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及其方法技术方案

本发明专利技术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及其方法，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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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及其方法
本专利技术涉及能源领域，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及其方法。技术背景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。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。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。
技术实现思路
本专利技术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及其方法，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。本专利技术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。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。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。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。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。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。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。本专利技术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工作无需对柴油机做任何改动，本专利技术的工作流程为：当船用柴油机运行于稳定航海工况时，冷却液泵由柴油机驱动，将冷却液加压后送进柴油机机体水套；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后经过TEG冷端热交换板，作为TEG发电冷源；随后流经ORC预热器，与ORC工质进行直接热交换；之后流经冷却液冷凝器，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前所需温度；最后流入冷却液储液罐，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，增压涡轮带动与其同轴连接的空气压缩机工作；随后流经TEG热端热交换板，作为TEG发电热源；之后流经ORC蒸发器，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。经过空气压缩机压缩后的增压空气通过柴油机中冷器冷却后进入柴油机机体中的气缸。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工质泵驱动，ORC工质泵则由电控中心变频控制；ORC工质首先流经ORC预热器，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，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、驱动ORC膨胀机做功，并最终使与ORC膨胀机同轴相连的发电机转动，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冷凝器冷却为液态有机工质且输送到ORC工质储液罐，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；海水冷却子系统由海水泵驱动，海水泵则由电控中心变频控制；海水首先经过海水过滤器，过滤掉海水中的固体杂质；流出海水泵后流进分流器，分流器将海水冷却主路分为海水柴油机冷却支路与海水ORC冷却支路两条支路，一条流向冷却液冷凝器用来冷却冷却液，另一条流向ORC冷凝器用来冷却ORC工质。本专利技术中，冷却液为水和防冻剂的混合物，且防冻剂的质量分数较高以使冷却液具有较高的沸点与较低的冰点。ORC工质为性能优良的有机混合工质，使得其蒸发过程不发生在定温条件下，以提高ORC循环效率；此外，一些先进的柴油机技术未在本专利技术中直接体现，但本专利技术可联合使用某些先进柴油机技术，如EGR、尾气处理技术等。本专利技术和已有技术相比较，有益效果主要有以下方面：本专利技术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。(1)本专利技术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。(2)本专利技术中，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。(3)本专利技术中，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。(4)本专利技术中，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。附图说明图1是本专利技术系统原理图；图2是本专利技术实施例示意图。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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)。

【技术特征摘要】
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)...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞小莉，俞潇南，黄瑞，王雷，吴杰，黄岩，凌珑，钱柯宇，
申请(专利权)人：浙江大学，宁波中策动力机电集团有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33