一种基于双相变储热器的朗肯循环余热回收系统及控制方法与流程

本发明涉及发动机尾气余热回收及相变储热领域，尤其涉及一种基于双相变储热器的朗肯循环余热回收系统及其控制方法。

背景技术：

随着全球汽车工业的高速发展，汽车的保有量也越来越多。科学研究表明，汽车发动机燃油燃烧产生的热量仅有三分之一被发动机有效利用，其余三分之二中的大部分热量则随着发动机的尾气直接排入到大气环境中，这不仅造成了能源的巨大浪费，同时也造成了严重的环境污染。因此，如何高效回收汽车的尾气余并加以合理利用，是目前能源领域科学研究中重点关注的问题之一。

传统的基于朗肯循环的发动机尾气余热回收系统多采用有机工质直接与尾气进行换热，有机工质吸热蒸发后进入膨胀机对其做功。但是鲜有考虑到发动机的变工况对朗肯循环系统的影响。原因是尾气的温度和流量是剧烈波动的，因此有机工质与尾气的换热也是波动的，这样会导致膨胀机工作在不稳定的状态，效率较低。而且，当尾气余热不足时有机工质的蒸发温度较低，在膨胀做功时容易液化，进而损坏膨胀机；当尾气余热较多时，朗肯循环系统难以将尾气的余热充分回收。

基于这样的现状，本发明提出一种基于双相变储热器的朗肯循环余热回收方法，利用双相变储热器的储热作用，不仅可以削弱尾气温度和质量流量的剧烈波动对朗肯循环系统的负面影响，又能最大限度地储存尾气余热，使朗肯循环能持续高效地回收尾气余热并输出电能，还能避免因余热不足导致有机工质在膨胀做功过程液化对膨胀机造成损坏。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是，针对发动机变工况下尾气温度和质量流量剧烈波动的问题，提出一种基于双相变储热器的朗肯循环余热回收系统，该系统结构简单，利用相变材料储存发动机尾气中的热量，使有机工质持续稳定的与相变材料进行换热，从而使朗肯循环保持在较稳定的工作状态，以较高的效率输出有效功。

一种基于双相变储热器的朗肯循环余热回收系统包括发动机、第一相变储热器、第二相变储热器、第一电控三通阀、第二电控三通阀、第三电控三通阀、电子控制单元、膨胀机及发电机组件、冷凝器、工质泵、储液罐、熔化过程测温热电偶组和凝固过程测温热电偶组；

发动机的排气管通过第一电控三通阀分别与第一相变储热器、第二相变储热器的尾气流道相连，第一相变储热器、第二相变储热器的工质流道出口通过第二电控三通阀与膨胀机及发电机组件相连，工质泵的出口通过第三电控三通阀分别与第一相变储热器、第二相变储热器的工质流道入口相连，膨胀机及发电机组件、冷凝器、储液罐、工质泵顺次相连；

电子控制单元分别与第一电控三通阀、第二电控三通阀、第三电控三通阀电连接；熔化过程测温热电偶组设置在第一相变储热器、第二相变储热器的工质流道入口，且与相变材料接触；凝固过程测温热电偶组设置在第一相变储热器、第二相变储热器的尾气流道入口，且与相变材料接触。

所述的第一电控三通阀受电子控制单元控制交替地与两个相变储热器单独接通，第一电控三通阀与未储热相变储热器连通时，尾气流经相变储热器并与其内部的相变材料进行换热，实现储热过程。所述的第二电控三通阀和第三电控三通阀串联在朗肯循环中，且受电子控制单元交替的与两个相变储热器单独接通。第二电控三通阀和第三电控三通阀将已储满热相变储热器接入到朗肯循环中时，有机工质与其内部的相变材料进行换热。

所述的电子控制单元其功能是接收测温热电偶组传来的温度信号，根据信号对三个电控三通阀的通道连接情况进行控制。

优选的，所述的第一相变储热器和第二相变储热器结构相同，均包括工质流道、尾气流道和相变材料，相变材料设置在工质流道、尾气流道之间。

优选的，所述的第一相变储热器和第二相变储热器为三层环形套管结构，内环为尾气通道，中环为相变材料，外环为工质通道，所述的第一相变储热器和第二相变储热器外壁均包裹有高隔热性能的外壳，目的是在降低储热容器内的热量散失，以便于有机工质在换热时可以吸收足够的热量。

熔化过程测温热电偶组和凝固过程测温热电偶组在第一相变储热器、第二相变储热器内分别对称布置4个，以便电子控制单元能更准确的接收相变材料的温度信号，布置在相变材料内测的为凝固过程测温热电偶组，布置在相变材料外侧的为熔化过程测温热电偶组。

所述的工质泵是朗肯循环系统中驱动工质流通的动力设备。有机工质经工质泵压缩后压力升高，进入第一相变储热器或第二相变储热器中进行换热。

所述的冷凝器是朗肯循环中系统中的冷凝设备。从膨胀机流出的工质处于气液混合状态，温度较高，其进入冷凝器后遇冷液化最终重新变为液态有机工质继续进行朗肯循环。

所述的膨胀机及发电机组是朗肯循环系统中将工质的热能转化为机械功的关键设备。从第一相变储热器或第二相变储热器流出的高温气态工质膨胀机做功，将热能转化为机械能，同时用于带动发电机进行发电，将机械能转化为电能。

所述系统的基于双相变储热器的朗肯循环余热回收控制方法步骤如下：

在发动机工作时，电子控制单元根据相变储热器中的熔化过程测温热电偶组和凝固过程测温热电偶组传来的温度信号对第一电控三通阀进行控制，首先将第一电控三通阀与第一相变储热器连通，使发动机排出的尾气先与第一相变储热器中的相变材料发生换热，相变材料吸收尾气中的热量并将其储存起来，

当第一相变储热器中的相变材料完全换热后，电子控制单元控制第一电控三通阀切换到与第二相变储热器连通，使发动机尾气进入到第二相变储热器中与其相变材料发生换热；同时，电子控制单元控制第二电控三通阀和第三电控三通阀使有机工质进入到第一相变储热器中，从而使低温液态有机工质与第一相变储热器中的相变材料进行换热，

当有机工质与相变材料换热后，电子控制单元控制第二电控三通阀和第三电控三通阀使有机工质进入第二相变储热器，低温液态有机工质此时与第二相变储热器中的相变材料继续进行换热，有机工质经过与高温的相变材料换热后变成高温高压的气体工质，这些高温高压的气体进入膨胀机并对其做功产生电能。

本发明具有以下优点：

1.本余热回收系统结构和原理简单，对发动机原有的结构改动较小。

2.本余热回收系统利用双相变材料储存尾气余热，使有机工质持续交替与相变材料进行换热，可以有效削弱发动机变工况条件下尾气温度和质量流量对朗肯循环的负面影响。

3.本余热回收系统利用两个三层环形套筒结构的相变储热器，可将相变材料的储热和放热过程解耦，有利于系统的简化设计和稳定运行，使膨胀机在朗肯循环中持续高效的带动发电机输出电能。

附图说明

图1：基于双相变储热器的朗肯循环余热回收系统示意图；

图2：第一相变储热器和第二相变储热器的三维结构示意图；

图3：第一和第二相变储热器和a-a剖面图及测温热电偶组布置示意图；

图4：控制系统及控制方法示意图。

符号说明

1，发动机；2，第一相变储热器；3，第二相变储热器；4，工质泵；5，膨胀机及发电机组；6，储液罐；7，冷凝器；8，第一电控三通阀；9，第二电控三通阀；10，第三电控三通阀；11，电子控制单元；12，有机工质流道；13，尾气流道；14，相变材料；15，熔化过程测温热电偶组；16，凝固过程测温热电偶组；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

如图1-4所示，一种基于双相变储热器的朗肯循环余热回收系统主要包括发动机1、第一相变储热器2、第二相变储热器3、第一电控三通阀8、第二电控三通阀9、第三电控三通阀10、电子控制单元11、膨胀机及发电机组件5、冷凝器7、工质泵4、熔化过程测温热电偶组15、凝固过程测温热电偶组16。

在发动机工作时，电子控制单元11根据相变储热器中的熔化过程测温热电偶组15和凝固过程测温热点偶组16传来的温度信号对第一电控三通阀8进行控制，首先将第一电控三通阀8与第一相变储热器2连通，使发动机排出的尾气先与第一相变储热器2中的相变材料进行换热，相变材料吸收尾气中的热量发生相变从而将热量储存起来，当第一相变储热器2中的相变材料储满热后，电子控制单元控制第一电控三通阀8切换到与第二相变储热器3连通，使发动机尾气进入到第二相变储热器3中与其相变材料进行换热，直至第二相变储热器3的相变材料储满热后电子控制单元再次将第一电控三通阀8切换到与第一相变储热器2接通，从而与尾气进行再次换热。与此同时，电子控制单元控制第二电控三通阀9和第三电控三通阀10将第一相变储热器2接入到朗肯循环，从而使有机工质与第一相变储热器2中的相变材料进行换热，当有机工质完全与相变材料换热后，电子控制单元控制第二电控三通阀9和第三电控三通阀10将第二相变储热器3接入到朗肯循环，有机工质此时与第二相变储热器3中的相变材料继续进行换热。低温液态的有机工质经过与高温的相变材料换热后变成高温高压的气体工质，这些高温高压的气体进入膨胀机并驱动其转动做工，膨胀机通过变速装置带动发电机转动，从而产生电能。

需要进一步说明的是，所述的第一相变储热器2和第二相变储热器3的内环进口与第一电控三通阀8连通，内环出口与大气连通，第一相变储热器2和第二相变储热器3的外环进口与第三电控三通阀10连通，外环出口与第二电控三通阀9连通。第一相变储热器2和第二相变储热器3的中环布置有相变储热材料。发动机尾气经过第一电控三通阀8流入第一相变储热器2或第二相变储热器3的内环通道，相变储热器中的相变材料吸收高温尾气的热量完成相变储能的过程。有机工质由储液罐6经水泵4、第三电控三通阀10流入第一相变储热器2或第二相变储热器3的外环通道，与第一相变储热器2或第二相变储热器3内的相变材料进行换热，低温液态的有机工质通过吸收相变材料储存的热量，变成了高温高压的气态工质进入膨胀机做工，从而带动发电机发电。