內(nèi)燃機(jī)余熱雙回路梯級(jí)利用系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種內(nèi)燃機(jī)余熱雙回路梯級(jí)利用系統(tǒng)，其技術(shù)方案為：由發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的冷卻工質(zhì)側(cè)、高溫?fù)Q熱器、高溫EGR、第一膨脹機(jī)、空冷器、第一循環(huán)泵通過管路依次連接組成第一循環(huán)回路。由中冷器、低溫?fù)Q熱器、低溫EGR、第二膨脹機(jī)、空冷器、第二循環(huán)泵通過管路依次連接組成第二循環(huán)回路。發(fā)動(dòng)機(jī)高溫排氣經(jīng)第一分配器分為兩路輸出：一路經(jīng)渦輪增壓器、高低溫?fù)Q熱器排出；另一路經(jīng)高低溫EGR并通過第二分配器的一路返回發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣。渦輪增壓器輸出高溫排氣和預(yù)熱排氣。第一、第二膨脹機(jī)以及發(fā)電機(jī)的軸直接相連，膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。利用有機(jī)朗肯循環(huán)、廢氣再循環(huán)與渦輪增壓技術(shù)相結(jié)合，使內(nèi)燃機(jī)排氣余熱得到充分利用。
【專利說明】?jī)?nèi)燃機(jī)余熱雙回路梯級(jí)利用系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于內(nèi)燃機(jī)余熱利用技術(shù)，具體涉及一種將發(fā)動(dòng)機(jī)余熱作為熱源的雙回路梯級(jí)利用系統(tǒng)。
技術(shù)背景
[0002]隨著當(dāng)代能源的日益短缺和人們環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，節(jié)能減排技術(shù)或者措施已經(jīng)成為世人矚目的熱點(diǎn)，其中發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)能減排技術(shù)研究已被業(yè)內(nèi)外專家及學(xué)者高度重視。在低品位能源利用方面，有機(jī)朗肯熱力循環(huán)(ORC)技術(shù)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、熱效率和安全性較高的特點(diǎn)，目前已成為余熱利用的研究熱點(diǎn)。
[0003]朗肯循環(huán)余熱回收技術(shù)大多應(yīng)用于單級(jí)循環(huán)。單級(jí)循環(huán)的特點(diǎn)是，多以發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣余熱作為主要熱源，將發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的熱量作為工質(zhì)的預(yù)熱熱源。冷卻液的溫度相對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度而言較低，但它所含的能量卻不容忽視。而且ORC的應(yīng)用條件是工質(zhì)溫度一般不要高于350°C，而發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度一般高達(dá)500?600°C。目前針對(duì)該問題所采用的兩級(jí)循環(huán)技術(shù)方案是，一個(gè)循環(huán)以尾氣熱量為熱源，另一個(gè)循環(huán)以發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液為熱源。但是這種方案存在的主要技術(shù)缺陷是對(duì)各部分熱量的利用有限，尚有部分空間沒有得到充分利用，而本發(fā)明的提出可以使發(fā)動(dòng)機(jī)余熱的回收率得到較大的提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是，提出一種采用有機(jī)朗肯循環(huán)(0RC)、廢氣再循環(huán)(EGR)與渦輪增壓技術(shù)相結(jié)合的余熱雙回路梯級(jí)利用系統(tǒng)，使內(nèi)燃機(jī)排氣余熱和冷卻液的余熱得到充分利用。
[0005]以下對(duì)本發(fā)明的技術(shù)原理與系統(tǒng)組成進(jìn)行說明。內(nèi)燃機(jī)余熱雙回路梯級(jí)利用系統(tǒng)包括:發(fā)動(dòng)機(jī)、高溫?fù)Q熱器、低溫?fù)Q熱器、高溫EGR、低溫EGR、第一第二膨脹機(jī)、空冷器、第一第二循環(huán)泵、中冷器、第一第二分配器、渦輪增壓器以及發(fā)電機(jī)等。其系統(tǒng)組成為:由發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的冷卻工質(zhì)側(cè)、高溫?fù)Q熱器液側(cè)、高溫EGR液側(cè)、第一膨脹機(jī)、空冷器液側(cè)、第一循環(huán)泵通過管路依次連接組成第一循環(huán)回路。由中冷器液側(cè)、低溫?fù)Q熱器液側(cè)、低溫EGR液側(cè)、第二膨脹機(jī)、空冷器液側(cè)、第二循環(huán)泵通過管路依次連接組成第二循環(huán)回路。發(fā)動(dòng)機(jī)高溫排氣接于第一分配器，第一分配器分為兩路輸出:一路經(jīng)渦輪增壓器、高溫?fù)Q熱器及低溫?fù)Q熱器的氣側(cè)排出；另一路經(jīng)高溫EGR及低溫EGR氣側(cè)、并通過第二分配器的一路返回發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣。空氣進(jìn)氣經(jīng)渦輪增壓器、中冷器接至第二分配器的另一路。渦輪增壓器輸出高溫排氣和預(yù)熱排氣。第一、第二膨脹機(jī)以及發(fā)電機(jī)的軸直接相連，膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。
[0006]本發(fā)明的工作原理為:用來冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)工質(zhì)熱量、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣經(jīng)渦輪增壓器后的熱量、以及(吸收發(fā)動(dòng)機(jī)排氣)高溫EGR排出熱量，三者之和作為第一循環(huán)回路的熱源。該循環(huán)回路的工質(zhì)流體通過第一循環(huán)回路的熱源加熱后，成為高溫蒸汽驅(qū)動(dòng)第一膨脹機(jī)做功，做功后的乏汽進(jìn)入空冷器中冷凝，然后經(jīng)過第一循環(huán)泵加壓回到發(fā)動(dòng)機(jī)的缸套中完成循環(huán)。空氣進(jìn)氣經(jīng)渦輪增壓器增壓加熱后的熱量(進(jìn)入中冷器)、從高溫?fù)Q熱器氣側(cè)排出的能量、以及低溫EGR (也稱為第二級(jí)EGR)排出的能量，三者之和作為第二循環(huán)回路的熱源。有機(jī)工質(zhì)流體通過該循環(huán)回路的熱源加熱量后，成為高溫蒸汽驅(qū)動(dòng)第二膨脹機(jī)做功，做功后的乏汽亦進(jìn)入空冷器中冷凝，然后經(jīng)過第二循環(huán)泵加壓進(jìn)入中冷器完成第二回路的循環(huán)。兩個(gè)循環(huán)回路通過空冷器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)連接，即兩個(gè)回路的循環(huán)工質(zhì)均通過該空氣冷卻器(簡(jiǎn)稱空冷器)冷凝。
[0007]本發(fā)明的特點(diǎn)及產(chǎn)生的有益效果是，充分利用渦輪增壓的排氣和冷卻缸套循環(huán)工質(zhì)二部分的能量，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱進(jìn)行回收，比單一利用EGR系統(tǒng)回收效率高出許多。對(duì)兩個(gè)回路系統(tǒng)的能量進(jìn)行階梯利用，高溫排氣再次用來加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液，使發(fā)動(dòng)機(jī)高溫排氣的余熱和冷卻缸套那部分流體的余熱得到充分利用。第一循環(huán)直接用發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液作為循環(huán)工質(zhì)，可以減少一次換熱的過程，降低設(shè)備的復(fù)雜程度，并且可以減少換熱過程中的能量損失。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]所示附圖為本發(fā)明系統(tǒng)部件連接結(jié)構(gòu)原理圖。圖中的黑實(shí)線表示第一回路循環(huán)工質(zhì)的路徑；黑短虛線表示第二回路循環(huán)工質(zhì)的路徑；長(zhǎng)虛線表示發(fā)動(dòng)機(jī)高溫排氣的路徑；短虛線表示空氣進(jìn)氣經(jīng)渦流增壓加熱后的循環(huán)路徑。
【具體實(shí)施方式】
[0009]以下結(jié)合附圖并通過實(shí)例對(duì)本發(fā)明的原理與系統(tǒng)做進(jìn)一步的說明。需要說明的是本實(shí)施例是敘述性的，而非是限定性的，不以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0010]內(nèi)燃機(jī)余熱雙回路梯級(jí)利用系統(tǒng)，其系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)是:由發(fā)動(dòng)機(jī)I內(nèi)的冷卻工質(zhì)偵U、高溫?fù)Q熱器2的液側(cè)、高溫EGR3的液側(cè)、第一膨脹機(jī)4-1、空冷器5的液側(cè)、第一循環(huán)泵6-1通過管路依次連接組成第一循環(huán)回路。由中冷器7的液側(cè)、低溫?fù)Q熱器8的液側(cè)、低溫EGR9的液側(cè)、第二膨脹機(jī)4-2、空冷器的液側(cè)、第二循環(huán)泵6-2通過管路依次連接組成第二循環(huán)回路。發(fā)動(dòng)機(jī)高溫排氣接于第一分配器10-1，第一分配器分為兩路輸出:一路經(jīng)渦輪增壓器11、高溫?fù)Q熱器及低溫?fù)Q熱器的氣側(cè)排出；另一路經(jīng)高溫EGR及低溫EGR的氣側(cè)、并通過第二分配器10-2的一路返回發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣。空氣進(jìn)氣經(jīng)渦輪增壓器、中冷器接至第二分配器的另一路，渦輪增壓器輸出高溫排氣和預(yù)熱排氣。第一、第二膨脹機(jī)以及發(fā)電機(jī)12的軸直接相連。第一循環(huán)回路通過空冷器5與第二循環(huán)回路連接。第一循環(huán)回路冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)所用的工質(zhì)為水；第二循環(huán)回路所用的有機(jī)工質(zhì)為CF3CH2CHF2 (R245fa)。
[0011]來自發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的冷卻工質(zhì)的熱量、渦輪增壓器輸出的高溫排氣熱量、高溫EGR排出的熱量，三者之和作為所述第一循環(huán)回路的熱源。
[0012]渦輪增壓器排出的部分熱量、渦輪增壓器輸出的預(yù)熱排氣熱量、低溫EGR排出的能量，三者之和作為所述第二循環(huán)回路的熱源。
[0013]冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)缸套后流出的工質(zhì)進(jìn)入高溫?fù)Q熱器中，通過渦輪增壓器的高溫排氣加熱升溫，然后(在高溫EGR中)又經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫排氣直接加熱成為過熱或飽和蒸汽，然后進(jìn)入第一膨脹機(jī)中做功驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，從膨脹機(jī)排出的乏汽進(jìn)入空冷器中冷凝，冷凝水經(jīng)第一循環(huán)泵送回發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中完成循環(huán)?？绽淦鞯慕Y(jié)構(gòu)是雙通道，水蒸汽進(jìn)入其中的一個(gè)通道?？绽淦鞯纳岱绞綖槔滹L(fēng)與蒸汽流體換熱。[0014]第二循環(huán)回路采用的有機(jī)工質(zhì)為R245fa。中冷器中的有機(jī)工質(zhì)被渦輪增壓器(增壓后的空氣)第一次加熱，然后進(jìn)入低溫?fù)Q熱器中被高溫?fù)Q熱器排出的氣體進(jìn)行第二次加熱，再經(jīng)過低溫EGR被高溫EGR中排出的廢氣進(jìn)行第三次加熱，有機(jī)工質(zhì)被三次加熱后成為飽和蒸汽進(jìn)入第二膨脹機(jī)中做功。做功后的有機(jī)工質(zhì)乏汽進(jìn)入空冷器中的另一通道冷凝，工質(zhì)凝結(jié)液經(jīng)第二循環(huán)泵回到中冷器中完成循環(huán)。
[0015]EGR是廢氣再循環(huán)技術(shù)的簡(jiǎn)稱，其結(jié)構(gòu)是利用一部分發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣經(jīng)處理后作為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的一部分，因?yàn)檫@部分補(bǔ)充進(jìn)氣具有較高的溫度，所以可以節(jié)省對(duì)環(huán)境空氣進(jìn)氣的加熱能耗。高溫EGR與低溫EGR區(qū)別在于廢氣通道中的設(shè)置位置。
【權(quán)利要求】
1.內(nèi)燃機(jī)余熱雙回路梯級(jí)利用系統(tǒng)，包括:發(fā)動(dòng)機(jī)、高溫?fù)Q熱器、低溫?fù)Q熱器、高溫EGR、低溫EGR、第一第二膨脹機(jī)、空冷器、第一第二循環(huán)泵、中冷器、第一第二分配器、渦輪增壓器以及發(fā)電機(jī)，其特征是:由發(fā)動(dòng)機(jī)(I)內(nèi)的冷卻工質(zhì)側(cè)、高溫?fù)Q熱器(2)液側(cè)、高溫EGR(3 )液側(cè)、第一膨脹機(jī)(4-1)、空冷器(5 )液側(cè)、第一循環(huán)泵(6-1)通過管路依次連接組成第一循環(huán)回路；由中冷器(7)液側(cè)、低溫?fù)Q熱器(8)液側(cè)、低溫EGR(9)液側(cè)、第二膨脹機(jī)(4-2)、空冷器液側(cè)、第二循環(huán)泵(6-2)通過管路依次連接組成第二循環(huán)回路；發(fā)動(dòng)機(jī)高溫排氣接于第一分配器(10-1)，第一分配器分為兩路輸出:一路經(jīng)渦輪增壓器(11)、高溫?fù)Q熱器及低溫?fù)Q熱器的氣側(cè)排出；另一路經(jīng)高溫EGR及低溫EGR氣側(cè)、并通過第二分配器(10-2)的一路返回發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣，空氣進(jìn)氣經(jīng)渦輪增壓器、中冷器接至第二分配器的另一路，渦輪增壓器輸出高溫排氣和預(yù)熱排氣，第一、第二膨脹機(jī)以及發(fā)電機(jī)(12)的軸直接相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)余熱雙回路梯級(jí)利用系統(tǒng)，其特征是所述第一循環(huán)回路通過空冷器(5)與所述第二循環(huán)回路連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的內(nèi)燃機(jī)余熱雙回路梯級(jí)利用系統(tǒng)，其特征是所述第一循環(huán)回路冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)所用的工質(zhì)為水；第二循環(huán)回路所用的工質(zhì)為cf3ch2chf2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)余熱雙回路梯級(jí)利用系統(tǒng)，其特征是來自所述發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的冷卻工質(zhì)的熱量、所述渦輪增壓器輸出的高溫排氣熱量、所述高溫EGR排出的熱量，三者之和作為所述第一循環(huán)回路的熱源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的內(nèi)燃機(jī)余熱雙回路梯級(jí)利用系統(tǒng)，其特征是所述渦輪增壓器排出的部分熱量、所述渦輪增壓器輸出的預(yù)熱排氣熱量、所述低溫EGR排出的能量，三者之和作為所述第二循環(huán)回路的熱源。
【文檔編號(hào)】F01N5/02GK103711555SQ201310749527
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】舒歌群, 李曉寧, 衛(wèi)海橋, 梁興雨, 田華 申請(qǐng)人:天津大學(xué)