一种用于EGR柴油机余热回收的循环系统及方法
技术领域
本发明涉及一种余热回收系统技术领域，特别涉及一种用于EGR柴油机余热回收的循环系统及方法。
背景技术
EGR柴油机是一种常见的动力装置，它采用废气再循环(Exhaust GasRecirculation，EGR)技术有效降低了柴油机中、高负荷时NOx的产生，但用于再循环的废气必须经过EGR冷却器降温后才能进入进气管，这一部分废气的热能通常被传递给EGR冷却器中的冷却介质而被浪费，除此之外，涡轮后的废气直接排向大气，增压后的空气则将热能传递给中冷器中的冷却介质，对于高EGR率的柴油机，EGR废气、涡后废气和增压空气约占燃料能量的三分之一以上，尤其是EGR废气和涡后废气温度可达500℃以上。现有的柴油机余热回收系统多采用有机朗肯循环回收涡后废气及气缸冷却水套的热能，对EGR废气和增压空气未能充分利用；对于超临界二氧化碳布雷顿循环，预冷器前的低温余热不能得到回收。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于EGR柴油机余热回收的循环系统及方法，用于实现对柴油机不同温度热源和预冷器前低温超临界二氧化碳的余热回收，实现对热能的梯级利用，在整个系统体积增加不大的前提下，提高了经济性和对燃料的利用率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种用于EGR柴油机余热回收的循环系统，包含了超临界二氧化碳布雷顿循环和有机朗肯循环，超临界二氧化碳布雷顿循环热源为涡后及EGR废气，有机朗肯循环热源为超临界二氧化碳和增压后空气；
所述的超临界二氧化碳布雷顿循环包含了预冷器7、压缩机8、回热器5、换热器4、EGR冷却器3、超临界二氧化碳透平1、发电机一2、低温蒸发器6；
所述的预冷器7高温侧的出口连接压缩机8的入口，压缩机8的出口连接回热器5的低温侧入口，回热器5的低温侧出口连接换热器4低温侧入口，换热器4的低温侧出口连接EGR冷却器3低温侧入口，EGR冷却器3低温侧出口连接超临界二氧化碳透平1入口，超临界二氧化碳透平1与发电机一2相连，超临界二氧化碳透平1的出口连接回热器5高温侧入口，回热器5高温侧出口连接低温蒸发器6的高温侧入口，低温蒸发器6高温侧出口连接预冷器7高温侧的入口。
所述预冷器7包含了超临界二氧化碳高温侧和冷却介质低温侧，回热器5包含了超临界二氧化碳高温侧和低温侧，换热器4包含了涡后废气高温侧和超临界二氧化碳低温侧，EGR冷却器3包含了EGR废气高温侧和超临界二氧化碳低温侧，低温蒸发器6包含了超临界二氧化碳高温侧和有机工质低温侧。
所述的EGR冷却器3的EGR废气高温侧入口用于与柴油机16排出的EGR废气端相连。
所述的柴油机16上设置有涡轮14和压气机15，涡轮14驱动压气机15构成柴油机废气涡轮增压系统，形成涡后废气，涡后废气输入换热器4的涡后废气高温侧。
所述的有机朗肯循环包含了低温蒸发器6、中冷器9、有机工质透平10、发电机二11、冷凝器12和工质泵13；
所述的低温蒸发器6的低温侧出口连接中冷器9的低温侧入口，中冷器9的低温侧出口连接有机工质透平10的入口，有机工质透平10与发电机二11相连，有机工质透平10的出口连接冷凝器12高温侧入口，冷凝器12高温侧出口连接工质泵13入口，工质泵13出口连接低温蒸发器6的低温侧入口。
所述低温蒸发器6包含了超临界二氧化碳高温侧和有机工质低温侧，中冷器9包含了增压空气高温侧和有机工质低温侧，冷凝器12包含了有机工质高温侧和冷凝介质低温侧。
所述的中冷器9的增压空气高温侧输出端连接柴油机16，新鲜空气经压气机15连接中冷器9的增压空气高温侧的输入端。一种用于EGR柴油机余热回收的循环方法，包括以下步骤：
超临界二氧化碳先进入回热器5的低温侧预热，随后依次进入换热器4和EGR冷却器3中的低温侧吸收EGR柴油机涡后废气和EGR废气的热量，高温、高压的超临界二氧化碳在超临界二氧化碳透平1中膨胀做功，带动发电机一2发电，做完功的乏气经过回热器5后到达低温蒸发器6的高温侧，预热低温侧有机工质，之后依次进入预冷器7和压缩机8，回到回热器5的低温侧入口，完成一次超临界二氧化碳布雷顿循环；
有机工质先在低温蒸发器6中的低温侧吸收高温侧超临界二氧化碳的热量，随后进入中冷器9的低温侧吸收高温侧增压空气的热量，同时降低增压空气的温度以满足柴油机进气条件，有机工质随后进入有机工质透平10做功，带动发电机二11发电，做完功的乏气依次经过冷凝器12冷凝，工质泵13增压，回到低温蒸发器6的低温侧入口，完成一次有机朗肯循环。
本发明的有益效果：
本发明的优势在于将超临界二氧化碳布雷顿循环与有机朗肯循环的优势相结合，将EGR柴油机EGR废气、涡后废气、增压后空气的余热按照温度高低逐级回收，并利用了超临界二氧化碳布雷顿循环中预冷器前的低温余热，实现了对系统热能的梯级利用。由于超临界二氧化碳布雷顿循环系统结构紧凑，且超临界二氧化碳和有机工质发的电既可以用于储存，也可以用于动力输出，在整个系统体积增加不大的前提下，提高了经济性和对燃料的利用率。
附图说明
图1为本发明实施例中的用于EGR柴油机余热回收的循环系统及方法示意图。
附图标记说明：
1-超临界二氧化碳透平；2-发电机一；3-EGR冷却器；4-换热器；5-超临界二氧化碳回热器；6-低温蒸发器；7-超临界二氧化碳预冷器；8-超临界二氧化碳压缩机；9-中冷器；10-有机工质透平；11-发电机二；12-冷凝器；13-工质泵；14-涡轮；15-压气机；16-柴油机
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明实施例中一种用于EGR柴油机余热回收的循环系统及方法，包括了用于余热回收的超临界二氧化碳布雷顿循环和有机朗肯循环。其特征是：预冷器7、压缩机8、回热器5、换热器4、EGR冷却器3、超临界二氧化碳透平1、发电机一2、低温蒸发器6，构成超临界二氧化碳布雷顿循环；低温蒸发器6、中冷器9、有机工质透平10、冷凝器12和工质泵13，构成有机朗肯循环。
具体地，对于超临界二氧化碳布雷顿循环，回热器5包括了超临界二氧化碳高温侧和低温侧，换热器4包括了超临界二氧化碳低温侧和涡后废气高温侧，EGR冷却器3包含了超临界二氧化碳低温侧和EGR废气高温侧，低温蒸发器6包含了超临界二氧化碳高温侧和有机工质低温侧，预冷器7包含了超临界二氧化碳高温侧和预冷工质低温侧。
自柴油机排气管排出的废气分为两股，一股经过涡轮14驱动压气机15构成柴油机废气涡轮增压系统，另一股废气不经过涡轮而用于废气再循环，即EGR废气。涡后废气因膨胀做功其压力、温度低于EGR废气，这两股废气在换热器4和EGR冷却器3中的高温侧分别作为超临界二氧化碳布雷顿循环的低温、高温热源加热自回热器5低温侧流出的超临界二氧化碳，超临界二氧化碳随后在超临界二氧化碳透平1中膨胀做功，带动发电机一2发电，做完功的乏气经过回热器5高温侧后到达低温蒸发器6的高温侧，预热低温侧有机工质，之后依次进入预冷器7高温侧、压缩机8和回热器5的低温侧，完成一次超临界二氧化碳布雷顿循环。
需要说明的是，本例中所给回热器5既可以是一个回热器也可以分为多个回热器，本例中压缩机8既可以由电机驱动也可以由超临界二氧化碳透平1直接驱动，显然，图示的实施例仅为本发明的一部分实施例，基于本发明的实施例，本领域技术人员在未付出创造性劳动的前提下对图示实施例的任何改动或同等替换，都属于本发明的保护范围。
具体地，对于有机朗肯循环，低温蒸发器6包含了超临界二氧化碳高温侧和有机工质低温侧，中冷器9包含了有机工质低温侧和增压空气高温侧，冷凝器12包含了有机工质高温侧和冷凝介质低温侧。
低温蒸发器6中高温侧超临界二氧化碳作为有机朗肯循环的低温热源，新鲜空气经柴油机压气机15增压后温度、压力升高，需在中冷器9高温侧将热能传递给低温侧的有机工质以降低温度满足柴油机进气条件，这是有机朗肯循环的高温热源，有机工质随后进入有机工质透平10做功，带动发电机二11发电，做作完功的乏气依次经过冷凝器12的高温侧冷凝，工质泵13增压，回到低温蒸发器6的低温侧，完成一次有机朗肯循环。
通过以上实施例可知，本发明提供的一种用于EGR柴油机余热回收的循环系统及方法，包括了用于余热回收的超临界二氧化碳布雷顿循环和有机朗肯循环。结合了超临界二氧化碳布雷顿循环在中温热源和有机朗肯循环在低温热源的优势，将EGR柴油机EGR废气、涡后废气、增压后空气的余热按照温度高低逐级回收，并利用了超临界二氧化碳布雷顿循环中预冷器前的低温余热，实现了对系统热能的梯级利用。由于超临界二氧化碳布雷顿循环系统结构紧凑，且超临界二氧化碳和有机工质发的电既可以用于储存，也可以用于动力输出，在整个系统体积增加不大的前提下，提高了经济性和对燃料的利用率。
超临界二氧化碳布雷顿循环作为一种新型动力循环，其系统结构紧凑、灵活，热工转化效率高，适用于中温热源的余热回收。有机朗肯循环则适用于低温热源的余热回收，将两者结合，能充分实现对柴油机和预冷器前不同温度热源的余热回收和对热能的梯级利用。最后应说明的是：以上实施例仅为本发明中一部分实施例，本领域的技术人员依然可以对前述的实施例进行修改或同等替换，这些修改或替换均应包含在本发明的保护范围之内。
