CN103993981A - 耦合发动机冷却和车辆制冷的废热梯级回收供能系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

一种耦合发动机冷却和车辆制冷的废热梯级回收供能系统及其工作方法，属于能源动力领域。其特征在于：主要借助车辆发动机（1）现有冷却回路的散热器（4）和制冷回路的冷凝器（7），仅增加增压泵（5）、第二蒸发器（11）和透平（4）等部件，直接回收全部冷却废热及间接回收部分烟气废热，并将其转化为高品位机械能，该系统可通过三种运行过程满足不同季节的动力/冷/热负荷需求，对现有车辆载重空间影响不大，而且能够通过梯级回收低品位废热显著降低车辆油耗。

Description

耦合发动机冷却和车辆制冷的废热梯级回收供能系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种耦合发动机冷却和车辆制冷的废热梯级回收供能系统和工作方法，属于能源与动力领域。

背景技术

车辆尾气排放已成为城市空气污染的重要来源。通过废热回收技术提高车辆供能系统能量转化效率，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。实际车辆供能系统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的负荷特点。制冷季的主要负荷需求为机械动力和冷量；供暖季的主要负荷需求为机械动力和热量；非制冷供暖季的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，用于改善车辆供能系统的总能转化效率。提出或者构建的回收车辆废热的制冷方案，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系统方案，由于现有车辆供能系统需要在供暖季采用部分冷却废热供暖，这类方案的冷却废热仅能在非供暖季条件下全部回收。因此，已有提出的废热回收供能系统方案较少考虑对季节负荷需求的适应性。此外，现有提出的废热回收方案多考虑热源品位来构建独立的废热回收方案，较少考虑借助或利用现有车辆供能系统部件，从总能梯级利用的角度来构建系统方案。

由此可见，考虑现有车辆供能系统结构并体现季节负荷需求特点，构建主要基于现有技术设备、结构简单和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特点，主要借助现有车辆供能系统的部分设备，构建一种结构简单，又能有效回收车辆废热的动力/冷/热耦合供能系统和工作方法。

该系统输入燃料物流与发动机入口相连，缸套布置在发动机外围，发动机出口烟气与第二蒸发器热侧入口相连，第二蒸发器热侧出口与大气环境相连。储液罐出口分为两路：

储液罐出口第一路依次与增压泵及缸套入口相连，缸套出口依次与第二蒸发器热侧入口相连，第二蒸发器热侧出口与透平、散热器热侧入口相连，散热器热侧出口与储液罐入口相连；

储液罐出口第二路通过节流阀与第一蒸发器热侧入口相连，第一蒸发器热侧出口依次与压缩机、冷凝器热侧入口相连，冷凝器热侧出口与储液罐入口相连。

环境空气分为三路：

环境空气第一路与散热器冷侧入口相连，散热器冷侧出口的热空气与三通阀入口相连，三通阀出口分为两路：一路与大气环境相连，另一路与车厢供暖风口相连；

环境空气第二路通过球阀与第一蒸发器热侧入口相连，第一蒸发器热侧出口的冷空气与车厢制冷风口相连；

环境空气第三路与冷凝器冷侧入口相连，冷凝器冷侧出口与大气环境相连。

该系统通过工质在缸套内回收低温冷却废热，并在第二蒸发器内回收高温烟气废热，并借助透平膨胀做功，实现了对车辆主要废热的梯级回收利用。其中工质在缸套中吸热的同时对缸套也实现了直接冷却。与常规直接采用冷却剂冷却，然后布置换热器来间接回收冷却剂废热的方案相比，该方案仅增加了增压泵和透平，同时实现了冷却废热和烟气废热的梯级回收。

该系统的ORC循环仅增加第二蒸发器回收了烟气废热，利用了冷却回路的散热器与制冷回路中的冷凝器作为其冷源，结构也较为简单。此外，制冷回路的蒸发器和储液罐在有废热的季节均可以运行，设备利用率得到了改善。

上述系统借助常规车辆发动机冷却回路和车辆制冷循环，仅需要采用一种工质即可实现三个热力循环的功能。因此，不仅能够改进原有车辆供能系统整体能量转化效率，操作较为简便，对车辆现有载重空间影响不大。

上述耦合发动机冷却和车辆制冷的废热梯级回收供能系统的工作方法，其运行过程主要基于发动机工作。首先燃料从发动机入口进入气缸，在气缸内与空气燃烧后释放的热能被发动机转化为机械能，缸套布置在发动机外围，缸套内有低温工质对其进行冷却，发动机出口高温烟气与第二蒸发器热侧入口相连，对第二蒸发器冷侧的工质进行加热。

该本发明提出的体现废热梯级回收的车辆供能系统，根据季节负荷需求不同，可以采用如下三种不同的运行过程：

一、制冷季运行过程：

打开球阀，关闭供暖风口，环境空气分为三路：

第一路环境空气进入散热器冷侧入口，吸收其热侧释放的热量后温度升高，散热器冷侧出口热空气进入三通阀，三通阀出口热空气全部排入大气环境；

第二路环境空气通过球阀进入第一蒸发器热侧，吸收第一蒸发器冷侧冷量后温度降低，从第一蒸发器热侧出来的冷空气被送入车厢冷风口；

第三路环境空气进入冷凝器冷侧入口，吸收热量后从冷凝器冷侧出口排入大气环境。

储液罐出口的液态工质分为两路： 

第一路工质通过增压泵增压后进入缸套对其进行冷却，吸收气缸壁释放的热能后进入第二蒸发器冷侧入口，吸收第二蒸发器热侧烟气废热后蒸发，然后进入透平入口，第二蒸发器热侧烟气被冷却。从第二蒸发器冷侧出来的气态工质进入透平膨胀做功，透平出口乏气进入散热器热侧，向其冷侧环境空气释放热能，散热器热侧出口工质再进入冷凝器热侧被环境空气全部冷凝为液态，从冷凝器热侧出来的液态工质进入储液罐；

第二路工质通过节流阀降压降温后，进入第一蒸发器冷侧对环境空气冷却，环境空气被冷却后送入车厢制冷，工质自身吸收热量后蒸发。从第一蒸发器出来的气态工质再经过压缩机升压升温后进入冷凝器热侧，被冷凝器冷侧的环境空气冷凝为液态后再送入储液罐。

二、供暖季运行过程：

关闭球阀和制冷风口，打开供暖风口，环境空气进入散热器冷侧吸收热量，散热器冷侧出口的热空气进入三通阀后分为两路：一路送至供暖风口用于为车厢供暖，另一路直接排放入环境；

储液罐出口的液态工质通过增压泵增压后进入缸套入口，直接吸收气缸壁释放的热能后进入第二蒸发器冷侧入口，吸收第二蒸发器热侧烟气废热后蒸发，然后进入透平膨胀做功，透平出口乏气进入散热器热侧向散热器冷侧环境空气释放热能后，再进入冷凝器热侧入口继续向环境释放热能，散热器热侧出口液态工质最后被送入储液罐； 

三、非制冷供暖季运行过程：

关闭球阀、制冷风口和供暖风口，该运行过程与供暖季大体相同，由于该季节没有供暖需求，因此三通阀出口热空气全部被排放至大气环境。

该发明提出的废热梯级回收车辆供能系统三种运行过程的特点在于： 

在制冷季，由于回收了全部冷却废热及部分烟气废热，该运行过程能够较现有车辆供能系统有效提高能量转化效率，降低车辆油耗；

在供暖季，由于回收了部分散热器冷侧出口的低品位热空气用于供暖，不会影响废热回收的热效率。而且由于充分利用了制冷循环的冷凝器，可以通过第二蒸发器回收更多的烟气废热。三种运行过程中，供暖季运行条件下系统的节油效明显优于制冷季；

在非制冷供暖季，该系统能够回收全部冷却废热及部分烟气废热，与供暖季的差别仅在于，散热器冷侧出口的全部低品位热空气直接被排放入环境，该运行条件下的油耗与供暖季相当。

上述耦合发动机冷却和车辆制冷的废热梯级回收供能系统储液罐中的工质可以采用有机工质，如R134、R245fa、NH₃和CO₂等，缸套冷却回路、制冷回路和废热回收有机朗肯循环回路仅需要采用一种工质，系统操作和维护较为简单。其中废热回收有机朗肯循环中，过冷工质主要在缸套中进行预热，工质蒸发和过热主要发生在第二蒸发器中。

上述耦合发动机冷却和车辆制冷的废热梯级回收供能系统储液罐中的工质可以为非共沸工质，由于非共沸工质可以采用变温蒸发，因此能够有效降低第二蒸发器的平均换热温差，能提高烟气废热回收效率，较单工质系统油耗更低。

为了维持透平正常工作，并对发动机气缸有效冷却保证气缸正常工作。推荐缸套出口工质的温度范围为50℃-90℃。采用何种工质具体根据系统废热数量、载重空间要求和使用地域而定。

上述耦合发动机冷却和车辆制冷的废热梯级回收供能系统，由于使用了统一的工质，可以同时采用散热器和冷凝器，也可以仅采用一个冷凝器，即透平出口与压缩机出口同时与冷凝器入口相连。采用一个冷凝器的结构更加简单，能够节约车辆载重空间。

上述耦合发动机冷却和车辆制冷的废热梯级回收供能系统，根据工质流向，冷凝器和散热器可以采用串联方式也可以采用并联方式。不需要改变现有车辆供能系统的结构，其中采用串联方式因为能够充分利用冷凝器，因此可以回收更多的烟气废热，但是第二蒸发器的面积也较大，特别适合制冷季长但制冷负荷不高的稳定运行工况。采用并联方式回收的废热较少，但是对现有车辆冷却回路结构改动不大。

上述耦合发动机冷却和车辆制冷的废热回收供能系统，其第二蒸发器也可以去掉，即缸套出口工质直接与透平入口相连。采用该方案尽管废热回收效率较低，但是结构更为简单紧凑，更具有经济性能优势，对原有车辆供能系统结构空间影响也小。

附图说明

图1是现有车辆动力/冷/热供能系统；

图2是耦合发动机冷却和车辆制冷的废热梯级回收供能系统。

图中标号名称：1．发动机，2. 缸套，3. 透平，4.散热器，5.增压泵，6. 压缩机，7. 冷凝器，8. 储液体罐，9. 节流阀，10. 第一蒸发器，11. 第二蒸发器， 12. 燃料，13. 烟气，14. 环境空气，15. 冷空气，16. 热空气，17. 工质，18. 冷却剂，19.制冷剂，20. 制冷风口，21. 供暖风口，22. 球阀，23. 三通阀。

具体实施方式

图2是本发明提出的耦合发动机冷却和车辆制冷的废热梯级回收供能系统。下面参照图2说明该供能系统的工作过程。首先燃料12从发动机1入口进入气缸，在气缸内与空气燃烧后释放的热能被发动机1转化为机械能，缸套2布置在发动机1外围，缸套2内有低温工质17对其进行冷却，发动机1出口高温烟气13与第二蒸发器11热侧入口相连，通过第二蒸发器11冷侧的工质17对其废热进行回收。该系统发动机1一直处于工作状态，而且在各运行过程下的工作过程相同，根据季节负荷需求不同主要可以采用以下三种运行过程：

一、制冷季运行过程：

关闭供暖风口21，打开球阀22，环境空气14分为三路：

第一路环境空气14进入散热器4冷侧入口，吸收其热侧释放的热量后温度升高，从散热器4冷侧出来的热空气16通过三通阀23全部排入大气环境。

第二路环境空气14通过球阀22进入第一蒸发器10热侧，吸收其冷侧冷量后温度降低，从第一蒸发器热侧出来的冷空气15被送入车厢冷风口20。

第三路环境空气14从冷凝器冷侧入口进入，吸收热量后从冷凝器冷侧出口排入大气环境。

储液罐8出口的液态工质17分为两路：第一路工质17通过增压泵5增压后进入缸套2对其进行冷却，吸收气缸壁释放的热能后进入第二蒸发器11冷侧入口，吸收第二蒸发器11热侧烟气废热后蒸发，然后进入透平3入口，第二蒸发器11热侧烟气被冷却。从第二蒸发器11冷侧出来的气态工质17进入透平3膨胀做功，透平3出口乏气进入散热器4热侧向散热器4冷侧环境空气14释放热能，自身被冷凝后进入储液罐8。

第二路工质17进入节流阀9降压降温后进入第一蒸发器10冷侧吸收热量后蒸发变为气态，从第一蒸发器10出来的气态工质17再经过压缩机6升压升温后进入冷凝器7热侧，被冷凝器7冷侧的环境空气14冷却后变为液态再送入储液罐8。

二、供暖季运行过程：

打开供暖风口21，关闭球阀22和制冷风口20。环境空气14进入散热器4冷侧吸收热能后温度提高，散热器4冷侧出口的热空气16分为两路：一路送入供暖风口21，另一路排入大气环境。

制冷循环完全关闭，制冷回路中没有工质循环。储液罐8出口的液态工质17通过增压泵5增压后进入缸套2对其进行冷却，吸收气缸壁释放的热能后蒸发变为气相，再进入透平3膨胀做功，透平3出口乏气进入散热器4热侧向散热器4冷侧环境空气14释放热能，散热器4热侧出来的液态工质17送入储液罐8。

三、非制冷供暖季运行过程：

制冷循环完全关闭，制冷回路中没有工质循环。

关闭球阀22、制冷风口20和供暖风口21，将三通阀23出口的热空气16全部排放入环境外，其余过程与供暖季相同。

Claims (4)

1.一种耦合发动机冷却和车辆制冷的废热梯级回收供能系统，其特征在于：

该系统包括发动机（1）、缸套（2）、透平（3）、散热器（4）、增压泵（5）、压缩机（6）、冷凝器（7）、储液罐（8）、节流阀（9）和第一蒸发器（10）、第二蒸发器（11）、球阀（22）和三通阀（23）；第二蒸发器（11）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；散热器（4）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第一蒸发器（10）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；

燃料（12）物流与发动机（1）入口相连，缸套（2）布置在发动机（1）外围，发动机（1）出口烟气（13）与第二蒸发器（11）热侧入口相连，第二蒸发器（11）热侧出口与大气环境相连；

储液罐（8）出口分为两路：

储液罐（8）出口第一路通过增压泵（5）与缸套（2）入口相连，缸套（2）出口与第二蒸发器（11）冷侧入口相连，第二蒸发器（11）冷侧出口经过透平（3）与散热器（4）热侧入口相连，散热器（4）热侧出口与冷凝器（7）热侧入口相连，冷凝器（7）热侧出口与储液罐（8）入口相连；

储液罐（8）出口第二路通过节流阀（9）与第一蒸发器（10）冷侧入口相连，第一蒸发器（10）冷侧出口经过压缩机（6）与冷凝器（7）热侧入口相连，冷凝器（7）热侧出口与储液罐（8）入口相连；

环境空气（14）分为三路：

环境空气（14）第一路与散热器（4）冷侧入口相连，散热器（4）冷侧出口的热空气（16）与三通阀（23）入口相连，三通阀（23）出口分为两路：一路与大气环境相连，另一路与车厢供暖风口（21）相连；

环境空气（14）第二路通过球阀（22）与第一蒸发器（10）热侧入口相连，第一蒸发器（10）热侧出口的冷空气（15）与车厢制冷风口（20）相连；

环境空气（14）第三路与冷凝器（7）冷侧入口相连，冷凝器（7）冷侧出口与大气环境相连。

2.根据权利要求1 所述的耦合发动机冷却和车辆制冷的废热梯级回收供能系统的工作方法，其特征在于：

燃料（12）进入发动机（1）与空气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（1）同时对外排出高温烟气（13）；缸套（2）布置在发动机（1）外围，缸套（2）内有低温工质（17）流过，对发动机（1）进行冷却；该系统除了以上过程，根据季节负荷需求不同，其特征还在于包括以下过程：

一、制冷季运行过程：

打开球阀（22），关闭供暖风口（21）；

环境空气（14）分为三路：第一路环境空气（14）进入散热器（4）冷侧入口，吸收其热侧释放的热量后温度升高，从散热器（4）冷侧出来的热空气（16）进入三通阀（23）全部排入大气环境；第二路环境空气（14）通过球阀（22）进入第一蒸发器（10）热侧，向第一蒸发器（10）冷侧释放热量后温度降低，从第一蒸发器（10）热侧出来的冷空气（15）被送入车厢冷风口（20）；第三路环境空气（14）进入冷凝器（7）冷侧入口，吸收热量后从冷凝器（7）冷侧出口排入大气环境；

储液罐（8）出口的液态工质（17）分为两路： 

储液罐出口第一路：工质（17）通过增压泵（5）增压后进入缸套（2），吸收缸套（2）释放的热能后进入第二蒸发器（11）冷侧入口，吸收第二蒸发器（11）热侧烟气（13）废热后蒸发，第二蒸发器（11）热侧烟气（13）被冷却，第二蒸发器（11）冷侧出口气态工质（17）进入透平（3）膨胀做功，透平（3）出口乏气进入散热器（4）热侧向其冷侧环境空气（14）释放热能，自身被冷凝，然后再进入冷凝器（7）热侧被环境空气（14）全部冷凝为液态，从冷凝器（7）热侧出来的液态工质（17）进入储液罐（8）；

储液罐出口第二路：工质（17）通过节流阀（9）降压降温后进入第一蒸发器（10）冷侧，吸收进入第一蒸发器（10）热侧环境空气（14）热量后蒸发变为气态，再经过压缩机（6）升压升温后进入冷凝器（7）热侧，被冷凝器（7）冷侧的环境空气（14）冷却后冷凝为液态最后送入储液罐（8）；

二、供暖季运行过程：

关闭球阀（22）和制冷风口（20）；

环境空气（14）进入散热器（4）冷侧，吸收散热器（4）热侧释放的热量后温度升高，散热器（4）冷侧出口的热空气（16）进入三通阀（23），三通阀（23）出口分为两路：一路送至供暖风口（21），另一路直接排放至环境；

储液罐（8）出口的液态工质（17）通过增压泵（5）增压后进入缸套（2）对发动机（1）进行冷却，工质（17）吸收气缸内热能后进入第二蒸发器（11）冷侧吸收烟气（13）热能后蒸发变为气相，第二蒸发器（11）冷侧出口气态工质（17）进入透平（3）膨胀做功；透平（3）出口乏气进入散热器（4）热侧向散热器（4）冷侧环境空气（14）释放热能后被冷凝，散热器（4）热侧出口工质（17）然后进入冷凝器（7）热侧被环境空气（14）全部冷凝为液态后再送入储液罐（8）；

三、非制冷供暖季运行过程：

关闭球阀（22）、制冷风口（20）和供暖风口（21）；

环境空气（14）全部进入散热器（4）冷侧，吸收散热器（4）热侧释放的热量后温度升高，散热器（4）冷侧环境空气（14）被加热后进入三通阀（23），三通阀（23）出口热空气（16）全部排放至环境；

储液罐（8）出口的液态工质（17）通过增压泵（5）增压后进入缸套（2）对发动机（1）进行冷却，工质（17）吸收气缸（2）热能后再进入第二蒸发器（11）冷侧吸收烟气（13）热能后蒸发变为气相，第二蒸发器（11）冷侧出口气态工质（17）进入透平（3）膨胀做功；透平（3）出口乏气进入散热器（4）热侧向散热器（4）冷侧环境空气释放热能，自身被冷凝，散热器（4）冷侧出口的热空气（16）全部被排放至大气环境；散热器（4）热侧出口工质（17）进入冷凝器（7）热侧被环境空气全部冷凝为液态后再送入储液罐（8）。

3.根据权利要求2 所述的耦合发动机冷却和车辆制冷的废热梯级回收供能系统的工作方法，其特征在于：储液罐（8）中的工质（17）为有机工质，所述有机工质为R21、R123、R134a、R245fa、HFE700、HFR7100、NH₃和CO₂中的一种。

4.根据权利要求2 所述的耦合发动机冷却和车辆制冷的废热梯级回收供能系统的工作方法，其特征在于：储液罐（8）中的工质（17）为非共沸工质，所述非共沸工质为NH₃-H₂O，R410a，R245fa与R601混合物，R415B中的一种。