，请参阅图7、8和9，各所述集流槽313沿所述循环管道21的长度方向延伸。而且，所述集流槽313连接于所述第二翅片组311的下方并将其密封，各所述集流槽313的左侧开孔并连通所述接液管332，进而连通所述第二出液腔33以使得冷却液能够循环流通。通过设置所述集流槽313，可使冷却液在循环过程中更均匀的分布在各所述循环管道21之间，并且冷却液充分与所述循环管道21的外壁接触，提升了余热的回收效率。

本发明还提出了一种余热回收用热交换系统200，所述余热回收用热交换系统200包括换热系统201、发电系统202和储能系统203。所述换热系统201包括上述的余热回收用热交换器100；所述发电系统202包括活塞膨胀机2021和发电装置2022，所述活塞膨胀机2021驱动连接所述发电装置2022，所述余热回收用热交换器100与所述活塞膨胀机2021连通，用于传输有机工质气体，以推动所述活塞膨胀机2021运转并使所述发电装置2022发电；应当理解的是，所述换热系统还包括冷凝器和泵，高温的有机工质气体在所述活塞膨胀机2021内做功后变为低温气体，再经过所述冷凝器液化为有机工质液体，并由所述泵将其送回至所述余热回收用热交换器100内继续进行热交换。所述储能系统203电性连接所述发电装置2022，以储存电能。需要说明的是，所述储能系统203包括蓄电池、超级电容等装置。

本发明的技术方案中，通过所述余热回收用热交换系统200的核心设备，即所述余热回收用热交换器100，并采用了有机朗肯循环余热发电系统（ORC），大大提升了发动机的余热回收效率。需要说明的是，在一些优选的工作环境中，所述余热回收用热交换系统200应用在一些重型卡车、以及混动卡车中，可较好地发挥所述余热回收用热交换器100的性能，提升回收效率。此外，回收产生的电能可提供给汽车用电，如空调等；也可为汽车提供辅助动力。

在本发明一实施例中，还包括温控系统204，所述温控系统204设于所述余热回收用热交换器100的冷却液循环通道3中，用于监测冷却液温度，以控制冷却液的散热循环。在一些优选实施例中，所述余热回收用热交换器100的第二进液口321处设有电磁阀，所述电磁阀和发动机电子节温器联锁控制。当电子节温器打开，发动机冷却液进入散热循环时，所述电磁阀即开启，将高温冷却液由所述第二进液口321注入到所述冷却液循环通道3中，将热量传递给有机工质。此外，通过设置所述余热回收用热交换器100，可有效降低发动机冷却液散热器的使用率。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种余热回收用热交换器，其特征在于，包括：

尾气排放通道（1），设于发动机排气通路中，所述尾气排放通道（1）包括多个排气管道（11），各所述排气管道（11）并联设置；

有机工质循环通道（2），包括多个循环管道（21），所述循环管道（21）套设于所述排气管道（11）的外周且形成有循环空间（22），有机工质在所述循环管道（21）和所述排气管道（11）之间的循环空间（22）内流通，以吸收尾气余热；以及，

冷却液循环通道（3），包括循环介质（31），所述循环介质（31）设于各所述循环管道（21）的外周，冷却液在所述循环介质（31）间流通，以使有机工质吸收冷却液的余热；

还包括方盒（4），各所述排气管道（11）水平并列且间隔设置在该方盒（4）；所述循环管道（21）套设在所述排气管道（11）的外周，其两端分别被所述方盒（4）的左侧板和右侧板所密封，进而形成了所述循环空间（22）；

所述排气管道（11）的内壁和外壁均设有多个第一翅片（112）；

所述循环介质（31）包括至少一组由若干个第二翅片（3111）折叠构成的第二翅片组（311），各所述第二翅片（3111）连接于相邻的两所述循环管道（21）的外壁上，每两个所述第二翅片（3111）之间形成有沿上下方向延伸的竖直通道，各所述竖直通道构成了冷却液流通的冷却液循环通道（3），以使冷却液流通；

所述排气管道（11）的内壁设置的第一翅片（112）呈米字形排布；所述循环空间（22）内的第一翅片（112）呈蝴蝶状分布；

所述尾气排放通道（1）还包括进气口（12）和出气口（13），所述排气管道（11）的两端分别连通所述进气口（12）和所述出气口（13）；

所述有机工质循环通道（2）包括用于流通有机工质的第一进液腔（23）和第一出液腔（24），所述循环管道（21）的两端分别连通所述第一进液腔（23）和所述第一出液腔（24）；

所述冷却液循环通道（3）还包括用于流通冷却液的第二进液腔（32）和第二出液腔（33），所述第二翅片组（311）沿所述循环管道（21）的长度方向延伸，所述第二进液腔（32）和第二出液腔（33）分别设于所述第二翅片组（311）的两端，用以在所述循环介质（31）内流通冷却液；

所述第二翅片组（311）水平设置，所述第二翅片组（311）用于流通的一侧设有导流槽（312），所述导流槽（312）连通所述第二进液腔（32）且沿所述循环管道（21）的长度方向延伸；

所述第二翅片组（311）用于流通的另一侧设有集流槽（313），所述集流槽（313）连接于所述第二翅片组（311）的下方并将其密封，所述集流槽（313）连通所述第二出液腔（33）且沿所述循环管道（21）的长度方向延伸，以使冷却液循环流通。

2.一种余热回收用热交换系统，其特征在于，包括：

换热系统（201），包括如权利要求1所述的余热回收用热交换器（100）；

发电系统（202），包括活塞膨胀机（2021）和发电装置（2022），所述活塞膨胀机（2021）驱动连接所述发电装置（2022），所述余热回收用热交换器（100）与所述活塞膨胀机（2021）相连通，用于传输有机工质气体，以推动所述活塞膨胀机（2021）运转并使所述发电装置（2022）发电；以及，

储能系统（203），所述储能系统（203）电性连接所述发电装置（2022），以储存电能。

3.如权利要求2所述的余热回收用热交换系统，其特征在于，还包括温控系统（204），所述温控系统（204）设于所述余热回收用热交换器（100）的冷却液循环通道（3）中，用于监测冷却液温度，以控制冷却液的散热循环。