CN102996194B - 一种基于液化天然气汽车的能量综合回收利用系统 - Google Patents

一种基于液化天然气汽车的能量综合回收利用系统 Download PDF

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Abstract

一种基于液化天然气汽车的能量综合回收利用系统，利用发动机冷却液做热源、LNG做冷源，驱动动力循环输出功量；同时利用发动机高温尾气做热源、环境做冷源，驱动另一动力循环输出功量；部分LNG的较高温区的冷量被用于抵消一部分汽车空调负荷，减少为制取这些冷量所消耗的发动机功耗，通过以上三个方面的能量综合回收利用，提高LNG汽车发动机的动力输出能力及能量利用效率，降低制动比燃料消耗率，具有创造极大经济效益和社会效益的潜力。

Description

一种基于液化天然气汽车的能量综合回收利用系统
技术领域
本发明属于天然气汽车节能领域，涉及一种基于液化天然气汽车的能量综合回收利用系统。
背景技术
液化天然气(LNG)汽车因其燃料贮能密度高、一次加注行驶里程长、燃烧清洁、操作安全等优点，近年来在我国取得了长足的发展。资料表明，2006年至2010年，以LNG为燃料的卡车的年增长率在25％以上，预计“十二五”期间，我国LNG卡车的保有量将超过5万辆，并将保持高速的增长趋势。
LNG在常压下的贮存温度为-162℃,在进入发动机燃料之前LNG都需要被汽化复温到常温，期间大约会释放890kJ/kg的冷量，如果在LNG与环境之间建立一理想卡诺热机，通过从环境吸热、向低温LNG放热使之汽化复温，可驱动热机输出功量约1040kJ/kg，该输出功即为热力学所谓的冷量火用。对这部分冷量火用的回收利用可以提高LNG汽车的动力输出，是降低LNG汽车的制动比燃料消耗率(BrakeSpecific Fuel Consumption,BSFC)的有效措施之一。
另外，目前典型的内燃机仅能将燃料燃烧释放热能的三分之一左右转化为有效功输出，而其余热量被发动机冷却液和尾气排放到环境中。如何从这些排放的热能中提取转化有效功，是提高内燃机效率的重要命题。对于LNG汽车发动机也同样存在此问题，因此通过在冷却液、尾气与环境之间建立动力循环，也可提高LNG汽车的动力输出、降低BSFC。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于液化天然气汽车的能量综合回收利用系统，利用发动机冷却液做热源、LNG做冷源，驱动动力循环输出功量；同时利用发动机高温尾气做热源、环境做冷源，驱动另一动力循环输出功量；部分LNG的较高温区的冷量被用于抵消一部分汽车空调负荷，减少为制取这些冷量所消耗的发动机功耗，通过以上三个方面的能量综合回收利用，达到提高LNG汽车燃料能量利用效率的目的。
为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种基于液化天然气汽车的能量综合回收利用系统，包括LNG燃料罐1，LNG燃料罐1的出口经高真空绝热管与流量控制阀V1的入口连接，流量控制阀V1的出口再经高真空绝热管与LNG汽化器H1的冷流体入口连接，LNG汽化器H1的冷流体出口和低温天然气复温换热器H2的冷流体入口连接，低温天然气复温换热器H2的冷流体出口经燃气复温管道和发动机E的燃料进口连接；
LNG汽化器H1的热流体出口经管道与第一有机工质加压泵P1入口连接，第一有机工质加压泵P1出口和第一回热器R1的冷流体入口连接，第一回热器R1的冷流体出口和低温蒸发器H3的冷流体入口连接，低温蒸发器H3的冷流体出口与第一膨胀机T1的入口连接，第一回热器R1的热流体入口和第一膨胀机T1的出口连接，第一回热器R1的热流体出口和LNG汽化器H1的热流体入口连接；
低温天然气复温换热器H2的热流体出口经绝热管道与空冷器2的载冷剂入口连接，空冷器2载冷剂出口经保温管道与载冷剂输送泵P2的入口连接，载冷剂输送泵P2的出口经保温管道与低温天然气复温换热器H2的热流体入口连接；
空气压缩机C1的入口与空气滤清器连接，出口经管道与发动机E进气口连接；
低温蒸发器H3的热流体入口和发动机E冷却液出口连接，低温蒸发器H3的热流体出口和散热器3的冷却液入口连接，散热器3的冷却液出口与冷却液循环泵P3入口连接，冷却液循环泵P3出口与发动机E冷却液入口连接；
发动机E的尾气排放口经排烟管道与涡轮T2的进气口连接，涡轮T2的排气口和高温蒸发器H4的热流体入口连接，高温蒸发器H4的热流体出口和排烟管出口连接；
高温蒸发器H4冷流体出口与第二膨胀机T3进气口连接，第二回热器R2的热流体入口和第二膨胀机T3排气口连接，第二回热器R2的热流体出口与冷凝器4的热流体入口连接，第二有机工质加压泵P4入口与冷凝器4的热流体出口连接，第二有机工质加压泵P4出口和第二回热器R2的冷流体入口连接，第二回热器R2的冷流体出口与高温蒸发器H4的冷流体入口连接；
所述的第一膨胀机T1通过联轴器与第一发电机G1连接；所述的第二膨胀机T3通过联轴器与第二发电机G2连接；所述的涡轮T2通过联轴器与空气压缩机C1连接。
所述冷凝器4与散热器3串联布置，由一台风机驱动外界环境空气依次穿过冷凝器4和散热器3。
本发明用于回收LNG汽车尾气、冷却液排出的发动机废热及LNG的冷量火用做功，并利用部分LNG的高温区冷量作为汽车空调的辅助制冷量，减小空调压缩机的耗功。通过本发明所采取的能量综合回收利用方案，可提高LNG汽车发动机的动力输出能力及能量利用效率，降低制动比燃料消耗率，在我国LNG重型汽车高速发展的背景下，本发明具有创造极大经济效益和社会效益的潜力。
附图说明
附图为本发明的系统流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，一种基于液化天然气汽车的能量综合回收利用系统，包括LNG燃料罐1，LNG燃料罐1的出口经高真空绝热管与流量控制阀V1的入口连接，流量控制阀V1的出口再经高真空绝热管与LNG汽化器H1的冷流体入口连接，LNG汽化器H1的冷流体出口和低温天然气复温换热器H2的冷流体入口连接，低温天然气复温换热器H2的冷流体出口经燃气复温管道和发动机E的燃料进口连接；
LNG汽化器H1的热流体出口经管道与第一有机工质加压泵P1入口连接，第一有机工质加压泵P1出口和第一回热器R1的冷流体入口连接，第一回热器R1的冷流体出口和低温蒸发器H3的冷流体入口连接，低温蒸发器H3的冷流体出口与第一膨胀机T1的入口连接，第一回热器R1的热流体入口和第一膨胀机T1的出口连接，第一回热器R1的热流体出口和LNG汽化器H1的热流体入口连接；
低温天然气复温换热器H2的热流体出口经绝热管道与空冷器2的载冷剂入口连接，空冷器2载冷剂出口经保温管道与载冷剂输送泵P2的入口连接，载冷剂输送泵P2的出口经保温管道与低温天然气复温换热器H2的热流体入口连接；
空气压缩机C1的入口与空气滤清器连接，出口经管道与发动机进气口连接；
低温蒸发器H3的热流体入口和发动机E冷却液出口连接，低温蒸发器H3的热流体出口和散热器3的冷却液入口连接，散热器3的冷却液出口与冷却液循环泵P3入口连接，冷却液循环泵P3出口与发动机E冷却液入口连接；
发动机E的尾气排放口经排烟管道与涡轮T2的进气口连接，涡轮T2的排气口和高温蒸发器H4的热流体入口连接，高温蒸发器H4的热流体出口和排烟管出口连接；
高温蒸发器H4冷流体出口与第二膨胀机T3进气口连接，第二回热器R2的热流体入口和第二膨胀机T3排气口连接，第二回热器R2的热流体出口与冷凝器4的热流体入口连接，第二有机工质加压泵P4入口与冷凝器4的热流体出口连接，第二有机工质加压泵P4出口和第二回热器R2的冷流体入口连接，第二回热器R2的冷流体出口与高温蒸发器H4的冷流体入口连接；
所述的第一膨胀机T1通过联轴器与第一发电机G1连接；所述的第二膨胀机T3通过联轴器与第二发电机G2连接；所述的涡轮T2通过联轴器与空气压缩机C1连接。
所述冷凝器4与散热器3串联布置，由一台风机驱动外界环境空气依次穿过冷凝器4和散热器3。
本发明的工作原理为：
LNG经流量控制阀V1控制流量后，进入LNG汽化器H1中被有机工质I加热汽化，释放大量的汽化潜热，之后被汽化的低温天然气再进入低温天然气复温换热器H2中被汽车空调载冷剂继续加热复温到0℃，之后在燃气输送管道中进一步升温到环境温度，并被送入发动机E中燃烧。
有机工质I蒸汽在LNG汽化器中被冷凝成过冷液体后，经第一有机工质加压泵P1增压后，先进入第一回热器R1中被膨胀机排气预热，之后再进入低温蒸发器H3中吸收发动机冷却液的热量，并被蒸发气化成为高压蒸汽，随后高压蒸汽进入第一膨胀机T1膨胀做功，并带动第一发电机G1发电；第一膨胀机T1的排出乏汽先进入第一回热器R1中放热降温，后进入LNG汽化器H1中与LNG换热，并被冷却直至完全冷凝成过冷液体，进入下一次循环。
汽车空调载冷剂在低温天然气复温换热器H2中放热冷却后，在绝热条件下被送入空冷器2中与驾驶室中循环空气换热，吸收空气热量被加热，之后再经载冷剂输送泵P2加压后进入低温天然气复温换热器H2中被冷却，从而进入下一次循环。
发动机E中天然气和空气混合燃烧后，排出的高温尾气先驱动涡轮T2旋转，再进入高温蒸发器H4中放热，最后经排烟管道排入环境；涡轮T2带动同轴的空气压缩机C1运转，从空气滤清器中来的空气被空气压缩机C1压缩后进入发动机E。冷却液在发动机缸套中吸收热量后，在低温蒸发器H3中放热，用于汽化高压有机工质I，使之成为高压蒸汽，之后冷却液再进入散热器3中与环境空气换热，被进一步冷却后，经冷却液循环泵P3驱动，送入发动机缸套吸热，进入下一循环。
有机工质II在高温蒸发器H4中被发动机高温尾气加热汽化为高压蒸汽后，进入第二膨胀机T3膨胀做功，并带动第二发电机G2发电；第二膨胀机T3的排出乏汽先进入回热器R2中放热降温，后进入冷凝器4中与环境空气换热，并被冷却直至完全冷凝成过冷液体后，经第二有机工质加压泵P4增压，之后进入第二回热器R2中被膨胀机排气预热，再进入高温蒸发器H4中吸收发动机高温尾气释放的热量，并被蒸发气化成为高压蒸汽，随后进入下一次循环。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (1)

1.一种基于液化天然气汽车的能量综合回收利用系统，包括LNG燃料罐(1)，其特征在于：LNG燃料罐(1)的出口经高真空绝热管与流量控制阀(V1)的入口连接，流量控制阀(V1)的出口再经高真空绝热管与LNG汽化器(H1)的冷流体入口连接，LNG汽化器(H1)的冷流体出口和低温天然气复温换热器(H2)的冷流体入口连接，低温天然气复温换热器(H2)的冷流体出口经燃气复温管道和发动机(E)的燃料进口连接；
LNG汽化器(H1)的热流体出口经管道与第一有机工质加压泵(P1)入口连接，第一有机工质加压泵(P1)出口和第一回热器(R1)的冷流体入口连接，第一回热器(R1)的冷流体出口和低温蒸发器(H3)的冷流体入口连接，低温蒸发器(H3)的冷流体出口与第一膨胀机(T1)的入口连接，第一回热器(R1)的热流体入口和第一膨胀机(T1)的出口连接，第一回热器(R1)的热流体出口和LNG汽化器(H1)的热流体入口连接；
低温天然气复温换热器(H2)的热流体出口经绝热管道与空冷器(2)的载冷剂入口连接，空冷器(2)载冷剂出口经保温管道与载冷剂输送泵(P2)的入口连接，载冷剂输送泵(P2)的出口经保温管道与低温天然气复温换热器(H2)的热流体入口连接；
空气压缩机(C1)的入口与空气滤清器连接，出口经管道与发动机(E)进气口连接；
低温蒸发器(H3)的热流体入口和发动机(E)冷却液出口连接，低温蒸发器(H3)的热流体出口和散热器(3)的冷却液入口连接，散热器(3)的冷却液出口与冷却液循环泵(P3)入口连接，冷却液循环泵(P3)出口与发动机(E)冷却液入口连接；
发动机(E)的尾气排放口经排烟管道与涡轮(T2)的进气口连接，涡轮(T2)的排气口和高温蒸发器(H4)的热流体入口连接，高温蒸发器(H4)的热流体出口和排烟管出口连接；
高温蒸发器(H4)冷流体出口与第二膨胀机(T3)进气口连接，第二回热器(R2)的热流体入口和第二膨胀机(T3)排气口连接，第二回热器(R2)的热流体出口与冷凝器(4)的热流体入口连接，第二有机工质加压泵(P4)入口与冷凝器(4)的热流体出口连接，第二有机工质加压泵(P4)出口和第二回热器(R2)的冷流体入口连接，第二回热器(R2)的冷流体出口与高温蒸发器(H4)的冷流体入口连接；
所述的第一膨胀机(T1)通过联轴器与第一发电机(G1)连接；所述的第二膨胀机(T3)通过联轴器与第二发电机(G2)连接；所述的涡轮(T2)通过联轴器与空气压缩机(C1)连接；
所述冷凝器(4)与散热器(3)串联布置，由一台风机驱动外界环境空气依次穿过冷凝器(4)和散热器(3)。
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