一种基于非共沸混合工质功冷联供复合循环的内燃机余热回收系统
阅读说明：本技术 一种基于非共沸混合工质功冷联供复合循环的内燃机余热回收系统 (Internal combustion engine waste heat recovery system based on non-azeotropic mixed working medium power-cooling combined supply combined cycle ) 是由 王辉涛 殷旭东 王建军 朱道飞 徐煜 毛芸 夏禹辰 王钰璇 魏云辉 陈丹晖 申妤 于 2020-11-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于非共沸混合工质功冷联供复合循环的内燃机余热回收系统,属于余热利用与节能技术领域。本发明包括ORC供液泵、ORC蒸汽发生器、ORC过热器、ORC透平、喷射器、凝汽器、制冷蒸发器、冷凝器、低压供液泵、低压预热器、蒸汽发生器、低压过热器、汽包、混合器、调节阀、截止阀和节流阀。本发明从如何高效利用内燃机余热,提出采用有机朗肯循环(ORC)与喷射式制冷循环(ERC)构成的复合循环梯级内燃机余热回收的功冷联供系统,该系统能充分利用内燃机烟气和缸套冷却水余热实现功冷联供。(The invention relates to an internal combustion engine waste heat recovery system based on non-azeotropic mixed working medium power-cooling combined supply combined cycle, and belongs to the technical field of waste heat utilization and energy conservation. The system comprises an ORC liquid supply pump, an ORC steam generator, an ORC superheater, an ORC turbine, an ejector, a condenser, a refrigeration evaporator, a condenser, a low-pressure liquid supply pump, a low-pressure preheater, a steam generator, a low-pressure superheater, a steam pocket, a mixer, a regulating valve, a stop valve and a throttle valve. The invention provides a combined cycle cascade internal combustion engine waste heat recovery power and cooling combined supply system which is formed by Organic Rankine Cycle (ORC) and injection type refrigeration cycle (ERC) according to how to efficiently utilize the waste heat of an internal combustion engine, and the system can fully utilize the waste heat of the smoke of the internal combustion engine and the cooling water of a cylinder jacket to realize power and cooling combined supply.)
技术领域
本发明涉及一种基于非共沸混合工质功冷联供复合循环的内燃机余热回收系统，属于余热利用与节能技术领域。
背景技术
内燃机以汽油或者柴油作为燃料，广泛应用于交通运输、农业机械、工程机械和发电领域，是石油资源消耗及温室气体排放的主要设备，当前国际汽油柴油价格持续上升，对国民经济发展影响严重。另外，近几年中国部分地区尤其是北方爆发的严重雾霾天气，而内燃机尾气排放是造成雾霾天气的主要原因之一，因此，内燃机节能减排的工作势在必行。但是，当前内燃机设计制造技术已经相当成熟，仅仅通过改进内燃机的结构方式或者改善内燃机的缸内燃烧越来越难以提高内燃机的燃料利用率。有研究表明，内燃机工作时，燃料燃烧释放的能量只有不到42%转化为了内燃机的有用功，其余很大部分的能量以废气散热的方式损失掉，如果能将这部分能量加以回收利用，对提高内燃机能量的利用率以及降低环境污染具有重要的意义。
目前大量的学者对内燃机余热技术进行了研究，主要包括热电能源转化技术（TEG）、废气涡轮增加技术及有机朗肯循环技术（ORC），这其中有机朗肯循环技术由于具有效率高、设备简单、可靠性高等优点，在内燃机余热回收领域展现出了很大的潜力。内燃机可回收的余热主要包括排气和缸套水，其中缸套水出口温度一般低于100℃，这部分能量品位低，但数量大，占输入燃料的30%~40%，因此如何提高对缸套冷却水余热的回收利用是关键。本系统发明人在ORC动力循环与喷射式制冷循环的基础上，构建了能同时高效回收利用烟气与缸套冷却水余热的功冷联供系统。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种基于非共沸混合工质功冷联供复合循环的内燃机余热回收系统。本发明从如何高效利用内燃机余热，提出采用有机朗肯循环（ORC）与喷射式制冷循环（ERC）构成的复合循环梯级内燃机余热回收的功冷联供系统，该系统能充分利用内燃机烟气和缸套冷却水余热实现功冷联供。本发明通过以下技术方案实现。
一种基于非共沸混合工质功冷联供复合循环的内燃机余热回收系统，包括ORC供液泵1、ORC蒸汽发生器2、ORC过热器3、ORC透平4、喷射器5、凝汽器7、制冷蒸发器8、冷凝器9、低压供液泵10、低压预热器11、蒸汽发生器12、低压过热器13、汽包14、混合器15、调节阀、截止阀和节流阀；
所述内燃机高温烟气依次经过ORC过热器3、ORC蒸汽发生器2、低压过热器13放热后排出；
所述缸套热冷却水依次经过蒸汽发生器12换热、低压预热器11放热后排出；
所述冷凝器9中液态混合工质依次通过低压供液泵10、截止阀Ⅲ21输送到低压预热器11中预热，然后进入到蒸汽发生器12中加热，蒸汽发生器12中蒸汽工质出口连接低压过热器13过热，低压过热器13过热蒸汽工质出口一路通过调节阀Ⅰ16进入到ORC透平4中膨胀做功，另一路通过调节阀Ⅱ17连接喷射器5作为引射流体，蒸汽发生器12中液相工质出口通过汽包14、ORC蒸汽发生器2、ORC过热器3后进入到ORC透平4中膨胀做功，ORC透平4中乏汽出口依次经过低压预热器11放热后回到冷凝器9中冷却得到液态混合工质；所述喷射器5中的低压蒸汽出口依次经过截止阀Ⅰ18、凝汽器7冷凝，凝汽器7冷凝液体出口一路依次通过截止阀Ⅱ19和制冷蒸发器8蒸发致冷回到喷射器5中，另一路依次通过混合器15、节流阀20与截止阀Ⅲ21的液态混合工质混合后进入到低压预热器11中预热完成一个工质循环。
所述冷凝器9中液态混合工质为非共沸混合工质或者如氨-水吸收式工质对。上述蒸汽发生器12中蒸汽工质中低沸点组分浓度较高，蒸汽发生器12中液相工质中高沸点组分的浓度较高。本发明内燃机余热回收系统充分利用非共沸混合工质在加热蒸发过程中汽液相组分不同的特点，利用低沸点组分的汽相驱动喷射式制冷，而高沸点组分较多的液相则再次吸热后驱动透平输出有用功，从而使余热获得更高效的利用。
所述低压预热器11采用三流体换热器。
所述还包括压缩机6，喷射器5中的低压蒸汽出口依次经过截止阀Ⅰ18、压缩机6和凝汽器7冷凝。
一种基于非共沸混合工质功冷联供复合循环的内燃机余热回收系统，包括ORC供液泵1、ORC蒸汽发生器2、ORC过热器3、ORC透平4、喷射器5、凝汽器7、制冷蒸发器8、冷凝器9、低压供液泵10、低压预热器11、蒸汽发生器12、低压过热器13、汽包14、混合器15、调节阀、截止阀和节流阀；
所述内燃机高温烟气依次经过ORC过热器3、ORC蒸汽发生器2、低压过热器13放热后排出；
所述缸套热冷却水依次经过蒸汽发生器12换热、低压预热器11放热后排出；
所述冷凝器9中液态混合工质依次通过截止阀Ⅲ21、低压供液泵10输送到低压预热器11中预热，然后进入到蒸汽发生器12中加热，蒸汽发生器12中蒸汽工质出口连接低压过热器13过热，低压过热器13过热蒸汽工质出口一路通过调节阀Ⅰ16进入到ORC透平4中膨胀做功，另一路通过调节阀Ⅱ17连接喷射器5，蒸汽发生器12中液相工质出口通过汽包14、ORC蒸汽发生器2、ORC过热器3后进入到ORC透平4中膨胀做功，ORC透平4中乏汽出口依次经过低压预热器11放热后回到冷凝器9中冷却得到液态混合工质；所述喷射器5中的低压蒸汽出口一路经过截止阀Ⅱ19、凝汽器7冷凝，凝汽器7冷凝液体出口依次通过节流阀20、制冷蒸发器8蒸发致冷回到喷射器5中，另一路通过截止阀Ⅰ18回到冷凝器9中冷凝完成一个工质循环。
还包括压缩机6，喷射器5中的低压蒸汽出口经过截止阀Ⅱ19、压缩机6后，一路经过凝汽器7冷凝，另一路通过截止阀Ⅰ18回到冷凝器9中冷凝完成一个工质循环。
本发明内燃机余热回收系统的低沸点组分蒸汽既可全部用于进透平膨胀做功或进喷射式制冷系统制冷，又可同时进透平膨胀做功和进喷射式制冷系统制冷，且可以通过调整低沸点组分蒸汽的流量比改变系统的输出功量与冷量的比例，系统在不同季节的运行调节更加灵活。
本发明基于非共沸混合工质功冷联供复合循环的内燃机余热回收系统的工作原理为：
凝汽器9中的液态混合工质经低压供液泵10加压输送到低压预热器11中被ORC透平4排放的乏汽及蒸汽发生器12流出的缸套冷却水同时加热，经过预热后的混合工质流入蒸汽发生器12中被从内燃机流出的缸套冷却水加热，此时非共沸混合工质蒸发处于汽液两相状态，蒸汽工质中低沸点组分浓度较高，而液相工质中高沸点组分的浓度增高。蒸汽发生器12出口高沸点组分较多的液相工质出口再经供液泵1加压输送到ORC蒸汽发生器2中吸收烟气余热完全蒸发，蒸汽进入ORC过热器3中过热，符合要求的过热蒸汽进入ORC透平4膨胀做功，乏汽流入低压预热器11回收热量；含低沸点组分较多的蒸汽工质流入低压过热器13中过热，产生的低沸点过热蒸汽流入ORC透平4补汽口或喷射器5中膨胀做功或作为制冷部分用喷射工作流体。对于制冷冷凝器出口液体分流系统而言，在低沸点过热蒸汽工质流入喷射器5入口后，先经喷嘴膨胀加速，在喷射器引射腔中产生真空引射从制冷蒸发器8出来的低温蒸汽，之后高速流动的工作流体与低温蒸汽再在喷射器混合段中混合均匀成低压蒸汽，再流经扩压段增压至冷凝压力（在一些情况下，可能需要采用增压的压缩机6再次增压至冷凝压力），之后流入制冷冷凝器7中冷凝为液体，冷凝液体分为两路：一路经节流阀后流入制冷蒸发器8中蒸发致冷，另一路与凝汽器冷凝液混合后进入低压供液泵10，完成一个循环。或者喷射器5中的低压蒸汽（在一些情况下，可能需要采用增压的压缩机6再次增压至冷凝压力），一路经过流入制冷冷凝器7中冷凝为液体，流入制冷蒸发器8中蒸发致冷，另一路回到冷凝器9中冷凝完成循环。
本发明的有益效果是：
（1）该系统能高效利用内燃机尾气和缸套水余热实现功冷联供，提高内燃机的经济性能；
（2）该系统能强化对内燃机缸套的冷却效果；
（3）该系统的输出功量与冷量可以灵活调节，方便系统在不同季节的运行调节；
（4）该系统具有较高的紧凑性。
附图说明
图1是凝汽器出口蒸汽分流的基于非共沸混合工质功冷联供复合循环的内燃机余热回收系统图；
图2是喷射器出口蒸汽分流的基于非共沸混合工质功冷联供复合循环的内燃机余热回收系统图；
图3是带增压的压缩机且凝汽器出口蒸汽分流的基于非共沸混合工质功冷联供复合循环的内燃机余热回收系统图；
图4是带增压的压缩机且增压的压缩机出口气体分流的基于非共沸混合工质功冷联供复合循环的内燃机余热回收系统图；
图5是低压预热器结构图。
图中：1-ORC供液泵，2-ORC蒸汽发生器，3-ORC过热器，4-ORC透平，5-喷射器，6-压缩机，7-凝汽器，8-制冷蒸发器，9-冷凝器，10-低压供液泵，11-低压预热器，12-蒸汽发生器，13-低压过热器，14-汽包，15-混合器，16-调节阀Ⅰ，17-调节阀Ⅱ，18-截止阀Ⅰ，19-截止阀Ⅱ，20-节流阀，21-截止阀Ⅲ。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1和5所示，该基于非共沸混合工质功冷联供复合循环的内燃机余热回收系统，包括ORC供液泵1、ORC蒸汽发生器2、ORC过热器3、ORC透平4、喷射器5、凝汽器7、制冷蒸发器8、冷凝器9、低压供液泵10、低压预热器11、蒸汽发生器12、低压过热器13、汽包14、混合器15、调节阀、截止阀和节流阀；
所述内燃机高温烟气依次经过ORC过热器3、ORC蒸汽发生器2、低压过热器13放热后排出；
所述缸套热冷却水依次经过蒸汽发生器12换热、低压预热器11放热后排出；
所述冷凝器9中液态混合工质依次通过低压供液泵10、截止阀Ⅲ21输送到低压预热器11中预热，然后进入到蒸汽发生器12中加热，蒸汽发生器12中蒸汽工质出口连接低压过热器13过热，低压过热器13过热蒸汽工质出口一路通过调节阀Ⅰ16进入到ORC透平4中膨胀做功，另一路通过调节阀Ⅱ17连接喷射器5作为引射流体，蒸汽发生器12中液相工质出口通过汽包14、ORC蒸汽发生器2、ORC过热器3后进入到ORC透平4中膨胀做功，ORC透平4中乏汽出口依次经过低压预热器11放热后回到冷凝器9中冷却得到液态混合工质；所述喷射器5中的低压蒸汽出口依次经过截止阀Ⅰ18、凝汽器7冷凝，凝汽器7冷凝液体出口一路依次通过截止阀Ⅱ19和制冷蒸发器8蒸发致冷回到喷射器5中，另一路依次通过混合器15、节流阀20与截止阀Ⅲ21的液态混合工质混合后进入到低压预热器11中预热完成一个工质循环。
其中ORC过热器3的内燃机烟气出口温度为400℃，烟气流量8000Nm3/h，缸套冷却水余热温度为90℃，所需流量为15m3/h，非共沸混合工质采用CO2/丙酮混合质对，质量分数为0.6:0.4，质量流量为0.5kg/s。系统在ORC满负荷运行且燃料消耗相同的条件下，内燃机输出功率增加5-8%，热负荷调节范围10%-110%，烟气的最终排放温度控制在100℃以内,缸套水最终排放温度控制在75℃以内。
实施例2
如图2和5所示，该基于非共沸混合工质功冷联供复合循环的内燃机余热回收系统，包括ORC供液泵1、ORC蒸汽发生器2、ORC过热器3、ORC透平4、喷射器5、凝汽器7、制冷蒸发器8、冷凝器9、低压供液泵10、低压预热器11、蒸汽发生器12、低压过热器13、汽包14、混合器15、调节阀、截止阀和节流阀；
所述内燃机高温烟气依次经过ORC过热器3、ORC蒸汽发生器2、低压过热器13放热后排出；
所述缸套热冷却水依次经过蒸汽发生器12换热、低压预热器11放热后排出；
所述冷凝器9中液态混合工质依次通过截止阀Ⅲ21、低压供液泵10输送到低压预热器11中预热，然后进入到蒸汽发生器12中加热，蒸汽发生器12中蒸汽工质出口连接低压过热器13过热，低压过热器13过热蒸汽工质出口一路通过调节阀Ⅰ16进入到ORC透平4中膨胀做功，另一路通过调节阀Ⅱ17连接喷射器5，蒸汽发生器12中液相工质出口通过汽包14、ORC蒸汽发生器2、ORC过热器3后进入到ORC透平4中膨胀做功，ORC透平4中乏汽出口依次经过低压预热器11放热后回到冷凝器9中冷却得到液态混合工质；所述喷射器5中的低压蒸汽出口一路经过截止阀Ⅱ19、凝汽器7冷凝，凝汽器7冷凝液体出口依次通过节流阀20、制冷蒸发器8蒸发致冷回到喷射器5中，另一路通过截止阀Ⅰ18回到冷凝器9中冷凝完成一个工质循环。
其中ORC过热器3的内燃机烟气出口温度为450℃，烟气流量5600Nm3/h，缸套冷却水余热温度为105℃，所需流量为16 m3/h，非共沸混合工质采用丙烷/正辛烷混合工质对，质量分数为0.5:0.5，质量流量为0.6kg/s。系统在ORC满负荷运行且燃料消耗相同的条件下，内燃机输出功率增加6-9%，热负荷调节范围11%-110%，烟气的最终排放温度控制在100℃以内,缸套水最终排放温度控制在85℃以内。
实施例3
如图3和5所示，该基于非共沸混合工质功冷联供复合循环的内燃机余热回收系统，包括ORC供液泵1、ORC蒸汽发生器2、ORC过热器3、ORC透平4、喷射器5、压缩机6、凝汽器7、制冷蒸发器8、冷凝器9、低压供液泵10、低压预热器11、蒸汽发生器12、低压过热器13、汽包14、混合器15、调节阀、截止阀和节流阀；
所述内燃机高温烟气依次经过ORC过热器3、ORC蒸汽发生器2、低压过热器13放热后排出；
所述缸套热冷却水依次经过蒸汽发生器12换热、低压预热器11放热后排出；
所述冷凝器9中液态混合工质依次通过低压供液泵10、截止阀Ⅲ21输送到低压预热器11中预热，然后进入到蒸汽发生器12中加热，蒸汽发生器12中蒸汽工质出口连接低压过热器13过热，低压过热器13过热蒸汽工质出口一路通过调节阀Ⅰ16进入到ORC透平4中膨胀做功，另一路通过调节阀Ⅱ17连接喷射器5，蒸汽发生器12中液相工质出口通过汽包14、ORC蒸汽发生器2、ORC过热器3后进入到ORC透平4中膨胀做功，ORC透平4中乏汽出口依次经过低压预热器11放热后回到冷凝器9中冷却得到液态混合工质；所述喷射器5中的低压蒸汽出口依次经过截止阀Ⅰ18、压缩机6和凝汽器7冷凝，凝汽器7冷凝液体出口一路依次截止阀Ⅱ19和制冷蒸发器8蒸发致冷回到喷射器5中，另一路通过混合器15、节流阀20与截止阀Ⅲ21的液态混合工质混合后进入到低压预热器11中预热完成一个工质循环。
其中ORC过热器3的内燃机烟气出口温度为350℃，烟气流量6500Nm3/h，缸套冷却水余热温度为85℃，所需流量为14 m3/h，非共沸混合工质采用丙烷/正己烷混合工质对，质量分数为0.6:0.4，质量流量为0.8kg/s。系统在ORC满负荷运行且燃料消耗相同的条件下，内燃机输出功率增加6-9%，热负荷调节范围10%-110%，烟气的最终排放温度控制在105℃以内,缸套水最终排放温度控制在75℃以内。
实施例4
该基于非共沸混合工质功冷联供复合循环的内燃机余热回收系统，包括ORC供液泵1、ORC蒸汽发生器2、ORC过热器3、ORC透平4、喷射器5、压缩机6、凝汽器7、制冷蒸发器8、冷凝器9、低压供液泵10、低压预热器11、蒸汽发生器12、低压过热器13、汽包14、混合器15、调节阀、截止阀和节流阀；
所述内燃机高温烟气依次经过ORC过热器3、ORC蒸汽发生器2、低压过热器13放热后排出；
所述缸套热冷却水依次经过蒸汽发生器12换热、低压预热器11放热后排出；
所述冷凝器9中液态混合工质依次通过截止阀Ⅲ21、低压供液泵10输送到低压预热器11中预热，然后进入到蒸汽发生器12中加热，蒸汽发生器12中蒸汽工质出口连接低压过热器13过热，低压过热器13过热蒸汽工质出口一路通过调节阀Ⅰ16进入到ORC透平4中膨胀做功，另一路通过调节阀Ⅱ17连接喷射器5，蒸汽发生器12中液相工质出口通过汽包14、ORC蒸汽发生器2、ORC过热器3后进入到ORC透平4中膨胀做功，ORC透平4中乏汽出口依次经过低压预热器11放热后回到冷凝器9中冷却得到液态混合工质；所述喷射器5中的低压蒸汽出口经过截止阀Ⅱ19、压缩机6后，一路经过凝汽器7冷凝，凝汽器7冷凝液体出口依次通过节流阀20、制冷蒸发器8蒸发致冷回到喷射器5中，另一路通过截止阀Ⅰ18回到冷凝器9中冷凝完成一个工质循环。
其中ORC过热器3的内燃机烟气出口温度为300℃，烟气流量6000Nm3/h，缸套冷却水余热温度为80℃，所需流量为12m3/h，非共沸混合工质采用氨/水混合工质对，质量分数为0.7:0.3，质量流量为0.5kg/s。系统在ORC满负荷运行且燃料消耗相同的条件下，内燃机输出功率增加6-9%，热负荷调节范围10%-110%，烟气的最终排放温度控制在110℃以内,缸套水最终排放温度控制在65℃以内。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
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