CN101408115B - 一种适用于车用发动机余热回收的热力循环*** - Google Patents

一种适用于车用发动机余热回收的热力循环*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适用于车用发动机余热回收的热力循环***，本热力循环***为用于回收发动机冷却水余热的低温卡琳娜循环和用于回收发动机排气余热及润滑油余热的高温有机朗肯循环的耦合，包括排气换热器，膨胀机，换热器，泵，润滑油热交换器，润滑油循环泵，冷却水热交换器，冷却水循环泵，回热器，节流阀，分离器，膨胀机，低压冷凝器和泵。本发明能够克服传统的发动机余热利用方法中余热利用率不高的缺点，从而显著的提高车用发动机的余热回收效率。

Description

一种适用于车用发动机余热回收的热力循环***
技术领域
本发明属于余热回收技术领域，涉及了一种适用于车用发动机余热回收的热力循环***。该***采用卡琳娜循环(Kalina Cycle)和有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle)耦合的的方式实现车用发动机余热回收利用。
背景技术
燃料在发动机内燃烧后，其化学能转化为热能，其中一部分通过内燃机循环转变为有用功，主要用于驱动汽车前进；其余部分以发动机冷却余热和尾气余热形式释放给环境。根据热力学第二定律，余热能量中除了必须向环境释放的部分，其余部分理论上是可以利用的。
研究表明：发动机转变为有用功的热量约占燃料燃烧发热量(输入热量)的30～40％，冷却余热占20～25％，尾气余热占40～45％。也就是说目前只利用了燃料化学能的三分之一左右，另外三分之二左右的能量则通过发动机的冷却水散热和高温尾气排热的形式释放到周围环境。
传统的发动机余热利用方法主要有三种：利用发动机余热进行温差发电、利用发动机余热取暖或进行吸收式制冷、利用发动机余热做功。
目前，利用排气温差发电能量转换效率很低。实验中，实际热电转换效率约为2.12％，而同类装置的转换效率最高只有10％左右；发动机余热取暖***无法在发动机停止工作的时候使用，且在高寒地区使用时对换热元件要求较高；发动机余热吸收式制冷***则存在单位质量制冷剂产生的制冷功率小，***笨重，余热利用率低等缺陷。利用发动机余热做功主要是采用热力循环的方式来回收车用发动机的排气余热，通常采用水作为余热回收循环的工质，然而传统发动机余热回收循环的余热回收效率非常低，原因在于，传统的发动机余热回收循环仅仅单一回收发动机的排气余热，而并未对发动机的冷却水余热与润滑油余热加以回收利用，此外由于排气余热的温度低于工业用朗肯循环的热源温度，采用水作为循环工质使得余热回收效率很低。
发明内容
本发明的目的在于提出一种适用于车用发动机余热回收的热力循环***。本热力循环***采用卡琳娜循环和有机朗肯循环耦合来回收车用发动机的排气余热、冷却水余热和润滑油余热。其中，卡琳娜循环用于回收温度较低的发动机冷却水余热；有机朗肯循环用于回收温度较高的发动机排气余热及润滑油余热。利用本热力循环***，可以同时回收发动机的排气余热、冷却水余热和润滑油余热，显著的提高车用发动机余热回收效率。
本发明通过下述技术方案实现：
车用发动机余热回收热力循环***是用于回收发动机冷却水余热的低温卡琳娜循环和用于回收发动机排气余热及润滑油余热的高温有机朗肯循环的耦合；
所述的用于回收冷却水余热的低温卡琳娜循环中，冷却水热交换器低温侧的进口端与回热器低温侧的进口端并联，并联后进口端与换热器低温侧的出口端串联，并联后出口端与分离器进口串联，分离器的一端出口与膨胀机的进口串联，分离器的另一端出口与回热器的高温侧进口端串联，回热器的高温侧出口端连接节流阀的进口，膨胀机的出口与节流阀的出口并联，并联之后与低压冷凝器高温侧的进口串联，低压冷凝器高温侧的出口与泵进口串联，泵的出口与换热器低温侧的进口端相串联，冷却水换热器高温侧与冷却水循环泵相串联；
所述的用于回收排气余热和润滑油余热的高温有机朗肯循环中，换热器高温侧的进口端与膨胀机的出口串联，换热器高温侧的出口端与泵进口串联，泵的出口与润滑油热交换器低温侧进口端串联，润滑油热交换器低温侧的出口端与排气换热器低温侧的进口端串联，排气换热器低温侧的出口端与膨胀机的进口串联，润滑油热交换器高温侧与润滑油循环泵串联，排气换热器的高温侧接入发动机尾气。
用于回收发动机冷却水余热的低温卡琳娜循环采用富氨蒸气，氨含量大于90％，基本溶液，氨含量为80-90％及富水溶液，氨含量为40-50％的氨水混合物作为循环不同工作阶段的工作介质。
用于回收发动机排气余热及润滑油余热的高温有机朗肯循环采用有机物质作为循环的工作介质。
采用上述技术方案，本发明提出的车用发动机余热回收热力循环***可同时利用发动机排气余热、发动机冷却水余热和发动机润滑油余热，与传统的只回收发动机排气余热的热力循环***相比，余热回收效率更高。另外，上述技术方案还通过换热实现高温有机朗肯循环与低温卡琳娜循环之间的热交换，将高温有机朗肯循环做功后工质乏气的热量传递给低温卡琳娜循环从而实现循环工质的预热，进一步提高了余热回收效率。
附图说明
图1为本发明的***流程示意图。
下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。
具体实施方式
参照图1所示，将采用氨水作为循环工质的低温卡琳娜循环和采用有机工质的高温有机朗肯循环合理的结合在一起，用以回收车载发动机冷却水余热、排气余热及润滑油余热三部分可以二次利用的能量。主要部件包括排气换热器1，膨胀机2，换热器3，泵4，润滑油热交换器5，润滑油循环泵6，冷却水热交换器7，冷却水循环泵8，回热器9，节流阀10，分离器11，膨胀机12，低压冷凝器13和泵14。
用以回收发动机冷却水余热的低温卡琳娜循环主要包括换热器3，冷却水热交换器7，回热器9，节流阀10，分离器11，膨胀机12，低压冷凝器13和泵14。采用氨水作为低温卡琳娜循环的工质主要是考虑到氨水临界温度较低的特点；用以回收发动机排气余热及润滑油余热的高温有机朗肯循环主要包括排气换热器1，膨胀机2，换热器3，泵4和润滑油热交换器5。鉴于高温循环中冷凝温度的要求以及有机物质T-s图中饱和蒸气线的形状等特点，高温朗肯循环适于采用有机物作为循环的工质；低温卡琳娜循环与高温有机朗肯循环之间的热交换在换热器3中完成从而实现两个循环的耦合；润滑油循环包括润滑油热交换器5和润滑油循环泵6；冷却水循环包括冷却水热交换器7和冷却水循环泵8。
所述的用于回收冷却水余热的低温卡琳娜循环中，冷却水热交换器7低温侧的进口端与回热器9低温侧的进口端并联，并联后进口端与换热器3低温侧的出口端串联，并联后出口端与分离器11进口串联，分离器11的一端出口与膨胀机12的进口串联，分离器11的另一端出口与回热器9的高温侧进口端串联，回热器9的高温侧出口端连接节流阀10的进口，膨胀机12的出口与节流阀10的出口并联，并联之后与低压冷凝器13高温侧的进口串联，低压冷凝器13高温侧的出口与泵14进口串联，泵14的出口与换热器3低温侧的进口端相串联，冷却水换热器7高温侧与冷却水循环泵8相串联；
所述的用于回收排气余热和润滑油余热的高温有机朗肯循环中，换热器3高温侧的进口端与膨胀机2的出口串联，换热器3高温侧的出口端与泵4进口串联，泵4的出口与润滑油热交换器5低温侧进口端串联，润滑油热交换器5低温侧的出口端与排气换热器1低温侧的进口端串联，排气换热器1低温侧的出口端与膨胀机2的进口串联，润滑油热交换器5高温侧与润滑油循环泵6串联，排气换热器1的高温侧接入发动机尾气。
要同时回收车用发动机的高温排气余热、润滑油余热和低温的冷却水余热，考虑到汽油机排气，冷却水和润滑油三项余热的不同特点(主要是三者温度差异较大)，适用于车用发动机余热回收的热力循环***应由用于回收排气余热及润滑油余热的高温有机朗肯循环A和用于回收冷却水余热的低温卡琳娜循环B两部分组成。由于采用不同的循环工质，故每个循环由单独的蒸发装置、做功装置、冷凝装置以及循环泵组成。C为汽油机的冷却水循环，D为汽油机润滑油循环。
本发明所涉及的热力循环***中，高温有机朗肯循环A的工质首先在润滑油热交换器5中与高温润滑油发生热量交换，润滑油热交换器5除了对润滑油产生冷却作用外，还对高温有机朗肯循环工质起到预热作用，预热后的循环工质进入安装在汽油机排气管上的排气换热器1(排气换热器1是高温有机朗肯循环工质的主热交换器)，在排气换热器1中与排气进行热量交换，充分吸收了排气热量的工质形成高温高压蒸气后进入膨胀机2对外做功，做功后的工质乏气进入换热器3中，在换热器3中向低温卡琳娜循环放热，同时高温有机朗肯循环工质冷凝成为饱和液后进入循环泵4中，完成高温朗肯循环部分。
本发明所涉及的热力循环***中，低温卡琳娜循环的工质为氨含量为80-90％的氨水溶液(以氨含量84％为宜)，工质首先通过换热器3，在换热器3中吸收高温有机朗肯循环工质乏气的热量，进行预热。预热后的循环工质分为氨含量不变的两部分，一部分进入冷却水热交换器7(冷却水热交换器7低温卡琳娜循环工质的主热交换器)，在冷却水热交换器7中吸收冷却水的热量；另一部分工质进入回热器9与从分离器11中分离出来的一股氨含量为40-50％的工质流(以氨含量42％为宜)进行热交换，之后两股工质汇合进入分离器11，在分离器11中，工质被分成两股氨含量不同的工质流，一股氨含量为40-50％的工质流(以氨含量42％为宜)送至回热器9与在换热器3中完成预热的一部分工质进行热交换，一股氨含量大于90％的工质流(以氨含量96％为宜)送至膨胀机12对外做功，做功之后的乏气与从回热器9流出的一股氨含量为40-50％的工质(以氨含量42％为宜)混合，重新成为氨含量为80-90％的氨水溶液(以氨含量84％为宜)，之后送至低压冷凝器13，在低压冷凝器13中冷凝之后进入泵14，完成低温卡琳娜循环部分。
冷却水循环和润滑油循环分别通过冷却水循环泵8和润滑油循环泵6完成。
由于发动机排气温度和冷却水温度差异较大，故在高温有机朗肯循环和低温卡琳娜循环中分别采用物性不同的工质。在高温有机朗肯循环中采用有机物作为循环工质，而在低温卡琳娜循环中则采用氨水作为循环工质。

Claims (3)

1.一种适用于车用发动机余热回收的热力循环***，其特征在于，车用发动机余热回收热力循环***是用于回收发动机冷却水余热的低温卡琳娜循环和用于回收发动机排气余热及润滑油余热的高温有机朗肯循环的耦合：
所述用于回收冷却水余热的低温卡琳娜循环中，冷却水热交换器(7)低温侧的进口端与回热器(9)低温侧的进口端并联，并联后进口端与换热器(3)低温侧的出口端串联，并联后出口端与分离器(11)进口串联，分离器(11)的一端出口与膨胀机(12)的进口串联，分离器(11)的另一端出口与回热器(9)的高温侧进口端串联，回热器(9)的高温侧出口端连接节流阀(10)的进口，膨胀机(12)的出口与节流阀(10)的出口并联，并联之后与低压冷凝器(13)高温侧的进口串联，低压冷凝器(13)高温侧的出口与泵(14)进口串联，泵(14)的出口与换热器(3)低温侧的进口端相串联，冷却水换热器(7)高温侧与冷却水循环泵(8)相串联；
所述的用于回收排气余热和润滑油余热的高温有机朗肯循环中，换热器(3)高温侧的进口端与膨胀机(2)的出口串联，换热器(3)高温侧的出口端与泵(4)进口串联，泵(4)的出口与润滑油热交换器(5)低温侧进口端串联，润滑油热交换器(5)低温侧的出口端与排气换热器(1)低温侧的进口端串联，排气换热器(1)低温侧的出口端与膨胀机(2)的进口串联，润滑油热交换器(5)高温侧与润滑油循环泵(6)串联，排气换热器(1)的高温侧接入发动机尾气。
2.根据权利要求1所述的适用于车用发动机余热回收的热力循环***，其特征在于，用于回收发动机冷却水余热的低温卡琳娜循环采用富氨蒸气，氨含量大于90％；基本溶液，氨含量为80-90％；及富水溶液，氨含量为40-50％的氨水混合物作为循环不同工作阶段的工作介质。
3.根据权利要求1所述的适用于车用发动机余热回收的热力循环***，其特征在于，用于回收发动机排气余热及润滑油余热的高温有机朗肯循环采用有机物质作为循环的工作介质。
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