[发明专利]两级朗肯循环的柴油机排气余热回收系统

说明书

技术领域

本发明属于内燃机节能减排技术，具体涉及一种用于柴油机高温排气余热回收的二级有机朗肯循环系统。

背景技术

随着能源日益短缺和环境问题的日益严峻，内燃机的节能减排受到世人关注。利用有机朗肯循环（ORC）技术回收柴油机余热是目前的研究热点，其热效率和安全性较高，结构简单。目前朗肯循环回收余热的技术大多集中在单级循环。通过研究发现，回收中低温余热采用单级ORC其效率优于传统的蒸气朗肯循环。但是采用ORC的条件是工质温度一般不要高于350℃，而发动机排气温度一般高达500～600℃。如此高的温度可能造成有机工质分解，这是制约ORC在高温余热回收利用的主要缺陷。为解决此问题，意大利Parma大学在排气和工质之间采用导热油循环，并对此方案进行了模拟分析，结果显示效率可以提高12%。但是导热油循环会降低热源的品位而减少回收的热量。此外单级ORC对排气的余热利用也不充分，发动机排气经过换热后依然具有相对较高的温度，工质膨胀后的乏气也具有较高的温度包括冷却水也具有一定的余热。

因此，针对上述现状，如果能将发动机排气的高温余热充分回收利用，则对内燃机节能减排技术的提高意义重大。

发明内容

本发明的目的是，提出一种采用两级朗肯循环的柴油机排气余热回收系统，阶梯回收发动机的排气余热，使发动机高温排气余热得到充分利用。

以下结合附图对本发明的原理与系统组成进行说明。两级朗肯循环的柴油机排气余热回收系统，包括蒸发器、汽轮机、发电机、冷凝器、工质泵、高温预热器、低温预热器以及发动机等。系统所采用的技术方案是：由第一蒸发器工质侧、第一汽轮机、高温预热器高温工质侧、第一冷凝器工质侧、以及第一工质泵依次连接组成第一级朗肯循环系统；由第二蒸发器工质侧、第二汽轮机、第二冷凝器工质侧、第二工质泵、低温预热器工质侧以及高温预热器的低温工质侧依次连接组成第二级朗肯循环系统。通过高温预热器将第一与第二级朗肯循环系统进行连接。发动机排气管依次接于第一蒸发器和第二蒸发器的气侧，发动机机内冷却水与低温预热器中的工质侧连接，构成机内冷却水封闭循环换热。第一汽轮机与第一发电机轴连接；第二汽轮机与第二发电机轴连接。

系统原理是：第一级朗肯循环是蒸汽朗肯循环，所采用工质为水。第一级朗肯循环的热源是发动机排气的高温余热，利用蒸汽循环系统来驱动发动机发电。第二级朗肯循环的热源主要是经过（与第一蒸发器）一次换热后的发动机排气高温，高温废气经过与第一蒸发器换热后，其温度已降至350℃以下，所以可以采用适于中高温热源的有机朗肯循环，由此实现柴油机排气余热的充分利用，达到节能和系统高效热力循环的目的。

本发明的特点及有益效果是，利用蒸汽朗肯循环和有机朗肯循环，使发动机高温排气余热得到最充分利用。通过两级朗肯循环阶梯回收发动机的排气余热，可以解除ORC技术在柴油机排气余热回收上的限制，达到节能和系统高效热力循环的目的。

附图说明

所示附图是发明原理与系统组成结构图。图中的粗线表示排气路径。

具体实施方式

以下结合附图并通过实施例对本发明的原理与系统做进一步的说明。需要说明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。

两级朗肯循环的柴油机排气余热回收系统，包括蒸发器、汽轮机、发电机、冷凝器、工质泵、高温预热器、低温预热器以及发动机，其系统组成为：由第一蒸发器1工质侧、第一汽轮机2、高温预热器3的高温工质侧、第一冷凝器4工质侧以及第一工质泵5依次连接组成第一级朗肯循环系统；由第二蒸发器7工质侧、第二汽轮机8、第二冷凝器9工质侧、第二工质泵10、低温预热器11工质侧、以及高温预热器3的低温工质侧依次连接组成第二级朗肯循环系统。第一汽轮机与第一发电机6轴连接；第二汽轮机与第二发电机12轴连接。通过高温预热器3将第一与第二级朗肯循环系统进行连接，发动机13排气管依次接于第一蒸发器和第二蒸发器的气侧。发动机机内冷却水与低温预热器中的工质侧连接，构成机内冷却水封闭循环换热。

第一级朗肯循环中所述的工质为水。第二级朗肯循环中所述的工质为R123，或者是R134a。