一种双分流型车用余热回收系统

技术领域

本发明属于热力循环技术，具体涉及一种双分流型车用余热回收系统，适用于对变热量比、变温度的内燃机余热能进行回收。

背景技术

在“碳中和、碳达峰”背景下，基于底循环的内燃机余热回收技术因其具有回收效率高、布置灵活等优点而受到广泛关注。在移动式运输载具中，对内燃机余热回收系统具有严苛要求。首先，运输载具中的内燃机余热具有瞬变脉动特性，平均1-2秒完成一次峰值转换，常规的单支路、串联型底循环在多变热源环境中无法实现较高的双热源回收率，与热源匹配性不佳，运行柔性受到限制；此外，运输载具空间狭小，且内燃机燃油经济性对载具整体重量较敏感，即100kg重量增加导致约0.7L的燃油消耗增长，故基于多泵、多膨胀机的底循环余热回收技术在应用层面受到限制；最后，余热回收系统中废气加热器的废气侧压降会导致内燃机背压升高，对内燃机性能具有负面影响，即0.01MPa的汽油机背压升高导致约2％的油耗率增长，而常规底循环技术采用单一废气加热器或串联型废气加热器，导致余热回收系统实际节油效果较差。

发明内容

针对以上背景和技术现状，着眼于小型化设计、运行柔性提升以及废气压降降低的技术需求，本发明提出了一种双分流型车用余热回收系统，适用于对变热量比、变温度的内燃机双余热进行回收，同时降低废气换热器中废气侧压降对内燃机性能造成的负面影响，进而提升余热回收系统在变热源环境中的整体性能。

本发明提出的一种双分流型车用余热回收系统，包括控制终端、内燃机、缸套水加热器、废气合流阀、废气加热器Ⅰ、废气分流阀、工质合流阀、膨胀机、废气加热器Ⅱ、回热器、工质分流阀、冷凝器、工质泵、储液罐、废气流量计、废气温度传感器、缸套水流量计和缸套水温度传感器。

所述储液罐的底部出口连接至所述工质泵的进口，所述工质泵的出口连接至所述工质分流阀的进口；所述工质分流阀的第一出口a连接至所述缸套水加热器的工质侧进口，所述缸套水加热器的工质侧出口连接至所述废气加热器Ⅰ的工质侧进口，所述废气加热器Ⅰ的工质侧出口连接至所述工质合流阀的第一进口c；所述工质分流阀的第二出口b连接至所述回热器的低温工质侧进口，所述回热器的低温工质侧出口连接至所述废气加热器Ⅱ的工质侧进口，所述废气加热器Ⅱ的工质侧出口连接至所述工质合流阀的第二进口d；所述工质合流阀的出口连接至所述膨胀机的进口，所述膨胀机的出口连接至所述回热器的高温工质侧进口，所述回热器的高温工质侧出口连接至所述冷凝器的工质侧进口，所述冷凝器的工质侧出口连接至所述储液罐的顶部入口；所述内燃机的废气出口连接至所述废气分流阀的入口，所述废气分流阀的第一出口e连接至所述废气加热器Ⅰ的烟气侧进口，所述废气加热器Ⅰ的烟气侧出口连接至所述废气合流阀的第二入口h，所述废气分流阀的第二出口f连接至所述废气加热器Ⅱ的烟气侧进口，所述废气加热器Ⅱ的烟气侧出口连接至所述废气合流阀的第一入口g；所述内燃机的缸套水出口连接至所述缸套水加热器的缸套水侧入口，所述缸套水加热器的缸套水侧出口连接至所述内燃机的缸套水入口；所述缸套水温度传感器设置于所述内燃机的缸套水流出侧，所述缸套水流量计设置于所述内燃机的缸套水流入侧，所述废气温度传感器和废气流量计设置于所述内燃机的废气流出侧；所述控制终端通过控制信号线路连接至所述工质分流阀和废气分流阀，所述控制终端通过监测信号线路连接至所述废气流量计、废气温度传感器、缸套水流量计和缸套水温度传感器。

进一步地，当所述内燃机流出的缸套水、废气的状态不变时，工作工程如下：

所述储液罐中储存液态有机工质，工质流出所述储液罐后进入所述工质泵加压至低温高压状态，由所述工质分流阀分流两路，其中一路经所述缸套水加热器、废气加热器Ⅰ由所述内燃机的缸套水和部分废气梯级加热，另外一路经所述回热器、废气加热器Ⅱ由流出所述膨胀机的工质乏气和所述内燃机的部分废气梯级加热，两路工质经所述工质合流阀汇合后进入所述膨胀机做功，高温低压的工质乏气经所述回热器的高温工质侧向所述回热器的低温侧工质传递余热，低温低压的工质乏气进入所述冷凝器冷凝至饱和液态或过冷态后，经所述储液罐顶部流入所述储液罐；所述内燃机流出的废气经所述废气分流阀分流两路，其中一路流入所述废气加热器Ⅰ，另外一路流入所述废气加热器Ⅱ，两路废气流出所述废气加热器Ⅰ和所述废气加热器Ⅱ后经所述废气合流阀汇合后排出；所述控制终端通过监测信号线路获取所述废气流量计、废气温度传感器、缸套水流量计和缸套水温度传感器采集的热源状态数据，通过控制信号线路将控制信号施加至被控设备，即所述废气分流阀、工质分流阀，被控设备状态通过控制信号线路反馈至所述控制终端。

进一步地，当所述内燃机流出的缸套水、废气的状态变化时，工作工程如下：

所述废气流量计、废气温度传感器、缸套水流量计和缸套水温度传感器将采集的热源状态变化传递至所述控制终端，所述控制终端输出控制信号对所述工质分流阀、废气分流阀的开度进行控制，改变工质分流比和废气分流比。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明可对工质和废气进行大范围流量比协同调节，可有效匹配内燃机多变双余热能，提升系统运行柔性和做功能力；

2.本发明基于单泵、单膨胀机，结构紧凑，适用于移动式运输载具；

3.本发明设置两个并联型废气加热器，可有效降低内燃机排气背压，减小余热回收系统对内燃机性能的负面影响；

附图说明

图1是本发明双分流型车用余热回收系统构成及原理图。

图中，1-控制终端、2-内燃机、3-缸套水加热器、4-废气合流阀、5-废气加热器Ⅰ、6-废气分流阀、7-工质合流阀、8-膨胀机、9-废气加热器Ⅱ、10-回热器、11-工质分流阀、12-冷凝器、13-工质泵、14-储液罐、15-废气流量计、16-废气温度传感器、17-缸套水流量计、18-缸套水温度传感器、a-工质分流阀的第一出口、b-工质分流阀的第二出口、c-工质合流阀的第一进口、d-工质合流阀的第二进口、e-废气分流阀的第一出口、f-废气分流阀的第二出口、g-废气合流阀的第一入口、h-废气合流阀的第二入口。

具体实施方式

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

如图1所示，本发明双分流型车用余热回收系统，其系统结构具体组成为：控制终端1、内燃机2、缸套水加热器3、废气合流阀4、废气加热器Ⅰ5、废气分流阀6、工质合流阀7、膨胀机8、废气加热器Ⅱ9、回热器10、工质分流阀11、冷凝器12、工质泵13、储液罐14、废气流量计15、废气温度传感器16、缸套水流量计17和缸套水温度传感器18。

上述各系统部件间的关系如下：

所述储液罐14的底部出口连接至所述工质泵13的进口，所述工质泵13的出口连接至所述工质分流阀11的进口；

所述工质分流阀11的第一出口a连接至所述缸套水加热器3的工质侧进口，所述缸套水加热器3的工质侧出口连接至所述废气加热器Ⅰ5的工质侧进口，所述废气加热器Ⅰ5的工质侧出口连接至所述工质合流阀7的第一进口c；

所述工质分流阀11的第二出口b连接至所述回热器10的低温工质侧进口，所述回热器10的低温工质侧出口连接至所述废气加热器Ⅱ9的工质侧进口，所述废气加热器Ⅱ9的工质侧出口连接至所述工质合流阀7的第二进口d；

所述工质合流阀7的出口连接至所述膨胀机8的进口，所述膨胀机8的出口连接至所述回热器10的高温工质侧进口，所述回热器10的高温工质侧出口连接至所述冷凝器12的工质侧进口，所述冷凝器12的工质侧出口连接至所述储液罐14的顶部入口；

所述内燃机2的废气出口连接至所述废气分流阀6的入口，所述废气分流阀6的第一出口e连接至所述废气加热器Ⅰ5的烟气侧进口，所述废气加热器Ⅰ5的烟气侧出口连接至所述废气合流阀4的第二入口h，所述废气分流阀6的第二出口f连接至所述废气加热器Ⅱ9的烟气侧进口，所述废气加热器Ⅱ9的烟气侧出口连接至所述废气合流阀4的第一入口g；

所述内燃机2的缸套水出口连接至所述缸套水加热器3的缸套水侧入口，所述缸套水加热器3的缸套水侧出口连接至所述内燃机2的缸套水入口；

所述缸套水温度传感器18设置于所述内燃机2的缸套水流出侧，所述缸套水流量计17设置于所述内燃机2的缸套水流入侧，所述废气温度传感器16、废气流量计15设置于所述内燃机2的废气流出侧；

所述控制终端1通过控制信号线路连接至所述工质分流阀11、废气分流阀6，所述控制终端1通过监测信号线路连接至所述废气流量计15、废气温度传感器16、缸套水流量计17和缸套水温度传感器18。

当所述内燃机2流出的缸套水、废气的状态不变时，工作工程如下：

所述储液罐14中储存液态有机工质，工质流出所述储液罐14后进入所述工质泵13加压至低温高压状态，由所述工质分流阀11分流两路，其中一路经所述缸套水加热器3、废气加热器Ⅰ5由所述内燃机2的缸套水和部分废气梯级加热，另外一路经所述回热器10、废气加热器Ⅱ9由流出所述膨胀机8的工质乏气和所述内燃机2的部分废气梯级加热，两路工质经所述工质合流阀7汇合后进入所述膨胀机8做功，高温低压的工质乏气经所述回热器10的高温工质侧向所述回热器10的低温侧工质传递余热，低温低压的工质乏气进入所述冷凝器12冷凝至饱和液态或过冷态后，经所述储液罐14顶部流入所述储液罐14；

所述内燃机2流出的废气经所述废气分流阀6分流两路，其中一路流入所述废气加热器Ⅰ5，另外一路流入所述废气加热器Ⅱ9，两路废气流出所述废气加热器Ⅰ5和所述废气加热器Ⅱ9后经所述废气合流阀4汇合后排出；

所述控制终端1通过监测信号线路获取废气流量计15、废气温度传感器16、缸套水流量计17和缸套水温度传感器18采集的热源状态数据，通过控制信号线路将控制信号施加至被控设备，即所述废气分流阀6、工质分流阀11，被控设备状态通过控制信号线路反馈至所述控制终端1。

当所述内燃机流出的缸套水、废气的状态变化时，工作工程如下：

所述废气流量计15、废气温度传感器16、缸套水流量计17和缸套水温度传感器18将采集的热源状态变化传递至所述控制终端1，所述控制终端1输出控制信号对所述工质分流阀11、废气分流阀6的开度进行控制，改变工质分流比和废气分流比，实现工质和废气协同分流调节，达到循环与热源匹配的效果；废气分流构型降低内燃机排气背压，减小余热回收系统对内燃机性能的负面影响

实施例：

下面以不同的所述内燃机2的余热能状态为实施例做说明：

实施例A1：热源状态为额定内燃机工况所对应的状态，即废气可用热量与缸套水可用热量的比值为0.594，废气流出内燃机的温度为600℃，废气排出余热回收系统的温度下限为120℃，缸套水流出内燃机的温度为88℃，缸套水流入内燃机的温度为80℃；

实施例B1：热源状态为偏离额定内燃机工况所对应的状态，即废气可用热量与缸套水可用热量的比值为0.75，废气流出内燃机的温度为600℃，废气排出余热回收系统的温度下限为120℃，缸套水流出内燃机的温度为88℃，缸套水流入内燃机的温度为80℃；

实施例B2：热源状态为偏离额定内燃机工况所对应的状态，即废气可用热量与缸套水可用热量的比值为1，废气流出内燃机的温度为600℃，废气排出余热回收系统的温度下限为120℃，缸套水流出内燃机的温度为88℃，缸套水流入内燃机的温度为80℃；

实施例C1：热源状态为偏离额定内燃机工况所对应的状态，即废气可用热量与缸套水可用热量的比值为0.594，废气流出内燃机的温度为650℃，废气排出余热回收系统的温度下限为120℃，缸套水流出内燃机的温度为88℃，缸套水流入内燃机的温度为80℃；

实施例C2：热源状态为偏离额定内燃机工况所对应的状态，即废气可用热量与缸套水可用热量的比值为0.594，废气流出内燃机的温度为550℃，废气排出余热回收系统的温度下限为120℃，缸套水流出内燃机的温度为88℃，缸套水流入内燃机的温度为80℃；

实施例D1：热源状态为偏离额定内燃机工况所对应的状态，即废气可用热量与缸套水可用热量的比值为0.594，废气流出内燃机的温度为600℃，废气排出余热回收系统的温度下限为120℃，缸套水流出内燃机的温度为85℃，缸套水流入内燃机的温度为80℃；

实施例D2：热源状态为偏离额定内燃机工况所对应的状态，即废气可用热量与缸套水可用热量的比值为0.594，废气流出内燃机的温度为600℃，废气排出余热回收系统的温度下限为120℃，缸套水流出内燃机的温度为91℃，缸套水流入内燃机的温度为80℃。

循环的其余边界条件设置为：循环工质为R245fa；所述缸套水加热器3的窄点温差为5℃，所述回热器10的窄点温差为10℃，所述废气加热器Ⅰ5、废气加热器Ⅱ9的窄点温差为30℃；冷凝温度为30℃，蒸发压力为0.7MPa；所述缸套水加热器3的工质侧出口温度为缸套水流出所述内燃机2的温度与所述缸套水加热器3的窄点温差的差值，所述废气加热器Ⅰ5、废气加热器Ⅱ9的工质侧出口过热度为50℃，所述冷凝器12的工质侧出口为饱和液态，所述工质泵13的进口工质为饱和液态；所述废气加热器Ⅰ5、废气加热器Ⅱ9均采用管壳式换热器；所述缸套水加热器3、回热器10、冷凝器12均采用板式换热器。

表1为实施例循环参数和循环性能指标表：工质分流比为流出所述工质分流阀11第一出口a的工质流量和系统总工质流量的比值；烟气分流比为流出所述废气分流阀第一出口e的废气流量和总废气流量的比值。

表1

当所述废气分流阀6的第二出口f和第一出口e均为开启状态时，以实施例A1和实施例B1为例，具体说明本发明在热源状态变化时的工作流程：

当热源状态由实施例A1转变为实施例B1时，所述废气流量计15、废气温度传感器16、缸套水流量计17和缸套水温度传感器18采集热源状态输入至所述控制终端1，所述控制终端1输出控制信号将所述工质分流阀11的工质分流比由0.65改变为0.58，同时将所述废气分流阀6的废气分流比由0.34改变为0.27，实现工质和废气协同分流调节。

从表1可看出，对于所计算的7个实施例：

1.工质分流比调节范围为0.49至0.65，废气分流比调节范围为0.20至0.37，通过工质和废气协同分流调节，实现缸套水和废气的完全回收，体现出工质和废气协同分流调节具有必要性；

2.当所述废气分流阀6的第二出口f和第一出口e均为打开状态，即进行废气分流调节操作时，相较于废气不分流调节，循环净功可提升6.38–6.83％，内燃机排气背压可降低46.6–76.8％，体现出废气分流调节具有必要性；

3.上述结果体现了该发明的优势，即提升系统运行柔性和做功能力，降低内燃机排气背压。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，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，而不是限制性的，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的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。