CN102787943A - 一种应用有机工质为冷却液的发动机余热回收利用系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用有机工质为冷却液的发动机余热回收利用系统，与发动机、发动机内冷却管、动力传送系统、车(船)载暖风机相连，包括涡轮机、风冷式冷凝器、储液罐、冷却液循环泵、闪蒸器、节流阀、发动机废气余热回收器和第一至第十二电磁阀。本发明选择无毒、无味、对人体无害、对大气层臭氧层无破坏作用或影响很小、传热性较好、气体比容小、蒸汽压力大的有机工质代替水作为冷却液。通过回收发动机冷却热量和发动机尾气废热，有机工质温度升高，形成的高压蒸汽驱动涡轮机输出动力，既可以驱动车(船)载空调压缩机，也可为发动机提供部分动力。本发明在同一发动机余热回收利用系统下，通过多种模式下切换实现制冷、制热、供电，提高能源利用率，降低能耗，节约了汽车(船)的运营成本。

Description

一种应用有机工质为冷却液的发动机余热回收利用系统
技术领域
本发明涉及一种应用有机工质为冷却液的发动机余热回收利用系统，尤其涉及一种发动机余热综合利用技术。
背景技术
为保障发动机正常运转，循环冷却水带走燃料发热量的30%，且出口温度一般控制在80～90℃，尾气带走35%～45%，发动机有效功率只有35%～40%，燃料热能未得到充分利用。因此回收发动机余热综合利用是一种前景十分广阔的节能途径。目前利用发动机冷却液和发动机排气废热为驱动热源制冷和采暖的技术，主要有吸附式冷热联产技术、溴化锂吸收式冷热联产技术。前者由于受吸附剂性能的限制，制冷系统整体性能不是很大；而后者由于机组难以小型化，系统庞大，所需空间大。另一方面，发动机的冷却液温度低，水作为冷却介质，虽然传热系数比较高，但蒸发压力低，难以直接利用。
发明内容
本发明的目的，就是为了解决上述现有技术存在的问题，提供一种应用有机工质为冷却液的发动机余热回收利用系统。
为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：一种应用有机工质为冷却液的发动机余热回收利用系统，与发动机、发动机循环冷却液的传热进出口、动力传送系统、发动机的高温废气出口、车(船)载暖风机相连，其特征在于：包括涡轮机、风冷式冷凝器、储液罐、冷却液循环泵、闪蒸器、节流阀、发动机废气余热回收器和第一至第十二电磁阀；涡轮机的功输出轴与动力传送系统相连，可带动车(船)载空调压缩机旋转，也可供给部分汽车(船)动力，也可发电给车(船)载蓄电池充电；涡轮机的乏汽出口分成两路，一路通过第一电磁阀、第四电磁阀、风冷式冷凝器与储液罐的入口连接，另一路通过第二电磁阀、车载暖风机、第三电磁阀、第四电磁阀、风冷式冷凝器与储液罐的主入口连接；储液罐的另一分入口经过节流阀与闪蒸器的饱和液体出口连接，储液罐的出口通过第五电磁阀与冷却液循环泵与发动机内循环冷却液的传热入口相连，而循环冷却液的传热出口分成两路，一路经过第六电磁阀与闪蒸器的入口连通形成主流路，另一路经过第七电磁阀与第五电磁阀与的入口相连形成旁通管路；闪蒸器的饱和蒸汽出口分成两路，一路经过第八电磁阀、第十电磁阀与汽轮机的入口相连，另一路经过第九电磁阀与发动机废气余热回收器的冷却工质入口相连，发动机废气余热回收器的冷却工质出口经第十电磁阀与汽轮机的入口相连；发动机的高温废气排放口分成两路，一路经过第十一电磁阀与发动机废气余热回收器的废气出口连通，另一路经第十二电磁阀与发动机废气余热回收器的废气出口连通。
所述系统利用闪蒸器绝热闪蒸过程，即利用发动力冷却余热产生的高温冷却液的显热用来产生一部分低压饱和蒸汽和饱和液体。
所述系统利用涡轮机等熵膨胀过程对外输出功，既可以驱动车(船)载空调压缩机，又可通过车(船)载蓄电池储存电量以提供部分车行动力，从而可以减小汽车(船)的燃油消耗，大大降低汽车(船)的运行成本。
所述系统利用发动机废气余热回收器，通过传热管道，将闪蒸器生产出的一部分饱和蒸汽加热升温至过热蒸汽，提高做功能力。
所述系统结构简单、制造方便，在原有汽车(船)发动机的冷却系统基础上增加了一个闪蒸器、涡轮机和发动机废气余热回收器。
所述系统采用有机工质作为冷却液。
在第一种联合制冷、发电模式下，第一电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀、第六电磁阀、第七电磁阀、第八电磁阀F8、第十电磁阀F10、第十二磁阀F12、节流阀J1分别打开，其他电磁阀分别关闭；在第二种联合制冷、发电模式下，第一电磁阀F1、第四电磁阀F4、第五电磁阀F5、第六电磁阀F6、第七电磁阀F7、第九电磁阀F9、第十电磁阀F10、第十一磁阀F11、节流阀J1分别打开，其他电磁阀分别关闭；
在第一种联合制热、发电模式下，第二电磁阀F2、第三电磁阀F3、第四电磁阀F4、第五电磁阀F5、第六电磁阀F6、第七电磁阀F7、第八电磁阀F8、第十电磁阀F10、第十二磁阀F12、节流阀J1分别打开，其他电磁阀分别关闭；在第二种联合制热、发电模式下，第二电磁阀F2、第三电磁阀F3、第四电磁阀F4、第五电磁阀F5、第六电磁阀F6、第七电磁阀F7、第九电磁阀F9、第十电磁阀F10、第十一电磁阀F11、节流阀J1分别打开，其他电磁阀分别关闭。
在联合制冷、发电模式，涡轮机的输出动力通过皮带、齿轮等动力传送机构一部分驱动车载空调系统压缩机，一部分发电给车载蓄电池充电；在联合制热、发电模式下，涡轮机的输出动力通过动力传送机构一部分驱动车轮行驶，一部分发电给车载蓄电池充电。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：发动机内冷却液传热管道采用有机工质为冷却液体，如R600a，相比于水，虽传热系数不大，但汽化潜热大，比容小，蒸发温度小，饱和压力大，毒性非常低，在空气中不可燃，对大气臭氧层无破坏作用，非常环保。对于小型汽车，夏季环境温度35℃，发动机正常运转时，发动机内冷却液出口温度要求在95℃以下，冷却液带走的热量大约100kW，生产出约12.7kW发电量，既能驱动车(船)载空调压缩机，又能提供部分汽车(船)的行驶动力。系统结构比较简单、紧凑，节约空间，为未来汽车(船)的发动机余热综合利用的工程实践提供了有利条件。
附图说明
图1为本发明的应用有机工质为冷却液的发动机余热回收利用系统在一实施例的结构原理图；
图2为本发明的应用有机工质为冷却液的发动机余热回收利用系统在一联合制冷、发电模式下的结构原理图；
图3为本发明的应用有机工质为冷却液的发动机余热回收利用系统在另一联合制冷、发电模式下的结构原理图；
图4为本发明的应用有机工质为冷却液的发动机余热回收利用系统在一联合制热、发电模式下的结构原理图；
图5为本发明的应用有机工质为冷却液的发动机余热回收利用系统在另一联合制热、发电模式下的结构原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例：
如图1所示，本发明的应用有机工质为冷却液的发动机余热回收利用系统，与发动机7、发动机内循环冷却液传热进口6、循环冷却液传热出口8、发动机的高温废气出口10、车载暖风机2相连，包括涡轮机1、风冷式冷凝器3、储液罐4、冷却液循环泵5、闪蒸器9、节流阀J1、发动机废气余热回收器11和第一至第十二电磁阀F1-F12；其中，在风冷式冷凝器3、发动机7、车载暖风机2、闪蒸器9、发动机废气余热回收器11都分别有换热管；
涡轮机1的功输出轴与动力传送系统相连，可带动车(船)载空调压缩机旋转，也可供给部分汽车(船)动力，也可发电给车(船)载蓄电池充电；
涡轮机1的乏汽出口分成两路，一路通过第一电磁阀F1、第四电磁阀F4、风冷式冷凝器3与储液罐4的主入口连接，另一路通过第二电磁阀F2、车载暖风机2、第三电磁阀F3、第四电磁阀F4、风冷式冷凝器3与储液罐4的主入口连接；
储液罐4的分入口经过节流阀J1与闪蒸器9的饱和液体出口连接，储液罐4的出口通过第五电磁阀F5、冷却液循环泵5与发动机7内循环冷却液的传热入口6相连，而循环冷却液的传热出口8分成两路，一路经过第六电磁阀F6与闪蒸器9的入口连通形成主流路，另一路经过第七电磁阀F7与第五电磁阀F5的入口相连形成旁通管路；
闪蒸器9的饱和蒸汽出口分成两路，一路经过第八电磁阀F8、第十电磁阀F10与涡轮机1的入口相连，另一路经过第九电磁阀F9与发动机废气余热回收器11的冷却工质入口相连，发动机废气余热回收器11的冷却工质出口经第十电磁阀F10与涡轮机1的入口相连；
发动机7的高温废气排放口分成两路，一路经过第十一电磁阀F11与发动机废气余热回收器11的废气出口10连通，另一路经第十二电磁阀F12与发动机废气余热回收器11的废气出口连通。
通过控制电磁阀的开闭来切换本发明下的应用有机工质为冷却液的发动机余热回收利用系统的不同工作模式，即不同的联合制冷、发电和联合制热发电模式。其中在联合制冷发电模式下，涡轮机1的功输出轴与动力传送系统相连，可带动车(船)载空调压缩机旋转，也可供给部分汽车(船)动力，也可发电向车(船)载蓄电池充电。在联合制热、发电模式，涡轮机1的功输出轴与动力传送系统相连，供给部分汽车(船)动力，也可向车(船)载蓄电池充电。在发动机7内冷却液传热管道及发动机废气余热回收器11里可以使用环境友好的有机工质（如R134a、R152a、R600a等）。
在第一种联合制冷、发电模式下，如图2所示，第一电磁阀F1、第四电磁阀F4、第五电磁阀F5、第六电磁阀F6、第七电磁阀F7、第八电磁阀F8、第十电磁阀F10、第十二磁阀F12、节流阀J1分别打开，其他电磁阀分别关闭。
储液罐4流出的低温低压冷却液在循环泵5的加压作用下进入发动机7内循环冷却液传热管中吸热，升温升压后进入闪蒸器9绝热闪蒸，生产出一部分高压的饱和蒸汽和饱和液体，产生大于1MPa的蒸汽压力；高压饱和蒸汽在压力作用下直接进入涡轮机1膨胀做功，温度降低到冷凝温度、压力减低到冷凝温度对应的饱和压力，输出扭矩通过皮带、齿轮等传送机构一部分推动车(船)载空调压缩机驱动轴旋转产生制冷循环，一部分发电给车(船)载蓄电池充电；从涡轮机1排气口排出的低压蒸气，经风冷式冷凝器3冷凝，变成低温、低压并带一定过冷度的液体，体积缩小，流回储液罐4；闪蒸后残留下来的饱和液体从闪蒸器9液相出口流出，经节流阀J1节流降压，流回储液罐4，如此循环不断。
在第二种联合制冷、发电模式下，如图3所示，第一电磁阀F1、第四电磁阀F4、第五电磁阀F5、第六电磁阀F6、第七电磁阀F7、第九电磁阀F9、第十电磁阀F10、第十一磁阀F11、节流阀J1分别打开，其他电磁阀分别关闭。
储液罐4流出的低温低压冷却液在循环泵5的加压作用下进入发动机7内循环冷却液传热管中吸热，升温升压后进入闪蒸器9绝热闪蒸，生产出一部分高压的饱和蒸汽和饱和液体；饱和蒸汽进入发动机废气余热回收器11的换热管带走发动机7排放的高温废热，形成高温高压的过热蒸汽，顺着有机工质蒸汽供汽管进入涡轮机1膨胀做功，温度降低到冷凝温度、压力减低到冷凝温度对应的饱和压力，输出扭矩通过皮带、齿轮等传送机构一部分推动车(船)载空调压缩机驱动轴旋转产生制冷循环，一部分发电给车(船)载蓄电池充电；从涡轮机1排气口排出的低压蒸气，经风冷式冷凝器3冷凝，变成低温、低压并带一定过冷度的液体，体积缩小，流回储液罐4；闪蒸后残留下来的饱和液体从闪蒸器9液相出口流出，经节流阀J1节流降压，流回储液罐4，如此循环不断。
在第一种联合制热、发电模式下，如图4所示，第二电磁阀F2、第三电磁阀F3、第四电磁阀F4、第五电磁阀F5、第六电磁阀F6、第七电磁阀F7、第八电磁阀F8、第十电磁阀F10、第十二磁阀F12、节流阀J1分别打开，其他电磁阀分别关闭；涡轮机1排出的蒸汽进入车(船)载暖风机2，加热送风机送来的车内冷空气，再经过风冷式冷凝器3，向大气中释放热量，变成低温低压的液体，体积缩小，流回储液罐4，然后进行与第一种联合制冷、发电模式一样的循环流程。
在第二种联合制热、发电模式下，如图5所示，第二电磁阀F2、第三电磁阀F3、第四电磁阀F4、第五电磁阀F5、第六电磁阀F6、第七电磁阀F7、第九电磁阀F9、第十电磁阀F10、第十一电磁阀F11、节流阀J1分别打开，其他电磁阀分别关闭。
从闪蒸器9生产出来的饱和蒸汽进入发动机废气余热回收器11的换热管带走发动机7排放的高温废热，形成高温高压的过热蒸汽，顺着有机工质蒸汽供汽管进入涡轮机1膨胀做功，然后进行与第二种联合制冷、发电模式一样的循环流程
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (5)

1.一种应用有机工质为冷却液的发动机余热回收利用系统，与发动机（7）、发动机循环冷却液的传热进出口（6，8）、动力传送系统、发动机的高温废气出口（10）、车/船载暖风机（2）相连，其特征在于：还包括涡轮机（1）、风冷式冷凝器(3)、储液罐(4)、冷却液循环泵(5)、闪蒸器(9)、节流阀(J1)、发动机废气余热回收器(11)和第一至第十二电磁阀(F1-F12)；涡轮机(1)的功输出轴与动力传送系统相连，；
涡轮机(1)的乏汽出口分成两路，一路通过第一电磁阀F1、第四电磁阀F4、风冷式冷凝器（3）与储液罐（4）的主入口连接，另一路通过第二电磁阀F2、车载暖风机（2）、第三电磁阀F3、第四电磁阀F4、风冷式冷凝器（30与储液罐(4)的主入口连接；
储液罐(4)的分入口经过节流阀J1与闪蒸器（9）的饱和液体出口连接，储液罐（4）的出口通过第五电磁阀F5、冷却液循环泵（5）与发动机（7）内循环冷却液的传热入口（6）相连，而循环冷却液的传热出口（8）分成两路，一路经过第六电磁阀F6与闪蒸器（9）的入口连通形成主流路，另一路经过第七电磁阀F7与第五电磁阀F5的入口相连形成旁通管路；
闪蒸器（9）的饱和蒸汽出口分成两路，一路经过第八电磁阀F8、第十电磁阀F10与涡轮机（1）的入口相连，另一路经过第九电磁阀F9与发动机废气余热回收器（11）的冷却工质入口相连，发动机废气余热回收器（11）的冷却工质出口经第十电磁阀F10与涡轮机（1）的入口相连；
发动机（7）的高温废气排放口分成两路，一路经过第十一电磁阀F11与发动机废气余热回收器（11）的废气出口（10）连通，另一路经第十二电磁阀F12与发动机废气余热回收器（11）的废气出口连通。
2.根据权利要求1所述的应用有机工质为冷却液的发动机余热回收利用系统，其特征在于：所述系统采用有机工质作为冷却液。
3.根据权利要求1所述的应用有机工质为冷却液的发动机余热回收利用系统，其特征在于：在第一种联合制冷、发电模式下，第一电磁阀F1、第四电磁阀F4、第五电磁阀F5、第六电磁阀F6、第七电磁阀F7、第八电磁阀F8、第十电磁阀F10、第十二磁阀F12、节流阀J1分别打开，其他电磁阀分别关闭；在第二种联合制冷、发电模式下，第一电磁阀F1、第四电磁阀F4、第五电磁阀F5、第六电磁阀F6、第七电磁阀F7、第九电磁阀F9、第十电磁阀F10、第十一磁阀F11、节流阀J1分别打开，其他电磁阀分别关闭。
4.根据权利要求1所述的应用有机工质为冷却液的发动机余热回收利用系统，其特征在于：在第一种联合制热、发电模式下，第二电磁阀F2、第三电磁阀F3、第四电磁阀F4、第五电磁阀F5、第六电磁阀F6、第七电磁阀F7、第八电磁阀F8、第十电磁阀F10、第十二磁阀F12、节流阀J1分别打开，其他电磁阀分别关闭；在第二种联合制热、发电模式下，第二电磁阀F2、第三电磁阀F3、第四电磁阀F4、第五电磁阀F5、第六电磁阀F6、第七电磁阀F7、第九电磁阀F9、第十电磁阀F10、第十一电磁阀F11、节流阀J1分别打开，其他电磁阀分别关闭。
5.根据权利要求1所述的应用有机工质为冷却液的发动机余热回收利用系统，其特征在于：在联合制冷、发电模式，涡轮机的输出动力通过皮带、齿轮等动力传送机构一部分驱动车载空调系统压缩机，一部分发电给车载蓄电池充电；在联合制热、发电模式下，涡轮机的输出动力通过动力传送机构一部分驱动车轮行驶，一部分发电给车载蓄电池充电。
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