高效緊湊內燃機-有機朗肯循環(huán)復合系統(tǒng)及其工作方法
【專利摘要】一種高效緊湊內燃機-有機朗肯循環(huán)復合系統(tǒng)及其工作方法，屬于能源動力領域。其特征在于：該系統(tǒng)包括內燃機子系統(tǒng)、冷卻子系統(tǒng)、余熱回收子系統(tǒng)和動力傳輸子系統(tǒng)。上述接觸換熱器（9）將廢煙氣余熱直接傳遞給循環(huán)水（24），循環(huán)水（24）再通過蒸發(fā)器（17）為ORC子系統(tǒng)提供主要熱源；冷卻子系統(tǒng)回路中的預熱器（12）對ORC子系統(tǒng)提供次要熱源。由于接觸換熱器（9）的傳熱系數(shù)遠高于常規(guī)非接觸對流換熱結構，在相同傳熱量條件下結構更為緊湊；蒸發(fā)器（17）和預熱器（12）熱側工質均為液體，其整體傳熱系數(shù)高，可采用結構緊湊的板式換熱器。此外接觸換熱器（9）還能對廢煙氣初步凈化。該系統(tǒng)高效緊湊，特別適合對空間及載荷要求高的內燃機車節(jié)能改造。
【專利說明】高效緊湊內燃機-有機朗肯循環(huán)復合系統(tǒng)及其工作方法
[0001]
【技術領域】
[0002]本發(fā)明涉及一種高效緊湊余熱回收內燃機-有機朗肯循環(huán)復合動力循環(huán)系統(tǒng)及其工作方法，屬于能源與動力領域。
【背景技術】
[0003]車輛內燃機發(fā)動機目前的熱效率一般為1/3，而其余2/3余熱主要以廢煙氣、冷卻劑、冷卻潤滑油的形式排入環(huán)境。為了改善車輛內燃機熱力環(huán)境性能，目前各種形式的廢煙氣余熱回收形式已被提出。其中采用有機朗肯底循環(huán)來回熱內燃機廢熱并將其轉化為機械能，能夠顯著提高內燃機的熱力性能，目前文獻報到該方案能夠將內燃機的熱效率提高10%左右，該技術已經成為了目前的研究熱點之一。對內燃機各種形式的廢熱進行分析可以發(fā)現(xiàn):內燃機廢煙氣一般在600Ιk~1000Κ，余熱數(shù)量占總廢熱的30%左右。發(fā)動機冷卻劑的溫度一般在363Ιk~388Κ之間，雖然能量品質很差，但數(shù)量占總廢熱的40%左右，目前采用的通過散熱器直接釋放至環(huán)境的方式存在極大浪費。其余30%的廢熱主要以內燃機輻射散熱和潤滑油廢熱的形式排入環(huán)境。其中冷卻劑或者內燃機潤滑油帶走的廢熱，盡管其溫度較低，熱品位不高，采用對流換熱余熱回收的形式，因其對流換熱系數(shù)較高，在有效回熱的條件下，換熱器結構尺寸較小。
[0004]但對于煙氣廢熱，因其熱品位較高，采用ORC底循環(huán)的關鍵設備之一是采用煙氣余熱回收蒸發(fā) 器，通過常規(guī)對流換熱的形式來回收廢煙氣余熱，存在因煙氣側對流傳熱系數(shù)極低(50 ff/m2/k -200 W/m2/k)，換熱器設備尺寸較大的不足，而換熱器是影響ORC子系統(tǒng)整體尺寸和重量的關鍵。
[0005]對于空間和自身載重要求較高的機車，如果能夠利用有機朗肯循環(huán)技術回收車輛發(fā)動機多種余熱，且采用結構緊湊的高效換熱設備。則能有效增加車輛內燃機輸出動力及熱效率，實現(xiàn)節(jié)能減排。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提出一種可以回收車輛余熱，提高車輛輸出動力，減少排氣污染的一種高效緊湊余熱回收內燃機-有機朗肯循環(huán)復合動力循環(huán)系統(tǒng)及工作方法。
[0007]該系統(tǒng)包括內燃機子系統(tǒng)、冷卻子系統(tǒng)、余熱回收有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)和動力傳輸子系統(tǒng)；
上述內燃機子系統(tǒng)包括渦輪增壓、間冷器、吸氣端、內燃機發(fā)動機、排氣端、廢氣渦輪、煙氣觸媒凈化裝置、接觸換熱器、消音器、排氣閥、凈化水箱、循環(huán)水泵；內燃機發(fā)動機包括冷卻劑入口、冷卻劑出口、氣缸入口、氣缸出口 ；接觸換熱器包括水入口、水出口、煙氣入口、煙氣出口 ；
其中渦輪增壓入口與外界環(huán)境空氣相連，渦輪增壓出口依次經過間冷器、吸氣端與內燃機發(fā)動機的氣缸入口相連，內燃機發(fā)動機的氣缸出口依次經過排氣端、廢氣渦輪、煙氣觸媒凈化裝置與接觸換熱的煙氣入口相連，接觸換熱器的煙氣出口經過消音器與排氣閥相連，排氣閥出口與環(huán)境空氣相連；
接觸換熱器水出口與有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)中的蒸發(fā)器熱側入口相連，蒸發(fā)器熱側出口依次與凈化水箱、循環(huán)水泵和接觸換熱器水入口相連；
上述冷卻子系統(tǒng)包括預熱器、散熱器和冷卻劑循環(huán)泵；預熱器還包括有機工質入口、冷側出口、熱側入口和熱側出口，內燃機發(fā)動機的冷卻劑出口與預熱器熱側入口相連，預熱器熱側出口依次與散熱器、冷卻劑循環(huán)泵和內燃機發(fā)動機的冷卻劑入口相連；
上述余熱回收有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)包括蒸發(fā)器、有機透平、回熱器、冷凝器、儲液罐和有機泵；回熱器包括熱側進口、熱側出口、冷側進口、冷側出口。有機泵出口與回熱器熱側入口相連；回熱器熱側出口與預熱器冷側入口相連，預熱器冷側出口依次與蒸發(fā)器冷側入口相連，蒸發(fā)器冷側出口與有機透平入口相連，有機透平出口與回熱器熱側入口相連，回熱器熱側出口依次與冷凝器、儲液罐和有機泵相連；
上述動力傳輸子系統(tǒng)包括主軸、動力傳動裝置、啟動電機和輔助傳動機構；內燃機發(fā)動機通過曲軸與主軸動力連接，主軸與動力傳動裝置動力聯(lián)接，啟動電機與動力傳動裝置動力相連，動力傳動裝置與輔助傳動機構動力相連。
[0008]上述高效緊湊余熱回收ICE-ORC復合動力系統(tǒng)中，內燃機子系統(tǒng)熱煙氣與低溫循環(huán)水在接觸換熱器內，通過直接接觸方法進行傳熱。與常規(guī)非直接接觸式的對流換熱器相t匕，由于避免了煙氣側對流換熱系數(shù)低的不足，此種方法能夠有效提高高溫煙氣和循環(huán)水的換熱系數(shù)，在相同換熱量條件下，接觸換熱器的結構尺寸能顯著降低。而且體積流量較小的循環(huán)水能夠對體積流量較大的煙氣中的部分顆粒物等污染雜質進行清洗，便于集中除污，有利于降低排煙污染。
[0009]上述高效緊湊余熱回收ICE-ORC復合動力系統(tǒng)，冷卻子系統(tǒng)的預熱器和ORC子系統(tǒng)的蒸發(fā)器均采用板式換熱器。換熱器結構是影響整個ORC子系統(tǒng)尺寸和重量的關鍵，降低換熱器尺寸是影響ORC系統(tǒng)結構緊湊性和重量的主要方法。其中預熱器冷側為冷卻劑，熱側為液態(tài)有機工質，整體換熱系數(shù)不低，采用板式結構能夠顯著降低換熱器面積。而ORC子系統(tǒng)蒸發(fā)器熱側為高溫熱水，冷側為有機工質相變蒸發(fā)，整體換熱系數(shù)較高，采用板式結構能夠顯著降低換熱器結構尺寸。
[0010]上述高效緊湊余熱回收ICE-ORC復合動力系統(tǒng)，包括以下過程:
來自環(huán)境的空氣經過渦輪增壓升壓升溫后，通過間冷器冷卻后經過吸氣端進入內燃機發(fā)動機氣缸，與燃料發(fā)生燃燒反應，氣缸內燃料燃燒釋放熱能并推動活塞運動排出排氣端，內燃機發(fā)動機將燃料熱能轉化為機械能并輸送給動力傳輸子系統(tǒng)；排氣端出口煙氣進入廢氣渦輪，廢氣渦輪回收部分煙氣的壓力能并轉化為機械能，再通過機械能對渦輪增壓提供動力。廢氣渦輪出口廢氣通過煙氣觸媒凈化裝置凈化雜質后，進入接觸換熱器，直接與循環(huán)水接觸，循環(huán)水被加熱，煙氣溫度迅速降低。最后該低溫煙氣通過消音器和排氣閥后排入環(huán)境空氣中；同時冷卻發(fā)動機的冷卻劑通過冷卻劑循環(huán)泵進入預熱器熱側，對來自ORC子系統(tǒng)的有機工質進行預熱后再進入散熱器，經過環(huán)境空氣冷卻將冷卻劑廢熱釋放至環(huán)境空氣中，然后再通過冷卻劑循環(huán)泵送入內燃機發(fā)動機冷卻劑入口 ；來自接觸換熱器冷側出口的高溫熱水作為熱源進入蒸發(fā)器熱側，對進入蒸發(fā)器冷側的有機工質加熱，有機工質吸熱蒸發(fā)后進入有機透平膨脹做功并轉化為機械能輸送至動力傳輸子系統(tǒng)，有機透平出口溫度較高的乏氣通過回熱器對低溫有機工質預熱后，自身降溫并進入冷凝器被冷凝為液相后送至儲液罐；來自儲液罐的液態(tài)低壓有機工質再經過有機泵循環(huán)進入回熱器冷側入口 ；低溫有機工質被加熱后再進入預熱器冷側，回收部分冷卻劑的顯熱后，自身溫度升高并進入蒸發(fā)器冷側入口。
[0011]上述高效緊湊余熱回收ICE-ORC復合動力系統(tǒng)，由于采用了高效接觸換熱器來回熱煙氣余熱，結構緊湊的板式蒸發(fā)器和板式預熱器回收煙氣廢熱和冷卻劑廢熱，因此增加廢熱回熱ORC子系統(tǒng)后，整體結構較為緊促，整體熱效率也較高，實現(xiàn)了整體節(jié)能減排。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是現(xiàn)有車輛內燃機動力系統(tǒng)；
圖2是本發(fā)明高效緊湊余熱回收ICE-ORC復合動力循環(huán)系統(tǒng)。
[0013]圖中標號名稱:1.空氣，2.渦輪增壓，3.間冷器，4.吸氣端，5.內燃機發(fā)動機，6.排氣端，7.廢氣渦輪，8.煙氣觸媒凈化裝置，9.接觸換熱器，10.消音器，11.排氣閥，12.預熱器，13.散熱器，14.冷卻劑循環(huán)泵，15.冷卻劑，16.有機工質，17.蒸發(fā)器，18.有機透平，19.回熱器，20.冷凝器，21.儲液罐，22.有機泵，23.凈化水箱，24.循環(huán)水，25.循環(huán)水泵，26.主軸，27.啟動電機，28.動力傳輸裝置，29.輔助傳動機構。
【具體實施方式】
[0014]下面參照圖1說明高效緊湊的余熱回收ICE-ORC復合動力循環(huán)系統(tǒng)過程。
[0015]圖2是本發(fā)明提出高效緊湊的余熱回收ICE-ORC復合動力循環(huán)系統(tǒng)。
[0016]該系統(tǒng)的啟動過程如下:啟動冷卻劑循環(huán)泵14，冷卻劑進入內燃機發(fā)動機5冷卻劑入口，對內燃機發(fā)動機5氣缸和潤滑油進行冷卻后進入預熱器12熱側入口，從預熱器12熱側出來的冷卻劑再進入散熱器13冷卻，冷卻后的冷卻劑15再通過循環(huán)泵進入內燃機發(fā)動機5冷卻劑入口。
[0017]啟動電機27驅動活塞式內燃機發(fā)動機5開始運轉；環(huán)境空氣I從活塞式經過渦輪增壓3然后經過冷器3冷卻后，進入發(fā)動機吸氣端4進入ICE子系統(tǒng)的內燃機發(fā)動機5氣缸和燃料燃燒，燃燒后的煙氣熱能推動活塞運動轉化為曲軸的機械能，待發(fā)動機正常工作后切斷啟動電機27,并將機械能輸送給動力傳輸子系統(tǒng)，同時冷卻內燃機發(fā)動機5氣缸冷卻劑15的空氣冷卻子系統(tǒng)啟動；從發(fā)動機排氣端6輸出的高壓高溫排氣先經過廢熱渦輪7回收機械能后，再進入觸媒凈化裝置8脫除煙氣中的毒害性和腐蝕性成分；凈化后的高溫高壓凈化煙氣再進入接觸換熱器9熱側，對循環(huán)水24進行加熱自身溫度降低，同時能夠通過水洗起到凈化的左右，接觸換熱器出口的低溫煙氣再進入消音器10，最后通過排氣閥11排入環(huán)境空氣。至此，如果不啟動有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)，該系統(tǒng)運行過程與圖1相同。
[0018]待上述過程穩(wěn)定后，啟動循環(huán)水泵25，循環(huán)水24被泵入接觸換熱器9與高溫煙氣接觸進行換熱，循環(huán)熱水被加熱后從接觸換熱器9液相出口排出并進入蒸發(fā)器熱側17入口，蒸發(fā)器17熱側出來的熱水進入凈化水箱23后再經過循環(huán)水泵25送入接觸換熱器9。
[0019]啟動有機泵22對來自儲液罐21的液態(tài)有機工質16進行增壓，增壓泵出口的有機工質先進入回熱器冷側回收有機透平出口乏氣的顯熱，然后再進入預熱器12回收冷卻劑顯熱，最后進入蒸發(fā)器17冷側，在蒸發(fā)器17內被加熱蒸發(fā)后變?yōu)楦邷馗邏河袡C蒸氣。有機蒸氣進入有機透平18膨脹做功并轉化為機械能，并通過輔助傳動機構29送入動力傳輸裝置28。有機透平18出口的有機工質乏氣進入回熱器19熱側對低溫液態(tài)有機工質進行預熱后進入冷凝器20，被環(huán)境空氣冷卻凝結后進入儲液罐21，然后從儲液罐21出來再被有機泵22增壓開始下一次循環(huán)。至此，高效緊湊的余熱回收ICE-ORC復合動力循環(huán)系統(tǒng)開始運行。
【權利要求】
1.一種高效緊湊內燃機-有機朗肯循環(huán)復合系統(tǒng)，其特征在于: 該系統(tǒng)包括內燃機子系統(tǒng)、冷卻子系統(tǒng)、余熱回收有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)和動力傳輸子系統(tǒng)； 上述內燃機子系統(tǒng)包括渦輪增壓(2)、間冷器(3)、吸氣端(4)、內燃機發(fā)動機(5)、排氣端(6)、廢氣渦輪(7)、煙氣觸媒凈化裝置(8)、接觸換熱器(9)、消音器(10)、排氣閥(11)、凈化水箱(23 )、循環(huán)水泵(25 );內燃機發(fā)動機(5 )包括冷卻劑入口、冷卻劑出口、氣缸入口、氣缸出口 ；接觸換熱器(9)包括水入口、水出口、煙氣入口、煙氣出口 ； 其中渦輪增壓(2)入口與外界環(huán)境空氣(I)相連，渦輪增壓(2)出口依次經過間冷器(3 )、吸氣端(4 )與內燃機發(fā)動機(5 )的氣缸入口相連，內燃機發(fā)動機(5 )的氣缸出口依次經過排氣端(6)、廢氣渦輪(7)、煙氣觸媒凈化裝置(8)與接觸換熱器(9)的煙氣入口相連，接觸換熱器(9)的煙氣出口經過消音器(10)與排氣閥(11)相連，排氣閥(11)出口與環(huán)境空氣相連； 接觸換熱器(9)水出口與有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)中的蒸發(fā)器(17)熱側入口相連，蒸發(fā)器(17)熱側出口依次與凈化水箱(23)、循環(huán)水泵(25)和接觸換熱器(9)水入口相連； 上述冷卻子系統(tǒng)包括預熱器(12)、散熱器(13)和冷卻劑循環(huán)泵(14);預熱器(12)包括冷側入口、冷側出口、熱側入口、熱側出口；內燃機發(fā)動機(5 )的冷卻劑出口與預熱器(12 )熱側入口相連， 預熱器(12)熱側出口依次與散熱器(13)、冷卻劑循環(huán)泵(14)和內燃機發(fā)動機(5)的冷卻劑入口相連； 上述余熱回收有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)包括蒸發(fā)器(17)、有機透平(18)、回熱器(19)、冷凝器(20 )、儲液罐(21)和有機泵(22 );回熱器(19 )包括熱側進口、熱側出口、冷側進口、冷側出口 ；有機泵(22)出口與回熱器(19)熱側入口相連，回熱器(19)熱側出口與預熱器(12)冷側入口相連，預熱器(12)冷側出口依次與蒸發(fā)器(17)冷側入口相連，蒸發(fā)器(17)冷側出口與有機透平(18)入口相連，有機透平(18)出口與回熱器(19)熱側入口相連，回熱器(19)熱側出口依次與冷凝器(20)、儲液罐(21)和有機泵(22)相連； 上述動力傳輸子系統(tǒng)包括主軸(26 )、動力傳動裝置(28 )、啟動電機(27 )和輔助傳動機構(29 );內燃機發(fā)動機(5 )通過曲軸與主軸(26 )動力連接，主軸(26 )與動力傳動裝置(28 )動力聯(lián)接，啟動電機(27)與動力傳動裝置(28)動力相連，動力傳動裝置(28)與輔助傳動機構(29)動力相連。
2.根據(jù)權利要求1所述的高效緊湊內燃機-有機朗肯循環(huán)復合系統(tǒng)，其特征在于:上述內燃機子系統(tǒng)熱煙氣與低溫循環(huán)水在接觸換熱器(9 )內通過直接接觸方式進行傳熱。
3.根據(jù)權利要求1所述的高效緊湊內燃機-有機朗肯循環(huán)復合系統(tǒng)，其特征在于:上述冷卻子系統(tǒng)的預熱器(12)和有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)的蒸發(fā)器(17)均采用板式換熱器。
4.根據(jù)權利要求1所述的高效緊湊內燃機-有機朗肯循環(huán)復合系統(tǒng)的工作方法，其特征在于包括以下過程: 來自環(huán)境的空氣(I)經過渦輪增壓(2)升壓升溫后，通過間冷器(3)冷卻后經過吸氣端(4)進入內燃機發(fā)動機(5)氣缸，與燃料發(fā)生燃燒反應，氣缸內燃料燃燒釋放熱能并推動活塞運動排出排氣端(6)，內燃機發(fā)動機(5)將燃料熱能轉化為機械能并輸送給動力傳輸子系統(tǒng)；排氣端(6)出口的煙氣進入廢氣渦輪(7)，廢氣渦輪(7)回收部分煙氣的壓力能并轉化為機械能，再通過機械能對渦輪增壓(2)提供動力；廢氣渦輪(7)出口廢氣通過煙氣觸媒凈化裝置(8 )凈化雜質后，進入接觸換熱器(9 )，直接與循環(huán)水接觸，循環(huán)水(24 )被加熱，煙氣溫度迅速降低；最后該低溫煙氣通過消音器(10)和排氣閥(11)后排入環(huán)境空氣中；蒸發(fā)器(23)中被冷卻的水進入凈化水箱(23)，經循環(huán)水泵(25)注入接觸換熱器(9)進行加熱； 同時冷卻發(fā)動機(5)的冷卻劑(15)通過冷卻劑循環(huán)泵(14)進入預熱器熱側，對來自有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)的有機工質(16)進行預熱后再進入散熱器(13)，經過環(huán)境空氣冷卻將冷卻劑廢熱釋放至環(huán)境空氣中，然后再通過冷卻劑循環(huán)泵(14)送入內燃機發(fā)動機(5)冷卻劑入口 ； 來自接觸換熱器(9)冷側出口的高溫熱水(24)作為熱源進入蒸發(fā)器(17)熱側，對進入蒸發(fā)器(17 )冷側的有機工質(16 )加熱，有機工質(16 )吸熱蒸發(fā)后進入有機透平(18 )膨脹做功并轉化為機械能輸送至動力傳輸子系統(tǒng)，有機透平(19)出口溫度較高的乏氣通過回熱器(19)對低溫有機工質預熱后，自身降溫并進入冷凝器(20)被冷凝為液相后送至儲液罐(21);來自儲液罐(21)的液態(tài)低壓有機工質再經過有機泵(22)循環(huán)進入回熱器(19)冷側入口 ；低溫有機工質被加熱后再進入預熱器(12)冷側，回收部分冷卻劑的顯熱后，自身溫度升高并進入蒸發(fā)器(17)冷側入口。`
【文檔編號】F01K27/02GK103758659SQ201410007944
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月8日 優(yōu)先權日:2014年1月8日
【發(fā)明者】岳晨, 韓東, 黃鶯, 蒲文灝, 何緯鋒 申請人:南京航空航天大學