复合式柴油机余热能回收系统的制作方法
【专利摘要】复合式柴油机余热能回收系统。本发明公开了一种柴油机多品位余热能梯级回收系统，其组成结构是：分别由高温与低温两个系统的工质泵、温差发电器、EGR换热器、排气换热器、缸体冷却水换热器、增压空气换热器、汽轮机、以及冷凝器等组成两级朗肯循环系统。在涡轮机与增压器的中间设有中置电机。利用冷却水、增压空气、排气、EGR再循环废气等余热，通过两级有机朗肯循环、温差发电、涡轮直接发电等，使柴油机产生的各个余热按能品位的高低依次与工质换热。中置电机的设置可增加排气的膨胀比、直接回收排气余压能。本发明可以实现内燃机多品位余热能的充分回收利用，减小了系统不可逆损失，有效提高了燃油经济性，从而实现节能减排的目的。
【专利说明】复合式柴油机余热能回收系统
【技术领域】
[0001]本发明属于内燃机节能减排技术，具体涉及一种对柴油机多项余热进行回收热利用的系统。
【背景技术】
[0002]随着能源日益短缺和环境污染问题的突出，内燃机的节能减排受到世人关注。目前柴油机燃料燃烧所释放的能量大约只有30-45%用于动力输出，其它的能量大多以废热的形式排到外界环境中，既造成了能量的浪费又增大了柴油机中冷却系统的负担。对这部分能量的回收，可有效提高系统的热效率，减少热排放而减少污染。但是发动机产生的余热呈多样性，品位高低各有不同，例如冷却水一般为70?90°C，而再循环废气可达500?600。。。
[0003]对发动机的余热回收技术，目前主要有以下三种:温差发电、涡轮直接发电和有机朗肯循环，它们各有其优缺点。温差发电不需运动部件，安全可靠，布置灵活，对环境友好。但其转化效率低，难以满足要求。涡轮直接发电技术主要包括两种形式:一种是在排气管路后直接添加动力涡轮，与原涡轮增压器串联工作；另一种是在原废气涡轮增压器中间加入电机，当排气能量超过增压所需能量时利用电机回收能量。这两种形式利用的都是排气余压能，而对排气中的热能未加以利用。有机朗肯循环对于低品位热源具有热效率高较高的特点，但单级朗肯循环对于发动机冷却水、再循环废气以及排气余热的利用并不充分。而且有机工质在较高温度下容易分解(一般不能高于350°C)，这也限制了其应用范围。所以，采用单一的技术手段难以有效充分利用柴油机不同品位的余热，本发明的提出可以弥补上述之缺陷，使发动机的节能减排的效果更为理想。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是，充分利用柴油机冷却水、增压空气、废气再循环(EGR)以及排气余热，而提出的一种复合式柴油机余热能回收系统。
[0005]为实现此目的而采取的技术方案是:由高温级工质泵、温差发电器的冷端、高温级EGR换热器的工质侧、高温级排气换热器的工质侧、高温级汽轮机以及高温级冷凝器的高温工质侧依次串接组成高温级朗肯循环系统；由低温级工质泵、缸体冷却换热器的工质侧、高温级冷凝器的低温工质侧、增压空气换热器的工质侧、低温级EGR换热器的工质侧、低温级排气换热器的工质侧、低温级汽轮机以及低温级冷凝器的工质侧依次串接组成低温级朗肯循环系统。在涡轮机与增压器的中间设有中置电机。柴油机的排气分为二路:一路作为再循环废气依次通过温差发电器热端以及高温级和低温级2个EGR换热器的气侧后与增压空气一起流入气缸中；另一路依次串接于涡轮、以及高温级和低温级2个排气换热器的气侧后排出大气。柴油机的进气经增压器、增压空气换热器的气侧进入柴油机的进气口。
[0006]该发明系统的原理为:高低温两级热力循环均为有机朗肯循环，高温级采用EGR传入温差发电器的热量以及柴油机高温排气为热源，采用适合中高温余热回收的硅氧烷、苯类有机工质。低温级采用品位相对较低的发动机冷却水、增压空气以及流经高温级后的EGR和发动机排气余热为热源。低温级热源已低于300°C，采用诸如R123、R245fa等工质。通过添加中置电机，增加排气的膨胀比，充分利用排气的余压能。以EGR排气为温差发电器热端，将温差发电器置于大温差的条件下工作，克服其因自身材料制约输出功较小的缺陷，同时排入温差发电器冷端的热量也能用于预热高温级循环工质。
[0007]本发明的特点及有益效果是，柴油机中产生余热的温度由低到高依次为:冷却水、增压空气、排气和EGR废气，根据热源温度高低，依次与工质进行换热，进一步降低系统不可逆损失，充分利用各部分余热。本发明根据柴油机产生余热的不同温度品位以及不同形式充分回收这些能量。对排气中的余压能，采用中置电机通过涡轮直接发电。废气再循环(EGR)排出的余热先用于温差发电，恰好弥补温差发电器因半导体材料的制约而输出功较小的缺陷。由于EGR废气流量远小于排气流量，因此将其通过温差发电器热端后温度下降较快，此处将EGR换热器置于排气换热器之前，使柴油机多品位的余热得到充分有效利用，从而达到节能减排的最终目标。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]所示附图是为发明的原理与系统组成结构图。
【具体实施方式】
[0009]以下结合附图并通过实施例对本发明的系统结构做进一步的阐述说明，需要强调的是本实施例是叙述性的，而非是限定性的，不以此限定本发明的保护范围。
[0010]复合式柴油机余热能回收系统，包括柴油机、高低温两个工质泵、温差发电器、高低温两个EGR换热器、高低温两个排气换热器、高低温两个汽轮机、两个发电机、高低温两个冷凝器、缸体冷却水换热器、增压空气换热器、涡轮、增压器以及中置电机等。其具体的组成结构是:由高温级工质泵1、温差发电器2的冷端、高温级EGR换热器3的工质侧、高温级排气换热器4的工质侧、高温级汽轮机5以及高温级冷凝器6的高温工质侧依次串接组成高温级朗肯循环系统。由低温级工质泵7、缸体冷却水换热器8的工质侧、高温级冷凝器的低温工质侧、增压空气换热器9的工质侧、低温级EGR换热器10的工质侧、低温级排气换热器11的工质侧、低温级汽轮机12以及低温级冷凝器13的工质侧依次串接组成低温级朗肯循环系统。在涡轮15与增压器16的中间设有中置电机19。柴油机14的排气分为二路:一路作为再循环废气依次通过温差发电器热端以及高温级和低温级2个EGR换热器的气侧后与增压空气一起流入气缸中；另一路依次串接于涡轮机、以及高温级和低温级2个排气换热器的气侧后排出大气。柴油机的进气经增压器、增压空气换热器的气侧进入柴油机的吸气口。柴油机缸体水套中的冷却水与所述缸体冷却水换热器构成封闭循环。高温级发电机17与高温级汽轮机轴连接；低温级发电机18与低温级汽轮机轴连接。
[0011]作为实施例之一，高温级朗肯循环系统中所用的工质为甲苯，低温级朗肯循环系统中所用的工质为R123。
[0012]在涡轮机与增压器中间加入中置电机，其目的是增加排气的膨胀比，当排气能量超过增压所需能量时，利用该电机直接回收排气余压能。
[0013]EGR再循环废气和从高温级工质泵中输出的工质分别作为温差发电器的热冷端。
[0014]在高温级循环中:EGR再循环废气流入温差发电器的热端，输入的热量一部分用于做功，其他的大部分传入温差发电器冷端，对从高温级工质泵中流出的工质进行预热。预热后的工质进入高温级EGR换热器，与EGR废气进一步换热。之后，工质进入高温级排气换热器，被加热为饱和或者是过热蒸汽，高温高压的工质在高温级汽轮机中膨胀做功后，经高温级冷凝器冷凝为液体，又被输入高温级工质泵，开始下一循环。在高温冷凝器中两级循环工质进行换热，即低温侧的循环工质对高温侧工质冷凝的同时也是对自身进行预热。
[0015]在低温级循环中:从低温级工质泵中增压后的工质，依次通过冷却水换热器、高温级冷凝器、增压空气中冷器、低温级EGR换热器和低温级排气换热器，再次被加热为饱和汽(或是过热蒸汽)进入低温汽轮机中做功。乏汽进入低温冷凝器，经冷凝后的液态工质又进入低温工质泵中，循环结束。
【权利要求】
1.复合式柴油机余热能回收系统，具有柴油机、高低温两个工质泵、温差发电器、高低温两个EGR换热器、高低温两个排气换热器、高低温两个汽轮机、两个发电机、高低温两个冷凝器、缸体冷却水换热器、增压空气换热器、涡轮、增压器以及中置电机，其特征是:由高温级工质泵(I)、温差发电器(2)的冷端、高温级EGR换热器(3)的工质侧、高温级排气换热器⑷的工质侧、高温级汽轮机(5)以及高温级冷凝器(6)的高温工质侧依次串接组成高温级朗肯循环系统；由低温级工质泵(7)、缸体冷却水换热器(8)的工质侧、高温级冷凝器的低温工质侧、增压空气换热器(9)的工质侧、低温级EGR换热器(10)的工质侧、低温级排气换热器(11)的工质侧、低温级汽轮机(12)以及低温级冷凝器(13)的工质侧依次串接组成低温级朗肯循环系统，在涡轮机(15)与增压器(16)的中间设有中置电机(19)，柴油机(14)的排气分为二路:一路作为再循环废气依次通过温差发电器热端以及高温级和低温级2个EGR换热器的气侧后与增压空气一起流入气缸中；另一路依次串接于涡轮、以及高温级和低温级2个排气换热器的气侧后排出大气，柴油机的进气经增压器、增压空气换热器的气侧进入柴油机的进气口。
2.根据权利要求1所述的复合式柴油机余热能回收系统，其特征是所述高温级发电机(17)与高温级汽轮机轴连接；低温级发电机(18)与低温级汽轮机轴连接。
3.根据权利要求1所述的复合式柴油机余热能回收系统，其特征是所述柴油机(14)缸体水套中的冷却水与所述缸体冷却水换热器(8)构成封闭循环。
4.根据权利要求1所述的复合式柴油机余热能回收系统，其特征是所述高温级朗肯循环系统中所用的工质为甲苯，所述低温级朗肯循环系统中所用的工质为R123。
【文档编号】F02M25/07GK104265502SQ201410359635
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年7月25日 优先权日:2014年7月25日
【发明者】张承宇, 舒歌群, 田华, 卫海桥, 于国鹏, 李团兵 申请人:天津大学