CN104514586B - 朗肯循环系统、热回收系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种朗肯循环系统及热回收系统，通过对系统中各部件的布局，及与现有车载空气调节新系统的合并设置，解决了现有发动机能量利用率低的问题，实现了适于在汽车小空间内布置，并且高效回收利用汽车发动机的能量的效果。

Description

朗肯循环系统、热回收系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种朗肯循环系统、热回收系统及其控制方法，特别地，本发明涉及一种回收利用汽车中冷却水热量的朗肯循环系统、热回收系统及其控制方法。

背景技术

现有汽车发动机的能量利用效率普遍比较低，特别是汽油机，其在燃料燃烧产生的能量中约有70%随发动机废气和冷却介质散失，其中随冷却介质耗散的热量约占25%至30%。如何回收利用这部分平白耗散的能量，以提高发动机能量利用率，成为现在汽车研发人员的主要研究方向之一。

现有技术中，通常基于热力学有机物朗肯循环，将这些低品位热源的部分能量通过换热器转储到有机介质中，再将这部分被转储的热能通过合适的膨胀机构转化为机械能。中国发明专利CN201010506610公开了一种回收利用发动机冷却水热量的系统，其布置了至少5个大负荷的换热器，这对于系统尺寸及车内结构布置极为不利，因而难以应用于空间利用极其紧凑的汽车结构。因此，如何设计出适于车载布置的朗肯循环系统或热回收系统成为亟待解决的难题。

发明内容

本发明目的在于提供一种朗肯循环系统，以提高对发动机的损耗热量的回收利用；本发明目的还在于提供一种热回收系统，以提高对发动机的冷却水中热量的回收利用；本发明目的还在于提供一种热回收系统控制方法，以合理控制热回收系统，从而提高系统对能量回收的利用率。

根据本发明的第一个方面，提供一种朗肯循环系统，包括：串联的冷凝器、压缩机和能够从低品位热源吸收热量并将其转化为机械能的热回收流路。

可选地，热回收流路包括：能够从低品位热源吸收热能的热回收换热器和能够将热能热量转化为机械能的膨胀装置。

可选地，膨胀装置为涡旋膨胀机。

可选地，热回收流路还包括：发电部件，发电部件与膨胀装置刚性连接。

可选地，热回收流路还包括：分别设于膨胀装置的上游和下游的多个温度传感器和/或多个压力传感器。

可选地，热回收流路还包括：设于热回收流路上的流量计。

根据本发明的另一个方面，还提供一种朗肯循环系统，其特征在于，还包括：空气调节流路，空气调节流路包括蒸发器和膨胀阀；空气调节流路与冷凝器和压缩机串联，及与热回收流路并联，并且在并联的交点上设有换向阀。

可选地，热回收系统包括如前所述的朗肯循环系统；还包括具有发动机和水泵、节温器的发动机冷却水系统，发动机冷却水系统与朗肯循环系统热力学连接。

可选地，发动机冷却水系统包括具有一段公共流路的冷却流路和排热流路，发动机、水泵和节温器设于公共流路上，排热流路与热回收流路热力学连接。

可选地，公共流路的一端设有比例阀。

根据本发明的另一方面，还提供一种热回收系统控制方法，热回收系统包括朗肯循环系统和发动机冷却水系统；朗肯循环系统包括串联的冷凝器、压缩机和能够从低品位热源吸收热能并将其转化为机械能的热回收流路；发动机冷却水系统包括具有一段公共流路的冷却流路和排热流路及设于公共流路上的水泵和发动机、节温器，发动机冷却水系统通过热回收流路与朗肯循环系统热力学连接，该方法包括：

步骤一，检测发动机冷却水温；

步骤二，当发动机冷却水温达到正常工作温度阈值内时，开启排热流路，冷却水通过排热流路与热回收流路换热；

步骤三，热回收流路将排热流路传递的热能转化为机械能。

可选地，热回收流路包括能够从低品位热源吸收热能的热回收换热器，步骤二进一步包括：

当发动机冷却水温达到正常工作温度阈值内时，开启排热流路，当所述发动机冷却水温达到正常工作温度阈值内时，开启排热流路，冷却水通过排热流路流经热回收换热器与热回收流路换热。

可选地，热回收流路包括能够将从低品位热源吸收的热能转化为机械能的涡旋膨胀机，步骤三进一步包括：

热回收流路中的涡旋膨胀机将排热流路传递的热能转化为机械能。

可选地，热回收系统还包括与涡旋膨胀机连接的发电部件，在步骤三后还包括：

步骤四，发电部件将涡旋膨胀机传递的机械能转化为电能。

可选地，热回收系统还包括设于热回收流路上的流量计和/或分别设于涡旋膨胀机的上游和下游的多个温度传感器和/或多个压力传感器；发动机冷却水系统还包括设于公共流路一端的比例阀，在步骤二后还包括：

步骤五，检测热回收流路的流量和/或温度和/或压力；

步骤六，当热回收流路的流量和/或温度和/或压力分别超出稳定流量阈值和/或稳定温度阈值和/或稳定压力阈值时，控制比例阀调节流入排热流路的冷却水流量。

可选地，热回收系统中的朗肯循环系统还包括空气调节流路，空气调节流路包括蒸发器和膨胀阀；空气调节流路与热回收流路并联，并且在并联的交点上设有换向阀；在步骤一前还包括：

步骤七，接收工作模式指令；

步骤八，当收到空气调节指令时，换向阀切换开通空气调节流路；和/或当未收到空气调节指令时，换向阀切换开通热回收流路。

使用本发明的朗肯循环系统，通过较少部件的设置，既实现了热量回收的效果，又解决了在汽车等布置空间较小的结构的设置，能够进一步提高对发动机能量的利用效率。使用本发明的热回收系统，通过朗肯循环系统与发动机冷却水系统的热力学连接，有效回收了发动机冷却水系统中的低品位热源（根据热力学第一定律，回收效率高达10%），进而同样提高了对发动机能量的利用效率。使用本发明的热回收系统控制方法，明确了启用热回收系统的条件，能够更好地实现热回收系统与发动机冷却水系统系统工作的兼容性，提高能量利用效率。

附图说明

图1是本发明一个实施例的热回收系统的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，根据本发明的一个实施例，提供一种热回收系统，所述热回收系统包括互相热力学连接的朗肯循环系统和发动机冷却水系统。其中的朗肯循环系统包括依次串联的冷凝器11、储液干燥器12、压缩机13、换向阀14及热回收流路。其中冷凝器11较优地为平行流管翅式换热器，以更好地和冷凝器风扇15或进气来流换热；储液干燥器12则用于调节循环中的制冷工质量及干燥进入压缩机中的制冷工质，在较为理想的工作条件下，也可以省却该部件，同样能够实现朗肯循环系统的功能。本实施例的热回收流路包括依次串联的热回收换热器7、压力传感器20、温度传感器19、涡旋膨胀机9、压力传感器18、温度传感器17及流量计16。其中热回收换热器7用于使朗肯循环系统的热回收流路与发动机冷却水系统热力学连接，并从发动机冷却水系统中吸收并传递热能，其较优地可以是一种逆流管带式换热器，以更好地促进水和制冷工质的换热；涡旋膨胀机9用于将热回收流路传递的热能高效转换成机械能，其进一步地通过发电机5与车载蓄电池连接，实现机械能向电能的转化及贮存；同时，其占用面积较小，也更适合车内空间的布置需求。当然，在不用过多考虑布置空间和能量转化效率的情况下，也可以将涡旋膨胀机9换成其他形式的膨胀装置，例如涡轮机，螺杆膨胀机等，这样也可以达到将热能转换为机械能的效果；压力传感器20、温度传感器19、压力传感器18、温度传感器17分别用于检测涡旋膨胀机9上游或下游的制冷工质压力或温度，流量计16用于检测热回收流路中的制冷工质流量变化，通过对制冷工质的工作状态进行检测，从而调节发动机冷却水系统中流过热回收换热器7的水的流量，以便达到使流过热回收流路的制冷工质的速度、温度及压力处于一个相对稳定的范围内，实现对车载蓄电池6提供较为稳定的充电电流。因此对其中压力传感器20、温度传感器19、压力传感器18、温度传感器17的具体设置顺序不作要求，只要保证其分设在涡旋膨胀机的上游和下游即可；对流量计16的位置设置也不作强制要求，较优地为设置在涡旋膨胀机的下游。

本发明的实施例中还包括：通过换向阀14接入朗肯循环系统并与热回收流路并联的空气调节流路。此处的换向阀14用于将朗肯循环系统在热回收流路和空气调节流路之间切换，因此其既可以设置在热回收流路和空气调节流路在上游的交点处，也可以设置在热回收流路和空气调节流路下游的交点处，其中，设置在下游交点处时，流经该换向阀14的是高温高压的气态工质，对于换向阀14的可靠性要求更高。因而优选地将换向阀14设置在上游交点处。换向阀14较优地可以是一种双通电磁阀，也可以是其他具备换向功能的阀部件。该空气调节流路包括串联的蒸发器8和膨胀阀10，即为车载空气调节系统中的常规部件。如此设置使得可以将该朗肯循环系统并入现有的车载空调系统中，即在现有车载空调系统的空气调节流路旁再并联一条热回收流路，便可以实现本实施例。这样最大化地利用了车辆的现有构造，并且只增加了少量新的零部件，但却仍然可以高效地实现热回收功能。

另一方面，本实施例的热回收系统中的发动机冷却水系统还包括具有一段公共流路的冷却流路和排热流路，其中公共流路上依次串联有水泵2、发动机1、节温器3，并且在公共流路的一端设有比例阀4。其中节温器3用于在满足一定条件的情况下控制开通排热流路，进入大循环，其具体在下文的方法实施例中得以阐述。其中排热流路通过热回收换热器与朗肯循环系统中的热回收流路热力学连接，并将冷却水中过多的热能传递给热回收流路中的制冷工质，从而实现散热的效果。

根据本发明的另一实施例，还提供一种热回收系统的控制方法，当其应用于如图1所示的热回收系统中时，包括下述步骤：

步骤一，检测发动机1的冷却水温；

步骤二，当发动机1的冷却水温达到正常工作温度阈值内时，通过节温器3开启排热流路，冷却水通过排热流路流经热回收换热器7与朗肯循环系统的热回收流路换热；

步骤三，涡旋膨胀机9将热回收流路传递的热能膨胀转化为机械能。

通过上述步骤已经实现了在不影响发动机正常工作的情况下，将冷却水中的部分热能转化为机械能的效果，实现了冷却水中的热能回收。

可选地，该实施例的方法在步骤三后还包括：

步骤四，发电机5将涡旋膨胀机传递的机械能转化为电能。

如此实现了将机械能进一步转化为电能以利用。

可选地，该实施例的方法在步骤二后还包括：

步骤五，检测热回收流路的流量和/或温度和/或压力；

步骤六，当热回收流路的流量和/或温度和/或压力分别超出稳定流量阈值和/或稳定温度阈值和/或稳定压力阈值时，控制比例阀4调节流入排热流路的冷却水流量，其中这些阀值随随发动机转速、负荷等变化而变化，在选用一定型号的发动机后，可以标定这些阀值。

如此使热回收流路能够稳定地为蓄电池6充电，而不会发生剧烈的波动，从而避免出现损坏电池等问题。

可选地，该实施例的方法在步骤一前还包括：

步骤七，接收工作模式指令；

步骤八，当收到空气调节指令时，换向阀14切换开通空气调节流路；和/或当未收到空气调节指令时，换向阀切换开通热回收流路。

如此使实施例中朗肯循环系统在并入现有的车载空调中后能够合理地控制空气调节功能和热回收功能的交替，实现与现有汽车功能的融合，应用范围大大增加。

参照附图1，本文进一步阐明实施例中的热回收系统的工作流程：

车辆运行时，现有发动机的电控单元ECU（图中未示出）都能自动识别汽车空调系统的启用状态。若接收到空气调节指令，则空调系统启用，此时ECU将控制换向阀14切换，使朗肯循环系统接通空气调节流路并断开热回收流路，此时可以可选地调节发动机冷却水系统中的比例阀4使冷却水流向热回收换热器7的比例为0。此时制冷工质在系统内的流通路径为压缩机13←换向阀14←蒸发器8←膨胀阀10←冷凝器11←储液干燥器12←压缩机13，制冷工质在蒸发器8处吸收室内热量，在冷凝器11处散热，并通过膨胀阀10和压缩机13完成制冷循环，实现调节车内空气温度的效果。

若未接收到空气调节指令，则空调系统不启用，此时当发动机冷却水温度达到正常工作温度阈值（通常为90℃到110℃）后，节温器3控制发动机冷却水系统的大循环通路打开，则冷却水经过比例阀4调节，以合适比例的流量流经热回收换热器7；同时ECU控制换向阀14切换，使朗肯循环系统接通热回收流路并断开空气调节流路，此时制冷工质在系统内的流通路径依次为压缩机13→电磁阀14→热回收换热器7→涡旋膨胀机9→流量计16→冷凝器11→储液干燥器12→压缩机13。制冷工质在热回收换热器7中与发动机冷却水换热后，成为高温高压的过热蒸汽状态，从而推动高效的涡旋膨胀机9对发电机5做功，实现热能向机械能的转换；同时电机5又将机械能转化为电能存储到车载蓄电池6当中。制冷工质在经过涡旋膨胀机9后温度和压力均有所下降，但仍为过热蒸汽状态，之后流经冷凝器11，受汽车迎面的进气来流或冷却风扇15的作用而散热，成为过冷液态制冷工质，再经储液干燥罐12后由压缩机13加压回到热回收换热器7完成动力循环。

通过上述流程，既完成了朗肯循环系统中空气调节和热回收功能无冲突的功能实现，融合了汽车的现有功能和新设计功能；又在保证发动机正常工作的前提下实现了对冷却水的热回收，实现了对发动机能量的高效利用。

如上根据附图对本发明的具体实施方式进行了详细的描述。所属领域的技术人员根据上述说明可以对实施方式中具体的特征进行等同的改型或变型，毫无疑问，这些改变的实施方式也将落入权利要求书所覆盖的保护范围内。

Claims (15)

1.一种朗肯循环系统，其特征在于，包括：串联的冷凝器、压缩机和能够从低品位热源吸收热量并将其转化为机械能的热回收流路，并且，

所述朗肯循环系统还包括：空气调节流路，所述空气调节流路包括蒸发器和膨胀阀；所述空气调节流路与所述冷凝器和压缩机串联，及与所述热回收流路并联，并且在所述并联的交点上设有换向阀。

2.根据权利要求1所述的朗肯循环系统，其特征在于，所述热回收流路包括：能够从低品位热源吸收热能的热回收换热器和能够将热能热量转化为机械能的膨胀装置。

3.根据权利要求2所述的朗肯循环系统，其特征在于，所述膨胀装置为涡旋膨胀机。

4.根据权利要求2所述的朗肯循环系统，其特征在于，所述热回收流路还包括：发电部件，所述发电部件与所述膨胀装置刚性连接。

5.根据权利要求2所述的朗肯循环系统，其特征在于，所述热回收流路还包括：分别设于所述膨胀装置的上游和下游的多个温度传感器和/或多个压力传感器。

6.根据权利要求2所述的朗肯循环系统，其特征在于，所述热回收流路还包括：设于所述热回收流路上的流量计。

7.一种热回收系统，其特征在于，包括权利要求1到6任意一项所述的朗肯循环系统；还包括具有发动机和水泵、节温器的发动机冷却水系统，所述发动机冷却水系统与所述朗肯循环系统热力学连接。

8.根据权利要求7所述的热回收系统，其特征在于，所述发动机冷却水系统包括具有一段公共流路的冷却流路和排热流路，所述发动机、所述水泵和所述节温器设于所述公共流路上，所述排热流路与所述热回收流路热力学连接。

9.根据权利要求8所述的热回收系统，其特征在于，所述公共流路的一端设有比例阀。

10.一种热回收系统控制方法，所述热回收系统包括朗肯循环系统和发动机冷却水系统；所述朗肯循环系统包括串联的冷凝器、压缩机和能够从低品位热源吸收热能并将其转化为机械能的热回收流路；所述发动机冷却水系统包括具有一段公共流路的冷却流路和排热流路及设于所述公共流路上的水泵和发动机、节温器，所述发动机冷却水系统通过所述热回收流路与所述朗肯循环系统热力学连接，其特征在于，所述方法包括：

步骤一，检测发动机冷却水温；

步骤二，当所述发动机冷却水温达到正常工作温度阈值内时，开启排热流路，冷却水通过排热流路与所述热回收流路换热；

步骤三，所述热回收流路将所述排热流路传递的热能转化为机械能。

11.根据权利要求10所述的热回收系统控制方法，所述热回收流路包括能够从低品位热源吸收热能的热回收换热器，所述步骤二进一步包括：

当所述发动机冷却水温达到正常工作温度阈值内时，开启排热流路，冷却水通过排热流路流经所述热回收换热器与所述热回收流路换热。

12.根据权利要求10所述的热回收系统控制方法，所述热回收流路包括能够将从低品位热源吸收的热能转化为机械能的涡旋膨胀机，所述步骤三进一步包括：

所述热回收流路中的所述涡旋膨胀机将所述排热流路传递的热能转化为机械能。

13.根据权利要求12所述的热回收系统控制方法，所述热回收系统还包括与所述涡旋膨胀机连接的发电部件，其特征在于，在所述步骤三后还包括：

步骤四，所述发电部件将所述涡旋膨胀机传递的机械能转化为电能。

14.根据权利要求12所述的热回收系统控制方法，所述热回收系统还包括设于所述热回收流路上的流量计和/或分别设于所述涡旋膨胀机的上游和下游的多个温度传感器和/或多个压力传感器；所述发动机冷却水系统还包括设于所述公共流路一端的比例阀，其特征在于，在所述步骤二后还包括：

步骤五，检测所述热回收流路的流量和/或温度和/或压力；

步骤六，当所述热回收流路的流量和/或温度和/或压力分别超出稳定流量阈值和/或稳定温度阈值和/或稳定压力阈值时，控制所述比例阀调节流入排热流路的冷却水流量。

15.根据权利要求10到14任意一项所述的热回收系统控制方法，所述热回收系统中的朗肯循环系统还包括空气调节流路，所述空气调节流路包括蒸发器和膨胀阀；所述空气调节流路与所述热回收流路并联，并且在所述并联的交点上设有换向阀；其特征在于，在所述步骤一前还包括：

步骤七，接收工作模式指令；

步骤八，当收到空气调节指令时，所述换向阀切换开通所述空气调节流路；和/或当未收到空气调节指令时，所述换向阀切换开通所述热回收流路。