CN103983036B - 一种用于内燃机余热回收的co2循环多联产系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于内燃机余热回收的CO2循环多联产系统，所述系统以CO2为工质，以内燃机余热为能量来源，通过集成跨临界CO2制冷循环和超临界CO2动力循环实现冷、热、电联产。经中压冷却器降温后的超临界CO2气体被分成两路，一路进入制冷回路，先经膨胀机或节流阀降压发生相变，产生的低温CO2液体用于降低环境温度；另一路进入动力回路，先通过高压压缩机增压并吸收内燃机余热，然后进入动力透平膨胀做功，驱动系统自身的压缩机，多余的功用于发电。该系统能显著提高内燃机的燃料利用率，具有显著的经济效益、社会效益和应用前景。

Description

一种用于内燃机余热回收的CO2循环多联产系统
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机余热回收的CO2循环多联产系统，具体涉及一种利用车用内燃机余热进行发电/驱动以及夏季制冷的跨临界CO2朗肯循环多联产系统，属于机械工程和节能领域。
背景技术
2013年，中国汽车保有量超过1亿辆，石油年消耗量也超过5亿吨。汽车工业的蓬勃发展在促进社会进步的同时也将能源与环境推到日益恶化的境地。已有研究表明，机动车排放的气态污染物以及颗粒污染物占城市大气污染物的比例高达40％至60％，是雾霾等大气污染的罪魁祸首。
内燃机是最常用的车用动力设备，然而，受技术条件的限制，其动力输出的功仅占燃料燃烧总热量的30％-40％(柴油机)或20％-30％(汽油机)，其余的燃油能量则通过尾气、冷却系统和润滑油系统耗散到大气中。其中，尾气余热的能量常常达到燃烧总能量的35％～45％，温度可达300℃以上，具有极高的利用价值；冷却系统尽管温度降低，但所含热量也超过燃烧总热量的15％。如果对这两部分余热资源进行有效回收利用，将能够使内燃机实现节能减排、降低燃油消耗率等功效。同时可以有效控制环境恶化、减少碳排放以及实现社会、经济的可持续性发展。
2005年康明斯(Cummins)公司重新提出在重型柴油发动机上应用基于有机朗肯循环的余热回收系统。2006年，AVL公司提出利用超临界有机朗肯循环回收重型车用柴油机余热以提高发动机热效率。威斯康星大学的DiegoA.Arias针对一台混合动力汽油机提出三种不同的朗肯循环余热回收策略，分别针对发动机排气热源、发动机排气和冷却水热源以及发动机排气和发动机机体热源进行余热回收。宝马公司设计制造了“TurboSteamer”系统，整个系统包括高温循环和低温循环两个部分。高温循环主要回收发动机排气余热，低温循环主要回收发动机冷却系统余热和高温循环冷凝时的放热。尽管相关研究已取得重要进展，但设备体积过大和有机工质泄漏成为目前限制其工程应用的最主要因素。
众所周知，现有的车用空调大多以HFC-R134a为工质，由于振动、检修等原因，其泄漏量远大于家用空调，成为温室气体的主要来源之一。欧盟于2006年颁布了一项法令，将逐步淘汰不符合新环保标准的HFC-134a制冷剂。宝马、大众以及其它多家主要汽车生产商都已宣布将用纯天然的CO2作为空调制冷剂，消除工质泄漏对大气的危害。
CO2工质的最大优点是其临界温度只有31.1℃，接近环境温度，容易实现跨/超临界循环，气化潜热小、超临界换热不存在窄点温差问题，且具有优良的流动和传热特性，更适合采用更加紧凑的微通道换热器。另外，在工作参数下，CO2的密度是常用有机工质的5～20倍，这将使CO2循环的压缩机、膨胀透平以及管路系统的体积远小于有机工质循环。这些特征使得CO2不仅可用于车用制冷循环，也可用于车用动力循环，若能将两种联合起来实现冷热电联产，由于工质和部分设备可共用，将使系统总体结构进一步简化，也为内燃机的余热回收提供了新的途径。
本发明基于上述思路和工程热力学的基本原理，结合相关领域的工程实践，并经过长期的潜心研究，提出一种非常具有市场前景的可用于内燃机余热回收的CO2循环多联产系统。通过对国内外相关的专利检索和分析，申请人未发现与本发明特征相近的技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于内燃机余热回收的CO2循环多联产系统，实现利用车用内燃机余热进行发电/驱动以及夏季制冷、冬季供暖。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案。
该系统以CO2为工质，以内燃机余热为能量来源，通过集成跨临界CO2制冷循环和超临界CO2动力循环实现冷、热、电联产。在取代现有机动车辆的暖风系统和制冷空调系统的同时，还可以产生电能，用于车辆供电或辅助驱动。
所述跨临界CO2制冷循环主要由压缩机、冷却器、膨胀机/节流阀以及蒸发器等组成，吸热过程处于亚临界状态，依靠液体CO2的蒸发潜热从环境吸热，而循环的放热过程处于超临界状态。
所述超临界CO2动力循环主要由压缩机、加热器、动力透平和冷却器等组成，CO2工质一直工作在临界点之上，整个循环过程没有相变。
所述跨临界CO2制冷循环和超临界CO2动力循环(制冷-动力集成循环系统)的过程为：经中压冷却器降温后的超临界CO2气体被分成两路，一路进入制冷回路，在制冷回路中经中压冷却器降温后的超临界CO2气体先经膨胀机或节流阀降压发生相变，产生的低温CO2液体用于制冷，并从环境吸热蒸发，然后进入低压压缩机升压到超临界；另一路进入动力回路，在动力回路中经中压冷却器降温后的超临界CO2气体先通过高压压缩机增压并吸收内燃机余热，然后进入动力透平膨胀做功，动力透平输出功驱动系统低压以及高压压缩机以及发电或作为车辆的辅助动力，动力透平的排气压力选择与低压压缩机的排气压力相同，此时两个回路的排气汇合后共同进入中压冷却器放热降温；或者动力透平的排气压力选择与低压压缩机的进气压力(亚临界)相同，此时动力回路的排气首先进入低压冷却器降温，降温后进入制冷回路的低压压缩机，与制冷回路的CO2气体一起升压到超临界，最后共同进入中压冷却器冷却，完成一个循环。
在制冷回路中经中压冷却器降温后的超临界CO2气体在回热器中经从环境吸热蒸发后的CO2进一步冷却后进入膨胀机或节流阀。
所述高压压缩机将经中压冷却器降温后的超临界CO2气体增压得到高压CO2气体，接着分为两路，第一路高压CO2气体在CO2加热器内吸收内燃机余热，然后进入高温动力透平膨胀做功，高温动力透平的排气先进入CO2-CO2换热器，将热能传递给第二路高压CO2气体后进入低压冷却器或中压冷却器，第二路高压CO2气体在CO2-CO2换热器加热后进入低温动力透平膨胀做功，低温动力透平的排气压力与高温动力透平的排气压力相同，低温动力透平的排气也对应进入低压冷却器或中压冷却器。
所述系统可以根据需要灵活选择运行方式。制冷回路和动力回路同时运行或者不需要制冷时可通过控制阀和离合器关闭制冷回路，动力回路独立运行。另外，也可以利用各冷却器产生的暖风取代车辆现有的暖风系统。
本发明的有益效果体现在：
本发明所述系统的压缩机直接通过动力透平驱动，可以采用高转速、紧凑化设计，是机动车辆的余热回收的最佳选择。对于汽车来说，安装该系统后不仅可取代暖风系统和制冷空调系统，净功率也可提高，具有显著的经济效益和应用前景，对节能减排、建设低碳环保与可持续发展型社会具有重大意义。
附图说明
图1是实施例1的示意图；
图2是实施例2的示意图；
图3是实施例3的示意图；
图4是实施例4的示意图；
图5是实施例5的示意图；
图6是实施例6的示意图；
图中：1.高压压缩机；2.CO2加热器；3.动力透平；4.发电机；5.中压冷却器；6.低压压缩机；7.蒸发器；8.膨胀机或节流阀；9.低压冷却器；10.回热器；11.低温动力透平；12.CO2-CO2换热器；13.离合器；W1.常温空气；W2.冷空气；P1.尾气进口；P2.尾气出口；N1～N3.第一至第三节点；V1.控制阀。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种用于内燃机余热回收的CO2循环多联产系统，如图1所示，所述系统主要包括高压压缩机1、CO2加热器2、动力透平3、发电机4、中压冷却器5、低压压缩机6、蒸发器7、节流阀或膨胀机8、低压冷却器9和离合器13等，若采用节流阀而不是膨胀机时，不需要离合器13，下同。
循环系统可分解为以下两个回路：
制冷回路：来自中压冷却器5的一部分超临界CO2气体(状态点a)经控制阀V1进入膨胀机或节流阀8降压凝结，产生的低温CO2液体(状态点k)在蒸发器7内通过蒸发吸热降低车内空气的温度，而热交换后CO2液体也变成亚临界低压CO2气体(状态点n)，然后进入低压压缩机6升压到超临界(状态点p)，最后通过中压冷却器5降温回到状态点a。
动力回路：来自中压冷却器5的另一部分超临界CO2气体(状态点a)首先通过高压压缩机1增压到状态点b，接着在CO2加热器2内吸收内燃机余热后升温到状态点c，然后进入动力透平3膨胀做功，除了驱动系统自身的压缩机外，还可以发电或作为车辆的辅助动力。透平排气的压力与低压压缩机6的进气压力匹配，由于排气温度较高(状态点d)，通过一套低压冷却器9将其冷却到状态点o后与制冷回路的低压CO2气体一起进入低压压缩机6升压到超临界(状态点p)，最后通过中压冷却器(5)降温回到状态点a。
本实施例的特征在于循环系统非常简单，可以采用高转速、紧凑化设计，不需要制冷时可关闭控制阀V1并脱开离合器13，实现动力回路的独立运行。另外，也可以利用中压冷却器5或低压冷却器9产生的暖风取代车辆现有的暖风系统，实现多联产。图1仅为本实施例的基本构成，当考虑启动、紧急停机等工况时，需要增加阀门、管道及旁路系统等。
实施例2
一种用于内燃机余热回收的CO2循环多联产系统，如图2所示，所述循环系统是在实施例1的基础上增加了一套回热器10，用于提高制冷系数。所述系统也可分解为制冷回路和动力回路，其中动力回路与实施例1相同，下面仅对制冷回路进行简要介绍：
制冷回路：来自中压冷却器5的一部分超临界CO2气体(状态点a)经控制阀V1首先进入回热器10，被来自蒸发器7的低温CO2工质进一步冷却，然后再进入膨胀机或节流阀8降压凝结，产生的低温CO2液体(状态点k)在蒸发器7内通过蒸发吸热降低车内空气的温度，而热交换后CO2液体也变成低温CO2气体(状态点m)。在进入低压压缩机6之前，低温CO2气体首先进入回热器10吸热升温到状态点n，并经低压压缩机6升压和中压冷却器5冷却后回到状态点a。
与实施例1相比，本实施例的回热器10使节流阀或膨胀机8进口处的CO2温度更低，提高了制冷回路的制冷系数；另外，回热器10也提高了状态点n的温度或干度，大大降低了低压压缩机6发生液击的可能性。
实施例3
一种用于内燃机余热回收的CO2循环多联产系统，如图3所示，所述系统是在实施例2的基础上增加了一套低温动力透平11和CO2-CO2换热器12，用于提高动力回路的效率。所述循环系统也可分解为制冷回路和动力回路，其中制冷回路与实施例2相同，下面仅对动力回路进行简要介绍：
动力回路：来自中压冷却器5的一部分超临界CO2气体(状态点a)首先通过高压压缩机1增压到状态点b，接着分为两路，第一路高压CO2气体(状态点b)在CO2加热器2内吸收内燃机余热后升温到状态点c，然后进入动力透平3膨胀做功。透平排气的压力与低压压缩机6的进气压力匹配，由于排气温度很高(状态点d)，直接通过低压冷却器9降温将造成较大的能量损失，因此在低压冷却器9冷却之前先进入CO2-CO2换热器12，将高品质热能传递给第二路高压CO2气体(状态点b)。第二路高压CO2气体加热后(状态点e)进入低温动力透平11膨胀做功，其排气压力与动力透平3的排气压力相同，两路CO2气体在第三节点N3处汇合后共同进入低压冷却器9冷却到常温(状态点o)，然后再与制冷回路的低压CO2气体一起进入低压压缩机6升压到超临界(状态点p)，最后通过中压冷却器5降温回到状态点a。
本实施例更适用于内燃机排气可利用温度超过400℃的工况，由于采用两级动力透平，实现能量的梯级利用，使透平排气温度和高压压缩机压比大大降低，提高了动力回路的效率。
实施例4
一种用于内燃机余热回收的CO2循环多联产系统，如图4所示，所述循环系统是对实施例1的简化，只是将动力透平3的排气压力提高到与低压压缩机6的排气压力相同，由于动力透平3排气不需要进入低压压缩机6，可省掉低压冷却器9，使系统进一步简化。动力透平3和低压压缩机6的排气直接汇合后进入中压冷却器5进行冷却。
本实施例更适用于内燃机余热可利用温度低于150℃的工况，此时动力回路不需要过高的CO2压力即可充分利用内燃机余热。
实施例5
一种用于内燃机余热回收的CO2循环多联产系统，如图5所示，所述系统是对实施例2的简化，其简化内容与实施例4对实施例1的简化完全相同，此处不再赘述。
实施例6
一种用于内燃机余热回收的CO2循环多联产系统，如图6所示，所述循环系统是对实施例3的简化，其简化内容与实施例4对实施例1的简化完全相同，此处不再赘述。
由于内燃机排气温度常常高达300℃～500℃，参照工程热力学基本理论和类似的循环系统，如燃气轮机循环的工程经验可以确定，采用本发明提出的超临界CO2动力循环系统的热功转换效率约为18％～30％(由于CO2循环的压缩过程处于近临界区，其压缩功远小于同样功率等级下的燃气轮机压缩机的耗功，因此CO2循环的效率更高)。一般情况下，内燃机排气所含热值稍高于发动机功率，也就是说，若将超临界CO2动力循环系统产生的功折合为内燃机功率，其总功率将提高19％～33％；即使扣除空调系统耗功，内燃机总功率也能提高15％～25％以上，具有显著的经济效益和应用前景，对节能减排、建设低碳环保与可持续发展型社会具有重大意义。

Claims (5)

1.一种用于内燃机余热回收的CO2循环多联产系统，其特征在于：该系统以CO2为工质，以内燃机余热为能量来源，通过集成跨临界CO2制冷循环和超临界CO2动力循环实现冷、热、电联产；
所述跨临界CO2制冷循环的吸热过程处于亚临界状态，依靠液体CO2的蒸发潜热从环境吸热，跨临界CO2制冷循环的放热过程处于超临界状态；
所述超临界CO2动力循环中，CO2工质一直工作在临界点之上，整个循环过程没有相变。
2.根据权利要求1所述一种用于内燃机余热回收的CO2循环多联产系统，其特征在于：所述跨临界CO2制冷循环和超临界CO2动力循环的过程为：经中压冷却器降温后的超临界CO2气体分成两路，一路进入制冷回路，在制冷回路中经中压冷却器降温后的超临界CO2气体先经膨胀机或节流阀降压发生相变，产生的低温CO2液体用于制冷，并从环境吸热蒸发，然后进入低压压缩机升压到超临界；另一路进入动力回路，在动力回路中经中压冷却器降温后的超临界CO2气体先通过高压压缩机增压并吸收内燃机余热，然后进入动力透平膨胀做功，动力透平输出功驱动系统低压以及高压压缩机以及发电或作为车辆的辅助动力，动力透平的排气压力选择与低压压缩机的排气压力相同，此时两个回路的排气汇合后共同进入中压冷却器放热降温；或者动力透平的排气压力选择与低压压缩机的进气压力相同，此时动力回路的排气首先进入低压冷却器降温，降温后进入制冷回路的低压压缩机，与制冷回路的CO2气体一起升压到超临界，最后共同进入中压冷却器冷却，完成一个循环。
3.根据权利要求2所述一种用于内燃机余热回收的CO2循环多联产系统，其特征在于：在制冷回路中经中压冷却器降温后的超临界CO2气体在回热器中经从环境吸热蒸发后的CO2进一步冷却后进入膨胀机或节流阀。
4.根据权利要求2所述一种用于内燃机余热回收的CO2循环多联产系统，其特征在于：所述高压压缩机将经中压冷却器降温后的超临界CO2气体增压得到高压CO2气体，接着分为两路，第一路高压CO2气体在CO2加热器内吸收内燃机余热，然后进入高温动力透平膨胀做功，高温动力透平的排气先进入CO2-CO2换热器，将热能传递给第二路高压CO2气体后进入低压冷却器或中压冷却器，第二路高压CO2气体在CO2-CO2换热器加热后进入低温动力透平膨胀做功，低温动力透平的排气压力与高温动力透平的排气压力相同，低温动力透平的排气也对应进入低压冷却器或中压冷却器。
5.根据权利要求2所述一种用于内燃机余热回收的CO2循环多联产系统，其特征在于：所述制冷回路和动力回路同时运行，或者关闭制冷回路，动力回路独立运行。
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