CN108489141A - 一种内燃机中冷器循环水余热回收装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内燃机中冷器循环水余热回收装置及方法，涉及内燃机余热回收领域。该装置包括与内燃机中冷器连接的冷却塔***和高温水源热泵***，两者并联运行、互为备用，用于冷却内燃机中冷器循环水。正常情况下，高温水源热泵机组从内燃机中冷器循环水中提取热能，经热泵机组内部循环后，制取较高温度的热水向用户供热；当热泵机组出现故障或者用户无更多用热需求时，热泵机组停止运行，此时冷却塔***工作，对内燃机中冷器的循环水进行冷却散热。本发明通过将高温水源热泵与内燃机为原动机的分布式能源进行集成，能够显著提高分布式能源的利用效率，节约能源，节省工程造价，提高***散热的安全可靠性。

Description

一种内燃机中冷器循环水余热回收装置及方法

技术领域

本发明涉及内燃机余热回收领域，尤其涉及一种内燃机中冷器循环水余热回收装置及方法。

背景技术

随着能源和环境问题日益突出，如何提高能源利用效率，最大程度降低能耗使用过程中对环境的污染是亟待解决的难题。天然气分布式能源技术以其污染排放量低、能源利用效率高等特点受到广泛关注。近年来，国家和各地都不断出台政策，支持天然气分布式能源的发展。

天然气分布式能源技术是以天然气为燃料，以微燃机、燃气轮机或者燃气内燃机为原动机驱动发电机组发电，然后将原动机排出的高温烟气通过余热利用设备进行回收利用，从而实现对能源的梯级利用。由于燃气内燃机发展比较早,技术相对成熟,设备造价比较低，因此内燃机在天然气分布式能源中应用比较广泛。对于内燃机。其可供回收的余热除烟气高温携带的余热外，还包括缸套水余热和中冷器余热。以内燃机为原动机的分布式能源***的工作原理为：利用天然气燃烧产生的高温烟气在内燃机中做功，将一部分热能转换为高品位的电能向外输送。利用热回收技术，将燃气内燃机中的润滑油、中冷器、缸套水和排放烟气中的热量充分回收利用。可将余热回收设备与溴化锂吸收式制冷机集成。用于夏季制冷，也可将回收的余热可用于冬季采暖、提供生活热水。

根据调研，内燃机的高温排烟约450～500℃，利用换热器或者溴化锂吸收式制冷机组，可对该部分热量回收，可回收的余热约占总可用余热的50.8％。内燃机缸套水回路***进出口水温为90/95℃左右中，可利用换热进行回收，可回收的余热约占总可回收余热的30.6％。另外，内燃机的中冷器循环水***也有一部分余热，中冷器排水温度为45℃，进水温度为40℃，这部分余热约占可回收余热的18.6％。

目前，安装有内燃机的分布式能源项目中，由于中冷器水循环***中的水温较低，很难对该部分余热进行实际利用，除部分项目中作为生活热水使用外，大多通过冷却塔进行散热。

虽然通过冷却塔散热满足了中冷器循环水***进出口水温的要求，但冷却塔运行也要消耗一定的电能。另外，这部分余热未能回收，也造成能源的较大浪费。如果采取一定的技术回收该部分余热，不仅能满足用户的更多用热需求，还能使分布式能源的效率得到显著提高。

对于天然气分布式能源项目，用户通过对内燃机的余热进行回收，用于制冷或者制热。如果分布式能源无法满足用户的用热需求时，还需要设置电锅炉或燃气锅炉制取热水。利用电加热方法***简单，但运行成本较高。同时，电加热时电负荷较大，需要安装较大功率的变压器以及支付一笔不小的电力增容费。虽然相对电加热方法，利用燃气锅炉来制取热水，运行成本有所降低。但锅炉***的缺点也十分明显：锅炉热效率较低，同时需要配置燃气供应***，还要设专用的燃气锅炉房，为防止燃气泄漏带来的安全问题，燃气锅炉房的电气设备都选用防爆产品等。另外，锅炉属于压力容器，每年还要对锅炉进行年检，无论运行管理还是***设计都十分复杂。

水源热泵技术是以恒温水为介质，通过热泵机组将水中不可直接利用的低品位热量提取出来，变成可供利用的高品位能源。水源热泵可用于供冷也能用于制热，用于供冷时，其效率约5.0左右，制热时，制热效率约4.0左右。由于其较高的供能效率，节能效果明显，得到了广泛应用。高温热泵是水源热泵技术的创新与改进，它是将工业企业排放的中低温度废水中的热量通过高温热泵进行收集，转换成≤150℃的水或高温蒸汽，用于工业工艺或供暖使用，可直接替代传统燃煤锅炉，是实现工业节能、降耗提效的最佳选择。

内燃机中冷器排水温度通常为45℃左右，水温恒定。如果将高温水源热泵与内燃机为原动机的分布式能源进行集成，实现供能***的耦合，利用内燃机的中冷器循环水作为高温水源热泵的低温热源，通过消耗一定的电能，高温水源热泵机组提取循环水中的余热，就可以产生温度不低于80℃的高品位热水，然后向用户供热。不仅实现了对内燃机余热的回收、效率较高，还可获得较高的经济效益。

因此，本领域的技术人员致力于对内燃机余热回收利用进行研究，通过对能源的综合利用，进一步提高分布式能源的能源效率。

发明内容

有鉴于现有技术的上述局限性，本发明所要解决的技术问题是如何对内燃机中冷器余热进行回收，实现能源的综合利用，以提高能源利用效率和经济效益。

为实现上述目的，本发明提供了一种内燃机中冷器循环水余热回收装置及相应的余热回收方法，具体地，本发明提供的技术方案如下：

一种内燃机中冷器循环水余热回收装置，包括与内燃机中冷器连接的冷却塔***和高温水源热泵***，冷却塔***和高温水源热泵***并联运行、互为备用，用于冷却内燃机中冷器循环水。

进一步地，高温水源热泵***包括内燃机中冷器冷却水循环、高温水源热泵机组内部循环、用户侧供水循环，内燃机中冷器冷却水循环用于冷却内燃机中冷器循环水，高温水源热泵机组内部循环用于将内燃机中冷器循环水热量传递至用户侧循环水，用户侧供水循环用于向用户侧提供高温热水。

进一步地，内燃机中冷器冷却水循环包括高温水源热泵机组、第一循环水泵，其工作过程为：将内燃机中冷器循环水的出水作为高温水源热泵机组的热源侧，引入到高温水源热泵机组的冷凝器，冷凝器从热源侧循环水吸热，将循环水温降至内燃机中冷器进水温度，然后通过第一循环水泵将循环水送回至内燃机中冷器内，进行内燃机的吸热和再次循环。

进一步地，高温水源热泵机组内部循环包括高温水源热泵机组内的冷凝器、压缩机、蒸发器、节流阀，其工作过程为：高温水源热泵内的工质在冷凝器内吸热后变为低压高温蒸汽，经压缩机压缩后，变为高温高压蒸汽，在蒸发器内被用户侧循环水吸收，降为高压低温液体，然后通过节流阀节流后，工质变为低温低压蒸汽，重新进入冷凝器与热源侧循环水换热。

进一步地，用户侧供水循环包括高温水源热泵机组、换热器、第二循环水泵，其工作过程为：用户侧的循环水***经高温水源热泵机组的蒸发器加热后，水温升高变为高温热水，在换热器中供用户侧使用和冷凝后，再通过第二循环水泵重新送回到高温水源热泵机组进行循环换热。

进一步地，用户侧供水循环中的换热器为水-水换热器，其类型可以是板式换热器、管壳式换热器或管式换热器的一种。

进一步地，向用户侧提供的高温热水的温度高于80℃，高温水源热泵***的制热效率高于4.0。

一种使用上述内燃机中冷器循环水余热回收装置进行余热回收的方法，具体为：正常情况下，高温水源热泵机组从内燃机中冷器循环水中提取热能，经高温水源热泵机组内部循环后，制取较高温度的热水向用户供热；当高温水源热泵机组出现故障或者用户无更多用热需求时，高温水源热泵机组停止运行，此时冷却塔***工作，对内燃机中冷器的循环水进行冷却散热。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下有益的技术效果：

1、提高能源利用效率

原内燃机中冷器水循环冷却***中，中冷器水***的低品质余热无法利用，被浪费掉，同时还需要运行冷却塔进行散热，消耗一定的电能。本发明中，通过高温水源热泵***，将中冷器水低温余热完全利用，并可向用户提供80℃以上的高温热水，不仅实现了内燃机余热回收，而且水的品质显著提高。通过实施本申请中的技术方案，可将分布式能源效率提高10％左右。

2、提升节能效果

高温水源热泵工作时，消耗一定的电能，但其制热效率达到4.0以上，即每消耗1kW的电，可制取4kW的热量。传统加热方式(如锅炉加热或者电加热)很难达到这样的制热效率。

3、节省工程造价

传统的电加热，配置大功率的变压器以及高昂的电力增容费，直接导致昂贵的工程造价。对于锅炉加热***，锅炉和分体空调造价较高，同时寿命有限。而在本发明中，1kW的水源热泵机组的费用仅1000元，而1kW制热能力的燃气锅炉价格约1500元，显然水源热泵的价格更加有优势。

4、提高***安全可靠性

相对传统的燃气锅炉加热***，本发明中的设备所需能源为电力，无需燃气，不存在***等问题，安全可靠性高。

本发明中的技术方案，可利用45℃的内燃机中冷器循环水获得80℃以上的高温热水，热水的品质大幅提高。夏季，生产的热水可作为用户的生产热水使用，也可以作为吸收式溴化锂的热源利用溴化锂机组制冷。冬季，可以向用户供应生产所需的热水或者向用户供能。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的较佳实施例的内燃机中冷器循环水余热回收装置的技术原理图。

其中，1-内燃机，2-中冷器，3-第一循环水泵，4-冷却塔，5-蒸发器，6-冷凝器，7-高温水源热泵机组，8-第二循环水泵，9-换热器，10-用户侧回水，11-用户侧供水。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

本发明的较佳实施例中的一种内燃机中冷器循环水余热回收装置，包括与内燃机中冷器连接的冷却塔***和高温水源热泵***，冷却塔***和高温水源热泵***并联运行、互为备用，用于冷却内燃机中冷器循环水。

如图1所示，在内燃机1的中冷器2循环水冷却***中，除常规配置的冷却塔4外，再配置一台高温水源热泵机组7。正常情况下，利用高温水源热泵机组7对中冷器2的循环水余热进行回收，而冷却塔4作为备用冷却器使用。

内燃机1工作时，将内燃机1的中冷器2循环水***的45℃出水作为高温水源热泵机组7的热源侧，引入到高温水源热泵机组7的冷凝器6。冷凝器6从热源侧循环水吸热，将循环水温降至中冷器2的进水温度条件(约40℃)，然后循环水通过第一循环水泵3返回至内燃机1的中冷器2内，进行内燃机1的吸热和再次循环。

高温水源热泵机组7内的工质在冷凝器6内吸热后变为低压高温蒸汽，经压缩机压缩后，变为高温高压蒸汽，在蒸发器5内被用户侧循环水吸收，降为高压低温液体，然后通过节流阀节流后，工质变为低温低压蒸汽，重新进入冷凝器6与热源侧循环水换热。

用户侧的循环水***经高温水源热泵机组7的蒸发器5加热后，水温升高变为高温热水，在水-水换热器9中供用户侧使用和冷凝后，再通过第二循环水泵8重新送回到高温水源热泵机组7进行循环换热。用户侧供水11提供80℃以上的高品质热水供用户使用后，用户侧回水10返回至水-水换热器9进入下一次循环。

本实施例中，冷却塔4和高温水源热泵机组7并联运行，两套设备互为备用，提高了内燃机中冷器循环水***散热的可靠性。另外本发明中，无论分布式能源技术还是高温水源热泵技术，都是先进的成熟的节能技术，本发明中将两种节能技术进行集成，实现了节能技术的综合利用，提高了整体的能源利用供效率。

对于以建筑供能为主的天然气分布式能源项目，在夏季一般利用内燃机烟气余热通过溴化锂机组制冷，在冬季直接给建筑供热。如果对内燃机的中冷器余热回收，并产生高品位的热水，无论给溴化锂机组用于制冷还是直接供热，都具有现实意义。对于工业领域的分布式能源项目，主要用内燃机的余热制取热水满足工艺生产用热。本发明中产生的高品位热水也基本能满足常规的工业用户用热温度需求。因此，本发明中提到的内燃机中冷器余热利用方法在以内燃机为原动机的天然气分布式能源项目中有广泛的使用前景。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种内燃机中冷器循环水余热回收装置，其特征在于，包括与内燃机中冷器连接的冷却塔***和高温水源热泵***，所述冷却塔***和高温水源热泵***并联运行、互为备用，用于冷却内燃机中冷器循环水；所述高温水源热泵***包括内燃机中冷器冷却水循环、高温水源热泵机组内部循环、用户侧供水循环，所述内燃机中冷器冷却水循环用于冷却内燃机中冷器循环水，所述高温水源热泵机组内部循环用于将内燃机中冷器循环水热量传递至用户侧循环水，所述用户侧供水循环用于向用户侧提供高温热水；所述高温水源热泵***的制热效率高于4.0。

2.如权利要求1所述的内燃机中冷器循环水余热回收装置，其特征在于，所述内燃机中冷器冷却水循环包括高温水源热泵机组、第一循环水泵，其工作过程为：将内燃机中冷器循环水的出水作为所述高温水源热泵机组的热源侧，引入到所述高温水源热泵机组的冷凝器，所述冷凝器从热源侧循环水吸热，将循环水温降至内燃机中冷器进水温度，然后通过所述第一循环水泵将循环水送回至内燃机中冷器内，进行内燃机的吸热和再次循环。

3.如权利要求2所述的内燃机中冷器循环水余热回收装置，其特征在于，所述高温水源热泵机组内部循环包括所述高温水源热泵机组内的冷凝器、压缩机、蒸发器、节流阀，其工作过程为：所述高温水源热泵内的工质在所述冷凝器内吸热后变为低压高温蒸汽，经所述压缩机压缩后，变为高温高压蒸汽，在所述蒸发器内被用户侧循环水吸收，降为高压低温液体，然后通过所述节流阀节流后，工质变为低温低压蒸汽，重新进入所述冷凝器与热源侧循环水换热。

4.如权利要求3所述的内燃机中冷器循环水余热回收装置，其特征在于，所述用户侧供水循环包括高温水源热泵机组、换热器、第二循环水泵，其工作过程为：用户侧的循环水***经所述高温水源热泵机组的蒸发器加热后，水温升高变为高温热水，在所述换热器中供用户侧使用和冷凝后，再通过所述第二循环水泵重新送回到所述高温水源热泵机组进行循环换热。

5.如权利要求4所述的内燃机中冷器循环水余热回收装置，其特征在于，所述用户侧供水循环中的换热器为水-水换热器，其类型可以是板式换热器、管壳式换热器或管式换热器的一种。

6.如权利要求1-5任一项所述的内燃机中冷器循环水余热回收装置，其特征在于，向用户侧提供的所述高温热水的温度高于80℃。

7.一种使用权利要求6所述的内燃机中冷器循环水余热回收装置进行余热回收的方法，其特征在于，正常情况下，所述高温水源热泵机组从内燃机中冷器循环水中提取热能，经所述高温水源热泵机组内部循环后，制取较高温度的热水向用户供热；当所述高温水源热泵机组出现故障或者用户无更多用热需求时，所述高温水源热泵机组停止运行，此时所述冷却塔***工作，对内燃机中冷器的循环水进行冷却散热。