阅读说明：本技术 一种内燃机余热回收装置及其回收方法 (Internal combustion engine waste heat recovery device and recovery method thereof ) 是由 王轩 田华 舒歌群 王瑞 于 2020-03-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种内燃机余热回收装置及回收方法,其中余热回收装置包括：内燃机缸体,烟气换热器,膨胀机,增压空气预热器,高温回热器,低温回热器,冷却单元,增压单元以及工质罐,所述内燃机余热回收装置使用超临界/亚临界CO<Sub>2</Sub>作为循环工质。本发明利用超临界/亚临界CO<Sub>2</Sub>充分回收内燃机内的多种不同品质的热源,诸如烟气,缸套水以及增压空气的余热,结构简单,采用的循环介质经济性好,能够有效提升余热回收效率。(The invention discloses a waste heat recovery device and a recovery method of an internal combustion engine, wherein the waste heat recovery device comprises: the waste heat recovery device of the internal combustion engine comprises an internal combustion engine cylinder body, a flue gas heat exchanger, an expander, a pressurized air preheater, a high-temperature heat regenerator, a low-temperature heat regenerator, a cooling unit, a pressurizing unit and a working medium tank, wherein the waste heat recovery device of the internal combustion engine uses supercritical/subcritical CO 2 As a circulating working medium. The invention utilizes supercritical/subcritical CO 2 Fully recovers the waste heat of various heat sources with different qualities in the internal combustion engine, such as flue gas, cylinder liner water and pressurized air, has simple structure and adopts the economical efficiency of circulating mediumGood, can effectively promote waste heat recovery efficiency.)

一种内燃机余热回收装置及其回收方法

技术领域

本发明能源利用技术领域，具体涉及一种内燃机余热回收装置及其回收方法。

背景技术

内燃机被广泛应用在现代工业中，并发挥着不可替代的作用。然而内燃机的实际效率往往仅有40％-50％，大量的能量被烟气，缸套冷却水以及增压空气等带走，因此余热回收是一种提高内燃机能量利用率的有效手段。而内燃机存在的多种余热源，诸如烟气，缸套冷却水和增压空气，具有大温差多品质的特点，主要表现在：烟气余热源的温度往往高达600℃左右，而缸套冷却水的温度一般在85℃左右，增压空气的温度一般为150℃左右。

CN108489141A公开了一种针对内燃机中冷器循环水余热的回收装置和方法，该发明包括与中冷器连接的冷却塔系统和高温水源热泵系统，用于冷却内燃机中冷器循环水，通过将高温水源热泵与内燃机为原动机的分布式能源进行集成。该发明仅针对中冷器循环水进行余热回收。

CN109891059A公开了具有引导工作流体的工作流体回路的余热回收系统，其所基于的基本任务是具有一个装置，用于避免其液态部分导致膨胀机损坏。该发明主要是针对基工作流体进行余热回收。

CN104500265A公开了一种内燃机的增压余热回收系统，该发明针对增压空气进行余热回收。

为此，需要设计一款高效的余热回收系统同时对多种不同品质的余热进行回收利用。同时对于一些移动装置中的内燃机，例如重型卡车，船舶等，又对余热回收系统的小型化和集成化提出了要求。因此有必要针对内燃机余热的特点开发一种小型紧凑化的高效余热回收装置以及应用该装置的回收方法。

由于超临界CO₂具有传热性能好，能量密度大的特点，被认为是一种具有小型化潜质的工质。而且CO₂是惰性气体，不易燃烧，化学性能稳定，价格低廉经济性好。考虑采用超临界CO₂作为内燃机缸套的冷却介质，以取代替换传统的缸套冷却水，提升余热回收效率，达到节能降耗的目的。

发明内容

本发明的目的在于利用超临界/亚临界CO₂作为循环工质充分回收内燃机的烟气，缸套水以及增压空气的余热，并使余热回收系统小型化，为此，本发明提供一种利用超临界/亚临界CO₂作为循环工质的内燃机余热回收装置及回收方法。

一种内燃机余热回收装置，包括：内燃机缸体，烟气换热器，膨胀机，增压空气预热器，高温回热器，低温回热器，冷却单元，增压单元以及工质罐，其中所述内燃机余热回收装置使用超临界/亚临界CO₂作为循环工质。

所述增压单元的入口与所述工质罐的出口相连，所述增压单元的出口与两条管路相连，第一管路与所述增压空气预热器的冷流体侧入口相连，第二管路与所述低温回热器的冷流体侧入口相连，所述增压空气预热器与所述低温回热器的冷流体侧出口汇合后与所述内燃机缸体相连；所述内燃机缸体的出口与所述高温回热器的冷流体侧入口相连，所述高温回热器的冷流体侧出口与所述烟气换热器的冷流体侧入口相连，所述烟气换热器冷流体侧出口与所述膨胀机的入口相连，所述膨胀机的出口与所述高温回热器的热流体侧入口相连，所述高温回热器的热流体侧出口与所述低温回热器的热流体侧入口相连，所述低温回热器的热流体侧出口与所述冷却单元的入口相连，所述冷却单元的出口与所述工质罐相连的入口相连。

所述增压单元用于提升从所述工质罐中通入的工质CO₂的压力，将所述工质加压为超临界状态，再分别将加压后的工质输送至所述增压空气预热器和所述低温回热器。

所述增压空气预热器兼具中冷器与加热器的作用，用于将经过发动机增压器的高温增压空气冷却，并使工质与增压空气换热从而增加工质的温度；再将加热后的工质与从所述低温回热器出口输出的工质汇合后，输送至所述内燃机缸体。

所述低温回热器具有冷流体侧和热流体侧，其中所述冷流体侧中的冷流体为从所述增压单元中输入的超临界低温工质CO₂；所述热流体侧中的热流体为从所述高温回热器的热流体侧输入的经初次回热的超临界CO₂；所述低温回热器用于将从所述增压单元中通入的工质与从所述高温回热器的热流体侧通入的工质进行换热，再分别将加热后的工质与从所述压空气预热器出口输出的工质汇合后，输送至所述内燃机缸体；将经过二次回热的工质CO₂输送至所述冷却单元。

所述内燃机缸体使用工质CO₂取代缸套水在缸体内循环以降低缸体温度，提升工质的温度，再将加热后的工质输送至所述高温回热器。

所述高温回热器具有冷流体侧和热流体侧，其中所述冷流体侧中的冷流体为从所述内燃机缸体输入的工质CO₂，进行再次升温；所述热流体侧中的热流体为从所述膨胀机输入的高温工质CO₂，进行初次回热；所述高温回热器用于将从所述内燃机缸体中通入的工质与从所述膨胀机中通入的工质进行换热，再分别将升温的工质输送至所述烟气换热器；将经过初次回热的工质CO₂输送至所述低温回热器。

所述烟气换热器用于使工质与所述烟气换热器中热流体侧的烟气换热，从而增加工质的温度。

所述膨胀机用于使高温的超临界工质CO2膨胀并推动膨胀机叶轮旋转作功，并将作功后的工质输送至所述高温回热器。

进一步的，当工质罐中的工质CO2为超临界状态时，所述增压单元选用压缩机，当工质罐1中的工质CO2为亚临界状态时，所述增压单元选用泵。

进一步的，当工质罐中的工质CO2为超临界状态时，所述冷却单元选用冷却器，工质罐中的工质CO2为亚临界状态时，所述冷却单元选用冷凝器。

其中，应用所述内燃机余热回收装置的内燃机余热回收方法如下：

所述工质罐1中的工质CO₂通入所述增压单元进行增压，低温CO₂在此被加压为超临界状态，之后工质从所述增压单元的出口排出后分成两路，一路从所述增压空气预热器的冷流体侧入口进入，工质在此被来自发动机增压器的增压空气加热并回收热量，当冷流体温度达到预设的第一温度时从所述增压空气预热器的冷流体侧出口流出，另一路从所述低温回热器的冷流体侧入口进入，工质在此被所述低温回热器的热流体加热并回收热量，当冷流体温度达到第一温度时从所述低温回热器的冷流体侧出口流出，随后两路工质汇合后进入所述内燃机缸体内进行循环并吸收缸体热量；

当工质CO₂温度达到第二温度时，所述工质CO₂从所述内燃机缸体的出口排出后进入所述高温回热器的冷流体侧入口，工质在此被加热并回收高温加热器中的余热，之后从所述高温回热器的冷流体侧出口排出后进入所述烟气换热器冷流体侧入口，工质在此被继续加热并回收内燃机烟气的热量；

当工质CO₂的温度达到第三温度以上时，从所述烟气换热器冷流体侧出口排出后进入所述膨胀机膨胀作功；

工质CO₂从所述膨胀机的CO₂出口排出后进入所述高温回热器的热流体侧入口，所述工质被所述高温回热器的冷流体侧的工质，即从所述内燃机缸体排出的工质，冷却后排出；

当工质CO₂的温度达到第四温度时，从所述高温回热器的热流体侧出口排出后进入所述低温回热器的热流体侧入口，所述工质被所述低温回热器的冷流体侧的工质，即从所述增压单元2的出口排出的工质，进一步冷却后排出；

工质CO₂从所述低温回热器的热流体侧出口排出后进入所述冷却单元进行冷却回热，之后流入所述工质罐进行内燃机的吸热和再次循环。

进一步的，所述预设的第一温度范围为50-60℃。

进一步的，所述预设的第二温度范围为80-90℃。

进一步的，所述预设的第三温度为300℃。

进一步的，所述预设的第四温度范围为110-120℃。

进一步的，所述增压单元将所述工质CO₂压力增加至10MPa以上。

进一步的，当经过所述膨胀机后的工质压力值为7.38MPa以上时，所述工质CO₂为超临界状态；否则，所述工质CO₂为亚临界状态。

至此完成一个循环过程。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明利用超临界/亚临界CO₂布雷顿循环系统充分回收内燃机内的多种不同品质的热源，诸如烟气，缸套水以及增压空气的余热；

2.利用超临界/亚临界CO₂作为循环工质取代传统的缸体内的缸套冷却水，具有传热性能好，能量密度大的特点；而且CO₂是惰性气体，不易燃烧，化学性能稳定，价格低廉经济性好；

3.本发明结构简单，采用的循环介质经济性好，能够有效提升余热回收效率。

附图说明

图1是本发明所述的内燃机余热回收装置的结构示意图。

其中：

1：工质罐

2：压缩机/泵

3：增压空气预热器

4：低温回热器

5：内燃机缸体

6：高温回热器

7：烟气换热器

8：膨胀机

9：冷却器/冷凝器

10：增压器

11：涡轮

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述，所描述的具体的实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

实施例1

如图1所示，一种内燃机余热回收装置，包括：内燃机缸体5，烟气换热器7，膨胀机8，增压空气预热器3，高温回热器6，低温回热器4，冷却器9，压缩机2以及工质罐1，其中所述内燃机余热回收装置使用超临界CO₂作为循环工质。

所述压缩机2的入口与所述工质罐1的出口相连，所述压缩机2的出口与两条管路相连，第一管路与所述增压空气预热器3的冷流体侧入口相连，第二管路与所述低温回热器4的冷流体侧入口相连，所述增压空气预热器3与所述低温回热器4的冷流体侧出口汇合后与所述内燃机缸体5相连；所述内燃机缸体5的出口与所述高温回热器6的冷流体侧入口相连，所述高温回热器6的冷流体侧出口与所述烟气换热器7的冷流体侧入口相连，所述烟气换热器7冷流体侧出口与所述膨胀机8的入口相连，所述膨胀机8的出口与所述高温回热器6的热流体侧入口相连，所述高温回热器6的热流体侧出口与所述低温回热器4的热流体侧入口相连，所述低温回热器4的热流体侧出口与所述冷却单元9的入口相连，所述冷却器9的出口与所述工质罐1相连的入口相连。

所述压缩机2用于提升从所述工质罐1中通入的工质CO₂的压力，将所述工质压缩为超临界状态。

所述增压空气预热器3兼具中冷器与加热器的作用，用于将经过发动机增压器10的高温增压空气冷却，并使工质与增压空气换热从而增加工质的温度。

所述低温回热器4具有冷流体侧和热流体侧，其中所述冷流体侧中的冷流体为从所述压缩机2中输入的超临界低温工质CO₂；所述热流体侧中的热流体为从所述高温回热器6的热流体侧输入的经初次回热超临界CO₂；所述低温回热器4用于将从所述压缩机2中通入的工质与从所述高温回热器6的热流体侧通入的工质进行换热。

所述内燃机缸体5使用工质CO₂取代缸套水在缸体内循环以降低缸体温度，提升工质的温度。

所述高温回热器6具有冷流体侧和热流体侧，其中所述冷流体侧中的冷流体为从所述内燃机缸体5输入的工质CO₂，进行再次升温；所述热流体侧中的热流体为从所述膨胀机8输入的高温工质CO₂，进行初次回热；所述高温回热器6用于将从所述内燃机缸体5中通入的工质与从所述膨胀机8中通入的工质进行换热。

所述烟气换热器7用于使工质与所述烟气换热器热流体侧中的烟气换热，从而增加工质的温度。

所述膨胀机用于使高温的超临界工质CO₂膨胀并推动膨胀机叶轮旋转作功，并将作功后的工质输送至所述高温回热器6。

利用所述内燃机余热回收装置的内燃机余热回收方法如下：

将所述工质罐1中的温度约35-40℃的低温超临界工质CO₂通入所述压缩机2增压至10MPa，之后超临界工质从所述压缩机2的出口排出后分成两路，一路从所述增压空气预热器3的冷流体侧入口进入，工质在此被来自发动机增压器10的增压空气加热至50-60℃左右并完全回收增压空气的热量，另一路从所述低温回热器4的冷流体侧入口进入，所述低温回热器4的热流体侧为高温回热器6后的低温CO₂乏气，工质在此被加热至50-60℃左右，而所述低温回热器4的热流体温度降低到70℃左右；随后两路工质汇合后进入所述内燃机缸体5内进行循环并吸收缸体热量，此处超临界工质CO₂流体起到了缸套冷却水的作用。

从所述内燃机缸体5出口排出的CO₂被加热到80-90℃左右，随后进入所述高温回热器6的冷流体侧入口，工质在此被进一步加热至200℃左右并回收高温加热器中的余热，之后从所述高温回热器6的冷流体侧出口排出后进入所述烟气换热器7冷流体侧入口，所述烟气换热器7的热流体侧为内燃机烟气，工质在此被继续加热至300℃以上并回收内燃机烟气的热量。在此，工质被最终加热成高温高压的状态。

工质CO₂从所述烟气换热器7冷流体侧出口排出后进入所述膨胀机8膨胀作功。

工质CO₂从所述膨胀机8的CO₂出口排出后，其工质压力为8MPa，此时为超临界状态，超临界工质CO₂进入所述高温回热器6的热流体侧入口，所述工质被所述高温回热器6的冷流体侧的工质，即从所述内燃机缸体5排出的工质，冷却至110℃左右后排出。

工质CO₂从所述高温回热器6的热流体侧出口排出后进入所述低温回热器4的热流体侧入口，所述工质被所述低温回热器4的冷流体侧的工质，即从所述压缩机2的出口排出的工质，进一步冷却至70℃左右后排出。

工质CO₂从所述低温回热器4的热流体侧出口排出后进入所述冷却器9进行冷却回热至35-40℃，之后流入所述工质罐1进行内燃机的吸热和再次循环。

实施例2

一种内燃机余热回收装置，包括：内燃机缸体5，烟气换热器7，膨胀机8，增压空气预热器3，高温回热器6，低温回热器4，冷凝器9，泵2以及工质罐1，其中所述内燃机余热回收装置使用超临界/亚临界CO₂液体作为循环工质。

该实施例中的余热回收装置结构及连接方式与实施例1近似，只是将实施例1中的压缩机2和冷却器9分别替换为泵2和冷凝器。如此替换的原因是由于膨胀机8后的CO₂压力降低到临界压力之下，变成亚临界的流体而非实施例1中的超临界流体，并且在冷凝器中被冷却成液态，所以选用泵2和冷凝器。

利用所述内燃机余热回收装置的内燃机余热回收方法如下：

将所述工质罐1中的温度约25-30℃的亚临界低温液态工质CO₂通入所述泵2增压至增压至10MPa，使工质变为超临界状态，之后超临界工质从所述泵2的出口排出后分成两路，一路从所述增压空气预热器3的冷流体侧入口进入，工质在此被增压空气加热至50℃-60℃左右并完全回收增压空气的热量，另一路从所述低温回热器4的冷流体侧入口进入，所述低温回热器4的热流体侧为高温回热器6后的低温CO₂乏气，工质在此被加热至50-60℃左右，而所述低温回热器4的热流体温度降低到60℃左右；随后两路工质汇合后进入所述内燃机缸体5内进行循环并吸收缸体热量，此处超临界工质CO₂流体起到了缸套冷却水的作用。

从所述内燃机缸体5出口排出的CO₂被加热到80-90℃左右，随后进入所述高温回热器6的冷流体侧入口，工质在此被进一步加热至190℃左右并回收高温加热器中的余热，之后从所述高温回热器6的冷流体侧出口排出后进入所述烟气换热器7冷流体侧入口，所述烟气换热器7的热流体侧为内燃机烟气，工质在此被继续加热至300℃以上并回收内燃机烟气的热量。在此，工质被最终加热成高温高压的超临界状态。

工质CO₂从所述烟气换热器7冷流体侧出口排出后进入所述膨胀机8膨胀作功。

工质CO₂从所述膨胀机8的CO₂出口排出后压力降到7.35MPa，变成亚临界状态并进入所述高温回热器6的热流体侧入口，所述工质被所述高温回热器6的冷流体侧的工质，即从所述内燃机缸体5排出的工质，冷却至110℃左右后排出。

工质CO₂从所述高温回热器6的热流体侧出口排出后进入所述低温回热器4的热流体侧入口，所述工质被所述低温回热器4的冷流体侧的工质，即从所述泵2的出口排出的工质，进一步冷却至60℃左右后排出。

工质CO₂从所述低温回热器4的热流体侧出口排出后进入所述冷凝器9被冷却成约25-30℃的液态工质，之后流入所述工质罐1进行内燃机的吸热和再次循环。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。