混合工质代替内燃机缸套水的余热回收有机朗肯循环系统

摘要

本发明公开了混合工质代替内燃机缸套水的余热回收有机朗肯循环系统，包括储液罐、增压空气换热器、回热器、闪蒸罐、排气换热器、低温膨胀机、高温膨胀机，储液罐内预存储非共沸混合物，增压空气换热器、回热器的工质通道进口与储液罐连通，增压空气换热器的换热通道与内燃机系统连通；增压空气换热器、回热器的工质通道出口与内燃机缸体连接，内燃机缸体与闪蒸罐连接，闪蒸罐的液相出口与排气换热器工质通道进口连接，排气换热器换热通道与内燃机系统连通，排气换热器工质通道出口通过高温膨胀机与回热器换热通道进口连接；闪蒸罐的气相出口与低温膨胀机连接，回热器换热通道、低温膨胀机分别与储液罐连接。本发明可实现内燃机余热回收利用。

说明书

技术领域

本发明涉及余热回收系统领域，具体是一种混合工质代替内燃机缸套水的余热回收有机朗肯循环系统。

背景技术

内燃机因其具有效率高、能量密度大和燃料适应性好等优点被广泛应用于车辆、船舶等移动装置、固定式发电机组以及工程和农用机械等领域。我国是世界最大的内燃机制造国和消费国，2019年内燃机销量4712.3万台、总功率达24.37亿千瓦。

内燃机排放的尾气中通常含有CO

发明内容

本发明的目的是提供一种混合工质代替内燃机缸套水的余热回收有机朗肯循环系统，以解决现有技术内燃机余热没有充分回收利用的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

混合工质代替内燃机缸套水的余热回收有机朗肯循环系统，包括储液罐、增压空气换热器、回热器、闪蒸罐、排气换热器、低温膨胀机、高温膨胀机，其中：

储液罐内预存储作为循环工质的非共沸混合物，该非共沸混合物包括两种工质，两种工质在相同压力下沸点温度不同。

增压空气换热器、回热器分别各自具有工质通道、换热通道，增压空气换热器、回热器的工质通道进口分别与储液罐内连通，增压空气换热器、回热器的换热通道中分别通入热源介质，其中增压空气换热器的换热通道通入内燃机缸体排出的增压空气作为热源介质；储液罐内循环工质分别进入增压空气换热器、回热器的工质通道，循环工质在增压空气换热器、回热器中分别与对应的热源介质交换热量；

增压空气换热器、回热器的工质通道出口分别与内燃机缸体的工质进口连接，内燃机缸体的工质出口与闪蒸罐的进口连接，由此增压空气换热器、回热器中的循环工质换热后分别进入内燃机缸体，循环工质与内燃机缸体中的燃气交换热量后，再从内燃机缸体流出至闪蒸罐；

排气换热器中具有工质通道和换热通道，闪蒸罐的液相出口与排气换热器的工质通道进口连接，排气换热器的换热通道通入内燃机缸体的排气作为热源介质，排气换热器的工质通道出口与高温膨胀机的进口连接，高温膨胀机的出口与回热器换热通道进口连接；闪蒸罐的气相出口与低温膨胀机的进口连通，回热器换热通道出口、低温膨胀机的出口分别与储液罐内连通；

循环工质经闪蒸罐闪蒸后，其中沸点温度高的工质形成液相部分进入排气换热器的工质通道，液相部分在排气换热器中与内燃机缸体的排气换热后，再进入高温膨胀机中膨胀做功，然后由高温膨胀机流出至回热器的换热通道作为回热器换热通道的热源介质，同时沸点温度低的工质形成气相部分进入低温膨胀机中膨胀做功；最终回热器换热通道、低温膨胀机流出的对应工质分别进入储液罐中。

混合工质代替内燃机缸套水的余热回收有机朗肯循环系统中，所述增压空气换热器的换热通道进口与内燃机配置的增压器出口连接，增压器的进口与内燃机配置的排气涡轮出口连接，排气涡轮的进口与内燃机缸体的排气口连接，增压空气换热器的换热通道出口与内燃机缸体的进气口连接，由此构成回路，回路中内燃机缸体的排气经排气涡轮送入增压器增压后形成增压空气，增压空气进入增压空气换热器的换热通道作为热源介质完成热交换后，再返回至内燃机缸体。

混合工质代替内燃机缸套水的余热回收有机朗肯循环系统中，所述排气换热器中换热通道进口与排气涡轮出口连接，排气换热器中换热通道出口连通至外部环境或外部尾气回收装置，内燃机缸体的排气经排气涡轮进入排气换热器中换热通道作为热源介质完成热交换后，再排出至外部环境或进入外部尾气回收装置。

混合工质代替内燃机缸套水的余热回收有机朗肯循环系统中，还包括低压工质泵，低压工质泵的进口与储液罐内连通，低压工质泵的出口分别与回热器的工质通道进口、增压空气换热器的工质通道进口连接，由低压工质泵将储液罐内循环工质分别泵入至回热器、增压空气换热器的工质通道。

混合工质代替内燃机缸套水的余热回收有机朗肯循环系统中，还包括高压工质泵，高压工质泵的进口与闪蒸罐的液相出口连接，高压工质泵的出口与排气换热器的工质通道进口连接，由高压工质泵将液相部分泵入至排气换热器的工质通道。

混合工质代替内燃机缸套水的余热回收有机朗肯循环系统中，还包括冷凝器，回热器换热通道出口、低温膨胀机的出口分别与冷凝器的进口连接，冷凝器的出口与储液罐内连通，回热器换热通道、低温膨胀机流出的对应工质分别经冷凝器冷却后再进入储液罐。

本发明使用两种相同压力下沸点温度相差较大（如相差50-100℃）的工质作为循环工质，并借助闪蒸罐分离出一部分含低沸点温度工质较多的气相部分和另一部分含高沸点温度较多的液相部分。

本发明中循环工质进入增压空气换热器，取代了内燃机的增压空气冷却器的作用；之后循环工质进入内燃机缸体，实现对内燃机缸体热量的直接吸收，节省了用于缸套水余热回收的换热器。

闪蒸罐分离出的气相部分进入低温膨胀机做功，另一部分液相部分进入排气换热器吸热变为高温高压蒸汽然后进入高温膨胀机做功，而其乏汽热量被回热器中的一部分循环工质吸收，这些流程的共同作用实现了不同品质的余热的综合利用，极大地提升了系统的做功能力。

本发明采用高沸点和低沸点的不同工质组成非共沸混合物作为循环工质，可吸收内燃机缸体排出的增压空气热量、高温膨胀机后乏汽热量、内燃机缸体及缸体内燃气热量，然后进入闪蒸罐，形成含低沸点温度工质的气相部分和含高沸点温度工质的液相部分，气相部分进入低温膨胀机做功，液相部分被高压工质泵送入排气换热器中与内燃机缸体的排气交换热量后变为高温高压的蒸汽，然后蒸汽进入高温膨胀机推动高温膨胀机做功，高温膨胀机的后乏汽热量在回热器中进行热交换后与低温膨胀机的后乏汽汇合，最后进入冷凝器凝结散热后，进入储液罐中完成循环。

本发明提出的余热回收系统可借助低压工质泵、高压工质泵和闪蒸罐的协作配合能力，能够主动调节不同余热源对应的吸热工质的物理特性，实现内燃机增压空气、缸体和排气余热的高效回收利用，在宽广的内燃机工况范围内都能实现内燃机多种余热源的高效利用，并能够最终实现内燃机余热的梯级利用。本发明有助于提高内燃机的一次能源利用效率，对于内燃机应用行业的节能减排具有重要意义。

附图说明

图1是本发明系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，混合工质代替内燃机缸套水的余热回收有机朗肯循环系统，低压工质泵1、增压空气换热器2、回热器3、闪蒸罐4、低温膨胀机5、冷凝器6、储液罐7、高压工质泵8、排气换热器9、高温膨胀机10，其中：

储液罐7内预存储作为循环工质的非共沸混合物，该非共沸混合物包括两种工质，两种工质在相同压力下沸点温度不同。

增压空气换热器2、回热器3分别各自具有工质通道、换热通道，低压工质泵1的进口与储液罐7内连通，低压工质泵1的出口分别与回热器3的工质通道进口、增压空气换热器2的工质通道进口连接，由低压工质泵1将储液罐7内循环工质分别泵入至回热器3、增压空气换热器2的工质通道。

增压空气换热器2、回热器3的换热通道中分别通入热源介质，其中增压空气换热器2的换热通道进口与内燃机配置的增压器12出口连接，增压器12的进口与内燃机配置的排气涡轮11出口连接，排气涡轮11的进口与内燃机缸体13的排气口连接，增压空气换热器12的换热通道出口与内燃机缸体13的进气口连接，由此构成回路，回路中内燃机缸体13的排气A经排气涡轮11送入增压器12增压后形成增压空气B，增压空气B进入增压空气换热器2的换热通道作为热源介质，与增压空气换热器2工质通道中的循环工质完成热交换后，再返回至内燃机缸体13。同时，回热器3的工质通道中的循环介质与回热器3换热通道的热源介质同样进行热交换。

增压空气换热器2、回热器3的工质通道出口分别与内燃机缸体13的工质进口连接，内燃机缸体13的工质出口与闪蒸罐4的进口连接，由此增压空气换热器2、回热器3中的循环工质在换热升温后分别进入内燃机缸体13，循环工质与内燃机缸体13中的燃气交换热量再次升温后，再从内燃机缸体13流出至闪蒸罐4。

排气换热器9中具有工质通道和换热通道，闪蒸罐4的液相出口与高压工质泵的进口连接，高压工质泵的出口与排气换热器的工质通道进口连接。排气换热器9的换热通道进口与排气涡轮11出口连接，排气换热器9中换热通道出口连通至外部环境或外部尾气回收装置，内燃机缸体13的排气经排气涡轮11进入排气换热器9中换热通道作为热源介质进行热交换后，再排出至外部环境或进入外部尾气回收装置。

排气换热器9的工质通道出口与高温膨胀机10的进口连接，高温膨胀机10的出口与回热器3换热通道进口连接。同时，闪蒸罐4的气相出口与低温膨胀机5的进口连通，回热器3换热通道出口、低温膨胀机5的出口分别与冷凝器6的进口连接，冷凝器6的出口与储液罐7内连通

循环工质经闪蒸罐4闪蒸后，其中沸点温度高的工质形成液相部分由高压工质泵8泵入至排气换热器9的工质通道，液相部分在排气换热器9中与内燃机缸体的排气换热升温形成气态后，再进入高温膨胀机10中膨胀做功，然后由高温膨胀机10流出至回热器3的换热通道作为回热器3换热通道的热源介质。同时闪蒸罐4闪蒸后的，其中沸点温度低的工质形成气相部分进入低温膨胀机5中膨胀做功。最终回热器3换热通道、低温膨胀机5流出的对应工质分别进入冷凝器6，经冷凝器冷却后再进入储液罐，完成余热回收循环。

本发明采用两种在相同压力下沸点温度不同的工质组成非共沸混合物作为循环工质，例如高温型工质（如甲苯）与卤代烃制冷剂（如R245fa）的混合物。本发明中的循环工质可导入内燃机缸体13来吸收气缸燃烧热并维持缸体温度，该做法省去了内燃机缸套水的设置，有助于减小系统重量和降低结构复杂性。另外，本发明使用闪蒸罐4来实现较高温度的循环工质的不同沸点温度的工质部分高效分离，一部分是含有低沸点温度工质较多的气相部分，另一部分是含有高沸点温度工质较多的气相部分。闪蒸罐4的设置不仅解决了排气散热与缸体散热所需求的工质流量之间存在的矛盾，还增加了系统有效功率的输出。

本发明大体上可分为低压回路和高压回路。该余热回收系统启动之前，需要在储液罐7中充灌入设定比例的非共沸混合工质。在系统运行期间，实时关注储液罐7的液位，在其低于限制值的情况下需要系统停机并及时补充混合工质。

在低压回路中，来自储液罐7的循环工质在低压工质泵1的增压输送下一部分进入增压空气换热器2吸收来自内燃机系统的增压空气B热量，另一部分进入回热器3吸收来自高温膨胀机10后的高温乏汽热量。然后汇合进入内燃机缸体13，吸收内燃机缸体13中高温高压燃气的对流热和辐射热，循环工质的温度得到进一步提高，之后进入闪蒸罐4减压蒸发，其中低沸点温度的工质相比高沸点温度的工质更容易蒸发，因此含有较多低沸点温度的工质形成气相部分进入低温膨胀机5中膨胀做功，最后乏汽进入冷凝器6冷却散热。

在高压回路中，来自闪蒸罐4的含有较多高沸点温度的工质的液相部分在高压工质泵8的输送下进入排气换热器9中吸收内燃机排气余热变为高温高压气体，之后进入高温膨胀机10中膨胀做功，然后出口的高温乏汽在回热器3中将热量传给循环工质，之后与低温膨胀机5的乏汽汇合一起进入冷凝器6中散热，最后进入储液罐7中，完成余热回收循环。

本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。