CN116608029A - 一种废热回收用换热器及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种废热回收用换热器及系统，所述换热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，所述尾气排放通道连通于发动机的排气管道；所述有机工质循环通道包括多个循环管道，各所述循环管道布设于所述尾气排放通道，且有机工质在所述尾气排放通道内的流向与尾气的流向相交叉，用以吸收尾气余热；所述冷却液循环通道包括多个流动管道，各所述流动管道分别布设于各所述循环管道的内部，有机工质在所述循环管道的内壁和所述流动管道的外壁之间流通，用以使有机工质吸收冷却液的余热。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

一种废热回收用换热器及系统

技术领域

本发明涉及内燃机余热能量回收技术领域，特别涉及一种废热回收用换热器及系统。

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废热回收用换热器及系统，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，本发明提出一种废热回收用换热器，所述废热回收用换热器包括：

尾气排放通道，连通于发动机的排气管道；

有机工质循环通道，包括多个循环管道，各所述循环管道布设于所述尾气排放通道，且有机工质在所述循环管道内的流向与尾气的流向相交叉，用以吸收尾气余热；以及，

冷却液循环通道，包括多个流动管道，各所述流动管道分别布设于各所述循环管道的内部，有机工质在所述循环管道的内壁和所述流动管道的外壁之间流通，用以使有机工质吸收冷却液的余热。

可选地，所述尾气排放通道还包括尾气入口和尾气出口，各所述循环管道自所述尾气入口到所述尾气出口分布。

可选地，各所述循环管道依次连通，以形成所述有机工质循环通道，且设有靠近所述尾气排放通道的尾气出口设置的有机工质进液口和靠近所述尾气排放通道的尾气入口设置的有机工质出气口。

可选地，各所述流动管道依次连通，以形成所述冷却液循环通道，且设有靠近所述尾气排放通道的尾气出口设置的冷却液进液口和靠近所述尾气排放通道的尾气入口设置的冷却液出液口。

可选地，所述流动管道的外管壁上具有若干个呈螺旋状设置的第一翅片，各所述第一翅片连接于所述循环管道的内管壁，以使有机工质在各所述第一翅片的间隙流通。

可选地，所述冷却液循环通道中设有三通阀和温度传感器，所述三通阀和所述温度传感器联锁控制，所述温度传感器用于监测冷却液的温度，以在温度达到预设值时，控制所述三通阀开启冷却液散热循环。

可选地，所述尾气排放通道内设有若干个第二翅片，各所述第二翅片沿尾气的流向设置，且连接于所述循环管道的外管壁。

可选地，各所述循环管道相互平行设置，且与尾气的流向相垂直。

本发明还提出了一种废热回收系统，所述废热回收系统包括：

换热系统，包括上述的废热回收用换热器；

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，所述有机工质循环通道与所述活塞膨胀机相连通，用于输送有机工质气体，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，所述温控系统用于监测冷却液温度，以控制冷却液进入所述废热回收用换热器的冷却液循环通道中。

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为本发明提供的废热回收用换热器一实施例的立体结构图；

图2为图1中一部分的立体结构图；

图3为图2中一部分的立体结构图；

图4为图3中一部分的立体结构图；

图5为图4中一部分的立体结构图。

图中：废热回收用换热器-100，尾气排放通道-1，尾气入口-11，尾气出口-12，第二翅片-13，有机工质循环通道-2，循环管道-21，有机工质进液口-22，有机工质出气口-23，冷却液循环通道-3，流动管道-31，第一翅片-311，冷却液进液口-32，冷却液出液口-33，散热出口-34。

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，本发明提出一种废热回收用换热器，主要用于发动机的余热回收，当然也可回收电机余热，图1-5为本发明提供的废热回收用换热器一实施例，请参阅图1-5，所述废热回收用换热器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设置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，尾气通过时的温度在150~450℃区间内；所述有机工质循环通道2包括多个循环管道21，各所述循环管道21布设于所述尾气排放通道1，且有机工质在所述尾气排放通道1内的流向与尾气的流向相交叉，用以吸收尾气余热。冷却液在对发动机进行降温时，在这一过程中温度会达到90~100℃，这部分余热也可用于回收，所述冷却液循环通道3包括多个流动管道31，各所述流动管道31分别布设于各所述循环管道21的内部，有机工质在所述循环管道21的内壁和所述流动管道31的外壁之间流通，高温的冷却液经过所述流动管道31，使得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。此外，所述循环管道21和所述流动管道31的材质优选导热系数较高的金属，如铜等。

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，请参阅图1，在本发明的一实施例中，所述尾气排放通道1还包括尾气入口11和尾气出口12，请参阅图2和3，所述尾气入口11和所述尾气出口12分别设于所述尾气排放通道1的左右两端。具体地，所述废热回收用换热器100具有呈长方体状的主体，所述循环管道21均架设在该主体上，且在该长方体状主体左右的两侧为漏斗状的尾气入口11和尾气出口12，在本实施例中，各所述循环管道21沿左右方向自所述尾气入口11到所述尾气出口12分布。此外，在该长方体状主体的前后两侧均设有盒体，用于设置其他管道。

为提升有机工质的汽化效果，请参阅图2，各所述循环管道21依次连通，以形成所述有机工质循环通道2，且在通道的两端设置有机工质进液口22和有机工质出气口23。其中，所述有机工质进液口22靠近所述尾气排放通道1的尾气出口12处设置，所述有机工质出气口23靠近所述尾气排放通道1的尾气入口11处设置。通过这种分布，使得有机工质在进行换热时，不断地向温度较高的尾气排放段流通，使得有机工质汽化时更加均匀，温度上升平稳。

进一步地，为提升有机工质的换热效果，请参阅图2，各所述流动管道31依次连通，以形成所述冷却液循环通道3，且在通道的两端设置冷却液进液口32和冷却液出液口33。其中，所述冷却液进液口32靠近所述尾气排放通道1的尾气出口12处设置，所述冷却液出液口33靠近所述尾气排放通道1的尾气入口11处设置。通过这种分布，使得有机工质在进行循环时，首先和高温冷却液进行换热，再不断地向温度较高的尾气排放段流通，使得有机工质快速汽化，且处于温度较高的状态，换热效果更好。

需要说明的是，请参阅图1和2，在所述尾气排放通道1的前后两侧盒体内，设置有依次连接各所述循环管道21和各所述流动管道31的连接管（图中未示出）。

为进一步提升有机工质的换热效率，请参阅图2至图4，所述流动管道31的外管壁上具有若干个呈螺旋状设置的第一翅片311，各所述第一翅片311均连接于所述循环管道21的内管壁，有机工质在各所述第一翅片311的间隙流通。所述第一翅片311为所述螺旋状的筋条，有机工质在上面流动时，能利用螺旋状的筋条进行导热和导流，使其能够充分接触到所述循环管道21和所述流动管道31的管壁，有机工质的换热更加充分，换热效率更高。

另外，螺旋状的筋条能使有机工质在循环过程中均质化，温度较为均匀，在高温的有机工质在对活塞膨胀机进行做功时，动力输出更加稳定，发电效率更高。

应当理解的是，有机工质在和高温的冷却液进行换热后，冷却液的温度逐渐下降，若温度下降到和有机工质同一水平，即不再传递热量。若冷却液继续循环，则会影响着后续有机工质和高温尾气的换热效果。为消除这一影响，在所述冷却液循环通道3中设有三通阀和温度传感器（图中未示出），优选设在通道的中部，所述三通阀和所述温度传感器能够联锁控制，当所述温度传感器监测冷却液的温度达到预设值时，控制所述三通阀开启，冷却液通过散热出口34到达散热器，经过冷却后回到水箱。

为提升高温尾气和有机工质之间的换热效果，请参阅图2和3，所述尾气排放通道1内设有若干个第二翅片13，各所述第二翅片13沿尾气的流向设置，并且连接于所述循环管道21的外管壁，尾气能够与各所述第二翅片13充分接触，进而将热量充分传递在所述所述循环管道21的管壁，并与管道内的有机工质进行换热。

作为优选的实施例，请参阅图3，各所述循环管道21相互平行设置，能够充分利用所述尾气排放通道1的空间，各所述循环管道21与尾气的流向相垂直，在所述有机工质循环通道2的后段靠近所述尾气入口11，可直接与高温尾气接触，使有机工质的汽化更加彻底。

此外，为使各所述各循环管道21能和尾气直接接触，也可在各所述各循环管道21平行设置的同时，上下交错设置，传热效果更好。

本发明还提出了一种废热回收系统，所述废热回收系统包括换热系统、发电系统和储能系统。所述换热系统包括上述的废热回收用换热器100；所述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，所述有机工质循环通道2与所述活塞膨胀机连通，用于输送有机工质气体，以推动所述活塞膨胀机运转并使所述发电装置发电；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废热回收用换热器100内继续进行热交换。所述储能系统电性连接所述发电装置，以储存电能。需要说明的是，所述储能系统包括蓄电池、超级电容等装置。

本发明的技术方案中，通过所述废热回收系统的核心设备，即所述废热回收用换热器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，所述废热回收系统应用在一些重型卡车、以及混动卡车中，可较好地发挥所述废热回收用换热器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，所述温控系统设于所述废热回收用换热器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，应当理解的是，所述温控系统包括电磁阀和温度传感器。在一些优选实施例中，所述废热回收用换热器100的冷却液进液口32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冷却液进液口32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，通过设置所述废热回收用换热器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 (10)

1.一种废热回收用换热器，其特征在于，包括：

尾气排放通道（1），连通于发动机的排气管道；

有机工质循环通道（2），包括多个循环管道（21），各所述循环管道（21）布设于所述尾气排放通道（1），且有机工质在所述循环管道（21）内的流向与尾气的流向相交叉，用以吸收尾气余热；以及，

冷却液循环通道（3），包括多个流动管道（31），各所述流动管道（31）分别布设于各所述循环管道（21）的内部，有机工质在所述循环管道（21）的内壁和所述流动管道（31）的外壁之间流通，用以使有机工质吸收冷却液的余热。

2.如权利要求1所述的废热回收用换热器，其特征在于，所述尾气排放通道（1）还包括尾气入口（11）和尾气出口（12），各所述循环管道（21）自所述尾气入口（11）到所述尾气出口（12）分布。

3.如权利要求2所述的废热回收用换热器，其特征在于，各所述循环管道（21）依次连通，以形成所述有机工质循环通道（2），且设有靠近所述尾气排放通道（1）的尾气出口（12）设置的有机工质进液口（22）和靠近所述尾气排放通道（1）的尾气入口（11）设置的有机工质出气口（23）。

4.如权利要求2所述的废热回收用换热器，其特征在于，各所述流动管道（31）依次连通，以形成所述冷却液循环通道（3），且设有靠近所述尾气排放通道（1）的尾气出口（12）设置的冷却液进液口（32）和靠近所述尾气排放通道（1）的尾气入口（11）设置的冷却液出液口（33）。

5.如权利要求4所述的废热回收用换热器，其特征在于，所述流动管道（31）的外管壁上具有若干个呈螺旋状设置的第一翅片（311），各所述第一翅片（311）连接于所述循环管道（21）的内管壁，以使有机工质在各所述第一翅片（311）的间隙流通。

6.如权利要求5所述的废热回收用换热器，其特征在于，所述冷却液循环通道（3）中设有三通阀和温度传感器，所述三通阀和所述温度传感器联锁控制，所述温度传感器用于监测冷却液的温度，以在温度达到预设值时，控制所述三通阀开启冷却液散热循环。

7.如权利要求1所述的废热回收用换热器，其特征在于，所述尾气排放通道（1）内设有若干个第二翅片（13），各所述第二翅片（13）沿尾气的流向布设，且连接于所述循环管道（21）的外管壁。

8.如权利要求7所述的废热回收用换热器，其特征在于，各所述循环管道（21）相互平行设置，且与尾气的流向相垂直。

9.一种废热回收系统，其特征在于，包括：

换热系统，包括如权利要求1-8任意一项所述的废热回收用换热器；

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，所述有机工质循环通道与所述活塞膨胀机相连通，用于输送有机工质气体，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。

10.如权利要求9所述的废热回收系统，其特征在于，还包括温控系统，所述温控系统用于监测冷却液温度，以控制冷却液进入所述废热回收用换热器的冷却液循环通道中。