一种三角循环和朗肯循环联合的余热回收系统及其方法与流程

本发明涉及汽车发动机尾气余热回收应用领域，尤其涉及一种基于三角循环和朗肯循环联合的余热回收系统及其方法。

背景技术：

燃油在发动机燃烧过程中产生的能量并没有全部转变成汽车的动能，除去电气系统的消耗以及机械系统的摩擦外，约有30％-40％的能量以尾气余热的形式排放到大气环境中。再考虑到燃油内燃机汽车保有量巨大，如能将汽车尾气余热回收加以利用，将有效提高汽车燃油经济性，并大幅减少温室气体的排放。

但是汽车尾气余热属于低品位余热，而有机朗肯循环是实现其利用的有效技术。有机朗肯循环利用沸点相对较低的有机物作为循环工质，将低品位余热转换为高品位的电能，具有结构简单、工作压力适宜等特点，是提高能源利用途径和降低环境污染的有效途径。但因其热源温度低，导致其能源利用率比较低。只有减少系统内部各环节不可逆火用损失，把更多的余热转化为机械功，才能进一步提高能源利用率。其中，在蒸发器内部的换热过程中，工质温度在预热段近似线性上升，在蒸发段为等温吸热过程，在过热段又近似线性增长；而热源在整个放热过程中温度曲线均为近似线性下降。由此带来的热源和工质间的温度匹配不佳，产生了大量的传热火用损失，是整个循环系统火用损失的主要部分。

因此，针对热源与工质间的温度匹配问题，新型余热回收系统得到了研究：三角循环能够避免工质在蒸发环节的等温吸热过程，始终使工质呈液态状态，使其温度曲线尽量保持线性上升。由此可以很好地解决热源与工质间的温度匹配问题，进而减少循环火用损失，提高能源利用率。

因此，在传统朗肯循环余热回收利用的基础上，提出一种三角循环和朗肯循环联合的余热回收系统对低品位汽车尾气余热的高效回收利用是大有裨益的。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是，针对传统有机朗肯循环在实现低品位余热利用的过程中的能源利用率较低的问题，提出一种三角循环和朗肯循环联合的余热回收系统及其方法。该系统结构简单，利用三角循环的热力学特性强化蒸发器内部的传热过程，减少徐彤总体不可逆火用损失，提高能源利用率。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于三角循环和朗肯循环联合循环的余热回收系统包括高温循环工质泵、高温循环蒸发器、高温循环膨胀机、高温循环冷凝器、低温循环工质泵、低温循环蒸发器、低温循环膨胀机、低温循环冷凝器；

高温循环工质泵、高温循环蒸发器、高温循环膨胀机、高温循环冷凝器顺次相连构成三角循环；低温循环工质泵、高温循环冷凝器、低温循环蒸发器、低温循环膨胀机、低温循环冷凝器顺次相连构成朗肯循环；高温废气顺次流经高温循环蒸发器、低温循环蒸发器；所述的高温循环冷凝器作为朗肯循环中工质进入低温循环蒸发器前的预热器，所述的高温循环膨胀机为胜任两相流工况的膨胀机。

优选的，所述高温循环膨胀机为螺杆膨胀机。

本发明系统的各组成部分的功能和作用如下：

所述的高温循环工质泵是三角循环系统中提升压力的设备。饱和液态工质经泵机压缩后压力升高。

所述的高温循环蒸发器是三角循环系统中逆流布置的单级蒸发器。在蒸发器内，温度较高的汽车尾气与从工质泵来流的低温液态工质进行间壁式换热。热源侧的高温汽车尾气流经蒸发器，将热量传递给较低温的工质，本身温度降低；工质侧的低温液态工质采用逆流形式进入蒸发器，被高温汽车尾气加热，本身温度升高。液态工质在高温循环蒸发器中仅仅经历单相的温度升高过程，最终变为饱和液态工质。

所述的高温循环膨胀机是三角循环中将工质的热能转化为机械功的关键设备。从高温循环蒸发器出来的饱和液态工质立即进入高温循环膨胀机做功，将热能转化为机械能，用于带动发电机或其他负载。在高温循环膨胀机出口处工质处于气液混合态。

所述的高温循环冷凝器是三角循环中逆流布置的单级冷凝设备。从膨胀机来流的工质处于气液混合状态，温度较高，通过高温循环冷凝器将热量传递给温度较低的低温循环中经工质泵加压后的液态工质。在冷凝器内，高温循环工质不断放出热量，分别经历预冷和冷凝阶段，本身温度降低，最终重新变为饱和液态工质继续进行三角循环；另一侧的低温液态工质采用逆流形式进入冷凝器，被气液两相状态的高温工质加热，本身温度升高。低温液态工质仅仅经历预热过程。

所述的低温循环工质泵是朗肯循环系统中提升压力的设备。低温饱和液态工质经泵机压缩后压力升高，进入高温循环冷凝器进行预热。

所述的低温循环蒸发器是朗肯循环系统中逆流布置的单级蒸发器。在蒸发器内，已与三角循环内高温工质换热后的汽车尾气与从高温循环冷凝器来流的预热液态工质再次进行间壁式换热。热源侧的汽车尾气流经蒸发器，将热量传递给较低温的预热工质，本身温度降低，经过后处理后排放至大气；工质侧的低温液态工质采用逆流形式进入蒸发器，被汽车尾气加热，本身温度升高，经过预热、蒸发和过热三个阶段，最终变为饱和蒸汽或过热蒸汽。

所述的低温循环膨胀机是朗肯循环中将工质的热能转化为机械功的关键设备。从低温循环蒸发器出来的饱和气态工质或过热气态工质立即进入低温循环膨胀机做功，将热能转化为机械能，同样用于带动发电机或其他负载。

所述的低温循环冷凝器是朗肯循环中逆流布置的单机冷凝设备。从膨胀机来流的工质处于气液混合状态，温度较高，通过低温循环冷凝器将热量传递给冷却介质。在冷凝器内，温度较高的低温循环工质不断放出热量，分别经历预冷和冷凝阶段，最终重新变为饱和液态工质继续进行朗肯循环。

所述系统的基于三角循环和朗肯循环联合循环的余热回收方法步骤如下：

在三角循环中，饱和液态工质经泵压缩后压力升高，进入高温循环蒸发器与高温废气进行逆流换热，得到的高温饱和液态工质立即进入高温循环膨胀机内做功，用于带动发电机或其他负载，做完功的乏汽呈气液两相混合状态，随后进入高温循环冷凝器中预热朗肯循环中的低温工质，同时自身冷凝成为饱和液态工质；

在朗肯循环中，饱和液态工质经低温循环工质泵压缩后压力升高，进入高温循环冷凝器与三角循环中的乏汽换热，并进入低温循环蒸发器，与已在三角循环中与高温工质换热后的低温尾气进行逆流换热，从而蒸发成为饱和气态或过热状态工质，并进入低温循环膨胀机内做功，用于带动发电机或其他负载，做完功的乏汽进入低温循环冷凝器中变为饱和液态工质，重新回到低温循环工质泵进行朗肯循环。

在三角循环中，通过控制饱和液态工质的质量流量或增大高温循环蒸发器中工质侧的换热面积，使得工质在高温循环蒸发器内的加热过程中温度不断上升且没有相变过程。

优选的，所述工质在高温循环蒸发器出口呈饱和状态。

优选的，所述的在三角循环中的工质的临界温度为250～400℃。

优选的，所述的在三角循环中的工质是环己烷、甲苯、苯或水中的一种。

本发明具有以下优点：

1.本余热回收系统采用的三角循环相比传统朗肯循环结构简单；

2.本余热回收系统采用的三角循环可以改善热源与工质的温度匹配问题，强化蒸发器内传热过程，从而减小系统循环火用损失，提高能源利用率。

附图说明

图1为三角循环和朗肯循环联合余热回收系统示意图；

图2为传统朗肯循环蒸发器内热交换过程t-q示意图；

图3为三角热力循环蒸发器内热交换过程t-q示意图。

符号说明

1,高温循环工质泵；2，高温循环蒸发器；3，高温循环膨胀机；4，高温循环冷凝器；5，低温循环工质泵；6，低温循环蒸发器；7，低温循环膨胀机；8，低温循环冷凝器；tlc，三角循环；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

一种基于三角循环和朗肯循环联合循环的余热回收系统包括高温循环工质泵、高温循环蒸发器、高温循环膨胀机、高温循环冷凝器、低温循环工质泵、低温循环蒸发器、低温循环膨胀机、低温循环冷凝器，如图1所示。

所述的高温循环工质泵1是三角循环系统中提升压力的设备。饱和液态工质经泵机1压缩后压力升高。

所述的高温循环蒸发器2是三角循环系统中逆流布置的单级蒸发器。在蒸发器内，温度较高的汽车尾气与从工质泵1来流的低温液态工质进行间壁式换热。热源侧的高温汽车尾气流经蒸发器2，将热量传递给较低温的工质，本身温度降低；工质侧的低温液态工质采用逆流形式进入蒸发器2，被高温汽车尾气加热，本身温度升高。液态工质在高温循环蒸发器2中仅仅经历单相的温度升高过程，最终变为饱和液态工质，如图3所示。

所述的高温循环膨胀机3是三角循环中将工质的热能转化为机械功的关键设备。从高温循环蒸发器2出来的饱和液态工质立即进入高温循环膨胀机3做功，将热能转化为机械能，用于带动发电机或其他负载。在高温循环膨胀机3出口处，工质处于气液混合态。

所述的高温循环冷凝器4是三角循环中逆流布置的单级冷凝设备。从膨胀机3来流的工质处于气液混合状态，温度较高，通过高温循环冷凝器4将热量传递给温度较低的低温循环中经工质泵加压后的液态工质。在冷凝器4内，高温循环工质不断放出热量，分别经历预冷和冷凝阶段，本身温度降低，最终重新变为饱和液态工质继续进行三角循环；另一侧的低温液态工质采用逆流形式进入冷凝器4，被气液两相状态的高温工质加热，本身温度升高。低温液态工质仅仅经历预热过程。

所述的低温循环工质泵5是朗肯循环系统中提升压力的设备。低温饱和液态工质经泵机5压缩后压力升高，进入高温循环冷凝器6进行预热。

所述的低温循环蒸发器6是朗肯循环系统中逆流布置的单级蒸发器。在蒸发器内，已与三角循环内高温工质换热后的汽车尾气与从高温循环冷凝器4来流的预热液态工质再次进行间壁式换热。热源侧的汽车尾气流经蒸发器6，将热量传递给较低温的预热工质，本身温度降低，经过后处理后排放至大气；工质侧的低温液态工质采用逆流形式进入蒸发器6，被汽车尾气加热，本身温度升高，经过预热、蒸发和过热三个阶段，最终变为饱和蒸汽或过热蒸汽，如图2和3所示。

所述的低温循环膨胀机7是朗肯循环中将工质的热能转化为机械功的关键设备。从低温循环蒸发器6出来的饱和气态工质或过热气态工质立即进入低温循环膨胀机7做功，将热能转化为机械能，同样用于带动发电机或其他负载。

所述的低温循环冷凝器8是朗肯循环中逆流布置的单级冷凝设备。从膨胀机7来流的工质处于气液混合状态，温度较高，通过低温循环冷凝器8将热量传递给冷却介质。在冷凝器8内，温度较高的低温循环工质不断放出热量，分别经历预冷和冷凝阶段，最终重新变为饱和液态工质继续进行朗肯循环余热回收。