CN214533097U - 一种朗肯循环余热回收系统及其涡轮增压装置 - Google Patents

Abstract

本案提供的一种涡轮增压装置，包括涡轮增压器和第二蒸发器，涡轮增压器包括工质压气机以及与涡轮机。以流经第一蒸发器的排气为动力源，第一蒸发器后的排气侧加装了第二蒸发器，再加装一个涡轮增压器，通过对第一蒸发器出口的工质进行二次加压，将排气能量进行有效的转移至工质中。从而可提高膨胀机入口压力，不增加蒸发器的负担，而又不增加泵的耗功，从而提高了整个系统的效率。本方案还提供一种具有上述涡轮增压装置的朗肯循环余热回收系统。

Description

一种朗肯循环余热回收系统及其涡轮增压装置

技术领域

本实用新型属于余热回收系统技术领域，特别涉及一种朗肯循环余热回收系统及其涡轮增压装置。

背景技术

随着排放法规的日趋严格，节能减排技术的实施具有十分重要的意义。发动机输出的有用功仅占燃料燃烧释放总能量的1/3左右，其它2/3的能量通过排气、冷却水带走，排气中能量占比大约1/3左右且能量品质高，有重要的回收价值。目前发动机余热利用技术有排气涡轮增压、温差发电、余热制冷空调和朗肯循环等。

有机朗肯循环是指，以低沸点有机工质为工质的动力循环，有机工质在换热器中从余热流中吸收热量，生成具有一定温度和压力的蒸汽；蒸汽进入机械膨胀做功，进行发电或拖动其他动力机械；膨胀机出口的蒸汽进入冷凝器放热，凝结成过冷液态，通过工质泵重新回到换热器，完成循环。

现有的有机朗肯循环余热回收系统中工质T-S图，如图1所示，过程6-1：工质在蒸发器中吸热；过程1-2：工质在膨胀机中做功；过程2-3：工质在回热器中放热；过程3-4：工质在冷凝器中放热；过程4-5：工质在工质泵中增压；过程5-6：工质在回热器中吸热。T-S图中工质工作过程封闭区域面积代表有机朗肯循环回收的能量，从图中可知，膨胀机入口处点1温度、压力较点1'较低，导致膨胀机做功相对较少，排气能量利用不充分，整个系统的效率低。

通过提高膨胀机入口温度、入口压力，降低冷凝压力是提高系统热效率的有效方式。但由于受到有机工质物理性质、蒸发器可靠性的制约以及泵的耗功问题，蒸发压力不能太高，存在废气能量利用不充分。因蒸发器不能承受过高的压力且有机工质在高温高压下易分解且提高工质压力需增大泵的耗功。

因此，增大膨胀机入口压力，进而提高系统热效率面临着困难。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种朗肯循环余热回收系统及其涡轮增压装置，可提高膨胀机入口压力，不增加蒸发器的负担，而又不增加泵的耗功，提高整个系统的效率。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种涡轮增压装置，包括涡轮增压器、第一蒸发器和第二蒸发器，所述涡轮增压器包括工质压气机以及与所述工质压气机轴接的涡轮机；其中，

所述工质压气机的入口用于与所述第一蒸发器的冷媒出口连通且出口用于与膨胀机的入口连通；

所述第二蒸发器的热媒入口用于与所述第一蒸发器的热媒出口连通且冷媒出口与所述涡轮机的入口连通。

优选地，在上述涡轮增压装置中，还包括两端分别与所述第二蒸发器的热媒入口和热媒出口连通的排气通道，所述排气通道上串联有第一电磁阀。

优选地，在上述涡轮增压装置中，还包括用于监测所述第一蒸发器的排气温度的第一温度传感器，以及第一控制装置；

所述第一控制装置用于当所述第一蒸发器的排气温度小于等于预设值，控制所述第一电磁阀开启，当所述第一蒸发器的排气温度大于预设值，控制所述第一电磁阀关闭。

优选地，在上述涡轮增压装置中，还包括一端与所述第二蒸发器的冷媒出口连通的工质通道，所述工质通道上串联有第二电磁阀。

优选地，在上述涡轮增压装置中，还包括用于监测所述第二蒸发器的排气温度的第二温度传感器，以及第二控制装置；

所述第二控制装置用于当所述第二蒸发器加热的工质为非饱和态，控制所述第二电磁阀开启，当所述第二蒸发器加热的工质为饱和态或过热态，控制所述第二电磁阀关闭。

本方案还提供一种朗肯循环余热回收系统，包括依次串联设置的第一蒸发器的冷媒管道、涡轮增压装置、膨胀机、冷凝器、工质泵和所述第二蒸发器的冷媒管道，所述涡轮增压装置为上文所述的涡轮增压装置，其中，所述涡轮机的出口与所述冷凝器的入口连通。

优选地，在上述朗肯循环余热回收系统中，还包括回热器，所述回热器的热媒通道两端分别与所述膨胀机和所述冷凝器连通，所述回热器的冷媒通道一端与所述工质泵连通且另一端分别与所述第一蒸发器和所述第二蒸发器的冷媒入口连通。

优选地，在上述朗肯循环余热回收系统中，所述涡轮增压装置还包括工质通道，所述工质通道一端与所述第二蒸发器的冷媒出口连通且另一端与所述回热器的热媒入口连通，所述工质通道上串联有第二电磁阀。

优选地，在上述朗肯循环余热回收系统中，还包括发动机，所述发动机的排气口与所述第一蒸发器的进气口连通。

优选地，在上述朗肯循环余热回收系统中，还包括相互轴接的排气涡轮机和排气压气机，所述排气涡轮机的排气口与所述发动机的进气口连通，所述排气压气机的进气口与所述发动机的排气口连通且排气口与所述第一蒸发器的进气口连通。

优选地，在上述朗肯循环余热回收系统中，还包括工质罐，所述工质罐的入口与所述冷凝器的出口连通且出口与所述工质泵的入口连通。

本案提供的一种涡轮增压装置，包括涡轮增压器和第二蒸发器，涡轮增压器包括工质压气机以及与涡轮机。以流经第一蒸发器的排气为动力源，第一蒸发器后的排气侧加装了第二蒸发器，再加装一个涡轮增压器，通过对第一蒸发器出口的工质进行二次加压，将排气能量进行有效的转移至工质中。从而可提高膨胀机入口压力，不增加蒸发器的负担，而又不增加泵的耗功，从而提高了整个系统的效率。本方案还提供一种具有上述涡轮增压装置的朗肯循环余热回收系统。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中有机朗肯循环T-S示意图；

图2为本实用新型提供的朗肯循环余热回收系统的示意图。

上图中：

1-发动机、2-排气涡轮机、3-排气压气机、4-第一蒸发器、5-第二蒸发器、 6-第一电磁阀、7-工质压气机、8-涡轮机、9-第二电磁阀、10-膨胀机、11-回热器、12-冷凝器、13-工质罐、14-工质泵。

具体实施方式

本实用新型的核心是提供一种朗肯循环余热回收系统及其涡轮增压装置，可提高膨胀机入口压力，不增加蒸发器的负担，而又不增加泵的耗功，提高整个系统的效率。

为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型提供的技术方案，下面将结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

请参考图2，图2为本实用新型提供的朗肯循环余热回收系统的示意图。虚线表示发动机气路路径，实线表示有机工质工作路径。

本实用新型所提供的一种朗肯循环余热回收系统及其涡轮增压装置，包括涡轮增压器、第一蒸发器4和第二蒸发器5，涡轮增压器包括工质压气机7 以及与工质压气机7轴接的涡轮机8。

其中，工质压气机7的入口用于与第一蒸发器4的冷媒出口连通且出口用于与膨胀机10的入口连通。第二蒸发器5的热媒入口用于与第一蒸发器4 的热媒出口连通且冷媒出口与涡轮机8的入口连通。

需要说明的是，工质压气机6和涡轮机7通过转轴连接。第二蒸发器相当于换热器。

发动机1排出的废气从第一蒸发器4的热媒出口(即排气口)排出后，进入第二蒸发器5的热媒通道中，加热第二蒸发器5冷媒通道中的工质，加热后的工质流入涡轮机8做功，同时带动工质压气机7旋转。工质从第一蒸发器4的冷媒出口排出后，进入工质压气机7进行加压，随后送至膨胀机9 的入口。

本方案提供的涡轮增压装置，以流经第一蒸发器的排气为动力源，第一蒸发器后的排气侧加装了第二蒸发器，再加装一个涡轮增压器，通过对第一蒸发器出口的工质进行二次加压，将排气能量进行有效的转移至工质中。从而可提高膨胀机入口压力，不增加蒸发器的负担，而又不增加泵的耗功，从而提高了整个系统的效率。

在具体实施方式中，本方案还包括两端分别与第二蒸发器5的热媒入口和热媒出口连通的排气通道，排气通道上串联有第一电磁阀6。

进一步地，本方案还包括用于监测所述第一蒸发器4的排气温度的第一温度传感器，以及第一控制装置。

第一控制装置用于当第一蒸发器4的排气温度小于等于预设值，控制第一电磁阀6开启，气体从排气通道排出。当第一蒸发器4的排气温度大于预设值，控制第一电磁阀6关闭，气体流经第二蒸发器5对工质进行加热，然后从热媒出口排出。

具体地，预设值可以为任意温度值，便于回收利用排气热量。优选地，以酸露点为基准，其目的是防止温度较低时形成腐蚀液体，腐蚀内部管道。

需要说明的是，酸露点为当燃用含硫高的燃料时，燃烧后形成的SO₂有一部分会进一步被氧化成SO₃，且与烟气中的水蒸汽结合成硫酸蒸汽，烟气中硫酸蒸汽的凝结温度。

在具体实施方式中，本方案还包括一端与第二蒸发器5的冷媒出口连通的工质通道，工质通道上串联有第二电磁阀9。

进一步地，本方案还包括用于监测第二蒸发器5的排气温度的第二温度传感器，以及第二控制装置。

第二控制装置用于当第二蒸发器5加热的工质为非饱和态，第二电磁阀9 开启，则直接经第二电磁阀9与膨胀机10流出的工质混合，对冷工质加热。当第二蒸发器5加热的工质为饱和态或过热态，控制第二电磁阀9关闭，则工质流过工质涡轮机8对流出第一蒸发器4的工质再次加压，此时，膨胀机 10入口的压力升高，做功能力提升，整个系统的效率提高。

需要说明的是，非饱和态的工质呈液体状态，若进入高速旋转的工质涡轮机8后会损坏涡轮。因此，为使工质在工质涡轮机8内做功时不损坏涡轮设备，需保证工质始终为饱和态或过热态。

本方案还提供一种朗肯循环余热回收系统，包括依次串联设置的第一蒸发器4的冷媒管道、涡轮增压装置、膨胀机10、冷凝器12、工质泵14和第二蒸发器5的冷媒管道，涡轮增压装置为上文描述的涡轮增压装置。其中，涡轮机8的出口与冷凝器12的入口连通。

可以理解的是，该朗肯循环余热回收系统与传统的有机朗肯循环系统不同，为充分利用排气能量，第一蒸发器4后的热媒管道上加装第二蒸发器5，再在冷媒管道上加装涡轮增压器，其中，涡端和压端分别连接第二蒸发器和第一蒸发器的冷媒出口。通过利用第二蒸发器的工质对涡轮增压器的涡端做功，从而带动压端对第一蒸发器冷媒出口的工质进行二次加压，提高膨胀机入口的压力，提高系统的热效率，同时又不增加泵的耗功。

本方案还包括回热器11，回热器11的热媒通道两端分别与膨胀机10和冷凝器12连通，回热器11的冷媒通道一端与工质泵14连通且另一端分别与第一蒸发器4和第二蒸发器5的冷媒入口连通。

具体连接方式为，回热器11的热媒入口与膨胀机10的出口连通且热媒出口与冷凝器12的入口连通，回热器11的冷媒入口与工质泵14的出口连通，且冷媒出口分别与第一蒸发器4和第二蒸发器5的冷媒入口连通。

涡轮增压装置的工质通道一端与第二蒸发器5的冷媒出口连通且另一端与回热器11的热媒入口连通，工质通道上串联有第二电磁阀9。

进一步地，朗肯循环余热回收系统还包括发动机1，发动机1的排气口与第一蒸发器4的进气口连通。

本方案还包括相互轴接的排气涡轮机2和排气压气机3，排气涡轮机2的排气口与发动机1的进气口连通，排气压气机3的进气口与发动机1的排气口连通且排气口与第一蒸发器4的进气口连通。

本方案还包括工质罐13，工质罐13的入口与冷凝器12的出口连通且出口与工质泵14的入口连通。

在一种具体的朗肯循环余热回收系统中，包括发动机1、排气涡轮机2、排气压气机3、第一蒸发器4、第二蒸发器5、第一电磁阀6、工质压气机7、涡轮机8、第二电磁阀9、膨胀机10、回热器11、冷凝器12、工质罐13以及工质泵14。

该系统的工作原理如下：

排气路径：发动机1排气经排气涡轮机2做功后，流至第一蒸发器4放热，并对工质进行加热，若流出第一蒸发器4的排气接近酸露点，则第一电磁阀6开启，排气经第一电磁阀6流出，若远高于酸露点，则排气流经第二蒸发器5对工质进行加热，然后从热媒出口排出。

有机工质路径：工质泵14将工质由工质罐13中抽出，首先经回热器11 将工质预热至接近饱和态，预热后工质分两路流入第一蒸发器4和第二蒸发器5，第一蒸发器4流出为过热态的工质。若经第二蒸发器5加热的工质为饱和态或过热态，则工质流过工质涡轮机8对流出第一蒸发器4的工质再次加压，此时，膨胀机10入口的压力升高，做功能力提升，整个系统的效率提高，然后流至冷凝器12，最终至工质罐13。若经第二蒸发器5的工质为非饱和态，则直接经第二电磁阀9回过热器11与膨胀机10流出的工质混合，对冷工质加热，然后最终经冷凝器12回工质罐13。

综上，本案从提高膨胀机入口温度和入口压力以提高系统热效率的角度出发，设计了一种朗肯循环余热回收系统及其涡轮增压装置，在满足蒸发压力适度的情况下，通过涡轮增压器对有机工质增压，增大了膨胀机的入口压力，进而提高了系统热效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (11)

1.一种涡轮增压装置，其特征在于，包括涡轮增压器、第一蒸发器(4)和第二蒸发器(5)，所述涡轮增压器包括工质压气机(7)以及与所述工质压气机(7)轴接的涡轮机(8)；其中，

所述工质压气机(7)的入口用于与所述第一蒸发器(4)的冷媒出口连通且出口用于与膨胀机(10)的入口连通；

所述第二蒸发器(5)的热媒入口用于与所述第一蒸发器(4)的热媒出口连通且冷媒出口与所述涡轮机(8)的入口连通。

2.根据权利要求1所述的涡轮增压装置，其特征在于，还包括两端分别与所述第二蒸发器(5)的热媒入口和热媒出口连通的排气通道，所述排气通道上串联有第一电磁阀(6)。

3.根据权利要求2所述的涡轮增压装置，其特征在于，还包括用于监测所述第一蒸发器(4)的排气温度的第一温度传感器，以及第一控制装置；

所述第一控制装置用于当所述第一蒸发器(4)的排气温度小于等于预设值，控制所述第一电磁阀(6)开启，当所述第一蒸发器(4)的排气温度大于预设值，控制所述第一电磁阀(6)关闭。

4.根据权利要求1所述的涡轮增压装置，其特征在于，还包括一端与所述第二蒸发器(5)的冷媒出口连通的工质通道，所述工质通道上串联有第二电磁阀(9)。

5.根据权利要求4所述的涡轮增压装置，其特征在于，还包括用于监测所述第二蒸发器(5)的排气温度的第二温度传感器，以及第二控制装置；

所述第二控制装置用于当所述第二蒸发器(5)加热的工质为非饱和态，控制所述第二电磁阀(9)开启，当所述第二蒸发器(5)加热的工质为饱和态或过热态，控制所述第二电磁阀(9)关闭。

6.一种朗肯循环余热回收系统，其特征在于，包括依次串联设置的第一蒸发器(4)的冷媒管道、涡轮增压装置、膨胀机(10)、冷凝器(12)、工质泵(14)和所述第二蒸发器(5)的冷媒管道，所述涡轮增压装置为如上述权利要求1-5任一项所述的涡轮增压装置，其中，所述涡轮机(8)的出口与所述冷凝器(12)的入口连通。

7.根据权利要求6所述的朗肯循环余热回收系统，其特征在于，还包括回热器(11)，所述回热器(11)的热媒通道两端分别与所述膨胀机(10)和所述冷凝器(12)连通，所述回热器(11)的冷媒通道一端与所述工质泵(14)连通且另一端分别与所述第一蒸发器(4)和所述第二蒸发器(5)的冷媒入口连通。

8.根据权利要求7所述的朗肯循环余热回收系统，其特征在于，所述涡轮增压装置还包括工质通道，所述工质通道一端与所述第二蒸发器(5)的冷媒出口连通且另一端与所述回热器(11)的热媒入口连通，所述工质通道上串联有第二电磁阀(9)。

9.根据权利要求6所述的朗肯循环余热回收系统，其特征在于，还包括发动机(1)，所述发动机(1)的排气口与所述第一蒸发器(4)的进气口连通。

10.根据权利要求9所述的朗肯循环余热回收系统，其特征在于，还包括相互轴接的排气涡轮机(2)和排气压气机(3)，所述排气涡轮机(2)的排气口与所述发动机(1)的进气口连通，所述排气压气机(3)的进气口与所述发动机(1)的排气口连通且排气口与所述第一蒸发器(4)的进气口连通。

11.根据权利要求6所述的朗肯循环余热回收系统，其特征在于，还包括工质罐(13)，所述工质罐(13)的入口与所述冷凝器(12)的出口连通且出口与所述工质泵(14)的入口连通。

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