超临界蓄热式有机朗肯循环尾气余热综合利用装置的制造方法_2

文档序号:8393473阅读:来源:国知局
需求计算设定超临界态蓄热温度、压力(超临界点温度工质不液化,超临界压力提升工质蓄能密度);当尾气温度低于临界温度时降低ORC系统吸热量,充分保证超临界蓄热器21的热量;当尾气温度高于临界温度后再引入少量工质,如此循环直至温度、压力均达到设定的状态;2)再蓄热:当超临界蓄热器21定容放热后内部温度、压力会明显低于设定状态,此时限制ORC系统做功能力、优先保证超临界蓄热器21加热直至达到设定状态;3)、定量动态蓄热/部分超临界循环稳定系统能量品质:当超临界蓄热器21处于设定状态时为避免亚临界ORC系统蒸发器过高换热损失,在合理强化过热蒸发器24吸热量前提下超临界蓄热器21作吸热器使用;部分超临界工质、与二次过热器做功工质一起进入膨胀机,实现部分超临界循环,以提升能量品质;相应的通过冷工质补给量控制保证蓄热器蓄热量及状态稳定。
[0013]二、放热过程/后处理入口温度控制:当发动机实时排气温度低于蓄热设定温度范围时停止ORC系统工作,超临界蓄热器21内工质以超临界态定容放热过程自发反向传热至尾气。当蓄热工质温度降至临界点温度以下时工质会达到特定饱和状态并出现饱和放热过程,此时工质会有大量的汽化潜热放出,实现后处理器15入口温度长效稳定控制,从而将后处理入口温度控制在高效窗口内。
[0014]工作阶段:发动机26的排气经过过热蒸发器24、超临界蓄热器21、后处理器15和预热器14排到环境中。工质储存罐4中的冷工质在工质泵5的作用下经过三通接头I 6分别进入工质喷射电磁阀I 7和预热器14所在的管路,其中冷工质流进预热器14后吸收排气热量升温。
[0015]当尾气实时余热能量不能满足后处理器15的热量需求和超临界蓄热器21的设定蓄热需求时,本装置进入初始蓄热状态,此时电控单元33关闭电磁阀II 22、电磁阀III 30和电磁阀IV 31,打开流量控制阀17 ;工质经预热器14加热后通过三通接头II 16、流量控制阀17进入超临界蓄热器21,但由于此时排气能量较低,超临界蓄热器21中工质积蓄的热量不足以稳定后处理器15的入口温度,超临界蓄热器21经历初始蓄热-放热-再蓄热-放热的过程。
[0016]当尾气实时余热能量能满足后处理器15的热量需求和超临界蓄热器21的设定蓄热需求时,本装置进入超临界定量蓄热和亚临界ORC状态,此时电控单元33关闭电磁阀III 30,打开电磁阀II 22、电磁阀IV 31和流量控制阀17 ;工质经预热器14加热后,一部分工质通过三通接头II 16、流量控制阀17进入超临界蓄热器21,由于此时排气温度较高,超临界蓄热器21中工质经历超临界加热升温过程,此时利用工质积蓄的热量来稳定后处理器15的入口温度;另一部分工质经电磁阀II 22进入过热蒸发器24中继续吸热升温成为过热工质,工质再经电磁阀IV 31、三通接头III 32进入工质喷射电磁阀II 34所在的管道,控制单元33控制工质喷射电磁阀II 34的开启时刻和持续时间,使适量过热工质通过工质喷嘴II 10喷入膨胀机11,喷入膨胀机11的过热工质充分膨胀,控制单元33控制工质喷射电磁阀I 7的开启时刻和持续时间,冷工质通过工质喷嘴I 8喷入膨胀机11,使膨胀机11内温度降低,热工质大量液化,膨胀机11内压力下降,实现汽化潜热充分利用;控制单元33控制电磁阀I 9的开启时刻和持续时间,从而顺利将工质排出,气态和液态共存的工质直到进入冷凝器3中才得到完全液化,完全液化后的低温工质进入工质储存罐4中,至此工质经历一个循环。
[0017]当尾气实时余热能量不但能满足后处理器15的热量需求和超临界蓄热器21的设定蓄热需求而且能满足高效亚临界ORC时,本装置进入超临界动态蓄热、亚临界和超临界ORC状态,此时电控单元33打开电磁阀II 22、电磁阀III 30、电磁阀IV 31和流量控制阀17 ;工质流经预热器14加热后,一部分工质通过三通接头II 16、流量控制阀17进入超临界蓄热器21,由于此时排气温度很高,超临界蓄热器21中工质经历超临界加热升温过程,此时利用工质积蓄的热量已经足以稳定后处理器15的入口温度而且还有较大盈余,超临界蓄热器21中的过量热工质通过电磁阀III30、三通接头III32进入工质喷射电磁阀II 34所在的管道;另一部分工质经电磁阀II 22进入过热蒸发器24中继续吸热升温成为过热工质,工质再经电磁阀IV 31、三通接头III 32进入工质喷射电磁阀II 34所在的管道;此时工质喷射电磁阀II 34所在的管道中的过热工质由两部分组成,一部分是流经过热蒸发器24的工质、另一部分是流经超临界蓄热器21的工质;控制单元33控制工质喷射电磁阀II 34的开启时刻和持续时间,使适量过热工质通过工质喷嘴II 10喷入膨胀机11,喷入膨胀机11的过热工质充分膨胀,控制单元33控制工质喷射电磁阀I 7的开启时刻和持续时间,冷工质通过工质喷嘴I 8喷入膨胀机11,使膨胀机11内温度降低,热工质大量液化,膨胀机11内压力下降,实现汽化潜热充分利用;控制单元33控制电磁阀I 9的开启时刻和持续时间,从而顺利将工质排出,气态和液态共存的工质直到进入冷凝器3中才得到完全液化,完全液化后的低温工质进入工质储存罐4中,至此工质经历一个循环。
[0018]控制单元33控制工质喷射电磁阀II 34的开启时刻和持续时间,使通过工质喷嘴
II10的适量过热工质喷入膨胀机11,喷入膨胀机11的过热工质充分膨胀,控制单元33控制工质喷射电磁阀I 7的开启时刻和持续时间,冷工质通过工质喷嘴I 8喷入膨胀机11,使膨胀机11内温度降低,热工质大量液化,膨胀机11内压力下降,实现汽化潜热充分利用;在传统的有机朗肯循环中,工质都是在冷凝器中完成液化过程的,这样就损失了工质的汽化潜热,限制了有机朗肯循环热功转换效率的提升,而在本发明中热工质的液化过程分为两个阶段,第一阶段是在膨胀机11中完成的,此时喷入膨胀机11的过热工质充分膨胀,控制单元33控制工质喷射电磁阀I 7的开启时刻和持续时间,冷工质通过工质喷嘴I 8喷入膨胀机11,使膨胀机11内温度降低,热工质大量液化,但此时尚有一部分工质为气态未得到液化;控制单元33控制电磁阀I 9的开启时刻和持续时间,顺利将气态和液态的工质排出,工质进入冷凝器3完成第二阶段的液化过程,至此工质得到完全液化降温;本发明的两阶段液化过程使热工质的汽化潜热得到了利用,这样就达到提高有机朗肯循环的热功转换效率和节约能源的有益效果。
[0019]亚临界有机朗肯循的关键科学问题是蒸发器内热源流体与有机工质的换热过程温度匹配。亚临界循环中由于工质存在等温蒸发,因此在蒸发器内与热源流体温度匹配较差。而超临界循环中工质吸热过程无两相区,能够显著改善冷热流体的温度匹配情况,进而降低蒸发器内火用损失。与水相比,有机工质的临界压力及临界温度均较低,因此超临界有机朗肯循环并不难实现。可在很多低温余热加热条件下,利用工质在超临界压力下的变温相变特性,在加热器中工质气液相转变时没有两相区出现,不存在亚临界压力下的定温蒸发阶段。在超临界有机朗肯循环中工质在超临界压力下,从过冷液体开始吸热,温度不断升高,直到大于临界温度下的状态,这种不断吸热的变温过程能够很好地与余热源相匹配,减少加热过程中由于冷热流体传热温差的不均衡性而引发的额外不可逆熵增,所以能获得较高的动力循环火用效率。
[0020]本发明的核心创新点:利用超临界有机工质高比焓、强换热和高体积密度的特点实现尾气余热的大比例积蓄和释放,从而缓冲热源瞬变性改善ORC系统能量品位并为后处理器入口温度调控提供热源。蓄热过程中采用可控超临界态(根据尾气余热均值设定蓄热临压力)、设定压力下临界点温度反馈控制策略(根据工质热物性确定该压力下的超临界温度,控制
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