双压力双回路多级膨胀的内燃机余热回收系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种双压力双回路多级膨胀的内燃机余热回收系统。其系统组成为：由冷凝器、低、高压工质泵，高压级预热器、烟气换热器和冷却器、第一、第二膨胀机、再热器等依次串接构成ORC循环主回路。在主回路中通过一个三通阀与预热器、中冷器、低压蒸发器和第三膨胀机串接构成低压支路。高、低支路在低压工质泵后分开，在冷凝器中汇合。内燃机排气余热、缸套冷却水余热和空气增压产生的余热作为系统热源，按余热的品质科学利用使系统输出三个膨胀功。与目前ORC用于内燃机余热利用技术相比，余热利用效率明显增大，从而提高了回收系统的输出功，达到了提高内燃机燃油经济性的目的。
【专利说明】 双压力双回路多级膨胀的内燃机余热回收系统
【技术领域】
[0001]本发明属于内燃机余热利用技术，涉及一种适用于内燃机余热回收的双压力双回路多级膨胀的有机朗肯循环系统。
【背景技术】
[0002]目前车用内燃机的效率只有30%_45%，其余能量被排气、缸套冷却水、以及润滑油等带走。如果能把这部分余热回收利用起来，则可以有效提高内燃机的热效率，达到提高燃油经济性的目的。
[0003]目前有机朗肯循环(ORC)技术，具有高效简单的结构，在余热能回收领域中得到了广泛的应用。但是ORC循环工质在高温下容易分解，而发动机排气温度高达500?600°C，所以采用普通ORC循环将受到条件参数的限制。另外，如果仅用一个膨胀机来回收高温尾气的能量，则其需要较大的膨胀比，这就需要多级膨胀机，这在实际应用中很难推广。并且内燃机余热中有不同温度级别的热源，有的热源在进行一次换热后，仍具有部分能量可以利用，因此普通的朗肯循环也不能按能量的品质，使各种余热能量得到充分地利用。
[0004]因此针对这种情况，本发明提出一种适用于内燃机余热回收的、双压力双回路多级膨胀的有机朗肯循环系统，以增大系统回收的热量，进而提高输出功。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是，提出一种双压力双回路多级膨胀的内燃机余热回收系统，实现能量梯级利用、达到提高内燃机燃油经济性的目的。
[0006]为实现本发明的目的，以下对采用的技术方案进行说明。双压力双回路多级膨胀的内燃机余热回收系统，其技术方案为:其特征在于:由冷凝器、低压工质泵、高压工质泵，高压级预热器、烟气换热器和EGR冷却器三个换热设备的工质侧、第一膨胀机、再热器、以及第二膨胀机，依次串接构成ORC循环主回路。在高、低压工质泵之间接有第一三通阀，在第二膨胀机与冷凝器之间接有第二三通阀。在第一与第二三通阀间，依次接有低压级预热器、中冷器、低压蒸发器和第三膨胀机，将ORC循环主回路分成高低压级两个支路。低压工质泵输出的工质通过第一三通阀分别进入两个支路，两个支路的工质通过第二三通阀在冷凝器内汇合凝结。内燃机缸套冷却水通过管路与高压级预热器和低压级预热器的水侧串接构成闭路循环。内燃机空气进气与涡轮增压器中压气机进口、中冷器的气侧、以及第三三通阀依次串接构成增压空气回路。内燃机排气经第四三通阀、EGR冷却器和低压蒸发器的气侦U、以及第三三通阀依次相接，并与来自中冷器出口的气体合为一路进入内燃机吸气口构成闭路循环。由第四三通阀、涡轮增压器、烟气换热器、以及再热器依次串接构成内燃机排气系统。
[0007]内燃机余热利用的原理及过程为:缸套冷却水依次经过两个预热器将能量分别传给高低压支路的工质回到缸套内。增压空气通过中冷器把热量传给低压支路的工质后进入内燃机气缸内。高温排气在EGR冷却器中第一次降温后进入低温蒸发器，将能量进一步释放给低压支路的工质驱动第二膨胀机再次做功。低压支路的工质吸收高压支路的余热进入第三膨胀机做功，然后两个支路的工质在冷凝器中汇合，被低压工质泵加压返回ORC系统进行下一个热力循环。即两个支路在低压工质泵后分开，在冷凝器前汇合，冷凝器与低压泵相连接，组成完整的ORC回路。
[0008]将ORC循环分为两个支路是为了按能量的品质梯级利用各段能量，使余热得到最大程度的回收。EGR气体经过一次换热后能量降低，温度降低，很难再将热量传递给系统，但是仍具有部分能量。为此建立低压级支路，用EGR剩下的能量使工质蒸发成气态，到低压级膨胀机中做功，提高了系统回收的热量，进一步提高了系统输出功。高压支路采用超临界循环，使得工质的工作温度整体升高，增大了工质吸收的热量，进而增大其做功能力，提高系统总输出功。此外，超临界态的工质在与烟气换热时，相比于工质蒸汽与烟气换热，有较大的换热系数，因此有利于减少换热器的换热面积。缸套冷却水和增压空气温度的能量都相对较低，因此将其作为预热源，其目的也是按能量的品质充分利用发动机余热。系统采用多级膨胀，一方面可以在一次膨胀后，继续利用增压器中出来的尾气剩下的能量来加热乏汽，充分利用尾气的能量，另一方面可以避免使用膨胀比较大的多级膨胀机，而采用结构简单的，便于小型化的单级膨胀机更适应内燃机的装配空间。
[0009]本发明的特点及有益效果是，按余热的品质科学利用排气、缸套冷却水和空气增压各部分余热，使系统输出三个膨胀功。与目前ORC用于内燃机余热利用技术相比，余热利用效率明显增大，从而提高了回收系统的输出功，达到了提高内燃机燃油经济性的目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]所示附图为本发明系统部件连接结构原理图。图中实线表示ORC循环；点化线表示空气增压余热循环；短虚线表示内燃机热利用循环；长虚线表示内燃机缸套冷却水循环；点虚线表示内燃机高温排气系统。
【具体实施方式】
[0011]以下结合附图并通过实施例对本发明的原理与设置方案做进一步的说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而非是限定性的，不以此限定本发明的保护范围。
[0012]双压力双回路多级膨胀的内燃机余热回收系统包括:冷凝器、低压工质泵、预热器、中冷器、低压蒸发器、三个膨胀机、工质高压泵、高压级预热器、烟气换热器、EGR冷却器、再热器以及涡轮增压器等。其系统结构具体组成为:由冷凝器1、低压工质泵2、高压工质泵3，高压级预热器4、烟气换热器5和EGR冷却器6三个换热设备的工质侧、第一膨胀机7_1、再热器8、以及第二膨胀机7-2，依次串接构成ORC循环主回路(图中实线)。在高、低压工质泵之间接有第一三通阀9-1，在第二膨胀机与冷凝器之间接有第二三通阀9-2，在第一与第二三通阀间，依次接有低压级预热器10、中冷器11、低压蒸发器12、和第三膨胀机7-3，将ORC循环主回路分成高低压级两个支路。低压工质泵输出的工质通过第一三通阀分别进入两个支路，两个支路的工质通过第二三通阀在冷凝器内汇合凝结，内燃机缸套冷却水通过管路与高压级预热器和低压级预热器的水侧串接构成闭路循环(图中长虚线)。内燃机空气进气与涡轮增压器13中压气机进口、中冷器的气侧以及第三三通阀15依次串接构成增压空气回路(图中点化线)。内燃机排气经第四三通阀(9-4)、EGR冷却器和低压蒸发器的气侧以及第三三通阀依次相接，并与来自中冷器出口的气体合为一路进入内燃机吸气口构成闭路循环(图中短虚线)，由第四三通阀、涡轮增压器、烟气换热器以及再热器依次串接构成内燃机排气系统(图中点虚线)。ORC循环主回路的低压级支路由预热器10、中冷器11、低压蒸发器12、第三膨胀机7-3、冷凝器I以及低压工质泵2依次串接组成。高压分路为超临界循环，低压分路为亚临界循环。
[0013]ORC循环主回路中的高压级支路中循环的工质为六甲基二硅氧烷；所述低压级支路中循环的工质为R245fa (CF3CH2CHF2)0
[0014]ORC循环系统的热源(通过涡轮增压器)来自排气余热、缸套冷却水余热和空气增压余热，为此该系统设有四个回路，具体地说:
[0015]第一条回路:缸套冷却水从内燃机出来后先对高压支路(高温预热器中的)的工质进行预热，再进入低压蒸发器对其工质进行预热，冷却水温度降低后回到内燃机中。
[0016]第二条回路:从增压器压气机中排出的空气温度升高，将其引入中冷器对低压支路的工质进行第二次预热，空气温度降低后与中冷器出口的气体一起返回内燃机缸套。这两条回路的热负荷不是很大，且温度相对也比较低，所以主要用来预热和加热低压支路的工质。
[0017]第三条回路:内燃机排出的高温尾气的一部分到涡轮增压器中推动涡轮机做功，做功后仍具较高能量的尾气进入到再热器中对第一膨胀机排出的乏汽再次加热，使工质在第二膨胀机中继续做功，与再热器进行热交换后的尾气排到大气中；内燃机排出高温尾气的另一部分直接进入EGR冷却器，将已经被烟气换热器加热后的工质继续加热，使其成为过热蒸汽推动第一膨胀机做功。从EGR冷却器中出来的气体还具有一部分能量，这部分能量进入低压级蒸发器中对(经过两次预热后的)低压支路中的工质继续加热，成为饱和蒸气推动第三膨胀机做功。
[0018]第四条回路是有机朗肯循环的主回路，它由高、低压两个分支路组成。第二与第三两个膨胀机排出的工质乏汽经冷凝器凝结为液态，工质经低压工质泵加压后分别进入高、低压两个支路。低压支路的工质依次进入预热器、中冷器和低压蒸发器中，被逐级加热成饱和蒸汽推动第三膨胀机做功；高压分支的工质被高压工质泵加压后依次进入高压预热器、烟气换热器、EGR冷却器，然后在第一、第二膨胀机中做功。做功后的乏汽与低压分支中(第三膨胀机做功后)的乏汽汇合，一同进入冷凝器中完成ORC循环。
【权利要求】
1.双压力双回路多级膨胀的内燃机余热回收系统，包括:冷凝器、低压工质泵、预热器、中冷器、低压蒸发器、三个膨胀机、工质高压泵、高压级预热器、烟气换热器、EGR冷却器、再热器以及涡轮增压器，其特征在于:由冷凝器(I)、低压工质泵(2)、高压工质泵(3)，高压级预热器(4)、烟气换热器(5)和EGR冷却器(6)三个换热设备的工质侧、第一膨胀机(7-1)、再热器(8)、以及第二膨胀机(7-2)，依次串接构成ORC循环主回路，在高、低压工质泵之间接有第一三通阀(9-1 )，在第二膨胀机与冷凝器之间接有第二三通阀(9-2)，在第一与第二三通阀间，依次接有低压级预热器(10)、中冷器(11)、低压蒸发器(12)、和第三膨胀机(7-3)，将ORC循环主回路分成高低压级两个支路，低压工质泵输出的工质通过第一三通阀分别进入两个支路，两个支路的工质通过第二三通阀在冷凝器内汇合凝结，内燃机缸套冷却水通过管路与高压级预热器和低压级预热器的水侧串接构成闭路循环；内燃机空气进气与涡轮增压器(13)中压气机进口、中冷器的气侧以及第三三通阀(15)依次串接构成增压空气回路；内燃机排气经第四三通阀(9-4)、EGR冷却器和低压蒸发器的气侧以及第三三通阀依次相接，并与来自中冷器出口的气体合为一路进入内燃机吸气口构成闭路循环，由第四三通阀、涡轮增压器、烟气换热器以及再热器依次串接构成内燃机排气系统。
2.按照权利要求1所述的双压力双回路多级膨胀的内燃机余热回收系统，其特征是由所述ORC循环主回路的低压级支路由预热器(10)、中冷器(11)、低压蒸发器(12)、第三膨胀机(7-3)、冷凝器(I)以及低压工质泵(2)依次串接组成。
3.按照权利要求1或2所述的双压力双回路多级膨胀的内燃机余热回收系统，其特征是所述ORC循环主回路中的高压级支路中循环的工质为六甲基二硅氧烷；所述低压级支路中循环的工质为R245fa。
【文档编号】F01K17/02GK103726949SQ201310755641
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年12月27日 优先权日:2013年12月27日
【发明者】田华, 李晓宁, 舒歌群, 王轩, 仇荣赓 申请人:天津大学