專利名稱：超臨界有機朗肯雙循環(huán)廢熱回收系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超臨界有機朗肯雙循環(huán)廢熱回收系統(tǒng)，屬于一般熱交換領(lǐng)
域(F28)。
背景技術(shù)：
汽車的節(jié)能與環(huán)保問題是目前汽車技術(shù)研發(fā)所面臨的主要問題。由于發(fā)動 機只能將一小部分的燃油能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，其它的燃油能量則通過冷卻系統(tǒng)、 潤滑系統(tǒng)以及排氣耗散到大氣中，因此通過合理利用發(fā)動機余熱可以提高其燃 油經(jīng)濟性。
目前針對汽車余熱回收的利用方法各有其局限性，利用途徑主要有渦輪 增壓技術(shù)、余熱空調(diào)、利用廢氣能量溫差發(fā)電等。但是，增壓技術(shù)只能利用排 氣的部分能量，渦輪出口的排氣仍具有較高溫度，具有再次利用價值；余熱空 調(diào)技術(shù)沒有功的輸出，且能量利用率低；溫差發(fā)電則受限于材料等技術(shù)的發(fā)展， 熱電轉(zhuǎn)換效率低。
目前工業(yè)鍋爐上及船舶、樓宇用重型柴油機上采用的朗肯循環(huán)廢熱回收系 統(tǒng)不能用于車用發(fā)動機的廢熱回收上。這是因為上述類型廢熱回收系統(tǒng)要求其 廢熱源能量相對穩(wěn)定、工況變化小，且通常情況下系統(tǒng)的體積較大，而車用發(fā) 動機其運行工況多變、且要求系統(tǒng)體積和重量較小，因此普通朗肯循環(huán)廢熱回 收系統(tǒng)不能滿足車用發(fā)動機的廢熱回收要求。
本系統(tǒng)正是針對這種技術(shù)需要而開發(fā)的
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種超臨界有機朗肯雙循環(huán)廢熱回收系統(tǒng)，以適 應(yīng)車用發(fā)動機廢熱能量水平不高、運行工況多變的情況，達到提高車用發(fā)動機 燃油經(jīng)濟性、節(jié)約能源的效果。
為了實現(xiàn)上述目標，本發(fā)明采取了如下的技術(shù)解決方案
采用干式或等熵有機流體作為工作流體，該類流體的臨界溫度、壓力較低， 導熱性好，在熱交換單元中的蒸汽壓力適中，熱穩(wěn)定性好，特別適合車用發(fā)動 機上的中、低等能量水平廢熱回收的要求。針對車用發(fā)動機的運行工況多變， 發(fā)動機余熱的數(shù)量與品質(zhì)變化范圍大，朗肯循環(huán)工作條件的范圍很廣等問題， 采用朗肯雙循環(huán)提高回收系統(tǒng)的適用性，即系統(tǒng)中包括中溫循環(huán)和低溫循環(huán)， 中溫循環(huán)主要用來回收柴油機排氣余熱，低溫循環(huán)主要用來回收冷卻水熱量和 部分低品質(zhì)柴油機排氣余熱，每個循環(huán)中都包括蒸發(fā)器、過熱器、膨脹器、冷 凝器和壓縮泵，加裝過熱器可以將工作流體加熱至過熱狀態(tài)，從而防止流體在 膨脹做功時冷凝。中溫、低溫循環(huán)的膨脹器采用往復式活塞，更加適應(yīng)車用發(fā) 動機工況要求，可以更好的利用發(fā)動機余熱，提高了循環(huán)效率，也降低了系統(tǒng) 成本。
本發(fā)明的一種超臨界有機朗肯雙循環(huán)廢熱回收系統(tǒng)，包括壓氣機，中冷 器，發(fā)動機氣缸，渦輪，中溫過熱器，中溫膨脹器，中溫冷凝器，中溫壓縮泵， 中溫蒸汽發(fā)生器，低溫過熱器，低溫膨脹器，低溫冷凝器，低溫壓縮泵，低溫 蒸汽發(fā)生器，渦輪軸，中溫膨脹器曲軸，中溫輸出功裝置，低溫膨脹器曲軸， 低溫輸出功裝置，排氣分流閥，低溫分流閥，中溫冷凝器風扇以及連接管路。
上述有機朗肯雙循環(huán)廢熱回收系統(tǒng)內(nèi)各部件的連接關(guān)系是
壓氣機、中冷器、發(fā)動機氣缸與渦輪依次相連組成發(fā)動機進、排氣系統(tǒng)； 中溫蒸汽發(fā)生器、中溫過熱器、中溫膨脹器、中溫冷凝器、中溫壓縮泵依次相連形成回路，組成中溫朗肯循環(huán)，其中中溫冷凝器連接中溫冷凝器風扇，且中
溫膨脹器通過中溫膨脹器曲軸連接中溫輸出功裝置；低溫過熱器、低溫膨脹器、 低溫冷凝器、低溫壓縮泵依次相連，低溫壓縮泵的出口連接低溫分流閥入口， 低溫分流閥出口的一端連接低溫蒸汽發(fā)生器入口，其另一端連接低中溫冷凝器 入口 ，低溫蒸汽發(fā)生器出口與中溫冷凝器出口由管路匯合后連接低溫過熱器入 口，組成低溫朗肯循環(huán)，且低溫膨脹器通過低溫膨脹器曲軸連接低溫輸出功裝 置；中溫過熱器中排氣通過的管路出口連接一個三通管路的入口，三通管路的 出口一端連接中溫蒸汽發(fā)生器，另一端連接排氣分流閥，排氣分流閥的出口連 接低溫過熱器。
本發(fā)明的超臨界有機朗肯雙循環(huán)廢熱回收系統(tǒng)與傳統(tǒng)朗肯循環(huán)廢熱回收系 統(tǒng)相比帶來的技術(shù)效果是-
1. 本發(fā)明的超臨界有機朗肯雙循環(huán)系統(tǒng)更為適應(yīng)運行工況不定、能量狀態(tài)多變 的公路用汽車，不同于以往的船用或者固定式發(fā)動機的朗肯循環(huán)系統(tǒng)。
2. 采用有機工作流體作為工作流體可以使朗肯循環(huán)對中、低溫廢熱能量的吸收 效率更高，不同于以往的傳統(tǒng)朗肯循環(huán)采用水作為工作流體，要求廢熱能量 品質(zhì)較高；
3. 通過過熱器將工作流體加熱至過熱狀態(tài)可以防止流體在膨脹做功時冷凝；
4. 采用往復式活塞作為能量輸出裝置，更加適應(yīng)車用發(fā)動機工況要求，更好的 利用發(fā)動機余熱，提高了循環(huán)效率，也降低了系統(tǒng)成本。
5. 采用中溫、低溫雙循環(huán)系統(tǒng)，更大限度的利用了發(fā)動機余熱，使發(fā)動機的有 能余熱盡量轉(zhuǎn)換為機械能，提高了發(fā)動機整體的燃油經(jīng)濟性，并且對發(fā)動機 工況的適應(yīng)性增強。6.車用發(fā)動機排氣經(jīng)過熱器、蒸汽發(fā)生器放熱后溫度得到降低，有利于環(huán)保。


附圖1是本發(fā)明的有機朗肯雙循環(huán)廢熱回收系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2為發(fā)動機中、高轉(zhuǎn)速及負荷時，中溫朗肯循環(huán)工作流體流動圖。 附圖3為發(fā)動機中、高轉(zhuǎn)速及負荷時，低溫朗肯循環(huán)工作流體流動圖。 附圖4為發(fā)動機低轉(zhuǎn)速及負荷時，中溫朗肯循環(huán)工作流體流動圖。 其中l(wèi)-壓氣機，2-中冷器，3-發(fā)動機氣缸，4-渦輪，5-中溫過熱器，6-中 溫膨脹器，7-中溫冷凝器，8-中溫壓縮泵，9-中溫蒸汽發(fā)生器，10-低溫過熱器， 11-低溫膨脹器，12-低溫冷凝器，13-低溫壓縮泵，14-低溫蒸汽發(fā)生器，15-渦 輪軸，16-中溫膨脹器曲軸，17-中溫輸出功裝置，18-低溫膨脹器曲軸，19-低 溫輸出功裝置，20-排氣分流閥，21-低溫分流閥，22-中溫冷凝器風扇。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
本發(fā)明的有機朗肯雙循環(huán)廢熱回收系統(tǒng)，包括壓氣機l，中冷器2，發(fā)動
機氣缸3，渦輪4，中溫過熱器5，中溫膨脹器6，中溫冷凝器7，中溫壓縮泵8， 中溫蒸汽發(fā)生器9，低溫過熱器IO，低溫膨脹器ll，低溫冷凝器12，低溫壓縮 泵13，低溫蒸汽發(fā)生器14，渦輪軸15，中溫膨脹器曲軸16,中溫輸出功裝置 17，低溫膨脹器曲軸18，低溫輸出功裝置19，排氣分流閥20，低溫分流閥21， 中溫冷凝器風扇22，以及連接管路。
上述超臨界有機朗肯雙循環(huán)廢熱回收系統(tǒng)內(nèi)各部件的連接關(guān)系是 壓氣機l、中冷器2、發(fā)動機氣缸3與渦輪4依次相連組成發(fā)動機進、排氣 系統(tǒng)；中溫蒸汽發(fā)生器9、中溫過熱器5、中溫膨脹器6、中溫冷凝器7、中溫壓縮泵8依次相連形成回路，組成中溫朗肯循環(huán)，其中中溫冷凝器7連接中溫 冷凝器風扇22，且中溫膨脹器6通過中溫膨脹器曲軸16連接中溫輸出功裝置 17;低溫過熱器IO、低溫膨脹器ll、低溫冷凝器12、低溫壓縮泵13依次相連， 低溫壓縮泵13的出口連接低溫分流閥21入口，低溫分流閥21出口的一端連接 低溫蒸汽發(fā)生器14入口，其另一端連接低中溫冷凝器7入口，低溫蒸汽發(fā)生器 14出口與中溫冷凝器7出口由管路匯合后連接低溫過熱器10入口 ，組成低溫朗 肯循環(huán)，且低溫膨脹器11通過低溫膨脹器曲軸18連接低溫輸出功裝置19;中 溫過熱器5中排氣通過的管路出口連接一個三通管路的入口，三通管路的出口 一端連接中溫蒸汽發(fā)生器9，另一端連接排氣分流閥20，排氣分流閥20的出口 連接低溫過熱器10。
上述超臨界有機朗肯雙循環(huán)廢熱回收系統(tǒng)的工作過程是
當發(fā)動機工作在中高轉(zhuǎn)速、中高負荷時，系統(tǒng)運行超臨界有機朗肯雙循環(huán)， 其工作過程為-
空氣首先經(jīng)過壓氣機1壓縮后在中冷器2中冷卻，隨后進入發(fā)動機氣缸3 中與燃油混合并燃燒膨脹做功，做功后的排氣隨后進入渦輪4中通過渦輪軸15 對壓氣機1做功；經(jīng)渦輪4排出的氣體首先通過中溫過熱器5對中溫循環(huán)工作 流體進行加熱并使其達到過熱狀態(tài)，隨后排氣經(jīng)三通管路分流，部分排氣通過 中溫蒸汽發(fā)生器9然后排入大氣，另外部分排氣經(jīng)過排氣分流閥20然后通過低 溫過熱器10后進入大氣，其中進入中溫蒸汽發(fā)生器9和低溫過熱器10的各部 分排氣的多少，可以根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和負荷狀況，通過控制排氣分流閥20的 閥門開度進行調(diào)節(jié)，如在最高轉(zhuǎn)速、最高負荷時，通過中溫蒸汽發(fā)生器9的排 氣量約為總排氣量的3/4,通過排氣分流閥及低溫過熱器10的排氣量約為總排 氣量的1/4 (如圖l所示);液態(tài)的中溫循環(huán)工作流體在中溫壓縮泵8中加壓，然后液態(tài)、高壓的中溫 循環(huán)工作流體在中溫蒸汽發(fā)生器9中被經(jīng)過三通管路的排氣加熱蒸發(fā)，然后通 過中溫過熱器5被通過渦輪4后的排氣加熱到過熱狀態(tài)，隨后在中溫膨脹器6 中膨脹做功，做功后的乏氣在中溫冷凝器7中冷凝為液體，再經(jīng)中溫壓縮泵8 加壓后流回中溫蒸汽發(fā)生器9，中溫循環(huán)膨脹器6通過中溫膨脹器曲軸16向外 輸出機械功，且中溫冷凝器7主要通過向低溫循環(huán)工作流體散熱進行冷卻(如 圖2所示)；
液態(tài)的低溫循環(huán)工作流體在低溫壓縮泵13中加壓，隨后液態(tài)、高壓的低溫 工作流體經(jīng)過低溫分流閥21分流，部分低溫循環(huán)工作流體通過以發(fā)動機冷卻水 為熱源的低溫蒸汽發(fā)生器14并在其中受熱蒸發(fā)，另外部分則通過中溫冷凝器7 吸收中溫循環(huán)工作流體冷凝時所放熱量達到蒸發(fā)狀態(tài)，其中分流到低溫蒸汽發(fā) 生器14和中溫冷凝器7的各部分低溫循環(huán)工作流體的多少，可以根據(jù)發(fā)動機的 轉(zhuǎn)速和負荷狀況，通過調(diào)節(jié)低溫分流閥21的閥門開度進行控制，如在最高轉(zhuǎn)速、 最高負荷時，分流到低溫蒸汽發(fā)生器14的低溫循環(huán)工作流體約為總流量的3/4， 分流到中溫冷凝器7的低溫循環(huán)工作流體約為總流量的1/4，通過低溫蒸汽發(fā)生 器14和中溫冷凝器7后的低溫循環(huán)工作流體由管路匯合后共同進入低溫過熱器 10中被經(jīng)過排氣分流閥20的部分排氣加熱至過熱狀態(tài)，然后通過低溫膨脹器 11做功，并在低溫冷凝器12中冷凝，冷凝后的工作流體重新回到低溫壓縮泵 13。低溫循環(huán)膨脹器11通過低溫膨脹器曲軸18向外輸出機械功(如圖3所示)。
當發(fā)動機工作在低轉(zhuǎn)速、低負荷時，系統(tǒng)只運行超臨界有機朗肯中溫循環(huán)， 其工作過程為-
空氣首先經(jīng)過壓氣機1壓縮后在中冷器2中冷卻，隨后進入發(fā)動機氣缸3 中與燃油混合并燃燒膨脹做功，做功后的排氣隨后進入渦輪4中通過渦輪軸15對壓氣機1做功；經(jīng)渦輪4排出的氣體首先通過中溫過熱器5對中溫循環(huán)工作 流體進行加熱并使其達到過熱狀態(tài)，此時由于排氣分流闊20關(guān)閉，排氣全部通 過中溫蒸汽發(fā)生器9然后排入大氣(如圖4所示)；
液態(tài)的中溫循環(huán)工作流體在中溫壓縮泵8中加壓，然后液態(tài)、高壓的中溫 循環(huán)工作流體在中溫蒸汽發(fā)生器9中被全部排氣加熱蒸發(fā)，然后通過中溫過熱 器5被排氣加熱到過熱狀態(tài)，隨后在中溫膨脹器6中膨脹做功，做功后的乏氣 在中溫冷凝器7中冷凝為液體，再經(jīng)中溫壓縮泵8加壓后流回中溫蒸汽發(fā)生器9， 中溫循環(huán)膨脹器6通過中溫膨脹器曲軸16向外輸出機械功，且中溫冷凝器7通 過中溫冷凝器風扇22進行冷卻。(如圖4所示)。
權(quán)利要求
1、一種超臨界有機朗肯雙循環(huán)廢熱回收系統(tǒng)，包括壓氣機(1)，中冷器(2)，發(fā)動機氣缸(3)，渦輪(4)，中溫過熱器(5)，中溫膨脹器(6)，中溫冷凝器(7)，中溫壓縮泵(8)，中溫蒸汽發(fā)生器(9)，低溫過熱器(10)，低溫膨脹器(11)，低溫冷凝器(12)，低溫壓縮泵(13)，低溫蒸汽發(fā)生器(14)，渦輪軸(15)，中溫膨脹器曲軸(16)，中溫輸出功裝置(17)，低溫膨脹器曲軸(18)，低溫輸出功裝置(19)，排氣分流閥(20)，低溫分流閥(21)，中溫冷凝器風扇(22)以及連接管路；其特征在于系統(tǒng)內(nèi)各部件的連接關(guān)系是壓氣機(1)、中冷器(2)、發(fā)動機氣缸(3)與渦輪(4)依次相連組成發(fā)動機進、排氣系統(tǒng)；中溫蒸汽發(fā)生器(9)、中溫過熱器(5)、中溫膨脹器(6)、中溫冷凝器(7)與中溫壓縮泵(8)依次相連形成回路，其中，中溫冷凝器(7)連接中溫冷凝器風扇(22)，且中溫膨脹器(6)通過中溫膨脹器曲軸(16)連接中溫輸出功裝置(17)；低溫過熱器(10)、低溫膨脹器(11)、低溫冷凝器(12)、低溫壓縮泵(13)依次相連，低溫壓縮泵(13)的出口連接低溫分流閥(21)入口，低溫分流閥(21)出口的一端連接低溫蒸汽發(fā)生器(14)入口，其另一端連接中溫冷凝器(7)入口，低溫蒸汽發(fā)生器(14)出口與中溫冷凝器(7)出口由管路匯合后連接低溫過熱器(10)入口，且低溫膨脹器(11)通過低溫膨脹器曲軸(18)連接低溫輸出功裝置(19)；中溫過熱器(5)中排氣通過的管路出口連接一個三通管路的入口，三通管路的出口一端連接中溫蒸汽發(fā)生器(9)，另一端連接排氣分流閥(20)，排氣分流閥(20)的出口連接低溫過熱器(10)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超臨界有機朗肯雙循環(huán)廢熱回收系統(tǒng)，其特 征在于當發(fā)動機工作在中高轉(zhuǎn)速、中高負荷時，系統(tǒng)運行超臨界有機朗肯雙 循環(huán)的工作過程為-空氣首先經(jīng)過壓氣機(1)壓縮后在中冷器(2)中冷卻，隨后進入發(fā)動機氣缸 (3)中與燃油混合并燃燒膨脹做功，做功后的排氣隨后進入渦輪(4)中通過渦輪 軸(15)對壓氣機(1)做功；經(jīng)渦輪(4)排出的氣體首先通過中溫過熱器(5)對中溫循環(huán)工作流體進行加熱并使其達到過熱狀態(tài)，隨后排氣經(jīng)三通管路分流，部分 排氣通過中溫蒸汽發(fā)生器(9)然后排入大氣，另外部分排氣經(jīng)過排氣分流閥(20) 然后通過低溫過熱器(10)后進入大氣；液態(tài)的中溫循環(huán)工作流體在中溫壓縮泵(8)中加壓，然后液態(tài)、高壓的中溫循環(huán)工作流體在中溫蒸汽發(fā)生器(9)中被經(jīng)過三通管路的排氣加熱蒸發(fā)，然后通 過中溫過熱器(5)被通過渦輪(4)后的排氣加熱到過熱狀態(tài)，隨后在中溫膨脹 器(6)中膨脹做功，做功后的乏氣在中溫冷凝器(7)中冷凝為液體，再經(jīng)中 溫壓縮泵(8)加壓后流回中溫蒸汽發(fā)生器(9)，中溫循環(huán)膨脹器(6)通過中 溫膨脹器曲軸(16)向外輸出機械功，且中溫冷凝器(7)通過向低溫循環(huán)工作 流體散熱進行冷卻；液態(tài)的低溫循環(huán)工作流體在低溫壓縮泵(13)中加壓，隨后液態(tài)、高壓的 低溫循環(huán)工作流體經(jīng)過低溫分流閥(21)分流，部分低溫循環(huán)工作流體通過以 發(fā)動機冷卻水為熱源的低溫蒸汽發(fā)生器(14)并在其中受熱蒸發(fā)，另外部分則 通過中溫冷凝器(7)吸收中溫循環(huán)工作流體冷凝時所放熱量達到蒸發(fā)狀態(tài)，隨 后，蒸發(fā)后的低溫循環(huán)工作流體由管路匯合共同進入低溫過熱器(10)中被經(jīng) 過排氣分流閥(20)的部分排氣加熱至過熱狀態(tài)，然后通過低溫膨脹器(ll)做 功，并在低溫冷凝器(12)中冷凝，冷凝后的工作流體重新回到低溫壓縮泵(13); 低溫循環(huán)膨脹器(11)通過低溫膨脹器曲軸(18)向外輸出機械功；當發(fā)動機工作在低轉(zhuǎn)速、低負荷時，系統(tǒng)運行超臨界有機朗肯中溫循環(huán)的 工作過程為空氣首先經(jīng)過壓氣機(1)壓縮后在中冷器(2)中冷卻，隨后進入發(fā)動機氣缸 (3)中與燃油混合并燃燒膨脹做功，做功后的排氣隨后進入渦輪(4)中通過渦輪 軸(15)對壓氣機(1)做功；經(jīng)渦輪(4)排出的氣體首先通過中溫過熱器(5) 對中溫循環(huán)工作流體進行加熱并使其達到過熱狀態(tài)，此時由于排氣分流閥(20) 關(guān)閉，排氣全部通過中溫蒸汽發(fā)生器(9)然后排入大氣；液態(tài)的中溫循環(huán)工作流體在中溫壓縮泵(8)中加壓，然后液態(tài)、高壓的中 溫循環(huán)工作流體在中溫蒸汽發(fā)生器(9)中被全部排氣加熱蒸發(fā)，然后通過中溫 過熱器(5)被排氣加熱到過熱狀態(tài)，隨后在中溫膨脹器(6)中膨脹做功，做 功后的乏氣在中溫冷凝器(7)中冷凝為液體，再經(jīng)中溫壓縮泵(8)加壓后流 回中溫蒸汽發(fā)生器(9)，中溫循環(huán)膨脹器(6)通過中溫膨脹器曲軸(16)向外 輸出機械功，且中溫冷凝器(7)通過中溫冷凝器風扇(22)進行冷卻。
3、根據(jù)權(quán)利要求(2)所述的一種超臨界有機朗肯雙循環(huán)廢熱回收系統(tǒng)的工 作過程，其特征在于根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和負荷狀況，通過調(diào)節(jié)排氣分流閥(20)、低溫分流閥(21)、或同時調(diào)節(jié)排氣分流閥(20)和低溫分流閥(21)的閥門開 度進行控制。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超臨界有機朗肯雙循環(huán)廢熱回收系統(tǒng)，屬于一般熱交換領(lǐng)域；主要包括中溫過熱器、中溫膨脹器、中溫冷凝器、中溫壓縮泵、中溫蒸汽發(fā)生器、中溫膨脹器曲軸、中溫輸出功裝置、低溫過熱器、低溫膨脹器、低溫冷凝器、低溫壓縮泵、低溫蒸汽發(fā)生器、低溫膨脹器曲軸、低溫輸出功裝置、排氣分流閥、低溫分流閥等；連接關(guān)系是中溫蒸汽發(fā)生器、中溫過熱器、中溫膨脹器、中溫冷凝器與中溫壓縮泵依次相連形成回路，組成中溫朗肯循環(huán)；低溫過熱器、低溫膨脹器、低溫冷凝器、低溫壓縮泵、低溫分流閥、低溫蒸汽發(fā)生器依次相連形成回路，組成低溫朗肯循環(huán)，本發(fā)明更為適應(yīng)運行工況不定、能量狀態(tài)多變的公路用汽車發(fā)動機上的廢熱回收。
文檔編號F01K23/10GK101413407SQ20081017932
公開日2009年4月22日 申請日期2008年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月28日
發(fā)明者方金莉, 馬朝臣, 魏名山 申請人:北京理工大學