[發明專利]一種基于聯合循環的內燃機余熱利用裝置和方法

有效

• 申請號: 201710720108.1
• 申請日: 2017-08-21
• 公開（公告）號: CN107559102B
• 公開（公告）日: 2019-05-14
• 發明（設計）人: 王兆文;張新華;成曉北
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: F02G5/04
• 分類號: F02G5/04;F01P7/16;F01D15/10
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 周磊;曹葆青

本發明屬于內燃機領域，并公開了一種基于聯合循環的內燃機余熱利用裝置和方法，該裝置包括內燃機機體、內燃機排氣管、進水管、出水管、換熱管、發電系統、冷凝系統和電子溫控三通閥；該方法包括以下步驟：(1)水箱裝置內的冷卻水流經內燃機機體的冷卻水道并升溫；(2)電子溫控三通閥控制水流流量和去向；(3)進入換熱管內的冷卻水被加熱成高溫高壓蒸汽流入發電系統進行發電；(4)做功后的蒸汽被冷卻后進入集水器，再由水泵抽入進水管并進入內燃機機體的冷卻水道內。本發明有利于進一步提高內燃機系統的有效功，即可以進一步提高內燃機系統的熱效率，從而更有效地利用能源。

技術領域

本發明屬于內燃機領域，更具體地，涉及一種基于聯合循環的內燃機余熱利用裝置和方法。

背景技術

全球能源消耗的激增以及以此帶來的環境污染，讓越來越多的工程師開始關注并致力于節能減排工程。在內燃機領域，內燃機的有效功只占整個燃油燃燒發熱量的30％～40％左右，其他60％～70％的發熱量都通過冷卻水或內燃機排氣散失掉而無法利用。因此，除提高內燃機自身的熱效率，增加內燃機有效功外，針對內燃機散失掉的熱量進行余熱利用也能達到內燃機節能減排的效果。而利用內燃機余熱的主要方式有余熱發電、余熱取暖等。

目前市場占有率最高的內燃機是車用內燃機，以車用柴油機為例，其熱效率一般在30％到40％之間，即燃油燃燒產生的熱量，只有30％～40％轉化為有效功，推動汽車行進，而其中的一部分(約30％)由內燃機機體傳熱散失掉，另外還有30％的熱量則隨尾氣排出。通過這兩種熱量散失方式會產生兩個效果，即內燃機機體溫度過高，以及內燃機排氣管溫度過高。其中，針對內燃機機體溫度過高，又需要專門建立一套冷卻系統，以保證內燃機機體始終處在一個合適的溫度正常運轉，從而提高內燃機的可靠性。

近些年來，在美國和日本已經出現了在內燃機排氣管布置熱電式溫差發電機來實現余熱發電的技術，但這些技術一方面需要用到成本較高的熱電材料，另一方面目前熱電傳感器的轉換效率很低，大致為2％～5％，使得從內燃機尾氣熱量中轉換的電能非常有限。

專利文獻CN 205154324 U公開了一種內燃機余熱發電機。該裝置將尾氣通道本體串接在內燃機排氣管熱端管路上，將多個溫差發電模塊貼合分布在冷卻水管道外表面，一定程度的提高了尾氣熱量獲取效率，提高了溫差發電的效率。該裝置擬利用內燃機尾氣余熱發電，繼而提高內燃機系統的熱利用率，以達到節能的目的，具有一定的應用前景。

但是，專利文獻CN 205154324 U公開的一種內燃機余熱發電機仍存在以下不足：

(1)在沒有減少內燃機系統中任何部件的情況下，溫差發電機的增加了內燃機的體積，增加了內燃機布置的難度；

(2)采用熱電傳感器，未能突破熱電溫差發電的傳統模式，由于熱電材料的轉化率太低(大致為2％～5％)，使得熱電式尾氣發電成本較高，并且發電量較低；

(3)溫差發電模式只利用到了排氣的余熱，而沒有利用到同樣占比很高(約30％)的發動機機體傳熱損失(體現為冷卻水的熱能)。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種基于聯合循環的內燃機余熱利用裝置及方法，不僅能利用內燃機尾氣余熱，還能利用發動機冷卻水熱量，并且采用熱效率較高的蒸汽輪機方式，從而實現內燃機系統余熱利用總量和余熱轉換效率的同步大幅提升。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種基于聯合循環的內燃機余熱利用裝置，其特征在于，包括內燃機機體、內燃機排氣管、進水管、集水器、出水管、換熱管、發電系統、冷凝器和電子溫控三通閥，其中，

所述內燃機機體的排氣口連接所述內燃機排氣管；

所述進水管的一端連接所述內燃機機體的冷卻水道的入口，該進水管的另一端分別連接集水器和電子溫控三通閥的A向出水口，所述集水器與電子溫控三通閥A向出水口中的水由水泵牽引進入所述進水管；