CN104943503B - 车辆动力、制冷供能系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
一种车辆动力、制冷供能系统及其工作方法，属于能源与动力领域。其特征在于：采用的双级废热底循环的第一级底循环通过热电发电机（5）回收高温烟气（4）废热并将其转化为机械能；第二级底循环通过第二换热器（6）回收低温烟气（4）废热，第一换热器（11）回收低温冷却剂（21）废热，并将其转化为车辆需要的机械能和冷能。以上系统考虑了热能梯级回收以及显热回收过程的滑移温度匹配，在满足车辆机械能和冷凝的条件下，能够显著降低单位里程的油耗和污染排放，具有整体节能减排的优势，适合对现有车辆供能系统进行节能改造。
Description
技术领域
本发明涉及一种车辆动力、制冷供能系统及其工作方法，属于能源与动力领域。
背景技术
随着汽车保有量逐年增大及能源危机日益严重,节能问题已经成为制约汽车工业发展的重要因素。随着汽车电子化进程,汽车电子产品不断增加,对电能的需求越来越多,然而汽车发电系统效率却非常低。同时,大量热能随着汽车尾气、发动机冷却水等方式浪费掉,造成能量损失。车辆发动机的热效率为35%，而排气废热跟发动机冷却废热约占整个系统输入燃料值的2/3。车辆发动机的烟气温度较高，一般为600-1000K。直接排放至环境不仅造成环境的污染，而且会造成能源上的巨大浪费。据相关部门调查研究，近期雾霾的严重与车辆尾气的排放有着密切的联系。因此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。
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，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制冷方案，仅能满足车辆对冷负荷的需求。特别对于烟气废热，其数量大品位高，是目前废热回收的研究热点。而尽管已有提出的大量烟气废热有机朗肯循环系统方案或者Kalina循环方案，能够较不带废热回收的方案节能，但是由于以上循环系统在烟气废热回收过程的平均传热温差大，存在着明显的有用能损失，还具有显著的节能空间。因此，如何降低烟气废热回收过程有用能的损失也成为了今后继续提高车辆整体节能性能的重要研究方向。
发明内容
本发明的目的在于提出一种利用车辆内燃机烟气和冷却水废热，输出机械动力以及供冷的车辆动力、制冷供能系统及其工作方法。
一种车辆动力、制冷供能系统，其特征在于：该系统包括发动机、缸套、热电发电机、第一换热器、第二换热器、第一循环泵、第二循环泵、第一回热器、第二回热器、气液分离器、透平、第一冷凝器、第二冷凝器、节流阀、蒸发器；
发动机包括燃料入口、空气入口和烟气出口，缸套布置在发动机外围；
第一换热器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第二换热器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；热电发电机包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第一回热器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第二回热器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第一冷凝器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第二冷凝器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；蒸发器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；
环境空气与发动机空气入口相连，汽油与发动机燃料入口相连，发动机烟气出口与热电发电机热侧入口相连，热电发电机热侧出口与第二换热器热侧入口相连，第二换热器热侧出口与大气环境相连。空气从热电发电机冷侧入口进入，并从冷侧出口排出到大气环境中；
缸套出口与第一换热器热侧入口相连，第一换热器热侧出口与第二循环泵入口相连，第二循环泵出口与缸套入口相连。
第一循环泵出口与第二回热器冷侧入口相连，第一回热器冷侧出口与第二回热器冷侧入口相连，第二回热器冷侧出口与第一换热器冷侧入口相连，第一换热器冷侧出口与气液分离器入口相连，气液分离器还包括气相出口和液相出口：
气液分离器气相出口与第二换热器入口相连，第二换热器出口与透平入口相连，透平出口与第一回热器热侧入口相连，第一回热器热侧出口与第一冷凝器热侧入口相连，第一冷凝器热侧出口与第一循环泵入口相连。环境空气从第一冷凝器冷侧入口进入，并从冷侧出口排入环境。
气液分离器液相出口与第二回热器热侧入口相连，第二回热器热侧出口与第二冷凝器热侧入口相连，第二冷凝器热侧出口与节流阀入口相连，节流阀出口与蒸发器冷侧入口相连，蒸发器冷侧出口与第一冷凝器热侧入口相连。环境空气从第二冷凝器冷侧入口进入，并从冷侧出口排入环境，环境空气从蒸发器热侧入口进入，并从冷风口排出。
与现有常规采用发动机提供主动力，以独立的蒸气压缩制冷循环消耗车辆动力来制冷的车辆供能系统相比，上述系统通过非共沸工质热力循环对常规车辆发动机的各类废热进行了梯级回收，根据车辆需求为其提供电能、机械能和冷负荷。
本发明提出的新型车辆动力、制冷供能系统，可以采用如下的运行过程：汽油与环境空气进入发动机燃烧释放热能，并通过活塞做功转化为机械能对外输出，发动机同时对外排出高温烟气，高温烟气通过热电发电机产生电能，再进入第二换热器对多组分蒸气进行过热，随后排出到大气环境；缸套布置在发动机外围，通过导热方式为发动机散热，低温冷却剂通过第二循环泵送入缸套对发动机进行冷却后温度升高，然后进入第一换热器热侧，被第一换热器冷侧非共沸工质冷却后温度降低，再进入第二循环泵进入下一轮冷却循环。
低温非共沸工质经过第一循环泵增压后进入第一回热器冷侧，被透平出口乏气预热后进入第二回热器冷侧，被高温多组分溶液加热，再经过第一换热器被加热至部分蒸发，然后进入气液分离器。
气液分离器气相出口多组分蒸气经过第二换热器冷侧后，被高温烟气加热后温度升高，然后通过透平膨胀做功，透平出口乏气经过第一回热器热侧，对第一回热器冷侧的非共沸工质进行预热，从第一回热器热侧出来的液态工质再经过第一冷凝器热侧，被冷侧环境空气降至接近环境温度后，进入第一循环泵升压后，开始进入下一轮循环；环境空气进入第一冷凝器冷侧冷却热侧液态工质后温度升高，然后直接排放至大气环境。
气液分离器液相出口多组分溶液经过第二回热器热侧，对冷侧非共沸工质进行预热后温度降低，然后进入第二冷凝器热侧，被冷侧环境空气降温至接近环境温度；环境空气进入第二冷凝器冷侧对热侧液态工质冷凝后温度升高，然后排放至大气中；第二冷凝器热侧出口工质进入节流阀降温降压后进入蒸发器冷侧，蒸发器热侧的环境空气被冷侧冷却后从冷风口排出为车辆供冷，蒸发器冷侧出口工质进入第一冷凝器热侧被冷侧环境空气冷却，然后进入第一循环泵升压，开始进入下一轮循环。
该车辆动力、制冷供能系统与常规的采用蒸气压缩制冷的车辆空调相比，能将发动机废热直接转化为电能、机械能、制冷量，提高燃油效率、设备利用率，减少环境污染。
该车辆动力、制冷供能系统中热电发电机直接将烟气废热转化为电能，而常规的发电系统效率很低，相比于传统的车辆供能系统，燃油经济性得到了改善。
由于该车辆废热回收子系统采用了非共沸工质，第一换热器和第二换热器内非共沸工质的等压蒸发过程均为滑温过程，其内部平均换热温差较小；第一冷凝器和第二冷凝器内的等压冷凝过程也为非等温过程，其平均换热温差也较小。因此，该系统的废热回收过程火用利用效率较高。在等压条件下，滑移温度大，适合缸套冷却剂和内燃机废烟气的显热回收。此外，还可以根据废热数量及品位变化，通过调整混合工质中各组分的质量分数，改变滑移温度范围，实现废热的有效回收。
与常规直接从第二换热器采集烟气废热的方案相比，该车辆供能系统烟气废热先经过热电发电机直接转化为电能，然后进入第二换热器对多组分蒸气进行加热，烟气废热利用率会更高。
附图说明
图1是车辆动力、制冷供能系统；
图中标号名称：1．汽油，2. 环境空气，3. 发动机，4.烟气，5.热电发电机，6. 第二换热器，7. 非共沸工质，8. 第一循环泵，9. 第一回热器，10. 第二回热器，11. 第一换热器， 12. 气液分离器，13. 多组分蒸气，14. 透平，15. 第一冷凝器，16. 多组分溶液，17.第二冷凝器，18. 节流阀，19. 蒸发器，20. 第二循环泵， 21. 冷却剂，22. 冷风口，23. 缸套。
具体实施方式
图1是本发明提出的新型车辆动力、制冷供能系统，下面参照图1说明该供能系统的工作过程。
汽油1与环境空气2进入发动机3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3同时对外排出高温烟气4，高温烟气4通过热电发电机5产生电能，再进入第二换热器6对多组分蒸气进行过热，随后排出到大气环境；缸套23布置在发动机3外围，通过导热方式为发动机3散热，低温冷却剂21通过第二循环泵20送入缸套23对发动机3进行冷却后温度升高，然后进入第一换热器11热侧，其显热被第一换热器11冷侧非共沸工质7吸收后温度降低，再进入第二循环泵20进入下一轮冷却循环。
低温非共沸工质7经过第一循环泵8增压后进入第一回热器9冷侧，被透平14出口乏气预热后进入第二回热器10冷侧，被高温多组分溶液16加热，再经过第一换热器冷侧11吸收冷却剂21显热至部分蒸发，然后进入气液分离器12。
气液分离器12气相出口多组分蒸气13经过第二换热器（6）冷侧后，被高温烟气4加热后温度升高，然后通过透平14膨胀做功，透平14出口乏气经过第一回热器9热侧，对第一回热器9冷侧的非共沸工质进行预热，从第一回热器9热侧出来的液态工质再经过第一冷凝器15热侧，被冷侧环境空气2降至接近环境温度；环境空气2进入第一冷凝器15冷侧冷却热侧液态工质后温度升高，然后直接排放至大气环境。
气液分离器12液相出口多组分溶液16经过第二回热器10热侧，对冷侧非共沸工质7进行预热后温度降低，然后进入第二冷凝器17热侧，被冷侧环境空气2降温至接近环境温度；环境空气2进入第二冷凝器17冷侧对热侧液态工质冷却后温度升高，然后排放至大气中；第二冷凝器17热侧出口工质进入节流阀18降温降压后进入蒸发器19冷侧，蒸发器19热侧的环境空气被冷侧冷却后从冷风口排出为车辆供冷，蒸发器19冷侧出口工质进入第一冷凝器热侧被冷侧环境空气2冷凝。
进入第一冷凝器15热侧的非共沸工质7被其冷侧环境空气2冷凝为液态后，通过第一循环泵8增压后进入第一回热器9冷热，开始下一热力循环。
Claims (2)
1.一种车辆动力、制冷供能系统，包括发动机（3）、热电发电机（5）、第一换热器（11）、第二换热器（6）、第一循环泵（8）、第二循环泵（20）、第一冷凝器（15）、第二冷凝器（17）、节流阀（18）、蒸发器（19）；发动机（3）包括燃料入口、空气入口和烟气出口；第一换热器（11）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第二换热器（6）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；热电发电机（5）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第一冷凝器（15）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第二冷凝器（17）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；蒸发器（19）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；
其特征在于:
该系统还包括缸套（23）、第一回热器（9）、第二回热器（10）、气液分离器（12）、透平（14）；其中缸套（23）布置在发动机（3）外围；第一回热器（9）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第二回热器（10）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；
环境空气（2）与发动机（3）空气入口相连，汽油（1）与发动机（3）燃料入口相连，发动机（3）烟气出口与热电发电机（5）热侧入口相连，热电发电机（5）热侧出口与第二换热器（6）热侧入口相连，第二换热器（6）热侧出口与大气环境相连；空气（2）从热电发电机（5）冷侧入口进入，并从冷侧出口排出到大气环境中；
缸套（23）出口与第一换热器（11）热侧入口相连，第一换热器（11）热侧出口与第二循环泵（20）入口相连，第二循环泵（20）出口与缸套（23）入口相连；
第一循环泵（8）出口与第一回热器（9）冷侧入口相连，第一回热器（9）冷侧出口与第二回热器（10）冷侧入口相连，第二回热器（10）冷侧出口与第一换热器（11）冷侧入口相连，第一换热器（11）冷侧出口与气液分离器（12）入口相连，气液分离器（12）还包括气相出口和液相出口：
气液分离器（12）气相出口与第二换热器（6）冷侧入口相连，第二换热器（6）冷侧出口与透平（14）入口相连，透平（14）出口与第一回热器（9）热侧入口相连，第一回热器（9）热侧出口与第一冷凝器（15）热侧入口相连，第一冷凝器（15）热侧出口与第一循环泵（8）入口相连；环境空气（2）从第一冷凝器（15）冷侧入口进入，并从冷侧出口排入环境；
气液分离器（12）液相出口与第二回热器（10）热侧入口相连，第二回热器（10）热侧出口与第二冷凝器（17）热侧入口相连，第二冷凝器（17）热侧出口与节流阀（18）入口相连，节流阀（18）出口与蒸发器（19）冷侧入口相连，蒸发器（19）冷侧出口与第一冷凝器（15）热侧入口相连；环境空气从第二冷凝器（17）冷侧入口进入，并从冷侧出口排入环境，环境空气从蒸发器（19）热侧入口进入，并从冷风口（22）排出。
2.根据权利要求1 所述的车辆动力、制冷供能系统的工作方法，其特征在于：
汽油（1）与环境空气（2）进入发动机（3）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（3）同时对外排出高温烟气（4），高温烟气（4）通过热电发电机（5）产生电能，再进入第二换热器（6）对多组分蒸气进行过热，随后排出到大气环境；缸套（23）布置在发动机（3）外围，通过导热方式为发动机（3）散热，低温冷却剂（21）通过第二循环泵（20）送入缸套（23）对发动机（3）进行冷却后温度升高，然后进入第一换热器（11）热侧，被第一换热器（11）冷侧非共沸工质（7）冷却后温度降低，再进入第二循环泵（20）进入下一轮冷却循环；
低温非共沸工质（7）经过第一循环泵（8）增压后进入第一回热器（9）冷侧，被透平（14）出口乏气预热后进入第二回热器（10）冷侧，被高温多组分溶液（16）加热，再经过第一换热器（11）被加热至部分蒸发，然后进入气液分离器（12）；
气液分离器（12）气相出口多组分蒸气（13）经过第二换热器（6）冷侧后，被高温烟气（4）加热后温度升高，然后通过透平（14）膨胀做功，透平（14）出口乏气经过第一回热器（9）热侧，对第一回热器（9）冷侧的非共沸工质进行预热，从第一回热器（9）热侧出来的液态工质再经过第一冷凝器（15）热侧，被冷侧环境空气（2）降至接近环境温度后，进入第一循环泵(8)升压后，开始进入下一轮循环；环境空气进入第一冷凝器（15）冷侧冷凝热侧液态工质后温度升高，然后直接排放至大气环境；
气液分离器（12）液相出口多组分溶液（16）经过第二回热器（10）热侧，对冷侧非共沸工质（7）进行预热后温度降低，然后进入第二冷凝器（17）热侧，被冷侧环境空气（2）降温至接近环境温度；环境空气（2）进入第二冷凝器（17）冷侧对热侧液态工质冷凝后温度升高，然后排放至大气中；第二冷凝器（17）热侧出口工质进入节流阀（18）降温降压后进入蒸发器（19）冷侧，蒸发器（19）热侧的环境空气被冷侧冷却后从冷风口排出为车辆供冷，蒸发器（19）冷侧出口工质进入第一冷凝器（15）热侧被冷侧环境空气（2）冷凝，然后进入第一循环泵(8)升压，开始进入下一轮循环。
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