一种车载蓄热式双朗肯余热回收系统的制作方法

本发明属于有机朗肯循环技术领域，尤其是涉及一种用于回收发动机尾气、发动机冷却水余热的车载蓄热式双朗肯余热回收系统。

背景技术：

从发动机的能源平衡来看，输出的有效功率一般只占燃料燃烧总热量的30％-45％(柴油机)或20％-30％(汽油机)，除了不到10％用于克服摩擦等功率损耗之外，其余的余热能量主要通过排气(200-700℃)和冷却介质(冷却水、机油散热等，85-120℃)被排放到大气中。因此将发动机的余热能量高效转化再利用是提高总能效率，降低油耗和减少污染物排放的一个有效途径。

目前利用有机朗肯循环的余热回收技术效率最高；由于低品位热源的温度较低，蒸发器压力必须很小才能满足有机工质的蒸发，而传统的有机朗肯循环很难满足对低品位热源的有效利用。

且，传统的有机朗肯循环只能在恒定热源下稳定工作；但是一些车辆尾气温度和流量随车辆的运行状况变化，热源工况不稳定，导致传统有机朗肯循环在柴油机或汽油机的尾气余热回收过程中的应用受到极大的限制；也就是说，如果余热回收直接用传统的有机朗肯循环，对工况的要求高，必须保证热源工况的稳定性才能保证有机朗肯循环的正常运转。

技术实现要素：

旨在克服上述现有技术中存在的不足，本发明解决的技术问题是，提出了一种可同时回收高品位热源和低品位热源的车载蓄热式双朗肯余热回收系统，且对发动机运行工况要求低、运行稳定性高、换热效率高。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是，提供一种车载蓄热式双朗肯余热回收系统，包括发动机以及独立循环的高品位热源循环单元和低品位热源循环单元；所述高品位热源循环单元包括首尾依次循环相连的第一工质泵、第一蒸发器、第一膨胀机和第一冷凝器，所述低品位热源循环单元包括首尾依次循环相连的第二工质泵、预热器、第二蒸发器、第二膨胀机和第二冷凝器；

所述第一蒸发器的热源进口与所述发动机的排气管相连通，所述第二蒸发器的热源进口与所述第一蒸发器的热源出口相连通，所述预热器的热源进口与所述发动机的冷却水出口相连通，所述预热器的热源出口与所述发动机的冷却水进口相连通。

优选地，所述第一蒸发器与所述第一膨胀机之间的第一循环管路上设置有第一电磁阀，且所述第一蒸发器与所述第一膨胀机之间设置有与所述第一循环管路并联的第一旁通循环管路，所述第一旁通循环管路上设置有第二电磁阀和第一蓄热式蒸发器；

所述第一蒸发器的热源进口与所述排气管连通的管路上设有第三电磁阀，所述第一蓄热式蒸发器的热源进口与所述排气管连通且连通的管路上设有第四电磁阀，所述第一蓄热式蒸发器的热源出口与所述第二蒸发器的热源进口相连通。

优选地，所述第二蒸发器与所述第二膨胀机之间的第二循环管路上设置有第五电磁阀，且所述第二蒸发器与所述第二膨胀机之间设置有与所述第二循环管路并联的第二旁通循环管路，所述第二旁通循环管路上设置有第六电磁阀和第二蓄热式蒸发器；

所述第二蓄热式蒸发器的热源进口与所述排气管连通且连通的管路上设有第七电磁阀。

优选地，所述第一电磁阀、所述第二电磁阀、所述第三电磁阀、所述第四电磁阀、所述第五电磁阀、所述第六电磁阀和所述第七电磁阀均与所述发动机的电控单元电连接。

优选地，所述排气管末端设有用于与所述第一蒸发器的热源进口、所述第一蓄热式蒸发器的热源进口以及所述第二蓄热式蒸发器的热源进口相连通的四通管接头。

优选地，所述高品位热源循环单元还包括第一回热器；所述第一回热器包括有机工质第一入口、有机工质第一出口、有机工质第二入口和有机工质第二出口；

所述第一工质泵的工质出口与所述有机工质第一入口相连通，所述有机工质第一出口与所述第一蒸发器的工质进口相连通，所述第一膨胀机的工质出口与所述有机工质第二入口相连通，所述有机工质第二出口与所述第一冷凝器的工质进口相连通。

优选地，所述低品位热源循环单元还包括第二回热器；所述第二回热器包括有机工质第三入口、有机工质第三出口、有机工质第四入口和有机工质第四出口；

所述第二工质泵的工质出口与所述有机工质第三入口相连通，所述有机工质第三出口与所述预热器的工质进口相连通，所述第二膨胀机的工质出口与所述有机工质第四入口相连通，所述有机工质第四出口与所述第二冷凝器的工质进口相连通。

优选地，所述高品位热源循环单元还包括与所述第一膨胀机同轴连接的第一发电机；所述低品位热源循环单元还包括与所述第二膨胀机同轴连接的第二发电机。

优选地，所述高品位热源循环单元还包括储存有有机工质的第一储液罐，所述低品位热源循环单元还包括储存有有机工质的第二储液罐；

所述第一储液罐的进口与所述第一冷凝器的工质出口相连通，所述第一储液罐的出口与所述第一工质泵的工质进口相连通；所述第二储液罐的进口与所述第二冷凝器的工质出口相连通，所述第二储液罐的出口与所述第二工质泵的工质进口相连通。

采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：

本发明的车载蓄热式双朗肯余热回收系统，包括两条独立循环的高品位热源循环单元和低品位热源循环单元；其中第一蒸发器的热源进口与发动机的排气管相连通，第二蒸发器的热源进口与第一蒸发器的热源出口相连通，预热器的热源进口与发动机的冷却水出口相连通，预热器的热源出口与发动机的冷却水进口相连通。

即，高品位热源循环单元用于回收发动尾气(高品位热源)的余热，低品位热源循环单元用于回收发动机冷却水(低品位热源)的余热；品味低的发动机冷却水在预热器中将液态有机工质进行预热，温度较高的液态工质进入第二蒸发器。经第一蒸发器换热出来的发动机尾气还有很高的热品味，该气体进入第二蒸发器；有机工质被二次尾气加热蒸发成压力和温度都较高的气体后进入第二膨胀机。将高品位热源循环单元和低品位热源循环单元进行有效耦合，在不减少高品位热源回收的情形下，实现低品位热源的有效回收。

同时在高品位热源循环单元和低品位热源循环单元中分别加入第一蓄热式蒸发器和第二蓄热式蒸发器作为发动机短时间内低功率运行时的缓冲器，不但提高了系统稳定性，还提高了系统的换热效率。

综上，本发明是一种可同时回收高品位热源和低品位热源、对发动机运行工况要求低、运行稳定性高、换热效率高的车载蓄热式双朗肯余热回收系统。

附图说明

图1是本发明第一种实施例的结构原理图；

图2是本发明第二种实施例的结构原理图；

图3是本发明第三种实施例的结构原理图；

图中:1-发动机，2-第一工质泵，3-第一蒸发器，4-第一膨胀机，5-第一冷凝器，6-第二工质泵，7-预热器，8-第二蒸发器，9-第二膨胀机，10-第二冷凝器,11-第一电磁阀，12-第二电磁阀，13-第一蓄热式蒸发器,14-第三电磁阀，15-第四电磁阀，16-第五电磁阀，17-第六电磁阀，18-第二蓄热式蒸发器，19-第七电磁阀，20-电控单元，21-四通管接头，22-第一回热器，23-第二回热器，24-第一发电机，25-第二发电机，26-第一储液罐，27-第二储液罐，a-第一循环管路，b-第一旁通循环管路，c-第二循环管路，d-第二旁通循环管路。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

实施例一：

有机朗肯循环简称orc，是以低费点有机物为工质的朗肯循环。如图1所示，一种车载蓄热式双朗肯余热回收系统，包括发动机1以及独立循环的高品位热源循环单元和低品位热源循环单元；其中高品位热源循环单元包括首尾依次循环相连的第一工质泵2、第一蒸发器3、第一膨胀机4和第一冷凝器5；低品位热源循环单元包括首尾依次循环相连的第二工质泵6、预热器7、第二蒸发器8、第二膨胀机9和第二冷凝器10；工质泵、蒸发器、膨胀机和冷凝器这四大部件的在本实施例中的布置与在传统有机朗肯循环中的布置相同，在此不做赘述。

第一蒸发器3的热源进口与发动机1的排气管相连通，第二蒸发器3的热源进口与第一蒸发器3的热源出口相连通，预热器7的热源进口与发动机1的冷却水出口相连通，预热器7的热源出口与发动机的冷却水进口相连通。

其中，第一膨胀机4和第一发电机24同轴并且通过法兰连接在一起；第二膨胀机9和第二发电机25同轴并且通过法兰连接在一起。

为了进一步提高换热效率，在高品位热源循环单元中增加了第一回热器22(利用不同状态的同一种有机工质进行换热)，在低品位热源循环单元中增加了第二回热器23(利用不同状态的同一种有机工质进行换热)。其中，第一回热器22有四个端口，即有机工质第一入口、有机工质第一出口、有机工质第二入口和有机工质第二出口；第一工质泵2的工质出口与第一回热器22的有机工质第一入口相连通，第一回热器22的有机工质第一出口与第一蒸发器3的工质进口相连通，第一膨胀机4的工质出口与第一回热器22的有机工质第二入口相连通，第一回热器22的有机工质第二出口与第一冷凝器5的工质进口相连通。

第二回热器23也有四个端口，即有机工质第三入口、有机工质第三出口、有机工质第四入口和有机工质第四出口；第二工质泵6的工质出口与第二回热器23的有机工质第三入口相连通，第二回热器23的有机工质第三出口与预热器7的工质进口相连通，第二膨胀机9的工质出口与第二回热器23的有机工质第四入口相连通，第二回热器23的有机工质第四出口与第二冷凝器10的工质进口相连通。

本实施例的具体工作过程为：

高品位热源循环单元：液态有机工质通过第一工质泵2加压后通过第一回热器22有机工质第一入口进入第一回热器22中换热，经加热后的液态有机工质通过第一回热器22有机工质第一出口进入第一蒸发器3内并从第一蒸发器3内的高温尾气中吸收热量，生成饱和蒸汽或过热蒸汽，蒸汽进入第一膨胀机4膨胀做功，从而带动第一发电机24工作；从第一膨胀机4排出的仍具有高温的乏汽(蒸汽)通过第一回热器22有机工质第二入口进入第一回热器22中，将热量传递给即将进入第一蒸发器3中的有机工质(第一工质泵2加压后进入第一回热器22中的液态有机工质)，从第一回热器22有机工质第二出口流出的气态有机工质进入第一冷凝器5中并将热量释放给第一冷凝器5中的冷却介质空气，再次生成液态有机工质，进入第一工质泵2进行下一次循环。

低品位热源循环单元：液态有机工质通过第二工质泵6加压后通过第二回热器23有机工质第三入口进入第二回热器23中换热，经加热后的液态有机工质通过第二回热器23有机工质第三出口进入预热器7内并从预热器7中的发动机冷却水中吸收热量，温度较高的液态有机工质进入第二蒸发器8。经第一蒸发器3换热出来的二次尾气还有很高的温度，该二次尾气进入第二蒸发器8中，在第二蒸发器8中，有机工质被二次尾气加热蒸发成压力和温度都较高的蒸汽后进入第二膨胀机9膨胀做功，进而带动第二发电机25工作；从第二膨胀机9排出的仍具有高温的乏汽通过第二回热器23的有机工质第四入口中，将热量传递给即将进入预热器7中的有机工质(第二工质泵6加压后进而预热器7中的液态有机工质)，从第二回热器23的有机工质第四出口流出的气态有机工质进入第二冷凝器10中并将热量释放给第二冷凝器10中的冷却介质空气，再次生成液态有机工质，进入第二工质泵6进行下一次循环。

高品位热源循环单元用于回收发动尾气(高品位热源)的余热；低品位热源循环单元用于回收发动机冷却水(低品位热源)的余热。将高品位热源循环单元和低品位热源循环单元进行有效耦合，在不减少高品位热源回收的情形下，实现低品位热源的有效回收。

实施例二：

本实施例与上述实施例一不同之处在于，在高品位热源循环单元和低品位热源循环单元中分别加入第一蓄热式蒸发器13(带有蓄热作用的蒸发器，能将热量暂时储存在蒸发器中，需要的时候再释放出来)和第二蓄热式蒸发器18作为发动机短时间内低功率运行时的缓冲器，下面仅针对不同之处进行详细阐述，具体如图2所示。

高品位热源循环单元中：第一蒸发器3与第一膨胀机4之间的第一循环管路a上设置有第一电磁阀11，且第一蒸发器3与第一膨胀机4之间设置有与第一循环管路a并联的第一旁通循环管路b，第一旁通循环管路b上设置有第二电磁阀12和上述第一蓄热式蒸发器13；第一蒸发器3的热源进口与发动机1的排气管连通的管路上设有第三电磁阀14，第一蓄热式蒸发器13的热源进口与发动机1的排气管连通且连通的管路上设有第四电磁阀15，第一蓄热式蒸发器13的热源出口与第二蒸发器8的热源进口相连通。

低品位热源循环单元中：第二蒸发器8与第二膨胀机9之间的第二循环管路c上设置有第五电磁阀16，且第二蒸发器8与第二膨胀机9之间设置有与第二循环管路c并联的第二旁通循环管路d，第二旁通循环管路d上设置有第六电磁阀17和第二蓄热式蒸发器18；第二蓄热式蒸发器18的热源进口与发动机1的排气管连通且连通的管路上设有第七电磁阀19。

其中，第一电磁阀11、第二电磁阀12、第三电磁阀14、第四电磁阀15、第五电磁阀16、第六电磁阀17和第七电磁阀19均与发动机1的电控单元20电连接。需要说明的是，第一电磁阀11和第二电磁阀12可以用一个三通电磁阀代替；第五电磁阀16和第六电磁阀17也可以用一个三通电磁阀代替，类似这种等效替换的方案均应列入本实施例的保护范围之内。

且本实施例中，发动机1的排气管末端设有用于与第一蒸发器3的热源进口、第一蓄热式蒸发器13的热源进口以及第二蓄热式蒸发器18的热源进口相连通的四通管接头21。

本实施例的具体工作过程为：

发动机1启动后，电控单元20仅控制第四电磁阀15和第七电磁阀19打开；此时发动机1的排气管与第一蓄热式蒸发器13的热源进口和第二蓄热式蒸发器18的热源进口均相连通；发动机1经scr处理后的尾气通过第四电磁阀15和第七电磁阀19分别先进入第一蓄热式蒸发器13和第二蓄热式蒸发器18将热量储存，直至第一蓄热式蒸发器13和第二蓄热式蒸发器18中的蓄热材料达到一定温度。

发动机1在长时间稳定工作过程中，电控单元20控制第一电磁阀11、第三电磁阀14、第五电磁阀16打开；控制第二电磁阀12、第四电磁阀15、第六电磁阀17、第七电磁阀19关闭。

1)高品位热源循环单元中：发动机1的排气管通过第三电磁阀14与第一蒸发器3的热源进口相连通；此时发动机1经scr处理后的尾气通过第三电磁阀14进入第一蒸发器3，进行传统有机朗肯循环的换热过程。具体为，液态有机工质通过第一工质泵2加压后通过第一回热器22有机工质第一入口进入第一回热器22中换热，经加热后的液态有机工质通过第一回热器22有机工质第一出口进入第一蒸发器3内并从第一蒸发器3内的高温尾气中吸收热量，生成饱和蒸汽或过热蒸汽，蒸汽通过第一电磁阀11进入第一膨胀机4膨胀做功，从而带动第一发电机24工作；从第一膨胀机4排出的仍具有高温的乏汽(蒸汽)通过第一回热器22有机工质第二入口进入第一回热器22中，将热量传递给即将进入第一蒸发器3中的有机工质(第一工质泵2加压后进入第一回热器22中的液态有机工质)，从第一回热器22有机工质第二出口流出的气态有机工质进入第一冷凝器5中并将热量释放给第一冷凝器5中的冷却介质空气，再次生成液态有机工质，进入第一工质泵2进行下一次循环。

2)低品位热源循环单元中：液态有机工质通过第二工质泵6加压后通过第二回热器23有机工质第三入口进入第二回热器23中换热，经加热后的液态有机工质通过第二回热器23有机工质第三出口进入预热器7内并从预热器7中的发动机冷却水中吸收热量，温度较高的液态有机工质进入第二蒸发器8。经第一蒸发器3换热出来的二次尾气还有很高的温度，该二次尾气进入第二蒸发器8中，在第二蒸发器8中，有机工质被二次尾气加热蒸发成压力和温度都较高的蒸汽后通过第五电磁阀16进入第二膨胀机9膨胀做功，进而带动第二发电机25工作；从第二膨胀机9排出的仍具有高温的乏汽通过第二回热器23的有机工质第四入口中，将热量传递给即将进入预热器7中的有机工质(第二工质泵6加压后进而预热器7中的液态有机工质)，从第二回热器23的有机工质第四出口流出的气态有机工质进入第二冷凝器10中并将热量释放给第二冷凝器10中的冷却介质空气，再次生成液态有机工质，进入第二工质泵6进行下一次循环。

当发动机在短时的低负荷运行时(由于交通灯停车等)时，由于尾气温度和气量过低，第一蒸发器3和第二蒸发器8无法满足有机朗肯循环的正常运行，此时电控单元20控制第一电磁阀11、第五电磁阀16关闭；第二电磁阀12、第六电磁阀17打开；同时第四电磁阀15和第七电磁阀19仍处于关闭状态。

一)高品位热源循环单元中：有机工质会从第一蒸发器3预热后出来，再通过第二电磁阀12进入第一蓄热式蒸发器13中进行气化，之后进入第一膨胀机4参与有机朗肯循环；此时第一蓄热式蒸发器13相当于发动机短时间内低功率运行时的缓冲器。在低负荷运行时，有机工质要先经过第一蒸发器3预热，再通过第一蓄热式蒸发器13，可以减小对第一蓄热式蒸发器13蓄热能力的依赖。这样既能保证有机朗肯循环在短时间内正常工作，又能最大限度的提高系统的换热效率。

二)低品位热源循环单元中：有机工质会从第二蒸发器8再次预热后出来，再通过第六电磁阀17进入第二蓄热式蒸发器18中进行气化，之后进入第二膨胀机9参与有机朗肯循环；此时第二蓄热式蒸发器18也相当于发动机短时间内低功率运行时的缓冲器。在低负荷运行时，有机工质要先经过第二蒸发器8再次预热，再通过第二蓄热式蒸发器18，可以减小对第二蓄热式蒸发器18蓄热能力的依赖。这样既能保证有机朗肯循环在短时间内正常工作，又能最大限度的提高系统的换热效率。

整个控制过程根据发动机各部件中的压力与温度的检测，将数据反馈给发动机1的电控单元20进行自动判断后，再通过电控单元20控制各电磁阀的状态来实现；具体控制策略为本领域技术人员所惯用的控制策略，再此不做赘述。

实施例三：

本实施例与上述实施例二不同之处在于，为了确保有机工质的供应，在高品位热源循环单元和低品位热源循环单元中分别加入第一储液罐26和第二储液罐27，下面仅针对不同之处进行详细阐述，具体如图3所示。

第一储液罐26的进口与第一冷凝器5的工质出口相连通，第一储液罐26的出口与第一工质泵2的工质进口相连通；第二储液罐27的进口与第二冷凝器10的工质出口相连通，第二储液罐27的出口与第二工质泵6的工质进口相连通。

本实施例的工作过程与实施例二的工作过程基本相同，在此不一一赘述。

综上，本发明将高品位热源循环单元和低品位热源循环单元进行有效耦合，在不减少高品位热源回收的情形下，实现低品位热源的有效回收。同时在高品位热源循环单元和低品位热源循环单元中分别加入蓄热式蒸发器作为发动机短时间内低功率运行时的缓冲器，不但提高了系统稳定性，还提高了系统的换热效率。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。