朗肯循環(huán)系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種朗肯循環(huán)系統(tǒng)及其控制方法，屬于發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣廢熱回收的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，隨著汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量的不斷增加以及汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的能耗在總能耗中占有的比例越來(lái)越大，汽車(chē)節(jié)能減排問(wèn)題越來(lái)越受到重視。從目前車(chē)用內(nèi)燃機(jī)的熱平衡看，用于動(dòng)力輸出的功率一般只占燃料燃燒總熱量的30%?45% (柴油機(jī))或20%?30% (汽油機(jī))。以廢熱形式排出的熱量占燃燒總熱量的55%?70% (柴油機(jī))或70%?80% (汽油機(jī))，主要包括循環(huán)冷卻水帶走的熱量和排氣帶走的熱量。其中排氣帶走的熱量約占進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒所產(chǎn)生熱量的40%?45% (汽油機(jī))，35%?40% (高速柴油機(jī))或30%?40% (中速柴油機(jī))。由此可知，車(chē)用內(nèi)燃機(jī)的熱效率較低，燃料燃燒產(chǎn)生的熱量中能夠被有效利用的只有三分之一左右。這不僅會(huì)造成熱量的損失，而且還會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害。因此，如何實(shí)現(xiàn)車(chē)用內(nèi)燃機(jī)余熱能量的有效轉(zhuǎn)化再利用，已經(jīng)成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。
[0003]近年來(lái)，全世界各大內(nèi)燃機(jī)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和制造商都開(kāi)始研究?jī)?nèi)燃機(jī)的余熱回收技術(shù)，并且已經(jīng)研發(fā)出了利用朗肯循環(huán)(Rankine Cycle)來(lái)回收廢熱的技術(shù)。通常，朗肯循環(huán)主要包括工質(zhì)箱、增壓裝置(例如栗)、熱交換裝置(例如蒸發(fā)器)、能量轉(zhuǎn)化裝置(例如膨脹機(jī))以及冷卻裝置(例如冷凝器)。使用時(shí)，所述栗將一種工質(zhì)(例如水)升壓之后與高溫的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣在所述蒸發(fā)器上進(jìn)行熱交換，該工質(zhì)被加熱汽化，直至成為過(guò)熱蒸汽后，進(jìn)入膨脹機(jī)中做功，做功后的低壓蒸汽進(jìn)入冷凝器被冷卻凝結(jié)成液態(tài)，再回到栗中，完成一個(gè)循環(huán)。經(jīng)過(guò)此過(guò)程之后，相當(dāng)于將發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的廢熱轉(zhuǎn)化成可以利用的機(jī)械能，以實(shí)現(xiàn)能量的回收與利用。
[0004]然而，采用朗肯循環(huán)來(lái)進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)的余熱回收，存在許多技術(shù)難點(diǎn)，其中主要的技術(shù)難點(diǎn)是系統(tǒng)優(yōu)化以及關(guān)鍵部件的控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種優(yōu)化的朗肯循環(huán)系統(tǒng)及其控制方法。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種朗肯循環(huán)系統(tǒng)，用以收集發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管的廢熱，所述朗肯循環(huán)系統(tǒng)包括順序連接的工質(zhì)箱、用以從所述工質(zhì)箱中向外抽取工質(zhì)的增壓裝置、用以與所述發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管進(jìn)行換熱的熱交換裝置、能量轉(zhuǎn)化裝置以及冷卻裝置，所述朗肯循環(huán)系統(tǒng)還包括能夠?qū)⑺隼鋮s裝置的出口的工質(zhì)重新回到所述冷卻裝置中的再冷凝管路。
[0007]作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案，所述朗肯循環(huán)系統(tǒng)設(shè)有安裝在所述冷卻裝置的出口的壓力傳感器、溫度傳感器以及位于所述壓力傳感器與所述溫度傳感器下游的第一三通閥，所述第一三通閥包括與所述冷卻裝置的出口相連的第一入口、與所述工質(zhì)箱相連的第一出口以及與所述再冷凝管路相連的第二出口。
[0008]作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案，所述朗肯循環(huán)系統(tǒng)還包括能夠?qū)⑺鰺峤粨Q裝置的出口的工質(zhì)重新回到所述熱交換裝置的再蒸發(fā)管路。
[0009]作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案，所述朗肯循環(huán)系統(tǒng)設(shè)有安裝在所述熱交換裝置的出口的壓力傳感器、溫度傳感器以及位于所述壓力傳感器與所述溫度傳感器下游的第二三通閥，所述第二三通閥包括與所述熱交換裝置的出口相連的第二入口、與所述能量轉(zhuǎn)化裝置相連的第三出口以及與所述再蒸發(fā)管路相連的第四出口。
[0010]作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案，所述朗肯循環(huán)系統(tǒng)設(shè)有安裝在所述熱交換裝置的入口的壓力傳感器以及溫度傳感器。
[0011]作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案，所述朗肯循環(huán)系統(tǒng)還設(shè)有將所述增壓裝置的出口的工質(zhì)直接回到所述工質(zhì)箱的第一旁通管路以及用以控制所述第一旁通管路的第一控制閥。
[0012]作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案，所述朗肯循環(huán)系統(tǒng)還設(shè)有將所述熱交換裝置的出口的工質(zhì)直接引向所述冷卻裝置的第二旁通管路以及用以控制所述第二旁通管路的第二控制閥。
[0013]作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案，所述朗肯循環(huán)系統(tǒng)設(shè)有安裝在所述能量轉(zhuǎn)化裝置的出口的壓力傳感器以及溫度傳感器。
[0014]本發(fā)明還涉及如下技術(shù)方案:一種朗肯循環(huán)系統(tǒng)的控制方法，所述朗肯循環(huán)系統(tǒng)用以收集發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管的廢熱，所述朗肯循環(huán)系統(tǒng)包括順序連接的工質(zhì)箱、增壓裝置、熱交換裝置、能量轉(zhuǎn)化裝置以及冷卻裝置，所述控制方法包括:
51:判斷所述熱交換裝置的出口的工質(zhì)狀態(tài)，如果所述工質(zhì)狀態(tài)為非氣態(tài)，則不將所述工質(zhì)通入所述能量轉(zhuǎn)化裝置；如果所述工質(zhì)狀態(tài)為氣態(tài)，則將所述工質(zhì)通入所述能量轉(zhuǎn)化裝置；
52:判斷所述冷卻裝置的出口的工質(zhì)狀態(tài)，如果所述工質(zhì)狀態(tài)為非液態(tài)，則不將所述工質(zhì)通入所述工質(zhì)箱，而是通過(guò)再冷凝管路將所述工質(zhì)重新回到所述冷卻裝置中進(jìn)行冷卻，直到所述工質(zhì)狀態(tài)為液態(tài)，才將所述工質(zhì)通入所述工質(zhì)箱。
[0015]作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案，在步驟SI中，所述熱交換裝置的出口安裝有壓力傳感器以及溫度傳感器，通過(guò)所述壓力傳感器以及所述溫度傳感器的讀數(shù)來(lái)判斷所述工質(zhì)的狀態(tài)。
[0016]作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案，在步驟SI中，當(dāng)所述工質(zhì)狀態(tài)為非氣態(tài)時(shí)，通過(guò)減少進(jìn)入所述熱交換裝置的工質(zhì)或者通過(guò)再蒸發(fā)管路將所述工質(zhì)重新回到所述熱交換裝置中進(jìn)行蒸發(fā)，從而使所述熱交換裝置的出口的工質(zhì)狀態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。
[0017]作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案，所述朗肯循環(huán)系統(tǒng)設(shè)有將所述增壓裝置的出口的工質(zhì)直接回到所述工質(zhì)箱的第一旁通管路以及用以控制所述第一旁通管路的第一控制閥；在步驟SI中，通過(guò)將所述第一控制閥打開(kāi)，使一部分工質(zhì)通過(guò)所述第一旁通管路直接回到所述工質(zhì)箱的方法來(lái)減少進(jìn)入所述熱交換裝置的工質(zhì)。
[0018]作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案，在步驟SI中，當(dāng)所述工質(zhì)狀態(tài)為非氣態(tài)時(shí)，通過(guò)第二旁通管路將該工質(zhì)直接通入所述冷卻裝置中。
[0019]相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明通過(guò)設(shè)置再冷凝管路，當(dāng)所述冷卻裝置的出口的工質(zhì)狀態(tài)為非液態(tài)時(shí)，將該工質(zhì)重新回到所述冷卻裝置中進(jìn)行冷卻，從而能夠確保所述冷卻裝置的出口的工質(zhì)狀態(tài)，提升了所述朗肯循環(huán)系統(tǒng)的性能。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是本發(fā)明朗肯循環(huán)系統(tǒng)在第一實(shí)施方式中的原理圖。
[0021]圖2是本發(fā)明朗肯循環(huán)系統(tǒng)在第二實(shí)施方式中的原理圖。
[0022]圖3是本發(fā)明朗肯循環(huán)系統(tǒng)在第三實(shí)施方式中的原理圖。
[0023]圖4是本發(fā)明朗肯循環(huán)系統(tǒng)在第四實(shí)施方式中的原理圖。
[0024]圖5是本發(fā)明朗肯循環(huán)系統(tǒng)的控制方法對(duì)應(yīng)于上述第一、第二實(shí)施方式的流程示意圖。
[0025]圖6是本發(fā)明朗肯循環(huán)系統(tǒng)的控制方法對(duì)應(yīng)于上述第三、第四實(shí)施方式的流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]請(qǐng)參圖1所示，本發(fā)明揭示了一種朗肯循環(huán)系統(tǒng)100，用以收集發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管的廢熱。所述朗肯循環(huán)系統(tǒng)100包括順序連接的工質(zhì)箱1、用以從所述工質(zhì)箱I中向外抽取工質(zhì)的增壓裝置2、用以與所述發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管200進(jìn)行換熱的熱交換裝置3、能量轉(zhuǎn)化裝置4以冷卻裝置5。在本發(fā)明圖示的實(shí)施方式中，所述增壓裝置2為工質(zhì)栗，所述熱交換裝置3為蒸發(fā)器或者鍋爐，所述能量轉(zhuǎn)化裝置4為膨脹機(jī)用以驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載41，所述冷卻裝置5為冷凝器。
[0027]另外，所述朗肯循環(huán)系統(tǒng)100還包括能夠?qū)⑺隼鋮s裝置5的出口的工質(zhì)重新回到所述冷卻裝置5中的再冷凝管路6。所述朗肯循環(huán)系統(tǒng)100還設(shè)有安裝在所述冷卻裝置5的出口的壓力傳感器61、溫度傳感器62以及位于所述壓力傳感器61與所述溫度傳感器62下游的第一三通閥63。所述第一三通閥63包括與所述冷卻裝置5的出口相連的第一入口631、與所述工質(zhì)箱I相連的第一出口 632以及與所述再冷凝管路6相連的第二出口 633。
[0028]因?yàn)槊恳环N工質(zhì)都有確定的飽和溫度和飽和壓力值，通過(guò)溫度傳感器以及壓力傳感器的測(cè)量，能夠得出該工質(zhì)的狀態(tài)。因此，通過(guò)所述壓力傳感器61與所述溫度傳感器62的讀數(shù)能夠得出所述冷卻裝置5的出口的工質(zhì)狀態(tài)。如果所述工質(zhì)狀態(tài)為未完全冷凝的非液態(tài)(例如氣液兩相)，則關(guān)閉所述第一三通閥63的第一出口 632，不將所述工質(zhì)通入所述工質(zhì)箱1，同時(shí)打開(kāi)所述第一三通閥63的第二出口 633，通過(guò)所述再冷凝管路6將所述工質(zhì)重新回到所述冷卻裝置5中進(jìn)行冷卻，直到所述工質(zhì)被完全冷凝為液態(tài)。
[0029]請(qǐng)參圖1所示，在本發(fā)明圖示的第一實(shí)施方式中，所述朗肯循環(huán)系統(tǒng)100還包括能夠?qū)⑺鰺峤粨Q裝置3的出口的工質(zhì)重新回到所述熱交換裝置3的再蒸發(fā)管路7。所述朗肯循環(huán)系統(tǒng)100設(shè)有安裝在所述熱交換裝置3的出口的壓力傳感器71、溫度傳感器72以及位于所述壓力傳感器71與所述溫度傳感器72下游的第二三通閥73。所述第二三通閥73包括與所述熱交換裝置3的出口相連的第二入口 731、與所述能量轉(zhuǎn)化裝置4相連的第三出口 732以及與所述再蒸發(fā)管路7相連的第四出口 733。
[0030]通過(guò)所述壓力傳感器71與所述溫度傳感器72的讀數(shù)能夠得出所述熱交換裝置3的出口的工質(zhì)狀態(tài)。如果所述工質(zhì)狀態(tài)為未完全蒸發(fā)的非氣態(tài)(例如氣液兩相)，則關(guān)閉所述第二三通閥73的第三出口 732，不將所述工質(zhì)通入所述能量轉(zhuǎn)化裝置4，以免損壞所述能量轉(zhuǎn)化裝置4。同時(shí)，打開(kāi)所述第二三通閥73的第四出口 733，通過(guò)所述再蒸發(fā)管路7將所述工質(zhì)重新回到所述熱交換裝置3中進(jìn)行蒸