CN108167038A - 有机朗肯循环-跨临界co2热泵发动机排气余热回收联合系统 - Google Patents

有机朗肯循环-跨临界co2热泵发动机排气余热回收联合系统 Download PDF

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Abstract

有机朗肯循环‑跨临界CO2热泵发动机排气余热回收联合系统，属于节能减排领域。该系统主要由发动机、带有回热器的有机朗肯循环系统、跨临界CO2热泵系统和控制系统组成。通过调节不同阀门、离合器和风扇的接通与断开，同时利用有机朗肯循环系统膨胀机产生的动力，来实现热泵系统的制冷和制热模式的切换，从而更好的利用发动机的排气能量。

Description

有机朗肯循环-跨临界CO2热泵发动机排气余热回收联合系统
技术领域
本发明涉及一种有机朗肯循环-跨临界CO2热泵发动机排气余热回收联合系统及其控制方法，用于回收发动机的排气能量，属于节能减排领域。
背景技术
从发动机的能量平衡来看，输出的有效功一般只占燃油燃烧总热量的30％-45％(柴油机)或20％-30％(汽油机)，余热能量主要通过排气和冷却介质(冷却水、机油散热等)被排放到大气中。由此可以看出，对于车用发动机，其余热能量回收具有很大的节能潜力。
此外，余热能回收技术由于不需要消耗其它任何能源，仅依靠技术的进步即可实现，因而受到了越来越多的重视。目前，发动机余热能利用技术主要集中在增压、余热制冷、余热取暖、余热发电和改良燃料燃烧性能等几个方面。在当前车用发电机余热利用的各种技术方案中，有机朗肯循环余热回收技术的热效率最高，是最有可能首先实现产业化的技术。跨临界CO2循环技术在制冷领域有着无可比拟的优势。本发明结合有机朗肯循环和跨临界CO2循环综合优势，可以实现发电、制冷和制热的三重功能。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种有机朗肯循环-跨临界CO2热泵发动机排气余热回收联合系统及其控制方法，该系统主要由包括发动机、带有回热器的有机朗肯循环系统、跨临界CO2热泵系统和控制系统组成；通过控制电磁阀一、离合器、风扇的开启与闭合以及四通换向阀内的工质流通路径，来实现热泵系统的制冷和制热模式的切换，从而更好的利用发动机的排气能量。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术解决方案：
本发明所提出的有机朗肯循环-跨临界CO2热泵发动机排气余热回收联合系统，主要由发动机排气通路系统、带有回热器的有机朗肯循环系统、跨临界CO2热泵系统和控制系统组成。
所述的带有回热器的有机朗肯循环系统，包括蒸发器(2)、膨胀机(3)、发电机(4)、回热器(5)、冷凝器(6)、储液罐(7)以及工质泵(8)；
所述的跨临界CO2热泵系统即ORC系统，包括压缩机(10)、车外换热器(11)、膨胀阀(12)、车内换热器(13)、第一风扇(14)、第二风扇(20)；
所述的控制系统，包括离合器(9)、控制单元(15)、车内温度传感器(18)、电磁阀一(17)、四通换向阀(19)以及连接这些部件的线路；
发动机排气通路：发动机(1)通过管路与三通阀(16)一端连接，三通阀(16)的另外两端分别与电磁阀一(17)和蒸发器(2)连接；蒸发器(2)与车外换热器(11)连接；
所述的带有回热器的有机朗肯循环系统中蒸发器(2)依次与膨胀机(3)、回热器(5)、冷凝器(6)、储液罐(7)、工质泵(8)连接，工质泵(8)再与回热器(5)连接，回热器(5)再与蒸发器(2)连接形成循环回路；在回热器(5)中分别走两个独立的管路；发电机(4)与膨胀机(3)连接；
所述的跨临界CO2热泵系统中压缩机(10)出口端与四通换向阀(19)的一端A连接，四通换向阀(19)的C端与压缩机(10)的进口端连接，四通换向阀(19)的B端与车内换热器(13)连接，车内换热器(13)依次与膨胀阀(12)、车外换热器(11)、四通换向阀(19)的D端连接；车内换热器(13)配有第一风扇(14)，车外换热器(11)配有第二风扇(20)；
膨胀机(3)和压缩机(10)物理位置靠近，控制系统中的离合器(9)位于两者之间，使得离合器(9)能够将膨胀机(3)和压缩机(10)关联；控制单元(15)分别与离合器(9)、电磁阀一(17)、四通换向阀(19)、第一风扇(14)、第二风扇(20)连接。
储液罐(7)中的液态工质经工质泵(8)加压后进入回热器(5)中，之后有机工质进入蒸发器(2)经过发动机排气的加热并达到高温高压状态，气态的高温高压有机工质进入膨胀机(3)并驱动发电机(4)发电，同时闭合离合器(9)，膨胀机带动热泵系统的压缩机(10)工作，完成做功后的工质经回热器(5)、冷凝器(6)冷凝为饱和液体后流回储液罐(7)；发动机(1)经由三通阀(16)、电磁阀一(17)通过管道与车外换热器(11)相连通；跨临界CO2热泵系统中亚临界CO2由有机朗肯循环系统的膨胀机(3)驱动的压缩机(10)压缩至超临界状态，压缩机(10)出口与四通换向阀(19)一端相连接，四通换向阀(19)另外三端分别与车内换热器(13)、车外换热器(11)和压缩机(10)入口相连接，车内换热器(13)和车外换热器(11)之间连接膨胀阀(12)，第二风扇(20)靠近车外换热器(11)、第一风扇(14)靠近车内换热器(13)，用于提供强度可调的风量；车内温度传感器(18)与控制单元(15)相连接，控制单元(15)用于控制电磁阀一(17)、离合器(9)、第一风扇(14)和第二风扇(20)的开启与闭合以及四通换向阀(19)内的工质流通路径。
本发明有机朗肯循环-跨临界CO2热泵发动机排气余热回收联合系统的运行工作方式，包括以下步骤：
根据跨临界CO2热泵系统运行模式的不同，可预设车内环境温度T1、T2、T3作为控制参考量，其中T2<T1<T3，控制单元(15)通过控制电磁阀一(17)、离合器(9)、第一风扇(14)和第二风扇(20)的开启与闭合以及四通换向阀(19)内的工质流通路径；
发动机(1)启动后，低压有机工质通过工质泵(8)加压，然后在回热器(5)中进行预热，随后有机工质进入蒸发器(2)并达到高温高压气体状态，高温高压有机工质气体进入膨胀机(3)并驱动发电机(4)发电，并且闭合离合器(9)带动热泵系统的压缩机(10)工作，之后，膨胀工作后的有机工质气体通过回热器(5)，对工质泵流出的液态有机工质预热，最后依次流入冷凝器(6)和储液罐(7)，循环重新开始；发电机(4)所产生的电能存储在电池中；
亚临界CO2由ORC系统的膨胀机(3)驱动的压缩机(10)压缩至超临界状态；然后CO2通过四通换向阀(19)流向车内换热器(13)或者车外换热器(11)，CO2流动的具体路径取决于跨临界CO2热泵系统的运行模式，具体如下：
制热模式：车内温度传感器(18)所测得温度低于预设温度T2时，控制单元(15)发出指令，接通电磁阀一(17)、离合器(9)和第一风扇(14)，此时处于加热模式下，一部分发动机尾气在跨临界CO2热泵系统中的车外换热器(11)中与CO2进行换热，另一部分发动机尾气作为热源在有机朗肯循环系统的蒸发器(2)中进行换热；同时控制单元(15)发出指令使得四通换向阀(19)的A与B连通、C与D端连通，车外换热器(11)作为蒸发器在加热模式下吸收发动机排气的热量，经过车外换热器(11)加热后，CO2达到高温状态；然后CO2通过四通换向阀(19)从D到C进入压缩机(10)被压缩，之后，超临界CO2通过四通换向阀(19)从A到B流入车内换热器(13)，此时车内换热器(13)作为冷凝器对车内环境进行加热，其中，第一风扇(14)用于提供强度可调的风量；随后CO2从车内换热器(13)流出，经过膨胀阀(12)降压，最后流入车外换热器(11)；当车内温度达到预设温度T1之后，此时控制单元(15)发出指令，关闭电磁阀一(17)、第一风扇(14)并断开离合器(9)；
纯发电模式：车内温度传感器(18)所测得温度在T2与T3之间时，控制单元(15)发出指令，关闭电磁阀一(17)、第一风扇(14)、第二风扇(20)并断开离合器(9)，此时只有有机朗肯循环系统运行；
制冷模式：车内温度传感器(18)所测得温度高于预设温度T3时，控制单元(15)发出指令，接通离合器(9)、第一风扇(14)和第二风扇(20)，同时四通换向阀(19)改变了CO2的流通路径，即控制单元(15)发出指令使得四通换向阀(19)的A与D连通，B与C连通，与加热模式不同，电磁阀一(17)在制冷模式下完全关闭，而跨临界CO2热泵系统由有机朗肯循环系统的膨胀机(3)输出的机械功来驱动，CO2通过四通换向阀(19)A到D，从压缩机(10)流入车外换热器(11)，释放热量，第二风扇(20)用于提供强度可调的风量；车内换热器(13)与车外换热器(11)之间连接的膨胀阀(12)用于膨胀降压；车内换热器(13)与压缩机(10)进口之间通过四通换向阀(19)从B到C连接，从而使车内换热器(13)对车内环境进行制冷，第一风扇(14)用于提供强度可调的风量。当车内温度达到预设温度T1之后，此时控制单元(15)发出指令，使离合器(9)断开、第一风扇(14)和第二风扇(20)关闭。
有益效果：
1、该发明采用回热有机朗肯循环系统和热泵循环系统结合，具有更高的热效率，能充分利用内燃机工作时排出的排气能量。
2、根据车内温度的高低，通过合理的控制策略，控制电磁阀一(17)、离合器(9)、第一风扇(14)和第二风扇(20)的开启与闭合以及四通换向阀(19)内的工质流通路径，从而实现制冷循环与制热循环的来回切换。
3、排气温度较高于环境温度，即使在极低的环境温度下，车外换热器的除霜问题也可以通过这种方式轻易解决。
4、有机朗肯循环系统的膨胀机与跨临界CO2热泵系统的压缩机相连接，提高了能源的利用率。
附图说明
图1为一种有机朗肯循环-跨临界CO2热泵发动机排气余热回收联合系统的示意图；
图中：1-发动机；2-蒸发器；3-膨胀机；4-发电机；5-回热器；6-冷凝器；7-储液罐；8-工质泵；9-离合器；10-压缩机；11-车外换热器；12-膨胀阀；13-车内换热器；14-第一风扇；15-控制单元；16-三通阀；17-电磁阀一；18-车内温度传感器；19-四通转向阀；20-第二风扇。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方法。
本发明所提出的有机朗肯循环-跨临界CO2热泵发动机排气余热回收联合系统，主要由发动机、带有回热器有机朗肯循环系统、跨临界CO2热泵系统和控制系统组成。
一种有机朗肯循环-跨临界CO2热泵发动机排气余热回收联合系统，具体结构里阿尼额关系可参见图1，由发动机1、带有回热器有机朗肯循环系统、跨临界CO2热泵系统和控制系统组成。
所述的带有回热器的有机朗肯循环系统，包括蒸发器2、膨胀机3、发电机4、回热器5、冷凝器6、储液罐7以及工质泵8；
所述的跨临界CO2热泵系统，包括压缩机10、车外换热器11、膨胀阀12、车内换热器13、第一风扇14、第二风扇20；
所述的控制系统，包括离合器9、控制单元15、三通阀16、电磁阀一17、车内温度传感器18、四通换向阀19以及连接这些部件的线路；
连接关系：发动机1通过管路与三通阀16一端连接，另外两端分别与电磁阀一17和蒸发器2连接；储液罐7中的液态工质经工质泵8加压后进入回热器5中，之后有机工质进入蒸发器2并达到高温高压状态，气态的高温高压有机工质进入膨胀机3并驱动发电机4发电，闭合离合器9，膨胀机带动热泵系统的压缩机10工作，完成做功后的工质经冷凝器6冷凝为饱和液体后流回储液罐7；电磁阀一17通过管道与车外换热器11相连接，亚临界CO2由有机朗肯循环系统的膨胀机3驱动的压缩机10压缩至超临界状态，压缩机10出口与四通换向阀19一端相连接，四通换向阀19另外三端分别与车内换热器13、车外换热器11和压缩机10入口相连接，车内换热器13和车外换热器11之间连接膨胀阀12，第二风扇20靠近车外换热器11、第一风扇14靠近车内换热器13，用于提供强度可调的风量；车内温度传感器18与控制单元15相连接，控制单元15用于控制电磁阀一17、离合器9、第一风扇14和第二风扇20的开启与闭合以及四通换向阀19内的工质流通路径。
工作过程：
根据跨临界CO2热泵系统运行模式的不同，可预设温度T1、T2、T3作为控制参考量，其中T2<T1<T3，控制单元15可以控制电磁阀一17、离合器9、第一风扇14和第二风扇20的开启与闭合以及四通换向阀19内的工质流通路径。
发动机1启动后，低压有机工质通过工质泵8加压，然后在回热器5中进行预热，随后有机工质进入蒸发器2并达到高温高压状态，高温高压有机工质气体进入膨胀机3并驱动发电机4发电，并且可闭合离合器9带动热泵系统的压缩机10工作，之后，膨胀后的有机工质气体通过回热器5，对工质泵流出的液态有机工质预热，最后流入冷凝器6和储液罐7，循环重新开始。所产生的电能存储在电池中。亚临界CO2可由ORC系统的膨胀机3驱动的压缩机10压缩至超临界状态。然后CO2通过四通换向阀19流向换热器车内换热器13或者车外换热器11。CO2流动的具体路径取决于跨临界CO2热泵系统的运行模式，具体如下：
制热模式：车内温度传感器18所测得温度低于预设温度T2时，控制单元15发出指令，接通电磁阀一17、离合器9和第一风扇14，此时处于加热模式下，一部分发动机尾气在跨临界CO2热泵系统中的车外换热器11中与CO2进行换热，另一部分发动机尾气作为热源在有机朗肯循环系统的蒸发器2中进行换热。同时控制单元15发出指令接通四通换向阀19的A与B接头，C与D接头，车外换热器11作为蒸发器在加热模式下吸收发动机排气的热量。经过车外换热器11加热后，CO2达到高温状态。然后CO2通过四通换向阀19从D到C进入压缩机10被压缩，之后，超临界CO2通过四通换向阀19从A到B流入车内换热器13，此时车内换热器13作为冷凝器对车内环境进行加热，其中，第一风扇14用于提供强度可调的风量。随后CO2从车内换热器13流出，经过膨胀阀12降压，最后流入车外换热器11。当车内温度达到预设温度T1之后，此时控制单元15发出指令，关闭电磁阀一17、第一风扇14并断开离合器9。
纯发电模式：车内温度传感器18所测得温度在T2与T3之间时，控制单元15发出指令，关闭电磁阀一17、第一风扇14、第二风扇20并断开离合器9，此时只有有机朗肯循环系统运行。
制冷模式：车内温度传感器18所测得温度高于预设温度T3时，控制单元15发出指令，接通离合器9、第一风扇14和第二风扇20，同时四通换向阀19改变了CO2的流通路径，即控制单元15发出指令接通四通换向阀19的A与D接头，B与C接头，与加热模式不同，电磁阀一17在制冷模式下完全关闭，而跨临界CO2热泵系统由有机朗肯循环系统的膨胀机3输出的机械功来驱动。CO2通过四通换向阀19A到D，从压缩机10流入车外换热器11，释放热量，第二风扇20用于提供强度可调的风量。车内换热器13与车外换热器11之间连接的膨胀阀12用于膨胀降压。车内换热器13与压缩机10进口之间通过四通换向阀19从B到C连接，从而使车内换热器13对车内环境进行制冷，第一风扇14用于提供强度可调的风量。当车内温度达到预设温度T1之后，此时控制单元15发出指令，使离合器9、第一风扇14和第二风扇20断开。

Claims (4)

1.一种有机朗肯循环-跨临界CO2热泵发动机排气余热回收联合系统，其特征在于，排气通路系统、带有回热器的有机朗肯循环系统、跨临界CO2热泵系统和控制系统组成；
所述的带有回热器的有机朗肯循环系统，包括蒸发器(2)、膨胀机(3)、发电机(4)、回热器(5)、冷凝器(6)、储液罐(7)以及工质泵(8)；
所述的跨临界CO2热泵系统即ORC系统，包括压缩机(10)、车外换热器(11)、膨胀阀(12)、车内换热器(13)、第一风扇(14)、第二风扇(20)；
所述的控制系统，包括离合器(9)、控制单元(15)、车内温度传感器(18)、电磁阀一(17)、四通换向阀(19)以及连接这些部件的线路；
发动机排气通路：发动机(1)通过管路与三通阀(16)一端连接，三通阀(16)的另外两端分别与电磁阀一(17)和蒸发器(2)连接；蒸发器(2)与车外换热器(11)连接；
所述的带有回热器的有机朗肯循环系统中蒸发器(2)依次与膨胀机(3)、回热器(5)、冷凝器(6)、储液罐(7)、工质泵(8)连接，工质泵(8)再与回热器(5)连接，回热器(5)再与蒸发器(2)连接形成循环回路；在回热器(5)中分别走两个独立的管路；发电机(4)与膨胀机(3)连接；
所述的跨临界CO2热泵系统中压缩机(10)出口端与四通换向阀(19)的一端A连接，四通换向阀(19)的C端与压缩机(10)的进口端连接，四通换向阀(19)的B端与车内换热器(13)连接，车内换热器(13)依次与膨胀阀(12)、车外换热器(11)、四通换向阀(19)的D端连接；车内换热器(13)配有第一风扇(14)，车外换热器(11)配有第二风扇(20)；
膨胀机(3)和压缩机(10)物理位置靠近，控制系统中的离合器(9)位于两者之间，使得离合器(9)能够将膨胀机(3)和压缩机(10)关联；
控制单元(15)分别与离合器(9)、电磁阀一(17)、四通换向阀(19)、第一风扇(14)、第二风扇(20)连接。
2.按照权利要求1所述的一种有机朗肯循环-跨临界CO2热泵发动机排气余热回收联合系统，其特征在于，第二风扇(20)靠近车外换热器(11)。
3.按照权利要求1所述的一种有机朗肯循环-跨临界CO2热泵发动机排气余热回收联合系统，其特征在于，第一风扇(14)靠近车内换热器(13)。
4.权利要求1-3任一项所述的有机朗肯循环-跨临界CO2热泵发动机排气余热回收联合系统的工作运行方法，其特征在于，
根据跨临界CO2热泵系统运行模式的不同，可预设车内环境温度T1、T2、T3作为控制参考量，其中T2<T1<T3，控制单元(15)通过控制电磁阀一(17)、离合器(9)、风扇(14)和风扇(20)的开启与闭合以及四通换向阀(19)内的工质流通路径；
发动机(1)启动后，低压有机工质通过工质泵(8)加压，然后在回热器(5)中进行预热，随后有机工质进入蒸发器(2)并达到高温高压气体状态，高温高压有机工质气体进入膨胀机(3)并驱动发电机(4)发电，并且闭合离合器(9)带动热泵系统的压缩机(10)工作，之后，膨胀工作后的有机工质气体通过回热器(5)，对工质泵流出的液态有机工质预热，最后依次流入冷凝器(6)和储液罐(7)，循环重新开始；发电机(4)所产生的电能存储在电池中；
亚临界CO2由ORC系统的膨胀机(3)驱动的压缩机(10)压缩至超临界状态；然后CO2通过四通换向阀(19)流向车内换热器(13)或者车外换热器(11)，CO2流动的具体路径取决于跨临界CO2热泵系统的运行模式，具体如下：
制热模式：车内温度传感器(18)所测得温度低于预设温度T2时，控制单元(15)发出指令，接通电磁阀一(17)、离合器(9)和第一风扇(14)，此时处于加热模式下，一部分发动机尾气在跨临界CO2热泵系统中的车外换热器(11)中与CO2进行换热，另一部分发动机尾气作为热源在有机朗肯循环系统的蒸发器(2)中进行换热；同时控制单元(15)发出指令使得四通换向阀(19)的A与B连通、C与D端连通，车外换热器(11)作为蒸发器在加热模式下吸收发动机排气的热量，经过车外换热器(11)加热后，CO2达到高温状态；然后CO2通过四通换向阀(19)从D到C进入压缩机(10)被压缩，之后，超临界CO2通过四通换向阀(19)从A到B流入车内换热器(13)，此时车内换热器(13)作为冷凝器对车内环境进行加热，其中，第一风扇(14)用于提供强度可调的风量；随后CO2从车内换热器(13)流出，经过膨胀阀(12)降压，最后流入车外换热器(11)；当车内温度达到预设温度T1之后，此时控制单元(15)发出指令，关闭电磁阀一(17)、第一风扇(14)并断开离合器(9)；
纯发电模式：车内温度传感器(18)所测得温度在T2与T3之间时，控制单元(15)发出指令，关闭电磁阀一(17)、第一风扇(14)、第二风扇(20)并断开离合器(9)，此时只有有机朗肯循环系统运行；
制冷模式：车内温度传感器(18)所测得温度高于预设温度T3时，控制单元(15)发出指令，接通离合器(9)、第一风扇(14)和第二风扇(20)，同时四通换向阀(19)改变了CO2的流通路径，即控制单元(15)发出指令使得四通换向阀(19)的A与D连通，B与C连通，与加热模式不同，电磁阀一(17)在制冷模式下完全关闭，而跨临界CO2热泵系统由有机朗肯循环系统的膨胀机(3)输出的机械功来驱动，CO2通过四通换向阀(19)A到D，从压缩机(10)流入车外换热器(11)，释放热量，第二风扇(20)用于提供强度可调的风量；车内换热器(13)与车外换热器(11)之间连接的膨胀阀(12)用于膨胀降压；车内换热器(13)与压缩机(10)进口之间通过四通换向阀(19)从B到C连接，从而使车内换热器(13)对车内环境进行制冷，第一风扇(14)用于提供强度可调的风量。当车内温度达到预设温度T1之后，此时控制单元(15)发出指令，使离合器(9)断开、第一风扇(14)和第二风扇(20)关闭。
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