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基于温差发电与有机朗肯循环联合船用柴油机余热回收系统

阅读：794发布：2021-02-24

IPRDB可以提供基于温差发电与有机朗肯循环联合船用柴油机余热回收系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了一种基于温差发电与有机朗肯循环联合船用柴油机余热回收系统，包括柴油机进气子系统、柴油机冷却子系统、废气流路、TEG子系统、ORC子系统、海水冷却子系统和电控中心；废气流路与柴油机冷却子系统之间布置有温差发电机以此构成TEG子系统，通过两者之间温差发电；ORC子系统与废气流路通过ORC蒸发器进行热量交换；ORC子系统通过热力循环将热能转换为与膨胀机同轴相连的发电机发出的电能；海水冷却子系统用来最终冷凝ORC工质与柴油机冷却液；所述电控中心为柴油机ECU一部分，用来控制驱动循环。本实用新型充分利用了柴油机废气余热及废气与冷却液之间的温差，将其回收转换为电能，用于船舶其他用电设备，进一步提高了柴油能量转换效率。(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利，下面是基于温差发电与有机朗肯循环联合船用柴油机余热回收系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于温差发电与有机朗肯循环联合船用柴油机余热回收系统，其特征在于，该系统包括柴油机进气子系统(S1)、柴油机冷却子系统(S2)、废气流路(S3)、TEG子系统(S4)、ORC子系统(S5)、海水冷却子系统(S6)和电控中心(C)；其中柴油机进气子系统(S1)通过与进气空气压缩机(3)同轴相连的增压涡轮(21)转换发动机废气中的能量；柴油机冷却子系统(S2)与废气流路(S3)通过TEG子系统(S4)进行热量交换；ORC子系统(S5)与柴油机冷却子系统(S2)、废气流路(S3)、海水冷却子系统(S6)分别通过ORC预热器(13)、ORC蒸发器(23)、ORC工质冷凝器(33)进行热量交换；柴油机冷却子系统(S2)与海水冷却子系统(S6)通过冷却液冷凝器(14)进行热量交换；电控中心(C)通过电控线路连接ORC子系统(S5)中的ORC工质泵(31)以及海水冷却子系统(S6)中的海水泵(42)。

2.如权利要求1所述的一种基于温差发电与有机朗肯循环联合船用柴油机余热回收系统，其特征在于，所述柴油机冷却子系统(S2)为柴油机冷却液冷却回路，冷却液从冷却液储液罐(15)出发，依次经过冷却液泵(11)、柴油机机体(1)、TEG冷端热交换板(12)、ORC预热器(13)、冷却液冷凝器(14)，流回冷却液储液罐(15)；其中，冷却液泵(11)由外部的柴油机前端皮带轮通过带传动连接驱动；TEG冷端热交换板(12)与所述废气流路(S3)的TEG热端热交换板(22)通过温差发电机组合构成所述TEG子系统(S4)；冷却液在ORC预热器(13)中与所述ORC子系统(S5)的ORC工质进行热量交换；冷却液在冷却液冷凝器(14)中与所述海水冷却子系统(S6)的海水进行热量交换。

3.如权利要求1所述的一种基于温差发电与有机朗肯循环联合船用柴油机余热回收系统，其特征在于，所述废气流路(S3)为柴油机废气排放路径，柴油机废气依次经过增压涡轮(21)、TEG热端热交换板(22)、ORC蒸发器(23)后排放入大气。

4.如权利要求1或2所述的一种基于温差发电与有机朗肯循环联合船用柴油机余热回收系统，其特征在于，所述ORC子系统(S5)为有机朗肯循环回路，有机工质从ORC工质储液罐(34)出发，依次经过ORC工质泵(31)、ORC预热器(13)、ORC蒸发器(23)、ORC膨胀机(32)、ORC工质冷凝器(33)流回ORC工质储液罐(34)；其中，ORC工质泵(31)为变频泵，与所述电控中心(C)通信连接；ORC工质在ORC预热器(13)中与所述柴油机冷却子系统(S2)的冷却液进行热量交换；ORC工质在ORC蒸发器(23)中与所述废气流路(S3)的废气进行热量交换；ORC膨胀机(32)与发电机(G)同轴相连；ORC工质在ORC工质冷凝器(33)中所述海水冷却子系统(S6)的海水进行热量交换。

5.如权利要求1或2所述的一种基于温差发电与有机朗肯循环联合船用柴油机余热回收系统，其特征在于，所述海水冷却子系统(S6)为ORC工质与柴油机冷却液的冷却流路，由海水柴油机冷却支路(401)与海水ORC冷却支路(402)组成，海水由海水泵(42)从海洋中抽出，经过海水过滤器(41)过滤，流进分流器(43)，海水在此处分为海水柴油机冷却支路(401)与海水ORC冷却支路(402)两路，此后分别再经过冷却液冷凝器(14)与ORC工质冷凝器(33)流回海洋中；其中，海水泵(42)为变频泵，与所述电控中心(C)通信连接；海水在冷却液冷凝器(14)与所述柴油机冷却子系统(S2)的冷却液进行热量交换；海水在ORC冷凝器(33)中与所述ORC子系统(S5)的ORC工质进行热量交换。

说明书全文

基于温差发电与有机朗肯循环联合船用柴油机余热回收系统

技术领域

[0001] 本实用新型涉及能源领域，尤其涉及内燃机的余热回收领域，特别是一种基于温差发电与有机朗肯循环联合船用柴油机余热回收系统。技术背景

[0002] 随着经济全球化的进一步深化，大量的国际贸易使得船舶运输行业加速发展，又由于目前没有找到合适的在功率密度、成本以及经济性方面的可替代动力源，柴油机仍是航运不可替代的机器。然而，由于在能量转换过程中的不可逆性，船用柴油机的效率只有48％-51％，其余的能量均以排气与冷却水等热能的形式耗散在大气中，造成了能源的浪费。

[0003] 因此，各种先进燃烧技术被用来实现柴油机更佳的燃油经济性能，但随着这些技术已经达到成熟阶段，使用这些方法寻求进一步改进变得越来越困难。提高整体能效的一种有价值的替代方法是捕获和回收余热。船用柴油机，特别是大吨位船用柴油机长时间以恒定速度运行，即在船上可以更好地实现余热的回收利用。

[0004] 现有的余热回收技术主要有涡轮增压技术、温差发电技术、有机朗肯循环、卡琳娜循环、余热制冷技术、海水淡化技术以及多种以上技术综合使用的联合循环技术等，但这些技术都存在热源能量利用不充分的缺点。

发明内容

[0005] 本实用新型目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种基于温差发电与有机朗肯循环联合船用柴油机余热回收系统，能够进一步利用船用柴油机余热，提高船用柴油机净输出功率和系统效率。

[0006] 本实用新型首先公开了一种基于温差发电与有机朗肯循环联合船用柴油机余热回收系统，包括柴油机进气子系统、柴油机冷却子系统、废气流路、TEG子系统、ORC子系统、海水冷却子系统和电控中心。其中柴油机进气子系统通过与进气空气压缩机同轴相连的增压涡轮转换发动机废气中的能量；柴油机冷却子系统与废气流路通过TEG子系统进行热量交换；ORC子系统与柴油机冷却子系统、废气流路、海水冷却子系统分别通过ORC预热器、ORC蒸发器、ORC工质冷凝器进行热量交换；柴油机冷却子系统与海水冷却子系统通过冷却液冷凝器进行热量交换；电控中心通过电控线路连接ORC子系统中的ORC工质泵以及海水冷却子系统中的海水泵。

[0007] 所述柴油机冷却子系统为柴油机冷却液冷却回路，其包括：冷却液泵，连通上游的冷却液储液罐，由外部的柴油机前端皮带轮通过带传动连接驱动；TEG冷端热交换板，设置在冷却液泵的下游，与所述废气流路的TEG热端热交换板通过温差发电机组合构成所述TEG子系统；ORC预热器，设置在TEG冷端热交换板下游，冷却液在此与所述ORC子系统的ORC工质进行直接热交换；冷却液冷凝器，设置在ORC预热器下游、冷却液储液罐上游，冷却液在此与所述海水冷却子系统的海水进行直接热交换。冷却液从冷却液储液罐出发，依次经过冷却液泵、柴油机机体、TEG冷端热交换板、ORC预热器、冷却液冷凝器，流回冷却液储液罐；其中，冷却液泵由外部的柴油机前端皮带轮通过带传动连接驱动；TEG冷端热交换板与所述废气流路的TEG热端热交换板通过温差发电机组合构成所述TEG子系统；冷却液在ORC预热器中与所述ORC子系统的ORC工质进行热量交换；冷却液在冷却液冷凝器中与所述海水冷却子系统的海水进行热量交换。

[0008] 所述废气流路为柴油机废气排放路径，柴油机废气依次经过增压涡轮、TEG 热端热交换板、ORC蒸发器后排放入大气。

[0009] 所述TEG子系统由温差发电机、所述柴油机冷却子系统的TEG冷端热交换板以及所述废气流路的TEG热端热交换板组合构成。

[0010] 所述ORC子系统为有机朗肯循环回路，其包括：ORC工质泵，其为变频泵，连通上游的ORC工质储液罐，与电控中心通信连接；ORC预热器，设置在ORC工质泵下游，ORC工质在此与所述柴油机冷却子系统的冷却液进行直接热交换；ORC 蒸发器，设置在ORC预热器下游，ORC工质在此与所述废气流路的废气进行直接热交换；ORC膨胀机，设置在ORC蒸发器下游，ORC膨胀机与发电机同轴相连； ORC工质冷凝器，设置在ORC膨胀机下游、ORC工质储液罐上游，ORC工质在此与所述海水冷却子系统的海水进行直接热交换。有机工质从ORC工质储液罐出发，依次经过ORC工质泵、ORC预热器、ORC蒸发器、ORC膨胀机、ORC工质冷凝器流回ORC工质储液罐；其中，ORC工质泵为变频泵，与所述电控中心通信连接；ORC 工质在ORC预热器中与所述柴油机冷却子系统的冷却液进行热量交换；ORC工质在ORC蒸发器中与所述废气流路的废气进行热量交换；ORC膨胀机与发电机同轴相连；ORC工质在ORC工质冷凝器中所述海水冷却子系统的海水进行热量交换。

[0011] 所述海水冷却子系统为ORC工质与柴油机冷却液的冷却流路，由海水柴油机冷却支路与海水ORC冷却支路组成，其包括：海水过滤器，设置在海水冷却主路上游；海水泵，其为变频泵，设置在海水过滤器下游，与电控中心通信连接；分流器，设置在海水泵下游；冷却液冷凝器，设置在由分流器分流而来的海水柴油机冷却支路下游，海水在此与所述柴油机冷却子系统的冷却液进行直接热交换； ORC冷凝器，设置在由分流器分流而来的海水ORC冷却支路下游，海水在此与所述ORC子系统的ORC工质进行直接热交换。海水由海水泵从海洋中抽出，经过海水过滤器过滤，流进分流器，海水在此处分为海水柴油机冷却支路与海水ORC 冷却支路两路，此后分别再经过冷却液冷凝器与ORC工质冷凝器流回海洋中；其中，海水泵为变频泵，与所述电控中心通信连接；海水在冷却液冷凝器与所述柴油机冷却子系统的冷却液进行热量交换；海水在ORC冷凝器中与所述ORC子系统的ORC工质进行热量交换。

[0012] 所述电控中心为外部的柴油机ECU一部分，与冷却液泵和ORC工质泵通信连通。

[0013] 本实用新型和已有技术相比较，有益效果主要有以下方面：

[0014] 本实用新型将来自柴油机最主要的两股余热——废气与冷却液综合利用起来。

[0015] (1)本实用新型利用废气相对较高的温度与冷却液的相对较低的温度之间的较大温差，通过TEG设备，直接将热能转换为可观的电能输出。

[0016] (2)本实用新型中，废气经过TEG热端热交换板后，温度有所下降，使得其在蒸发ORC工质时，不至于使ORC工出现质热分解。

[0017] (3)本实用新型中，冷却液经过TEG热端热交换板后，温度有所升高，作为ORC工质预热热源，提高了ORC循环效率。

[0018] (4)本实用新型中，冷却液与ORC工质的冷却由海水分流冷却，充分利用了船用柴油机的工作环境。

附图说明

[0019] 图1是本实用新型系统原理图；

[0020] 图2是本实用新型实施例示意图。

[0021] 其中，S1-柴油机进气子系统、S2-柴油机冷却子系统、S3-废气流路、S4-TEG 子系统、S5-ORC子系统、S6-海水冷却子系统、1-柴油机机体、2-柴油机中间冷却器、3-进气空气压缩机、10-冷却液回路、11-冷却液泵、12-TEG冷端热交换板、13-ORC预热器、14-冷却液冷凝器、15-冷却液储液罐、20-废气排放流路、 21-增压涡轮、22-TEG热端热交换板、23-ORC蒸发器、30-有机朗肯循环回路、 31-ORC工质泵、32-ORC膨胀机、33-ORC工质冷凝器、34-ORC工质储液罐、40- 海水冷却主回路、401-海水柴油机冷却支路、402-海水ORC冷却支路、41-海水过滤器、42-海水泵、43-分流器、C-电控中心、G-发电机、T-温差发电机。

具体实施方式

[0022] 为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施例，但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型公开内容的理解更加透彻全面。

[0023] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体实施例目的，不是旨在于限制本实用新型。

[0024] 参阅图1所示，本实用新型提供的一种基于温差发电与有机朗肯循环联合船用柴油机余热回收系统，包括柴油机进气子系统S1、柴油机冷却子系统S2、废气流路S3、TEG子系统S4、ORC子系统S5、海水冷却子系统S6和电控中心C，本实用新型采用并联式系统结构，相关子系统间通过热交换器进行热能传递。

[0025] 如附图1、附图2所示，所述柴油机进气子系统S1由柴油机机体1、柴油机中间冷却器2、进气空气压缩机3组成；新鲜空气依次经过进气空气压缩机3与柴油机中间冷却器2，最后进入柴油机机体1的气缸中。

[0026] 如附图1、附图2所示，所述柴油机冷却子系统S2为柴油机冷却液冷却回路，其包括：冷却液泵11，连通上游的冷却液储液罐15，由外部的柴油机前端皮带轮通过带传动连接驱动；TEG冷端热交换板12，设置在冷却液泵11的下游，与所述废气流路S3的TEG热端热交换板22通过温差发电机T组合构成所述TEG 子系统S4；ORC预热器13，设置在TEG冷端热交换板12下游，冷却液在此与所述ORC子系统S5的ORC工质进行直接热交换；冷却液冷凝器14，设置在ORC预热器13下游、冷却液储液罐15上游，冷却液在此与所述海水冷却子系统S6的海水进行直接热交换。

[0027] 如附图1、附图2所示，所述废气流路S3为柴油机废气排放路径20，柴油机废气依次经过增压涡轮21、TEG热端热交换板22、ORC蒸发器23后排放入大气。

[0028] 如附图1、附图2所示，所述TEG子系统S4由温差发电机T、所述柴油机冷却子系统的TEG冷端热交换板12以及所述废气流路S3的TEG热端热交换板22 组合构成。

[0029] 如附图1、附图2所示，所述ORC子系统S5为有机朗肯循环回路30，其包括：ORC工质泵31，其为变频泵，连通上游的ORC工质储液罐34，与电控中心C 通信连接；ORC预热器13，设置在ORC工质泵31下游，ORC工质在此与所述柴油机冷却子系统S2的冷却液进行直接热交换；ORC蒸发器23，设置在ORC预热器13下游，ORC工质在此与所述废气流路S3的废气进行直接热交换；ORC膨胀机32，设置在ORC蒸发器23下游，ORC膨胀机32与发电机G同轴相连；ORC工质冷凝器33，设置在ORC膨胀机32下游、ORC工质储液罐34上游，ORC工质在此与所述海水冷却子系统S6的海水进行直接热交换。

[0030] 如附图1、附图2所示，所述海水冷却子系统S6为ORC工质与柴油机冷却液的冷却流路，由海水柴油机冷却支路401与海水ORC冷却支路402组成，其包括：海水过滤器41，设置在海水冷却主路40上游；海水泵42，其为变频泵，设置在海水过滤器41下游，与电控中心C通信连接；分流器43，设置在海水泵42 下游；冷却液冷凝器14，设置在由分流器分流而来的海水柴油机冷却支路401 下游，海水在此与所述柴油机冷却子系统S2的冷却液进行直接热交换；ORC冷凝器33，设置在由分流器分流而来的海水ORC冷却支路402下游，海水在此与所述ORC子系统S5的ORC工质进行直接热交换。

[0031] 如附图1、附图2所示，所述电控中心C为外部的柴油机ECU一部分，与冷却液泵11和ORC工质泵31通信连通。

[0032] 本实用新型的工作过程如下：

[0033] 如附图1、附图2所示，本实用新型提供的一种基于温差发电与有机朗肯循环联合船用柴油机余热回收系统，包括柴油机进气子系统S1、柴油机冷却子系统S2、废气流路S3、TEG子系统S4、ORC子系统S5、海水冷却子系统S6和电控中心C，当船用柴油机运行于稳定航海工况时，冷却液泵11由柴油机驱动，将冷却液加压后送进柴油机机体1水套；冷却液从水套壁周围流过并从水套壁吸热而升温；冷却液流出柴油机机体1后经过TEG冷端热交换板12，作为TEG发电冷源；随后流经ORC预热器13，与ORC工质进行直接热交换；之后流经冷却液冷凝器14，冷却液将在此与海水进行直接热交换，被冷却至进柴油机机体1前所需温度；最后流入冷却液储液罐14，以此完成冷却液循环。与此同时，柴油机废气从排气门流出，首先经过增压涡轮21，增压涡轮21带动与其同轴连接的空气压缩机3工作；随后流经TEG热端热交换板22，作为TEG发电热源；之后流经ORC蒸发器23，与ORC工质进行直接热交换，完全使液态ORC工质汽化；最后废气排向大气。经过空气压缩机3压缩后的增压空气通过柴油机中冷器2 冷却后进入柴油机机体1中的气缸。TEG为特殊半导体材料制成的发电设备，基于塞贝克效应，由于分别来自冷却液与废气的冷热两端温差的存在，从而将热能转换为电能。有机朗肯循环由ORC工质泵31驱动，ORC工质泵31则由电控中心 C变频控制；ORC工质首先流经ORC预热器13，与冷却液进行直接热交换；经过预热的ORC工质进入ORC蒸发器23，在这里与较高温废气进行直接热交换，吸收余热并蒸发为气态有机工质；随后气态ORC工质进入ORC膨胀机32、驱动ORC 膨胀机32做功，并最终使与ORC膨胀机32同轴相连的发电机G转动，使得热能转变为机械能，并最终转变为电能；做功后的乏汽进入ORC冷凝器33冷却为液态有机工质且输送到ORC工质储液罐34，以此完成有机朗肯循环。鉴于船用柴油机的工作环境，冷却液与ORC工质的最终冷却都由海水来完成；海水冷却子系统S6由海水泵42驱动，海水泵42则由电控中心C变频控制；海水首先经过海水过滤器41，过滤掉海水中的固体杂质；流出海水泵42后流进分流器43，分流器将海水冷却主路分为海水柴油机冷却支路401与海水ORC冷却支路402两条支路，一条流向冷却液冷凝器14用来冷却冷却液，另一条流向ORC冷凝器33用来冷却ORC工质。

[0034] 上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

标题	发布/更新时间	阅读量
朗肯循环系统-专利编号CN102812211B	2020-05-12	952
朗肯循环系统-专利编号CN103032990A	2020-05-12	540
朗肯循环-专利编号CN103608548A	2020-05-11	985
朗肯循环系统-专利编号CN102418622A	2020-05-13	1001
朗肯循环系统-专利编号CN102812211A	2020-05-13	228
朗肯循环系统-专利编号CN103032990B	2020-05-13	334
朗肯循环系统-专利编号CN103797218A	2020-05-11	262
朗肯循环膨胀机-专利编号CN102758650A	2020-05-12	902
朗肯循环-专利编号CN103748347B	2020-05-11	445
朗肯循环-专利编号CN103748347A	2020-05-11	1048

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