CN104005881B - 梯级回收车辆发动机废热的动力、冷/热供能***及方法 - Google Patents
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Abstract
一种梯级回收车辆发动机废热的动力、冷/热供能***及方法，属于能源与动力领域。其特征在于：主要借助采用非共沸混合工质（10）的热力循环，梯级回收车辆发动机（3）冷却废热和烟气废热，并将其转化为车辆动力、冷量/热量，通过调节分配器（19）出口物料比例、控制初始非共沸工质（10）中各组分的质量分数以及吸收冷凝器（20）背压，能够满足不同季节环境温度条件下的动力、冷/热负荷需求，并显著降低现有车辆发动机的油耗率。
Description
技术领域
本发明涉及一种梯级回收车辆发动机冷却废热和烟气废热的动力、冷/热供能***和工作方法，属于能源与动力领域。
背景技术
当前运输车辆能耗在我国能源消费总量中占有重要比例，车辆尾气排放已成为城市空气污染的重要来源。随着节能减排要求日趋严格，通过废热回收技术提高车辆供能***能量转化效率，并降低其单位产能污染排放的研究已经成为了当前的研究热点。实际车辆供能***受到季节负荷变化的影响主要可分为制冷季、供暖季和非制冷供暖季三类负荷特点：制冷季主要负荷需求为机械动力和冷量；供暖季主要负荷需求为机械动力和热量；非制冷供暖季主要负荷需求为机械动力。
目前研究者已经提出大量车辆废热回收方案，主要通过回收车辆发动机废烟气、滑油和冷却剂的废热，并将其转化为机械动力或者制冷，用于改善车辆供能***的总能转化效率。提出或者构建的回收车辆废热制冷方案，也仅适用具有冷需求的条件。而对于考虑间接回收冷却废热的有机朗肯循环***方案，由于现有车辆供能***需要采用部分冷却废热在供暖季供暖，因此，这类方案的冷却废热仅能在非供暖季全部回收。由此可见，已有提出的废热回收供能***方案较多关注各类废热的回收潜力，但较少从能量供需平衡角度，考虑废热回收方案与车辆季节负荷需求的适应性。
由此可见，考虑现有车辆供能***结构并体现季节负荷需求特点，构建总体能效较高的车辆废热回收方案具有重要应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提出一种考虑车辆季节负荷需求以及废热特点，既能对各类废热梯级回收，又能满足车辆各个季节动力、冷/热需求的供能***和工作方法。
一种梯级回收车辆发动机废热的动力、冷/热供能***，其特征在于：
该***包括发动机、缸套、第1换热器、第1循环泵、第2换热器、第2循环泵、第1回热器、第2回热器、冷却器、气液分离器、透平、分配器、吸收冷凝器、节流阀、蒸发器和压缩机；
发动机包括燃料入口、空气入口和烟气出口，缸套布置在发动机***；
第1换热器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第2换热器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第1回热器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第2回热器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；冷却器（14）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；吸收冷凝器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；蒸发器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；
燃料与发动机燃料入口相连，环境空气与发动机空气入口相连，发动机烟气出口与第1换热器热侧入口相连，第1换热器热侧出口与大气环境相连；
缸套出口与第2换热器热侧入口相连，第2换热器热侧出口通过第1循环泵与缸套入口相连；
第2循环泵出口与第1回热器冷侧入口相连，第1回热器冷侧出口与第2回热器冷侧入口相连，第2回热器冷侧出口与第2换热器冷侧入口相连，第2换热器冷侧出口与气液分离器入口相连，气液分离器还包括气相出口和液相出口：
气液分离器气相出口与第1换热器冷侧入口相连，第1换热器冷侧出口通过透平与第1回热器热侧入口相连，第1回热器热侧出口与吸收冷凝器热侧入口相连，吸收冷凝器热侧出口与第2循环泵入口相连；
气液分离器液相出口与第2回热器热侧入口相连；第2回热器热侧出口与冷却器热侧入口相连，环境空气与冷却器冷侧入口相连，冷却器冷侧出口与车厢供暖风口相连，冷却器热侧出口与分配器相连；
分配器出口分为两路：一路与吸收冷凝器热侧入口相连；另一路通过节流阀与蒸发器冷侧入口相连，蒸发器冷侧出口通过压缩机与吸收冷凝器热侧入口相连；环境空气与蒸发器热侧入口相连，蒸发器热侧出口的冷空气与冷风口相连；环境空气与吸收冷凝器冷侧入口相连，吸收冷凝器冷侧出口与大气环境相连。
上述***通过非共沸工质热力循环对常规车辆发动机的冷却废热和烟气废热进行了梯级回收。与现有常规采用发动机提供主动力，散热器的冷却***来供暖，以及蒸气压缩制冷循环消耗部分发动机动力来制冷的独立供能***相比，该***能够根据车辆各季节负荷需求为其提供不同品位的动力、冷/热。
本发明提出的梯级回收车辆发动机废热的动力、冷/热供能***，根据季节负荷需求不同可以采用如下的运行过程：
燃料与空气进入发动机燃烧释放热能并通过活塞做功转化为机械能对外输出，发动机同时对外排出高温烟气。缸套布置在发动机***通过导热方式为发动机散热，低温的冷却剂经过第1循环泵送入缸套对发动机进行冷却后温度升高，然后进入第2换热器热侧，被第2换热器冷侧的非共沸工质冷却后再送入第1循环泵开始下一轮冷却循环。该工作方法除了以上过程，其特征还在于包括以下过程：
低温的非共沸工质经过第2循环泵增压后进入第1回热器冷侧，被透平出口乏气预热后，再进入第2回热器冷侧被高温的多组分溶液预热，接着进入第2换热器冷侧被高温的冷却剂加热至部分蒸发，然后送入气液分离器。
气液分离器气相出口的多组分蒸汽进入第1换热器冷侧被高温烟气加热至过热状态后通过透平膨胀做功，透平出口乏气再进入第1回热器热侧对低温的非共沸工质进行预热，释放热能后从第1回热器热侧出口物流最后送入吸收冷凝器热侧入口。
气液分离器液相出口的多组分溶液经过第2回热器热侧对其冷侧的非共沸工质加热后自身温度降低，然后再进入冷却器向冷侧的环境空气释放热量后进入分配器。环境空气在冷却器冷侧吸收热量后温度升高成为热空气，被送入供暖风口。
分配器出口工质分为两路：一路送入吸收冷凝器热侧被冷侧的环境空气冷却；另一路通过节流阀降压降温后，送入蒸发器冷侧，对其热侧的环境空气冷却，热侧出口得到的冷空气被送入冷风口。蒸发器冷侧工质吸收热量后蒸发变为气相，然后再通过压缩机增压升温后送入吸收冷凝器热侧，吸收冷凝器热侧出口液态的非共沸工质再送入第2循环泵增压开始下一轮热力循环。
由于该车辆废热回收子***采用了非共沸工质，因此第2换热器内的非共沸工质的等压蒸发过程为滑温过程，其内部平均换热温差较小，第2换热器能够对发动机冷却剂显热中的有用能有效回收。而第1换热器内为气-气显热换热过程，其平均换热温差也较小，烟气的火用利用效率较高。此外，由于采用非共沸工质对，如NH3-H2O可作为热驱动的制冷介质，通过对气液分离器液相出口的工质冷却后节流可用来制冷，而工质冷却热可以用来为车厢环境供暖。由此可见，该方案不仅能够对现有车辆各类废热梯级回收利用，而且能够根据车厢能耗需求，提供动力、冷量/热量。
上述梯级回收车辆发动机废热的动力、冷/热联供***，在制冷季通过调整分配器比例可以满足不同的制冷负荷需求，包括启动时需要快速大量的制冷量，在稳定运行时需要较小且稳定的制冷量。此外，由于该***废热回收热功转化量大于常规车辆制冷压缩机功耗，该方案也特别适合冷藏/冷冻货车的节能改造。
上述梯级回收车辆发动机废热的动力、冷/热联供***在供暖季，通过调整吸收冷凝器背压和初始的非共沸工质中各组分质量分数，能够进一步提高废热热功转化效率，满足车辆动力和供暖需求，可用于显著降低车辆发动机油耗。
附图说明
图1是车辆废热梯级回收动力、冷/热联供***；
图中标号名称：1．燃料，2. 环境空气，3. 发动机，4.缸套，5.冷却剂，6. 烟气，7. 第1换热器，8. 第1循环泵，9. 第2换热器，10. 非共沸工质，11. 第2循环泵， 12. 第1回热器，13. 第2回热器，14. 冷却器，15. 气液分离器，16. 多组分蒸汽，17.多组分溶液，18. 透平，19. 分配器，20. 吸收冷凝器， 21. 热空气，22. 节流阀，23. 冷空气，24. 蒸发器，25. 压缩机，26. 供暖风口，27. 冷风口。
具体实施方式
图1是本发明提出的梯级回收车辆发动机废热的动力、冷/热供能***，下面参照图1说明该供能***的工作过程。
首先，燃料1与空气2进入发动机3气缸燃烧释放热能，部分被转化为机械能，其余热能分别被发动机烟气6和布置在发动机***的缸套4内的冷却剂5带走。烟气6通过第1换热器7对多组分蒸汽16加热后温度降低，并排入大气环境。缸套4出口冷却剂5进入第1换热器7对非共沸工质10加热，然后通过第1循环泵8进入缸套4对发动机3进行循环冷却。
非共沸工质10通过第2循环泵11增压后送入第1回热器12冷侧，吸收第1回热器12热侧乏气废热后，再进入第2回热器13冷侧，吸收第2回热器13热侧多组分溶液17显热后进入第2换热器9冷侧，吸收第2换热器9热侧冷却剂5显热后部分蒸发，并进入气液分离器15。
气液分离器15气相出口的多组分蒸汽16进入第1回热器7冷侧吸收其热侧烟气6显热后通过透平18膨胀做功，透平18出口乏气进入第1回热器12热侧对低温的非共沸工质10进行预热，然后再进入吸收冷凝器20热侧被冷侧的环境空气2全部冷凝为液态，从吸收冷凝器20热侧出来的液态的非共沸工质10再进入循环泵11，开始一下轮热力循环。
气液分离器15液相出口的多组分溶液17进入第2回热器13热侧对非共沸工质10进行预热后进入冷却器14热侧，被冷却器14冷侧的环境空气2冷却后，送入分配器19。冷却器14冷侧出口的热空气21被送入车辆的供暖风口26用于车厢供暖。分配器19出口分为两路：一路进入吸收冷凝器20热侧被冷侧的环境空气2冷凝为液态；另一路通过节流阀22降压降温后送入蒸发器24冷侧，吸收蒸发器24热侧环境空气2显热后蒸发，然后再送入吸收冷凝器20热侧入口。蒸发器热侧环境空气2被冷却为冷空气23后送入车厢冷风口27供冷。
在制冷季：关闭供暖风口26，热空气21全部排空。通过调节分配器19出口进入节流阀22的多组分溶液17的比例，在满足制冷季的制冷负荷需求的条件下，多余废热被透平18转化为机械能。
在供暖季：关闭节流阀22，关闭冷风口27。打开供暖风口26。
在非制冷供暖季：关闭节流阀22，关闭冷风口27，关闭供暖风口26，热空气21全部排空。
Claims (2)
1.一种梯级回收车辆发动机废热的动力、冷/热供能***，其特征在于：
该***包括发动机（3）、缸套（4）、第1换热器（7）、第1循环泵（8）、第2换热器（9）、第2循环泵（11）、第1回热器（12）、第2回热器（13）、冷却器（14）、气液分离器（15）、透平（18）、分配器（19）、吸收冷凝器（20）、节流阀（22）、蒸发器（24）和压缩机（25）；
发动机（3）包括燃料入口、空气入口和烟气出口，缸套（4）布置在发动机（3）***；
第1换热器（7）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第2换热器（9）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第1回热器（12）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第2回热器（13）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；冷却器（14）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；吸收冷凝器（20）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；蒸发器（24）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；
燃料（1）与发动机（3）燃料入口相连，环境空气（2）与发动机（3）空气入口相连，发动机（3）烟气出口与第1换热器（7）热侧入口相连，第1换热器（7）热侧出口与大气环境相连；
缸套（4）出口与第2换热器（9）热侧入口相连，第2换热器（9）热侧出口通过第1循环泵（8）与缸套（4）入口相连；
第2循环泵（11）出口与第1回热器（12）冷侧入口相连，第1回热器（12）冷侧出口与第2回热器（13）冷侧入口相连，第2回热器（13）冷侧出口与第2换热器（9）冷侧入口相连，第2换热器（9）冷侧出口与气液分离器（15）入口相连，气液分离器（15）还包括气相出口和液相出口：
气液分离器（15）气相出口与第1换热器（7）冷侧入口相连，第1换热器（7）冷侧出口通过透平（18）与第1回热器（12）热侧入口相连，第1回热器（12）热侧出口与吸收冷凝器（20）热侧入口相连，吸收冷凝器（20）热侧出口与第2循环泵（11）入口相连；
气液分离器（15）液相出口与第2回热器（13）热侧入口相连；第2回热器（13）热侧出口与冷却器（14）热侧入口相连，环境空气（2）与冷却器（14）冷侧入口相连，冷却器（14）冷侧出口与供暖风口（26）相连，冷却器（14）热侧出口与分配器（19）相连；
分配器（19）出口分为两路：一路与吸收冷凝器（20）热侧入口相连；另一路通过节流阀（22）与蒸发器（24）冷侧入口相连，蒸发器（24）冷侧出口通过压缩机（25）与吸收冷凝器（20）热侧入口相连；环境空气（2）与蒸发器（24）热侧入口相连，蒸发器（24）热侧出口的冷空气（23）与冷风口（27）相连；环境空气（2）与吸收冷凝器（20）冷侧入口相连，吸收冷凝器（20）冷侧出口与大气环境相连。
2.根据权利要求1 所述的梯级回收车辆发动机废热的动力、冷/热供能***的工作方法，其特征在于：
燃料（1）与环境空气（2）进入发动机（3）燃烧释放热能并通过活塞做功转化为机械能对外输出，发动机（3）同时对外排出高温烟气（6）；缸套（4）布置在发动机（3）***通过导热方式为发动机（3）散热，低温的冷却剂（5）经过第1循环泵（8）送入缸套（4）对发动机（3）进行冷却后温度升高，然后进入第2换热器（9）热侧，被第2换热器（9）冷侧的非共沸工质（10）冷却后再送入第1循环泵（8）开始下一轮冷却循环；该工作方法除了以上过程，其特征还在于包括以下过程：
低温的非共沸工质（10）经过第2循环泵（11）增压后进入第1回热器（12）冷侧，被透平（18）出口乏气预热后，再进入第2回热器（13）冷侧被高温的多组分溶液（17）预热，接着进入第2换热器（9）冷侧被高温的冷却剂（5）加热至部分蒸发，然后送入气液分离器（15）；
气液分离器（15）气相出口的多组分蒸汽（16）进入第1换热器（7）冷侧被高温烟气（6）加热至过热状态后通过透平（18）膨胀做功，透平（18）出口乏气再进入第1回热器（12）热侧对低温的非共沸工质（10）进行预热，释放热能后从第1回热器（12）热侧出口送入吸收冷凝器（20）热侧入口；
气液分离器（15）液相出口的多组分溶液（17）经过第2回热器（13）热侧对其冷侧的非共沸工质（10）加热后自身温度降低，然后进入冷却器（14）向冷侧的环境空气（2）释放热量后进入分配器（19）；环境空气（2）进入冷却器（14）冷侧吸收热量后温度升高变为高温空气（21），最后被送入供暖风口（26）；
分配器（19）出口工质分为两路：一路送入吸收冷凝器（20）热侧被冷侧的环境空气（2）冷却；另一路通过节流阀（22）降压降温后，送入蒸发器（24）冷侧对其热侧的环境空气（2）进行冷却，热侧出口得到的冷空气（23）被送入冷风口（27）；蒸发器（24）冷侧工质吸收热量后蒸发为气相，然后再通过压缩机（25）增压升温后送入吸收冷凝器（20）热侧被环境空气（2）冷却全部冷凝为液态，吸收冷凝器（20）热侧出口的液态的非共沸工质（10）再通过第2循环泵（11）增压开始下一轮热力循环。
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2014
- 2014-05-27 CN CN201410226122.2A patent/CN104005881B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
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