二級雙回路內(nèi)燃機余熱梯級利用熱回收系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種二級雙回路內(nèi)燃機余熱梯級利用熱回收系統(tǒng)，其技術方案是：由第一工質(zhì)泵、第一冷卻水預熱器、增壓中冷蒸發(fā)器、第一汽輪機及第一冷凝器依次串接組成低溫級循環(huán)；由第二工質(zhì)泵、增壓中冷預熱器、第二冷卻水預熱器、排氣蒸發(fā)器、第二高壓汽輪機、再熱器、第三低壓汽輪機以及第二冷凝器依次串接組成高溫級循環(huán)。將內(nèi)燃機排氣以及氣缸冷卻水作為高低兩個循環(huán)系統(tǒng)的熱源，梯級回收發(fā)動機的排氣，使其具有三級有機朗肯循環(huán)的能源再輸出，不但解除了單級ORC技術在內(nèi)燃機余熱回收上的限制，關鍵在于使內(nèi)燃機的余熱得到最充分的利用。
【專利說明】二級雙回路內(nèi)燃機余熱梯級利用熱回收系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于內(nèi)燃機余熱利用技術，具體涉及一種用于內(nèi)燃機多余熱梯級回收的二級有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]隨著能源日益短缺和環(huán)境問題的日益嚴峻，內(nèi)燃機的節(jié)能減排受到世人關注，利用有機朗肯循環(huán)(ORC)技術回收內(nèi)燃機余熱是目前的研究熱點。ORC熱效率和安全性較高，結構簡單，但是利用朗肯循環(huán)回收余熱的技術目前大多集中在單級循環(huán)。通過研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)燃機的余熱集中在幾個不同的溫度段內(nèi)，其中排氣溫度屬于溫度較高的高品位余熱，而缸套冷卻水和增壓后進氣則屬于溫度較低的中低品位余熱，這幾部分余熱占了燃料轉(zhuǎn)化的總能量的一半以上，因此具有很高的回收利用的潛能。對于ORC循環(huán)，不同的工質(zhì)和循環(huán)模式所對應的最佳工作溫度范圍是不同的，最好用二級循環(huán)針對不同品味的熱源分別進行回收。因為含有再熱的ORC循環(huán)不僅可以進一步利用余熱能，增加系統(tǒng)的功率輸出，還可以降低對膨脹機高壓縮比的要求，減輕設備負擔，同時避免工質(zhì)在膨脹機中進入氣液兩相區(qū)，損壞膨脹機葉片。
[0003]針對上述技術現(xiàn)狀，如果能利用二級再熱ORC循環(huán)將內(nèi)燃機各溫度范圍內(nèi)的余熱充分回收利用，則對內(nèi)燃機節(jié)能減排技術的提高意義重大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是，提出一種采用二級雙回路多次膨脹再熱回收系統(tǒng)，梯級回收發(fā)動機的排氣，冷卻水以及增壓后進氣中的余熱，使發(fā)動機的余熱得到充分利用。
[0005]以下對本發(fā)明的系統(tǒng)組成結構進行說明。二級雙回路內(nèi)燃機余熱梯級利用熱回收系統(tǒng)包括:2個工質(zhì)泵、2個冷卻水預熱器、3個汽輪機、2個冷凝器、2個工質(zhì)泵、增壓中冷蒸發(fā)器、增壓中冷預熱器、排氣蒸發(fā)器、再熱器、發(fā)電機、冷卻水預熱器、內(nèi)燃機以及渦輪增壓器等。其技術方案是:由第一工質(zhì)泵、第一冷卻水預熱器、增壓中冷蒸發(fā)器、第一汽輪機及第一冷凝器依次串接組成低溫級循環(huán)；由第二工質(zhì)泵、增壓中冷預熱器、第二冷卻水預熱器、排氣蒸發(fā)器、第二高壓汽輪機、再熱器、第三低壓汽輪機以及第二冷凝器依次串接組成高溫級循環(huán)。內(nèi)燃機排氣依次通過增壓器、排氣蒸發(fā)器和再熱器排出。發(fā)動機冷卻水依次經(jīng)過第一、第二冷卻水預熱器，構成機內(nèi)冷卻水封閉循環(huán)換熱?？諝饨?jīng)過渦輪增壓器增壓后依次經(jīng)過增壓中冷蒸發(fā)器和增壓中冷預熱器進入發(fā)動機進氣管。第一、第二和第三汽輪機分別于與各自對應的發(fā)電機軸連接。
[0006]系統(tǒng)原理是:缸套冷卻水和增壓后的進氣作為低溫級循環(huán)的熱源，對低溫級工質(zhì)進行加熱后，再進入了高溫級循環(huán)對工質(zhì)進行預熱，然后內(nèi)燃機高溫排氣在高溫級排氣蒸發(fā)器中對工質(zhì)進行加熱。工質(zhì)在高壓膨脹機中先輸出一部分功，乏汽再通過再熱器與排氣進行再次換熱，最后在低壓膨脹機中完全做功。由此實現(xiàn)內(nèi)燃機階梯余熱的充分利用，達到節(jié)能和系統(tǒng)聞效熱力循環(huán)的目的。[0007]本發(fā)明的特點及有益效果是，利用多級有機朗肯循環(huán)，可以解除單級ORC技術在內(nèi)燃機余熱回收上的限制，使發(fā)動機不同品味的余熱得到最充分利用。通過多次膨脹再熱回收發(fā)動機的排氣余熱，達到充分回收余熱，降低膨脹機壓縮比限制和避免膨脹機出口出現(xiàn)氣液混合態(tài)的目的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]所示附圖為發(fā)明原理與系統(tǒng)組成結構圖。圖中的粗短虛線表示低溫級循環(huán)；粗實線表示高溫級循環(huán)；粗長虛線表示內(nèi)燃機排氣路徑；點化線表示空氣進氣路徑；細虛線表示內(nèi)燃機冷卻水封閉循環(huán)路徑。
【具體實施方式】
[0009]以下結合附圖并通過實施例對本發(fā)明的原理與系統(tǒng)做進一步的說明。需要說明的是本實施例是敘述性的，而非是限定性的，不以此限定本發(fā)明的保護范圍。
[0010]二級雙回路內(nèi)燃機余熱梯級利用熱回收系統(tǒng)，其系統(tǒng)組成結構是:由第一工質(zhì)泵
1、第一冷卻水預熱器2、增壓中冷蒸發(fā)器3、第一汽輪機4及第一冷凝器5依次串接組成低溫級循環(huán)(圖中粗短虛線);由第二工質(zhì)泵6、增壓中冷預熱器7、第二冷卻水預熱器8、排氣蒸發(fā)器9、第二高壓汽輪機10、再熱器11、第三低壓汽輪機12以及第二冷凝器13依次串接組成高溫級循環(huán)(圖中粗實線)。內(nèi)燃機14排氣依次通過增壓器、排氣蒸發(fā)器和再熱器11排出(圖中粗長虛線)。發(fā)動機冷卻水依次經(jīng)過第一、第二冷卻水預熱器，構成機內(nèi)冷卻水封閉循環(huán)換熱(圖中細虛線)。空氣經(jīng)過渦輪增壓器15增壓后依次經(jīng)過增壓中冷蒸發(fā)器3和增壓中冷預熱器7進入發(fā)動機進氣管(圖中點化線)。增壓中冷蒸發(fā)器與增壓中冷預熱器、以及第一第二冷卻水預熱器將低溫級與高溫級兩個循環(huán)系統(tǒng)連接起來。渦輪增壓器由渦輪機與壓氣機軸連構成。
[0011]低溫級朗肯循環(huán)中的工質(zhì)為R245fa (CF3CH2CHF2)0高溫級朗肯循環(huán)中的工質(zhì)為(CH3)3SiOSi(CH3)3 (六甲基二硅氧烷)。
[0012]二級雙回路內(nèi)燃機余熱梯級利用熱回收系統(tǒng)循環(huán)過程為:
[0013]冷卻內(nèi)燃機后(溫度較高的)冷卻水和渦輪增壓機中的壓氣機加熱(溫度也較高)的空氣，分別通過第一冷卻水預熱器和增壓中冷蒸發(fā)器進入低溫級循環(huán)，將低溫級工質(zhì)進行加熱，使其蒸發(fā)成為飽和(或過熱)的高溫高壓氣體，進入第一汽輪機做功，驅(qū)動第一發(fā)電機發(fā)電。做功后的乏汽通過第一冷凝器冷卻為低溫低壓的液體，經(jīng)第一工質(zhì)泵增壓后依次送至第一冷卻水預熱器和增壓中冷蒸發(fā)器，完成低溫級系統(tǒng)的熱力循環(huán)。
[0014]來自低溫級系統(tǒng)第一冷卻水預熱器排出的冷卻水，作為熱源通過高溫級系統(tǒng)第二冷卻水預熱器對該系統(tǒng)的工質(zhì)進行預熱，預熱后的工質(zhì)被渦輪增壓器增壓后的內(nèi)燃機高溫排氣繼續(xù)加熱，使其蒸發(fā)成飽和(或過熱)的高溫高壓蒸氣，進入第二汽輪機做功，驅(qū)動第二發(fā)電機發(fā)電。做功后的工質(zhì)乏汽進入再熱器，在再熱器中與高溫排氣第二次換熱，重新蒸發(fā)為飽和(或過熱)的高溫高壓氣體，進入第三汽輪機做功，驅(qū)動第三發(fā)電機發(fā)電。做功后的低壓乏汽通過第二冷凝器冷卻為低溫低壓的液體，經(jīng)第二工質(zhì)泵增壓后依次送至增壓中冷預熱器、第二冷卻水預熱器以及排氣蒸發(fā)器，完成高溫級系統(tǒng)的熱力循環(huán)。因此在高溫級循環(huán)中進行了 二次膨脹再熱循環(huán)。[0015]本發(fā)明通過階梯熱源的利用，使其具有三級有機朗肯循環(huán)的能源再輸出，不但解除了單級ORC技術在內(nèi)燃機余熱回收上的限制，關鍵在于使內(nèi)燃機的余熱得到最充分的利用。
【權利要求】
1.二級雙回路內(nèi)燃機余熱梯級利用熱回收系統(tǒng)，包括:2個工質(zhì)泵、2個冷卻水預熱器、增壓中冷蒸發(fā)器、3個汽輪機、2個冷凝器、2個工質(zhì)泵、增壓中冷預熱器、排氣蒸發(fā)器、再熱器、發(fā)電機、冷卻水預熱器、內(nèi)燃機以及渦輪增壓器，其特征是:由第一工質(zhì)泵(I)、第一冷卻水預熱器(2)、增壓中冷蒸發(fā)器(3)、第一汽輪機(4)及第一冷凝器(5)依次串接組成低溫級循環(huán)；由第二工質(zhì)泵(6)、增壓中冷預熱器(7)、第二冷卻水預熱器(8)、排氣蒸發(fā)器(9)、第二高壓汽輪機(10)、再熱器(11)、第三低壓汽輪機(12)以及第二冷凝器(13)依次串接組成高溫級循環(huán)，內(nèi)燃機(14)排氣依次通過增壓器、排氣蒸發(fā)器和再熱器(11)排出，發(fā)動機冷卻水依次經(jīng)過第一、第二冷卻水預熱器，構成機內(nèi)冷卻水封閉循環(huán)換熱，空氣經(jīng)過渦輪增壓器(15)增壓后依次經(jīng)過增壓中冷蒸發(fā)器(3)和增壓中冷預熱器(7)進入發(fā)動機進氣管。
2.根據(jù)權利要求1所述的二級雙回路內(nèi)燃機余熱梯級利用熱回收系統(tǒng)，其特征是低溫級朗肯循環(huán)中所述的工質(zhì)或者是R245fa,或者是R218,或者是R143a。
3.根據(jù)權利要求1所述的二級雙回路內(nèi)燃機余熱梯級利用熱回收系統(tǒng)，其特征是所述高溫級朗肯循環(huán)中的工質(zhì)是六甲基二硅氧烷。
【文檔編號】F02G5/00GK103758658SQ201310755643
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年12月27日 優(yōu)先權日: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 申請人:天津大學