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CN111042948A - 一种带闪蒸的多级内燃机余热回收系统 - Google Patents

一种带闪蒸的多级内燃机余热回收系统 Download PDF

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CN111042948A
CN111042948A CN201911159107.XA CN201911159107A CN111042948A CN 111042948 A CN111042948 A CN 111042948A CN 201911159107 A CN201911159107 A CN 201911159107A CN 111042948 A CN111042948 A CN 111042948A
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China
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waste heat
heat recovery
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low
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王轩
田华
舒歌群
王瑞
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Tianjin University
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Tianjin University
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  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

本发明公开一种带闪蒸的多级内燃机余热回收系统，主要包括低温余热回收机构、高温高温烟气余热回收机构和冷凝热排放机构，所述低温余热回收机构用于将内燃机中增压空气和缸套冷却水的余热回收转换输出；所述高温高温烟气余热回收机构用于将内燃机中烟气余热回收转换输出；所述冷凝热排放冷凝热排放机构用于排放工质的低品位冷凝热；该余热回收系统可按照能量品质完全利用内燃机各种温度的余热，并显著提高内燃机的整体能源效率。

Description

一种带闪蒸的多级内燃机余热回收系统
技术领域
本发明涉及能源利用技术领域，具体涉及一种带闪蒸的多级内燃机余热回收系统。
背景技术
内燃机在现代工业中有着不可替代的作用，同时也消耗着大量的化石燃料，是二氧化碳的主要排放源，因此内燃机的节能减排至关重要。然而内燃机的效率往往只有40％左右，大量的能量都被烟气，缸套冷却水以及增压空气等带走，因此余热回收是提高内燃机效率的一种非常有效的手段。内燃机具有多种不同温度的余热源：最主要的余热源是烟气，占总输入能量的30％-40％,其温度最高可达600℃左右；其次是缸套水余热，占总输入能量的20％-30％，温度70-90℃左右；对于进气增压内燃机，增压空气还会带走约5-10％的热量，其在增压器出口的温度为100-150℃左右。因此，简单的余热回收系统并不能对内燃机各种温度的余热进行充分且有效的回收利用。针对上述问题，必须根据按质用能，梯级利用的原则，提出更高效的余热回收系统，才能充分利用内燃机的余热。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种带闪蒸的多级内燃机余热回收系统，该余热回收系统可按照能量品质完全利用内燃机各种温度的余热，并显著提高内燃机的整体能源效率。
为了解决现有技术存在的问题，本发明采用如下技术方案:
一种带闪蒸的多级内燃机余热回收系统，所述回收循环系统包括低温余热回收机构、高温烟气余热回收机构和冷凝热排放机构，所述低温余热回收机构用于将内燃机中增压空气和缸套冷却水的余热回收转换输出；
所述高温烟气余热回收机构用于将内燃机中烟气余热回收转换输出；
所述冷凝热排放机构用于将工质的低品位冷凝热排放；其中：所述低温余热回收机构与所述冷凝热排放机构构成余热回收闭合循环系统；所述高温烟气余热回收机构输出端同时接所述低温余热回收机构输出端与所述冷凝热排放机构输入端。
所述低温余热回收机构包括工质泵、低温增压空气换热器、缸套水换热器和高温增压空气换热器、闪蒸罐和低压膨胀机；所述工质泵输出端后被加压的工质依次通过低温增压空气换热器、缸套水换热器和高温增压空气换热器，所述高温增压空气换热器输出端与闪蒸罐连接，所述闪蒸罐输出端与低压膨胀机连接。
所述高温烟气余热回收机构由烟气换热器和高压膨胀机构成；在高温增压空气换热器后，烟气换热器之前工质分成了两路：一路去往烟气换热器，在这里烟气余热使工质完全蒸发，然后进入到高压膨胀机中膨胀做功；剩下的工质连接到一个闪蒸罐内，在罐内工质压力下降并闪蒸出一定质量的饱和气体，然后进入到低压膨胀机中膨胀做功。
所述低温余热回收机构还包括一个升压泵，其中：闪蒸罐设有饱和液出口，闪蒸后剩余的饱和液工质被升压泵升压到工质泵后的压力，然后在低温增压空气换热器前和工质泵所输送的工质混合并提升工质的总体温度。
所述冷凝热排放机构由冷凝器和储液罐构成，其中：所述低温余热回收机构和所述高温烟气余热回收机构汇合后的工质一起流入到冷凝器中被冷却水冷凝成低温液体并流入到储液罐，最后继续被工质泵升压并输送至各个换热器中，重新开始下一个循环。
有益效果
1、本发明可实现缸套冷却水余热的100％回收利用，而传统余热回收技术仅能利用30-40％的缸套冷却水余热。
2、本发明可将增压空气的温度降到40-50℃，起到了增压空气中冷器的作用，因此可以替代原内燃机上的增压空气中冷器。
3、本发明可同时对内燃机烟气，缸套冷却水和增压空气进行100％的回收利用，因此较传统的技术大大提高了余热回收系统的输出功。
附图说明
图1是本发明一种带闪蒸的多级内燃机余热回收系统的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明公开了一种带闪蒸的多级内燃机余热回收系统，主要包括低温余热回收机构101、高温烟气余热回收机构201和冷凝热排放机构301，所述低温余热回收机构101用于将内燃机中缸套冷却水和增压空气的余热回收转换输出；所述高温烟气余热回收机构201用于将内燃机中烟气余热回收转换输出；所述冷凝热排放机构301用于将工质的低品位冷凝热排放；其中：所述低温余热回收机构101与所述冷凝热排放机构301构成余热回收闭合循环系统；所述高温烟气余热回收机构201输出端同时接所述低温余热回收机构101输出端与所述冷凝热排放机构301输入端。
用于内燃机余热回收循环系统，其中:所述低温余热回收机构101包括部件：工质泵102、低温增压空气换热器103，缸套水换热器104，高温增压空气换热器105、闪蒸罐106、低压膨胀机107和升压泵108；所述高温烟气余热回收机构201由烟气换热器202以及高压膨胀机203构成，所述冷凝热排放机构301由储液罐302、冷凝器303构成。
具体而言，在该余热回收系统中，工质泵102后被加压的工质首先依次通过低温增压空气换热器103，缸套水换热器104和高温增压空气换热器105，分别吸收增压空气低温段余热，缸套水余热和增压空气高温段余热。增压空气的热量分成两段被回收利用的主要原因是其可回收利用的温度范围比较大，在大约150℃至大约50℃这个范围内。而缸套水可利用的温度范围仅仅在大约70℃到大约90℃之间。为了不对增压空气的高温段热量进行降低能量品质的利用，所以首先让工质吸收增压空气的低温段能量，然后再吸收缸套水的热量，最后再吸收增压空气的高温段热量。
为了完全回收增压空气和缸套水的余热，工质的流量需要足够大。足够大的流量会导致烟气的热量不足以使所有从高温增压空气换热器出来的工质完全蒸发，因此在高温增压空气换热器后，烟气换热器之前工质分成了两路：一路去往烟气换热器202，在这里烟气余热使工质完全蒸发，然后进入到高压膨胀机203中膨胀做功；另一路连接一个闪蒸罐106，在罐内工质压力下降并闪蒸出一定质量的饱和气体，然后进入到低压膨胀机107中膨胀做功。闪蒸后的饱和液工质被一个升压泵108升压到工质泵后压力，然后和工质泵所输送的工质在低温增压空气换热器前混合并提升工质的总体温度。膨胀后的两路工质从高压和低压膨胀机中出来后汇合，并一起到冷凝器中冷凝。最后流入到储液罐，然后继续被泵升压并输送至各个换热器中。
此外，足够大的流量会导致烟气的热量不足以使所有从高温增压空气换热器105出来的工质完全蒸发。为解决这两个相互矛盾的问题，在高温增压空气换热器105后，烟气换热器202之前工质分成了两路：一路去往烟气换热器202，在这里烟气余热使工质完全蒸发，然后进入到高压膨胀机203中膨胀做功；剩下的工质连接到一个闪蒸罐106内，该闪蒸罐106用于部分降低工质的压力，使工质的压力降低到低于当前温度的饱和压力，从而闪蒸出一定质量的饱和气体，然后进入到低压膨胀机107中膨胀做功。
为了利用闪蒸后剩余的饱和液工质的热量，这部分工质被一个升压泵108升压到工质泵1后的压力，然后在低温增压空气换热器103前和工质泵102所输送的工质混合并提升工质的总体温度。在高压膨胀机203和低压膨胀机107中膨胀后的两路工质从膨胀机中出来后汇合成一股流体，因此两个膨胀机后的压力是一样的。汇合后的工质一起流入到冷凝器303中被冷却水冷凝成低温液体并流入到储液罐302，最后继续被工质泵102升压并输送至各个换热器中，重新开始下一个循环。
该余热回收系统中，工质泵102用于将储液罐302中的低温液态工质加压输送。工质泵102后依次连接至低温增压空气换热器103，缸套水换热器104和高温增压空气换热器105的冷流体侧。这三个换热器的热流体侧依次连接低温增压空气，缸套水和高温增压空气。工质在这三个换热器内分别吸收增压空气低温段余热(约50-90℃)，缸套水余热(约70-90℃)和增压空气高温段余热(约90-150℃)。工质在依次通过这三个换热器后，温度变为大约45℃，85℃和90℃。
在高温增压空气换热器后，烟气换热器202之前工质分成了两路。一路连接至烟气换热器202的冷流体侧，热流体侧连通内燃机烟气。在这里工质被烟气加热并完全蒸发变成有一定过热度的气体。烟气换热器202的工质出口连接至高压膨胀机203中，在这里工质膨胀做功；剩下的另一路工质连接到一个闪蒸罐106内，在闪蒸罐106内工质的压力降低到低于饱和压力，例如大约65-75℃所对应的饱和温度。因此工质闪蒸出一定质量的饱和气体。闪蒸罐106的气体出口连接至低压膨胀机107，在这里低压工质膨胀做功。
闪蒸罐106的下部设有饱和液出口，并连接至一个升压泵108。在升压泵108和工质泵102后设有一个工质汇合点，闪蒸后的饱和液工质被升压泵108升压到工质泵1后的压力，然后在汇合点和工质泵107所输送的工质混合并同时提升工质的总体温度，例如40℃左右。
在高压膨胀机203和低压膨胀机107后设有工质汇合点，在两个膨胀机中膨胀后的两路工质在汇合点合成一股流体。汇合点后连接至冷凝器303的热流体侧，冷流体侧连通有冷却水。在冷凝器303里，工质被冷却成低温液态，例如25℃左右。冷凝器303的冷流体侧出口连接至储液罐302。储液罐302出口连接至工质泵102，工质在这里被加压并在泵102后汇合点和升压泵108后的工质汇合，然后再输送到各个换热器中，重新开始下一个循环。
该余热回收系统可按照能量品质完全利用内燃机各种温度的余热，并显著提高内燃机的整体能源效率。

Claims (5)

1.一种带闪蒸的多级内燃机余热回收系统，主要包括低温余热低温余热回收机构、高温高温烟气余热回收机构和冷凝热排放冷凝热排放机构，其特征在于：
所述低温余热回收机构用于将内燃机中增压空气和缸套冷却水的余热回收转换输出；
所述高温高温烟气余热回收机构用于将内燃机中烟气余热回收转换输出；
所述冷凝热排放机构用于将工质的低品位冷凝热排放；其中：所述低温余热回收机构与所述冷凝热排放机构构成余热回收闭合循环系统；所述高温烟气余热回收机构输出端同时接所述低温余热回收机构输出端与所述冷凝热排放机构输入端。
2.如权利要求1所述的一种带闪蒸的多级内燃机余热回收系统，其特征在于：所述低温余热回收机构包括工质泵、低温增压空气换热器、缸套水换热器和高温增压空气换热器、闪蒸罐和低压膨胀机；所述工质泵输出端后被加压的工质依次通过低温增压空气换热器、缸套水换热器和高温增压空气换热器，所述高温增压空气换热器输出端与闪蒸罐连接，所述闪蒸罐输出端与低压膨胀机连接。
3.如权利要求2所述的一种带闪蒸的多级内燃机余热回收系统，其特征在于：所述高温烟气余热回收机构由烟气换热器和高压膨胀机构成；在高温增压空气换热器后，烟气换热器之前工质分成了两路：一路去往烟气换热器，在这里烟气余热使工质完全蒸发，然后进入到高压膨胀机中膨胀做功；剩下的工质连接到一个闪蒸罐内，在罐内工质压力下降并闪蒸出一定质量的饱和气体，然后进入到低压膨胀机中膨胀做功。
4.如权利要求2所述的一种带闪蒸的多级内燃机余热回收系统，其特征在于：所述低温余热回收机构还包括一个升压泵，其中：闪蒸罐设有饱和液出口，闪蒸后剩余的饱和液工质被升压泵升压到工质泵后的压力，然后在低温增压空气换热器前和工质泵所输送的工质混合并提升工质的总体温度。
5.如权利要求2所述的一种带闪蒸的多级内燃机余热回收系统，其特征在于：所述冷凝热排放机构由冷凝器和储液罐构成，其中：所述低温余热回收机构和所述高温烟气余热回收机构汇合后的工质一起流入到冷凝器中被冷却水冷凝成低温液体并流入到储液罐，最后继续被工质泵升压并输送至各个换热器中，重新开始下一个循环。
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