CN104564422A - 内燃机余热综合利用*** - Google Patents

内燃机余热综合利用*** Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种内燃机余热综合利用***，其包括尾气能量回收***、有机朗肯循环***、冷却水循环***。尾气能量回收***包括涡轮增压器、中冷器、废气管路、气水换热器。有机朗肯循环***包括有机工质泵、蒸发器、膨胀机、冷凝器、发电机。冷却水循环回路包括进水管、出水管、具有进口和第一出口和第二出口的三通阀、水箱、双换热管路。内燃机的出水口排出的冷却水流经出水管、三通阀的进口、三通阀的第二出口、双换热管路、气水换热器、蒸发器、水箱、进水管而进入内燃机的进水口，进行冷却水换热循环。冷却水在内燃机排出的废气余热的加热下温度升高，加强了有机工质与冷却水的换热效率，更多的热量可以被有机工质回收，提升了内燃机的余热利用效率。

Description

内燃机余热综合利用***
技术领域
本发明涉及内燃机余热利用领域，尤其涉及一种内燃机余热综合利用***。
背景技术
内燃机燃烧燃料产生的热量，一部分被内燃机冷却系带走，一部分随尾气排出，只有少部分能量用于做功。回收内燃机的冷却热与尾气能量可以提高内燃机整体的热效率，以提高内燃机燃油燃气的经济性。
现阶段内燃机冷却热多采用水冷却方式。冷却水带走的热量多是在水箱换热达到内燃机工作的所需温度后，再回到内燃机缸套进行循环。有提出通过有机朗肯循环直接换热输出电能的方式回收冷却水热量。但冷却水温度较低，火用功较少，通过有机朗肯循环直接回收冷却水热量，热回收效率较差。尾气能量方面，则多通过涡轮增压器或涡轮复合***回收大部分动力能和一部分余热能。尾气的余热能由于内燃机工况变化范围大，现有余热回收利用手段效率较低。
发明内容
鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种内燃机余热综合利用***，其能提高内燃机的总能利用效率。
为了实现上述目的，本发明提供了一种内燃机余热综合利用***，其包括尾气能量回收***、有机朗肯循环***、冷却水循环***。尾气能量回收***包括：涡轮增压器，一端连通内燃机的排气口，接收内燃机排出的废气并利用所接收的废气的动力能对进入涡轮增压器中的供给空气进行压缩并输出压缩空气且输出动力能消耗后的废气；中冷器，连通涡轮增压器的另一端并连通内燃机的进气口，以接收涡轮增压器输出的压缩空气并使所接收的压缩空气降温且将降温的压缩空气输出至内燃机的进气口，以供内燃机使用；废气管路，连通涡轮增压器，接收并输送涡轮增压器输出的动力能消耗后的废气；以及气水换热器，连通废气管路并供废气管路输送的在涡轮增压器做功后的废气穿过。有机朗肯循环***包括：有机工质泵，连通外部的有机工质储液罐，将有机工质储液罐中的液态有机工质输出；蒸发器，设置在有机工质泵的下游且连通有机工质泵，以接收有机工质泵输出的液态有机工质且使液态有机工质蒸发并输出为气态有机工质；膨胀机，设置在蒸发器的下游且连通蒸发器，以接收蒸发器输出的气态有机工质并被气态有机工质驱动做功且输出气态有机工质做功后的乏气；冷凝器，设置在膨胀机的下游且连通膨胀机并连通所述液态有机工质储液罐，以使膨胀机输出的乏气冷却成液态有机工质并将液态有机工质回收到有机工质储液罐；以及发电机，连接膨胀机且连接外部的供电或储能装置，以被膨胀机做功驱动而发电并向外部的供电或储能装置提供电能。冷却水循环回路包括：进水管，连通于内燃机的进水口；出水管，一端连通于内燃机的出水口，进水口和出水口经由内燃机内的通道连通；三通阀，具有进口和第一出口和第二出口，进口连通于出水管的另一端；水箱，设置在三通阀的下游并连通三通阀的第一出口，且连通内燃机的进水管；以及双换热管路，一端连通于三通阀的第二出口而另一端连通于水箱且依次经过尾气能量回收回路的气水换热器和有机朗肯循环回路的蒸发器。内燃机的出水口排出的冷却水流经出水管、三通阀的进口、三通阀的第二出口、双换热管路、气水换热器、蒸发器、水箱、进水管而进入内燃机的进水口，以进行冷却水换热循环，其中，双换热管路中的冷却水首先进入气水换热器使冷却水吸收穿过气水换热器的动力能消耗后的废气的热量并升温，之后升温的冷却水进入蒸发器使升温的冷却水与流经蒸发器的液态有机工质换热，升温的冷却水放出热量并降温而液态有机工质吸收冷却水放出的热量并蒸发为气态有机工质；当进行冷却水换热循环时，在有机朗肯循环回路或尾气能量回收回路的气水换热器发生故障时，三通阀的进口与三通阀的第一出口连通而三通阀的进口与三通阀的第二出口关闭，从内燃机的出水口排出的冷却水流经出水管三通阀的进口、三通阀的第一出口、水箱以及进水管而进入内燃机的进水口，以进行备用循环。
本发明的有益效果如下：
吸收废气余热能的冷却水作为有机朗肯循环回路的蒸发器的热源可以解决内燃机排出的废气的温度变化幅度宽，余热回收难度较大的难题，有机工质郎肯循环***更加稳定。同时，冷却水在内燃机排出的废气余热的加热下温度升高，加强了有机工质与冷却水的换热效率，更多的热量可以被液态有机工质回收，减小了换热器面积，提升了内燃机的余热利用效率。
本发明的内燃机余热综合利用***结构紧凑，具有较好的实用性。
附图说明
图1为根据本发明的内燃机余热综合利用***的示意图。
其中，附图标记说明如下：
1尾气能量回收回路                 31进水管
  11涡轮增压器                    32出水管
  12中冷器                        33三通阀
  13废气管路                        331进口
  14气水换热器                      332第一出口
2有机朗肯循环回路                   333第二出口
  21有机工质泵                    34水箱
  22蒸发器                        35双换热管路
  23膨胀机                        C连通部位
  24冷凝器                      4控制器
  25发电机                      5内燃机
  26有机朗肯循环旁通回路        S传感器
  27电动阀门                    F流量传感器
3冷却水循环回路                 T温度传感器
具体实施方式
下面参照附图来详细说明根据本发明的内燃机余热综合利用***。
参照图1，根据本发明的内燃机余热综合利用***包括尾气能量回收***1、有机朗肯循环***2、冷却水循环***3。尾气能量回收***1包括：涡轮增压器11，一端连通内燃机5的排气口(未示出)，接收内燃机5排出的废气并利用所接收的废气的动力能对进入涡轮增压器11中的供给空气进行压缩并输出压缩空气且输出动力能消耗后的废气；中冷器12，连通涡轮增压器11的另一端并连通内燃机5的进气口(未示出)，以接收涡轮增压器11输出的压缩空气并使所接收的压缩空气降温且将降温的压缩空气输出至内燃机5的进气口，以供内燃机5使用；废气管路13，连通涡轮增压器11，接收并输送涡轮增压器11输出的动力能消耗后的废气；以及气水换热器14，连通废气管路13并供废气管路13输送的在涡轮增压器11做功后的废气穿过。有机朗肯循环***2包括：有机工质泵21，连通外部的有机工质储液罐(未示出)，将有机工质储液罐中的液态有机工质输出；蒸发器22，设置在有机工质泵21的下游且连通有机工质泵21，以接收有机工质泵21输出的液态有机工质且使液态有机工质蒸发并输出为气态有机工质；膨胀机23，设置在蒸发器22的下游且连通蒸发器22，以接收蒸发器22输出的气态有机工质并被气态有机工质驱动做功且输出气态有机工质做功后的乏气；冷凝器24，设置在膨胀机23的下游且连通膨胀机23并连通所述液态有机工质储液罐，以使膨胀机23输出的乏气冷却成液态有机工质并将液态有机工质回收到有机工质储液罐(用于参与下次循环)；以及发电机25，连接膨胀机23且连接外部的供电或储能装置(未示出)，以被膨胀机23做功驱动而发电并向外部的供电或储能装置提供电能。冷却水循环回路3包括：进水管31，连通于内燃机5的进水口(未示出)；出水管32，一端连通于内燃机5的出水口(未示出)，进水口和出水口经由内燃机5内的通道(未示出)连通；三通阀33，具有进口331和第一出口332和第二出口333，进口331连通于出水管32的另一端；水箱34，设置在三通阀33的下游并连通三通阀33的第一出口332，且连通内燃机5的进水管31；以及双换热管路35，一端连通于三通阀33的第二出口333而另一端连通于水箱34且依次经过尾气能量回收回路1的气水换热器14和有机朗肯循环回路2的蒸发器22。内燃机5的出水口排出的冷却水流经出水管32、三通阀33的进口331、三通阀33的第二出口333、双换热管路35、气水换热器14、蒸发器22、水箱34、进水管31而进入内燃机5的进水口，以进行冷却水换热循环，其中，双换热管路35中的冷却水首先进入气水换热器14使冷却水吸收穿过气水换热器14的动力能消耗后的废气的热量并升温，之后升温的冷却水进入蒸发器22使升温的冷却水与流经蒸发器22的液态有机工质换热，升温的冷却水放出热量并降温而液态有机工质吸收冷却水放出的热量并蒸发为气态有机工质；当进行冷却水换热循环时，在有机朗肯循环回路2或尾气能量回收回路1的气水换热器14发生故障时，三通阀33的进口331与三通阀33的第一出口332连通而三通阀33的进口331与三通阀33的第二出口333关闭，从内燃机5的出水口排出的冷却水流经出水管32三通阀33的进口331、三通阀33的第一出口332、水箱34以及进水管31而进入内燃机5的进水口，以进行备用循环。
本发明的内燃机余热综合利用***能够回收内燃机5排出的冷却水的余热以及内燃机5排出的废气的能量，内燃机5排出的废气的能量分为两部分回收，一部分为通过涡轮增压器11回收的余压能(动力能)用于压缩空气，一部分为经由冷却水循环回路3的双换热管路35中的冷却水通过气水换热器14换热回收的余热能，吸收该废气的余热能的冷却水(高温冷却水)作为有机朗肯循环回路2的蒸发器22的热源，液态有机工质蒸发的同时带走冷却水的热量，起到冷却冷却水的作用，同时通过有机朗肯循环回路2向外部提供电能。
吸收尾气的余热能的冷却水作为有机朗肯循环回路2的蒸发器22的热源可以解决内燃机5排出的废气的温度变化幅度宽，余热回收难度较大的难题。同时，内燃机5排出的冷却水的余热在内燃机5排出的尾气余热的加热下，更易被液态有机工质回收，减少了单位时间循环水量，提高了内燃机的余热利用效率、提高内燃机的总能利用效率。
本发明的内燃机余热综合利用***结构紧凑，具有较好的实用性。
气水换热器14不直接参与有机朗肯循环回路2的换热过程，其易于检修和拆换，延长了有机朗肯循环回路2的各部件的寿命，保证了内燃机余热综合利用***运行的稳定性。
此外，内燃机5的出水管32内的冷却水余热总量大于内燃机5排出的经过涡轮增压器11之后废气的余热，因此一部分的循环冷却水量即可满足废气的余热的回收。
双换热管路35在靠近与三通阀33连接的第二出口333处可以设置截止阀(未示出)，以调节双换热管路35中的冷却水的流量。
双换热管路35在靠近水箱34处可以设置截止阀(未示出)，以调节从双换热管路35进入水箱34中的冷却水的流量。
在根据本发明的内燃机余热综合利用***的一实施例中，参照图1，有机朗肯循环***2还可包括：有机朗肯循环旁通回路26，一端连通于膨胀机23的上游而另一端连通在膨胀机23的下游且所述另一端与冷凝器24连通；以及电动阀门27，设置于有机朗肯循环旁通回路26，控制有机朗肯循环旁通回路26的流量。有机朗肯循环旁通回路26及电动阀门27的设置能够调节膨胀机23的功率输出，从而控制发电机25的功率输出。具体地，当有机工质回收的热量过多、发电机25当前不需要较大的功率输出或有机工质参数未达到工作状态需要空转时，可通过电动阀门27调整阀门开度将富余的气态有机工质通过有有机朗肯循环旁通回路26进行旁通，然后直接经冷凝器24冷却输送到有机工质储液罐。
在根据本发明的内燃机余热综合利用***的一实施例中，参照图1，所述内燃机余热综合利用***还可包括：控制器4，通信连接尾气能量回收回路1、有机朗肯循环回路2与冷却水循环回路3。控制器4可为车载电子控制器。所述通信连接可为有线连接或无线连接。在一实施例中，参照图1，有机朗肯循环回路2的膨胀机23的输入端可设置有传感器S，通信连接控制器4，用于检测进入膨胀机23的气态有机工质的压力、流量、温度。传感器S的设置可以保证进入膨胀机4前的有机工质的工作参数，从而确保有机朗肯循环回路2运行的稳定性。
在根据本发明的内燃机余热综合利用***的一实施例中，参照图1，出水管32设置有流量传感器F与温度传感器T，分别感测内燃机5的出水口连通的出水管32内的冷却水的流量和温度以判断余热量大小。

Claims (5)

1.一种内燃机余热综合利用***，其特征在于，包括：
尾气能量回收***(1)，包括：
涡轮增压器(11)，一端连通内燃机(5)的排气口，接收内燃机(5)排出的废气并利用所接收的废气的动力能对进入涡轮增压器(11)中的供给空气进行压缩并输出压缩空气且输出动力能消耗后的废气；
中冷器(12)，连通涡轮增压器(11)的另一端并连通内燃机(5)的进气口，以接收涡轮增压器(11)输出的压缩空气并使所接收的压缩空气降温且将降温的压缩空气输出至内燃机(5)的进气口，以供内燃机(5)使用；
废气管路(13)，连通涡轮增压器(11)，接收并输送涡轮增压器(11)输出的动力能消耗后的废气；以及
气水换热器(14)，连通废气管路(13)并供废气管路(13)输送的在涡轮增压器(11)做功后的废气穿过；
有机朗肯循环回路(2)，包括：
有机工质泵(21)，连通外部的有机工质储液罐，将有机工质储液罐中的液态有机工质输出；
蒸发器(22)，设置在有机工质泵(21)的下游且连通有机工质泵(21)，以接收有机工质泵(21)输出的液态有机工质且使液态有机工质蒸发并输出为气态有机工质；
膨胀机(23)，设置在蒸发器(22)的下游且连通蒸发器(22)，以接收蒸发器(22)输出的气态有机工质并被气态有机工质驱动做功且输出气态有机工质做功后的乏气；
冷凝器(24)，设置在膨胀机(23)的下游且连通膨胀机(23)并连通所述液态有机工质储液罐，以使膨胀机(23)输出的乏气冷却成液态有机工质并将液态有机工质回收到有机工质储液罐；以及
发电机(25)，连接膨胀机(23)且连接外部的供电或储能装置，以被膨胀机(23)做功驱动而发电并向外部的供电或储能装置提供电能；以及
冷却水循环***(3)，包括：
进水管(31)，连通于内燃机(5)的进水口；
出水管(32)，一端连通于内燃机(5)的出水口，进水口和出水口经由内燃机(5)内的通道连通；
三通阀(33)，具有进口(331)和第一出口(332)和第二出口(333)，进口(331)连通于出水管(32)的另一端；
水箱(34)，设置在三通阀(33)的下游并连通三通阀(33)的第一出口(332)，且连通内燃机(5)的进水管(31)；以及
双换热管路(35)，一端连通于三通阀(33)的第二出口(333)而另一端连通于水箱(34)且依次经过尾气能量回收回路(1)的气水换热器(14)和有机朗肯循环回路(2)的蒸发器(22)；
当与内燃机(5)的出水口连通的出水管(32)内的冷却水的温度不低于预定温度时，三通阀(33)的进口(331)与三通阀(33)的第一出口(332)关闭而三通阀(33)的进口与三通阀(33)的第二出口(333)连通，从内燃机(5)的出水口排出的冷却水流经出水管(32)、三通阀(33)的进口(331)、三通阀(33)的第二出口(333)、双换热管路(35)、气水换热器(14)、蒸发器(22)、水箱(34)、进水管(31)而进入内燃机(5)的进水口，以进行冷却水换热循环，其中，双换热管路(35)中的冷却水首先进入气水换热器(14)使冷却水吸收穿过气水换热器(14)的动力能消耗后的废气的热量并升温，之后升温的冷却水进入蒸发器(22)使升温的冷却水与流经蒸发器(22)的液态有机工质换热，升温的冷却水放出热量并降温而液态有机工质吸收冷却水放出的热量并蒸发为气态有机工质；
当进行冷却水换热循环时，在有机朗肯循环回路(2)或尾气能量回收回路(1)的气水换热器(14)发生故障时，三通阀(33)的进口(331)与三通阀(33)的第一出口(332)连通而三通阀(33)的进口(331)与三通阀(33)的第二出口(333)关闭，从内燃机(5)的出水口排出的冷却水流经出水管(32)、三通阀(33)的进口(331)、三通阀(33)的第一出口(332)、水箱(34)以及进水管(31)而进入内燃机(5)的进水口，以进行备用循环。
2.根据权利要求1所述的内燃机余热综合利用***，其特征在于，有机朗肯循环回路(2)还包括：
有机朗肯循环旁通回路(26)，一端连通于膨胀机(23)的上游而另一端连通在膨胀机(23)的下游且所述另一端与冷凝器(24)连通；以及
电动阀门(27)，设置于有机朗肯循环旁通回路(26)，控制有机朗肯循环旁通回路(26)的流量。
3.根据权利要求1所述的内燃机余热综合利用***，其特征在于，所述内燃机余热综合利用***还包括：
控制器(4)，通信连接尾气能量回收回路(1)、有机朗肯循环回路(2)与冷却水循环回路(3)。
4.根据权利要求3所述的内燃机余热综合利用***，其特征在于，有机朗肯循环回路(2)的膨胀机(23)的输入端设置有传感器(S)，通信连接控制器(4)，用于检测进入膨胀机(23)的气态有机工质的压力、流量、温度。
5.根据权利要求1所述的内燃机余热综合利用***，其特征在于，出水管(32)的上游设置有流量传感器(F)和温度传感器(T)，分别感测内燃机(5)的出水口连通的出水管(32)内的冷却水的流量和温度，以判断余热量大小。
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