专利名称：超临界有机朗肯双循环废热回收系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超临界有机朗肯双循环废热回收系统，属于一般热交换领
域(F28)。
背景技术：
汽车的节能与环保问题是目前汽车技术研发所面临的主要问题。由于发动 机只能将一小部分的燃油能量转变为机械能，其它的燃油能量则通过冷却系统、 润滑系统以及排气耗散到大气中，因此通过合理利用发动机余热可以提高其燃 油经济性。
目前针对汽车余热回收的利用方法各有其局限性，利用途径主要有涡轮 增压技术、余热空调、利用废气能量温差发电等。但是，增压技术只能利用排 气的部分能量，涡轮出口的排气仍具有较高温度，具有再次利用价值；余热空 调技术没有功的输出，且能量利用率低；温差发电则受限于材料等技术的发展， 热电转换效率低。
目前工业锅炉上及船舶、楼宇用重型柴油机上采用的朗肯循环废热回收系 统不能用于车用发动机的废热回收上。这是因为上述类型废热回收系统要求其 废热源能量相对稳定、工况变化小，且通常情况下系统的体积较大，而车用发 动机其运行工况多变、且要求系统体积和重量较小，因此普通朗肯循环废热回 收系统不能满足车用发动机的废热回收要求。
本系统正是针对这种技术需要而开发的
发明内容
本发明的目的在于，提供一种超临界有机朗肯双循环废热回收系统，以适 应车用发动机废热能量水平不高、运行工况多变的情况，达到提高车用发动机 燃油经济性、节约能源的效果。
为了实现上述目标，本发明采取了如下的技术解决方案
采用干式或等熵有机流体作为工作流体，该类流体的临界温度、压力较低， 导热性好，在热交换单元中的蒸汽压力适中，热稳定性好，特别适合车用发动 机上的中、低等能量水平废热回收的要求。针对车用发动机的运行工况多变， 发动机余热的数量与品质变化范围大，朗肯循环工作条件的范围很广等问题， 采用朗肯双循环提高回收系统的适用性，即系统中包括中温循环和低温循环， 中温循环主要用来回收柴油机排气余热，低温循环主要用来回收冷却水热量和 部分低品质柴油机排气余热，每个循环中都包括蒸发器、过热器、膨胀器、冷 凝器和压縮泵，加装过热器可以将工作流体加热至过热状态，从而防止流体在 膨胀做功时冷凝。中温、低温循环的膨胀器采用往复式活塞，更加适应车用发 动机工况要求，可以更好的利用发动机余热，提高了循环效率，也降低了系统 成本。
本发明的一种超临界有机朗肯双循环废热回收系统，包括压气机，中冷 器，发动机气缸，涡轮，中温过热器，中温膨胀器，中温冷凝器，中温压縮泵， 中温蒸汽发生器，低温过热器，低温膨胀器，低温冷凝器，低温压縮泵，低温 蒸汽发生器，涡轮轴，中温膨胀器曲轴，中温输出功装置，低温膨胀器曲轴， 低温输出功装置，排气分流阀，低温分流阀，中温冷凝器风扇以及连接管路。
上述有机朗肯双循环废热回收系统内各部件的连接关系是
压气机、中冷器、发动机气缸与涡轮依次相连组成发动机进、排气系统； 中温蒸汽发生器、中温过热器、中温膨胀器、中温冷凝器、中温压縮泵依次相连形成回路，组成中温朗肯循环，其中中温冷凝器连接中温冷凝器风扇，且中
温膨胀器通过中温膨胀器曲轴连接中温输出功装置；低温过热器、低温膨胀器、 低温冷凝器、低温压縮泵依次相连，低温压縮泵的出口连接低温分流阀入口， 低温分流阀出口的一端连接低温蒸汽发生器入口，其另一端连接低中温冷凝器 入口 ，低温蒸汽发生器出口与中温冷凝器出口由管路汇合后连接低温过热器入 口，组成低温朗肯循环，且低温膨胀器通过低温膨胀器曲轴连接低温输出功装 置；中温过热器中排气通过的管路出口连接一个三通管路的入口，三通管路的 出口一端连接中温蒸汽发生器，另一端连接排气分流阀，排气分流阀的出口连 接低温过热器。
本发明的超临界有机朗肯双循环废热回收系统与传统朗肯循环废热回收系 统相比带来的技术效果是-
1. 本发明的超临界有机朗肯双循环系统更为适应运行工况不定、能量状态多变 的公路用汽车，不同于以往的船用或者固定式发动机的朗肯循环系统。
2. 采用有机工作流体作为工作流体可以使朗肯循环对中、低温废热能量的吸收 效率更高，不同于以往的传统朗肯循环采用水作为工作流体，要求废热能量 品质较高；
3. 通过过热器将工作流体加热至过热状态可以防止流体在膨胀做功时冷凝；
4. 采用往复式活塞作为能量输出装置，更加适应车用发动机工况要求，更好的 利用发动机余热，提高了循环效率，也降低了系统成本。
5. 采用中温、低温双循环系统，更大限度的利用了发动机余热，使发动机的有 能余热尽量转换为机械能，提高了发动机整体的燃油经济性，并且对发动机 工况的适应性增强。6.车用发动机排气经过热器、蒸汽发生器放热后温度得到降低，有利于环保。
附图1是本发明的有机朗肯双循环废热回收系统总体结构示意图。
附图2为发动机中、高转速及负荷时，中温朗肯循环工作流体流动图。 附图3为发动机中、高转速及负荷时，低温朗肯循环工作流体流动图。 附图4为发动机低转速及负荷时，中温朗肯循环工作流体流动图。 其中l-压气机，2-中冷器，3-发动机气缸，4-涡轮，5-中温过热器，6-中 温膨胀器，7-中温冷凝器，8-中温压縮泵，9-中温蒸汽发生器，10-低温过热器， 11-低温膨胀器，12-低温冷凝器，13-低温压縮泵，14-低温蒸汽发生器，15-涡 轮轴，16-中温膨胀器曲轴，17-中温输出功装置，18-低温膨胀器曲轴，19-低 温输出功装置，20-排气分流阀，21-低温分流阀，22-中温冷凝器风扇。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明的有机朗肯双循环废热回收系统，包括压气机l，中冷器2，发动
机气缸3，涡轮4，中温过热器5，中温膨胀器6，中温冷凝器7，中温压縮泵8， 中温蒸汽发生器9，低温过热器IO，低温膨胀器ll，低温冷凝器12，低温压縮 泵13，低温蒸汽发生器14，涡轮轴15，中温膨胀器曲轴16,中温输出功装置 17，低温膨胀器曲轴18，低温输出功装置19，排气分流阀20，低温分流阀21， 中温冷凝器风扇22，以及连接管路。
上述超临界有机朗肯双循环废热回收系统内各部件的连接关系是 压气机l、中冷器2、发动机气缸3与涡轮4依次相连组成发动机进、排气 系统；中温蒸汽发生器9、中温过热器5、中温膨胀器6、中温冷凝器7、中温压缩泵8依次相连形成回路，组成中温朗肯循环，其中中温冷凝器7连接中温 冷凝器风扇22，且中温膨胀器6通过中温膨胀器曲轴16连接中温输出功装置 17;低温过热器IO、低温膨胀器ll、低温冷凝器12、低温压縮泵13依次相连， 低温压縮泵13的出口连接低温分流阀21入口，低温分流阀21出口的一端连接 低温蒸汽发生器14入口，其另一端连接低中温冷凝器7入口，低温蒸汽发生器 14出口与中温冷凝器7出口由管路汇合后连接低温过热器10入口 ，组成低温朗 肯循环，且低温膨胀器11通过低温膨胀器曲轴18连接低温输出功装置19;中 温过热器5中排气通过的管路出口连接一个三通管路的入口，三通管路的出口 一端连接中温蒸汽发生器9，另一端连接排气分流阀20，排气分流阀20的出口 连接低温过热器10。
上述超临界有机朗肯双循环废热回收系统的工作过程是
当发动机工作在中高转速、中高负荷时，系统运行超临界有机朗肯双循环， 其工作过程为-
空气首先经过压气机1压縮后在中冷器2中冷却，随后进入发动机气缸3 中与燃油混合并燃烧膨胀做功，做功后的排气随后进入涡轮4中通过涡轮轴15 对压气机1做功；经涡轮4排出的气体首先通过中温过热器5对中温循环工作 流体进行加热并使其达到过热状态，随后排气经三通管路分流，部分排气通过 中温蒸汽发生器9然后排入大气，另外部分排气经过排气分流阀20然后通过低 温过热器10后进入大气，其中进入中温蒸汽发生器9和低温过热器10的各部 分排气的多少，可以根据发动机的转速和负荷状况，通过控制排气分流阀20的 阀门开度进行调节，如在最高转速、最高负荷时，通过中温蒸汽发生器9的排 气量约为总排气量的3/4,通过排气分流阀及低温过热器10的排气量约为总排 气量的1/4 (如图l所示);液态的中温循环工作流体在中温压縮泵8中加压，然后液态、高压的中温 循环工作流体在中温蒸汽发生器9中被经过三通管路的排气加热蒸发，然后通 过中温过热器5被通过涡轮4后的排气加热到过热状态，随后在中温膨胀器6 中膨胀做功，做功后的乏气在中温冷凝器7中冷凝为液体，再经中温压縮泵8 加压后流回中温蒸汽发生器9，中温循环膨胀器6通过中温膨胀器曲轴16向外 输出机械功，且中温冷凝器7主要通过向低温循环工作流体散热进行冷却(如 图2所示)；
液态的低温循环工作流体在低温压縮泵13中加压，随后液态、高压的低温 工作流体经过低温分流阀21分流，部分低温循环工作流体通过以发动机冷却水 为热源的低温蒸汽发生器14并在其中受热蒸发，另外部分则通过中温冷凝器7 吸收中温循环工作流体冷凝时所放热量达到蒸发状态，其中分流到低温蒸汽发 生器14和中温冷凝器7的各部分低温循环工作流体的多少，可以根据发动机的 转速和负荷状况，通过调节低温分流阀21的阀门开度进行控制，如在最高转速、 最高负荷时，分流到低温蒸汽发生器14的低温循环工作流体约为总流量的3/4， 分流到中温冷凝器7的低温循环工作流体约为总流量的1/4，通过低温蒸汽发生 器14和中温冷凝器7后的低温循环工作流体由管路汇合后共同进入低温过热器 10中被经过排气分流阀20的部分排气加热至过热状态，然后通过低温膨胀器 11做功，并在低温冷凝器12中冷凝，冷凝后的工作流体重新回到低温压缩泵 13。低温循环膨胀器11通过低温膨胀器曲轴18向外输出机械功(如图3所示)。
当发动机工作在低转速、低负荷时，系统只运行超临界有机朗肯中温循环， 其工作过程为-
空气首先经过压气机1压縮后在中冷器2中冷却，随后进入发动机气缸3 中与燃油混合并燃烧膨胀做功，做功后的排气随后进入涡轮4中通过涡轮轴15对压气机1做功；经涡轮4排出的气体首先通过中温过热器5对中温循环工作 流体进行加热并使其达到过热状态，此时由于排气分流阔20关闭，排气全部通 过中温蒸汽发生器9然后排入大气(如图4所示)；
液态的中温循环工作流体在中温压縮泵8中加压，然后液态、高压的中温 循环工作流体在中温蒸汽发生器9中被全部排气加热蒸发，然后通过中温过热 器5被排气加热到过热状态，随后在中温膨胀器6中膨胀做功，做功后的乏气 在中温冷凝器7中冷凝为液体，再经中温压縮泵8加压后流回中温蒸汽发生器9， 中温循环膨胀器6通过中温膨胀器曲轴16向外输出机械功，且中温冷凝器7通 过中温冷凝器风扇22进行冷却。(如图4所示)。
权利要求
1、一种超临界有机朗肯双循环废热回收系统，包括压气机(1)，中冷器(2)，发动机气缸(3)，涡轮(4)，中温过热器(5)，中温膨胀器(6)，中温冷凝器(7)，中温压缩泵(8)，中温蒸汽发生器(9)，低温过热器(10)，低温膨胀器(11)，低温冷凝器(12)，低温压缩泵(13)，低温蒸汽发生器(14)，涡轮轴(15)，中温膨胀器曲轴(16)，中温输出功装置(17)，低温膨胀器曲轴(18)，低温输出功装置(19)，排气分流阀(20)，低温分流阀(21)，中温冷凝器风扇(22)以及连接管路；其特征在于系统内各部件的连接关系是压气机(1)、中冷器(2)、发动机气缸(3)与涡轮(4)依次相连组成发动机进、排气系统；中温蒸汽发生器(9)、中温过热器(5)、中温膨胀器(6)、中温冷凝器(7)与中温压缩泵(8)依次相连形成回路，其中，中温冷凝器(7)连接中温冷凝器风扇(22)，且中温膨胀器(6)通过中温膨胀器曲轴(16)连接中温输出功装置(17)；低温过热器(10)、低温膨胀器(11)、低温冷凝器(12)、低温压缩泵(13)依次相连，低温压缩泵(13)的出口连接低温分流阀(21)入口，低温分流阀(21)出口的一端连接低温蒸汽发生器(14)入口，其另一端连接中温冷凝器(7)入口，低温蒸汽发生器(14)出口与中温冷凝器(7)出口由管路汇合后连接低温过热器(10)入口，且低温膨胀器(11)通过低温膨胀器曲轴(18)连接低温输出功装置(19)；中温过热器(5)中排气通过的管路出口连接一个三通管路的入口，三通管路的出口一端连接中温蒸汽发生器(9)，另一端连接排气分流阀(20)，排气分流阀(20)的出口连接低温过热器(10)。
2、 根据权利要求1所述的一种超临界有机朗肯双循环废热回收系统，其特 征在于当发动机工作在中高转速、中高负荷时，系统运行超临界有机朗肯双 循环的工作过程为-空气首先经过压气机(1)压縮后在中冷器(2)中冷却，随后进入发动机气缸 (3)中与燃油混合并燃烧膨胀做功，做功后的排气随后进入涡轮(4)中通过涡轮 轴(15)对压气机(1)做功；经涡轮(4)排出的气体首先通过中温过热器(5)对中温循环工作流体进行加热并使其达到过热状态，随后排气经三通管路分流，部分 排气通过中温蒸汽发生器(9)然后排入大气，另外部分排气经过排气分流阀(20) 然后通过低温过热器(10)后进入大气；液态的中温循环工作流体在中温压縮泵(8)中加压，然后液态、高压的中温循环工作流体在中温蒸汽发生器(9)中被经过三通管路的排气加热蒸发，然后通 过中温过热器(5)被通过涡轮(4)后的排气加热到过热状态，随后在中温膨胀 器(6)中膨胀做功，做功后的乏气在中温冷凝器(7)中冷凝为液体，再经中 温压縮泵(8)加压后流回中温蒸汽发生器(9)，中温循环膨胀器(6)通过中 温膨胀器曲轴(16)向外输出机械功，且中温冷凝器(7)通过向低温循环工作 流体散热进行冷却；液态的低温循环工作流体在低温压縮泵(13)中加压，随后液态、高压的 低温循环工作流体经过低温分流阀(21)分流，部分低温循环工作流体通过以 发动机冷却水为热源的低温蒸汽发生器(14)并在其中受热蒸发，另外部分则 通过中温冷凝器(7)吸收中温循环工作流体冷凝时所放热量达到蒸发状态，随 后，蒸发后的低温循环工作流体由管路汇合共同进入低温过热器(10)中被经 过排气分流阀(20)的部分排气加热至过热状态，然后通过低温膨胀器(ll)做 功，并在低温冷凝器(12)中冷凝，冷凝后的工作流体重新回到低温压缩泵(13); 低温循环膨胀器(11)通过低温膨胀器曲轴(18)向外输出机械功；当发动机工作在低转速、低负荷时，系统运行超临界有机朗肯中温循环的 工作过程为空气首先经过压气机(1)压縮后在中冷器(2)中冷却，随后进入发动机气缸 (3)中与燃油混合并燃烧膨胀做功，做功后的排气随后进入涡轮(4)中通过涡轮 轴(15)对压气机(1)做功；经涡轮(4)排出的气体首先通过中温过热器(5) 对中温循环工作流体进行加热并使其达到过热状态，此时由于排气分流阀(20) 关闭，排气全部通过中温蒸汽发生器(9)然后排入大气；液态的中温循环工作流体在中温压缩泵(8)中加压，然后液态、高压的中 温循环工作流体在中温蒸汽发生器(9)中被全部排气加热蒸发，然后通过中温 过热器(5)被排气加热到过热状态，随后在中温膨胀器(6)中膨胀做功，做 功后的乏气在中温冷凝器(7)中冷凝为液体，再经中温压縮泵(8)加压后流 回中温蒸汽发生器(9)，中温循环膨胀器(6)通过中温膨胀器曲轴(16)向外 输出机械功，且中温冷凝器(7)通过中温冷凝器风扇(22)进行冷却。
3、根据权利要求(2)所述的一种超临界有机朗肯双循环废热回收系统的工 作过程，其特征在于根据发动机的转速和负荷状况，通过调节排气分流阀(20)、低温分流阀(21)、或同时调节排气分流阀(20)和低温分流阀(21)的阀门开 度进行控制。
全文摘要
本发明涉及一种超临界有机朗肯双循环废热回收系统，属于一般热交换领域；主要包括中温过热器、中温膨胀器、中温冷凝器、中温压缩泵、中温蒸汽发生器、中温膨胀器曲轴、中温输出功装置、低温过热器、低温膨胀器、低温冷凝器、低温压缩泵、低温蒸汽发生器、低温膨胀器曲轴、低温输出功装置、排气分流阀、低温分流阀等；连接关系是中温蒸汽发生器、中温过热器、中温膨胀器、中温冷凝器与中温压缩泵依次相连形成回路，组成中温朗肯循环；低温过热器、低温膨胀器、低温冷凝器、低温压缩泵、低温分流阀、低温蒸汽发生器依次相连形成回路，组成低温朗肯循环，本发明更为适应运行工况不定、能量状态多变的公路用汽车发动机上的废热回收。
文档编号F01K23/10GK101413407SQ20081017932
公开日2009年4月22日 申请日期2008年11月28日 优先权日2008年11月28日
发明者方金莉, 马朝臣, 魏名山 申请人:北京理工大学