CN108638794B - 一种汽车尾气余热利用的综合系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车尾气余热利用的综合系统。属于汽车尾气技术领域。它主要是解决现有的有机朗肯循环系统中的换热器和冷凝器体积较大，并且汽车尾气的余热没有得到充分利用的问题。它的主要特征，由有机朗肯循环系统和多功能换热系统组成，有机朗肯循环系统包括第一换热器、膨胀机、第三换热器、有机工质储液罐、工质泵、发电机和单向阀，多功能换热系统包括压缩机、第二换热器和膨胀阀，有机朗肯循环系统和多功能换热系统通过阀组进行串联或并联。该汽车尾气余热利用的综合系统，是有机朗肯循环系统与空调制冷制热系统的有效结合，替代了汽车原有的空调系统，在发电的同时且能制冷或制热，既节约了空间，又充分发挥汽车尾气的余热能量。

Description

一种汽车尾气余热利用的综合系统

技术领域

本发明涉及汽车尾气技术领域，具体为一种汽车尾气余热利用的综合系统。

背景技术

有机朗肯循环是以低沸点有机物为工质的朗肯循环，主要由余热锅炉(或换热器)、透平、冷凝器和工质泵四大部套组成，有机工质在换热器中从余热流中吸收热量，生成具一定压力和温度的蒸汽，蒸汽进入透平机械膨胀做功，从而带动发电机或拖动其它动力机械；从透平排出的蒸汽在凝汽器中向冷却水放热，凝结成液态，最后借助工质泵重新回到换热器，如此不断地循环下去。现有阶段基于汽车尾气利用的有机朗肯循环的余热回收系统主要由换热器、冷凝器、工质泵和膨胀机四个部分组成，其中换热器和冷凝器体积较大，受车辆系统空间限制，需要换热器在满足换热的前提下体积尽可能的小，并且汽车尾气的余热没有得到充分的利用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种汽车尾气余热利用的综合系统，以解决现有汽车尾气利用的有机朗肯循环系统中的换热器和冷凝器体积较大，并且汽车尾气的余热没有得到充分利用的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种汽车尾气余热利用的综合系统，其特征在于，由有机朗肯循环系统和多功能换热系统组成，所述有机朗肯循环系统包括第一换热器、膨胀机、第三换热器、有机工质储液罐、工质泵、第一风机、发电机和单向阀，所述多功能换热系统包括压缩机、第二换热器、膨胀阀和第二风机，所述有机朗肯循环系统和多功能换热系统通过阀组进行串联或并联。

优选的，所述第一换热器的高温管道为汽车尾气回路，低温管道为有机工质回路，所述第二换热器的高温管道为有机工质回路，低温管道为空气回路，所述第三换热器的高温管道为有机工质回路，低温管道为空气回路；所述工质泵的进口管路与有机工质储液罐的出口管路连通，工质泵的出口设有2个出口管路，一个出口管路与第一换热器的低温管道的进口管路连通，另一个出口管路上设有第十五截止阀；所述第一换热器的高温管道的进口管路和出口管路均与汽车尾气管道连通；所述膨胀机的进口管路与第一换热器的低温管道的出口管路连通，膨胀机的出口设有2个出口管路，2个出口管路上分别设有第九截止阀和第十截止阀，膨胀机上连接有发电机；所述单向阀的进口端与第九截止阀的出口端连通，单向阀的出口端与压缩机的出口端、第七截止阀的出口端和第三换热器的高温管道的进口管路连通；所述第三换热器的高温管道的进口端设有3个进口管路，3个进口管路分别与压缩机的出口端、第七截止阀的出口端和单向阀的出口端连通，第三换热器的高温管道的出口端与有机工质储液罐的进口端连通，第三换热器的低温管道的进口管路上连接有第一风机，第一风机与室外连通；

所述压缩机依靠发电机的电能驱动，压缩机与第八截止阀串联并与第七截止阀并联；所述第二换热器的高温管道的进口端有2个进口管路，2个进口管路上分别设有第十截止阀和第十一截止阀，第二换热器的高温管道的出口端设有2个出口管路，2个出口管路上分别设有第十三截止阀和第十四截止阀，第二换热器的低温管道的进口端上连接有第二风机；所述膨胀阀与第十四截止阀串联并与第十三截止阀并联；所述第十二截止阀的一端与第七截止阀和第八截止阀连通，另一端与第十五截止阀、第十三截止阀和膨胀阀连通。

优选的，所述第一换热器的高温管道的进口管路上设有第一截止阀，第一换热器的高温管道的出口管路上设有第二截止阀。

优选的，所述第二换热器的低温管道的出风口处设有2根出风管道，2根出风管道上分别设有第三截止阀和第四截止阀，所述第二风机的进风口处设有2根进风管道，2根进风管道上分别设有第五截止阀和第六截止阀；所述第三截止阀和第五截止阀与室内连通，所述第四截止阀和第六截止阀与室外连通。

优选的，所述有机工质为三氟二氯乙烷或四氟一氯乙烷。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：解决了现有汽车尾气利用的有机朗肯循环系统中的换热器和冷凝器体积较大，并且汽车尾气的余热没有得到充分利用的问题，该汽车尾气余热利用的综合系统，是有机朗肯循环系统与空调制冷制热系统的有效结合，替代了汽车原有的空调系统，发电且能制冷或制热，既节约了空间，又可以充分发挥汽车尾气的余热能量。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明制热过程的结构示意图。

图3为本发明制冷过程的结构示意图。

图4为本发明非制热制冷过程的结构示意图。

图中：1、第一换热器；2、膨胀机；3、压缩机；4、第三换热器；5、有机工质储液罐；6、工质泵；7、第一风机；8、第二换热器；9、膨胀阀；10、第二风机；11、发电机；12、单向阀；131、第一截止阀；132、第二截止阀；133、第三截止阀；134、第四截止阀；135、第五截止阀；136、第六截止阀；137、第七截止阀；138、第八截止阀；139、第九截止阀；1310、第十截止阀；1311、第十一截止阀；1312、第十二截止阀；1313、第十三截止阀；1314、第十四截止阀；1315、第十五截止阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种汽车尾气余热利用的综合系统，由有机朗肯循环系统和多功能换热系统组成，有机朗肯循环系统包括第一换热器1、膨胀机2、第三换热器4、有机工质储液罐5、工质泵6、第一风机7、发电机11和单向阀12，所述多功能换热系统包括压缩机3、第二换热器8、膨胀阀9和第二风机10，所述有机朗肯循环系统和多功能换热系统通过阀组进行串联或并联。

第一换热器1的高温管道为汽车尾气回路，低温管道为有机工质回路，第一换热器1的高温管道的进口管路和出口管路均与汽车尾气管道连通，第一换热器1的高温管道吸收汽车尾气的热量，蒸发从工质泵6输出到低温管道内的液态有机工质，使液态有机工质转化成气态输出，第一换热器是汽车尾气余热利用的主要部件。

有机工质储液罐5内的有机工质为三氟二氯乙烷或四氟一氯乙烷，工质泵6的进口管路与有机工质储液罐5的出口管路连通，将有机工质储液罐5中的液态有机工质加压输出，工质泵6的出口设有2个出口管路，一个出口管路与第一换热器1的低温管道的进口管路连通，另一个出口管路上设有第十五截止阀1315。

膨胀机2的进口管路与第一换热器1的低温管道的出口管路连通，接收第一换热器1的低温管道输出的气态有机工质，并被气态有机工质驱动做功且输出气态有机工质做功后的乏气，膨胀机2的出口设有2个出口管路，2个出口管路上分别设有第九截止阀139和第十截止阀1310，膨胀机2上连接有发电机11。

单向阀12的进口端与第九截止阀139的出口端连通，单向阀12的出口端与压缩机3的出口端、第七截止阀137的出口端和第三换热器4的高温管道的进口管路连通，单向阀12用于防止因压缩机3的出口压力过高导致的有机工质气体回流。

第三换热器4的高温管道为有机工质回路，低温管道为空气回路，第三换热器4的高温管道的进口端设有3个进口管路，3个进口管路分别与压缩机3的出口端、第七截止阀137的出口端和单向阀12的出口端连通，第三换热器4的高温管道的出口端与有机工质储液罐5的进口端连通，第三换热器4的低温管道的进口管路上连接有第一风机7，第一风机7与室外连通，第三换热器4接收高温管道输送过来的做完功后有机工质蒸汽，第一风机7吸入的室外空气，带走有机工质放出的热量，通过出口管路排到室外，使高压有机工质蒸汽凝结为液体，排放到有机工质储液罐5储存。

压缩机3依靠发电机的电能驱动，压缩机3与第八截止阀138串联并与第七截止阀137并联，制冷模式中接收第二换热器8中排出的低压有机工质蒸汽并压缩为高温高压蒸汽后排至第三换热器4中。

第二换热器8的高温管道为有机工质回路，低温管道为空气回路，第二换热器8的高温管道的进口端有2个进口管路，2个进口管路上分别设有第十截止阀1310和第十一截止阀1311，第二换热器8的高温管道的出口端设有2个出口管路，2个出口管路上分别设有第十三截止阀1313和第十四截止阀1314，第二换热器8的低温管道的进口端上连接有第二风机10。

膨胀阀9与第十四截止阀1314串联并与第十三截止阀1313并联，制冷模式中接收从工质泵6中输出的高压液态有机工质并使液体有机工质通过其节流成为低温低压的湿蒸汽；第十二截止阀1312的一端与第七截止阀137和第八截止阀138连通，另一端与第十五截止阀1315、第十三截止阀1313和膨胀阀9连通。

第一换热器1的高温管道的进口管路上设有第一截止阀131，第一换热器1的高温管道的出口管路上设有第二截止阀132，第一截止阀131和第二截止阀132用来调节尾气流量速率大小。

所述第二换热器8的低温管道的出风口处设有2根出风管道，2根出风管道上分别设有第三截止阀133和第四截止阀134，第二风机10的进风口处设有2根进风管道，2根进风管道上分别设有第五截止阀135和第六截止阀136；第三截止阀133和第五截止阀135与室内连通，第四截止阀134和第六截止阀136与室外连通，可根据工况需要进行室内、室外换热切换模式切换，通过调节第三截止阀133、第四截止阀134、第五截止阀135和第六截止阀136的开度控制换气量调节室内温度。

参阅图2，汽车室内温度偏高需要制冷时，本系统开启制冷模式，当本系统的工作状态为制冷模式时，开启第三截止阀133、第五截止阀135、第八截止阀138、第九截止阀139、第十一截止阀1311、第十四截止阀1314和第十五截止阀1315，关闭第四截止阀134、第六截止阀136、第七截止阀137、第十截止阀1310、第十二截止阀1312和第十三截止阀1313，工质泵6抽出储液罐5内液体工质后将其分为两路，一路输送到第一换热器1，液态有机工质在第一换热器内吸收汽车尾气热量后，其温度压力升高，转化为气态有机工质，其后有机工质进入膨胀机2中带动发电机11做功，经发电机11将机械能转化为电能后输出，做功后的有机工质的温度压力下降，经第九截止阀139和单向阀12进入第三换热器4；另一路流经第十五截止阀1315和膨胀阀9转换为低温有机工质，流经第十四截止阀1314进入第二换热器8，此时第二风机10开启，室内空气经第五截止阀135进入第二换热器8，经第三截止阀133排至室内，换热后室内温度降低，有机工质温度升高，有机工质经压缩机3后温度压力升高，在第三换热器4中放热变成液态，进入有机工质储液罐5，工质泵6继续将液态工质输出，形成双循环模式。制冷模式为有机朗肯循环和制冷双循环过程，两者共用第三换热器4，但彼此独立循环工作，有机工质在朗肯循环中生产的电能可直接供给汽车用电设备，制冷循环过程中，工质在第二换热器8吸热为汽车室内供冷，即系统实现了发电同时进行供冷。

参阅图3，汽车室内温度偏低需要制热时，本系统开启制热模式，当本系统的工作状态为制热模式时，开启第三截止阀133、第五截止阀135、第七截止阀137、第十截止阀1310、第十二截止阀1312和第十三截止阀1313，关闭第四截止阀134、第六截止阀136、第八截止阀138、第九截止阀139、第十一截止阀1311、第十四截止阀1314和第十五截止阀1315，工质泵6将液态有机工质输送到第一换热器1，液态有机工质在第一换热器内吸收汽车尾气热量后，其温度压力升高，转化为气态有机工质，其后有机工质进入膨胀机2中带动发电机11做功，经发电机11将机械能转化为电能后输出，气态有机工质做完功，从膨胀机2中排出，流经第十截止阀1310进入第二换热器8，此时第二风机10开启，室内空气经第五截止阀135进入第二换热器8，经第三截止阀133排至室内，换热后的有机工质温度下降，室内空气温度升高；其后有机工质流经第十三截止阀1313、第十二截止阀1312和第七截止阀137进入第三换热器4，开始二次放热，放完热变成液体排入工质储液罐5，工质泵6继续将液态工质输送到第一换热器1，形成制热回路；当系统工作状态为制热模式时，有机工质进入膨胀机2带动发电机11发电，生产的电能可直接供给汽车用电设备，有机工质再第二换热器8出放热，产生的热空气可为汽车室内供暖，即系统实现了发电同时进行供热。

参阅图4，当汽车室内温度适宜，既不需要制冷也不需要制热时，本系统的工作状态为正常模式，即非制冷制热模式，开启第四截止阀134、第六截止阀136、第七截止阀137、第十截止阀1310、第十二截止阀1312和第十三截止阀1313，关闭第三截止阀133、第五截止阀135、第八截止阀138、第九截止阀139、第十一截止阀1311、第十四截止阀1314和第十五截止阀1315，工质泵6将液态有机工质输送到第一换热器1，液态有机工质在第一换热器内吸收汽车尾气热量后，其温度压力升高，转化为气态有机工质，其后有机工质进入膨胀机2中带动发电机11做功，经发电机11将机械能转化为电能后输出，气态有机工质做完功，从膨胀机2中排出，流经第十截止阀1310进入第二换热器8，此时第二风机10开启，室外空气经第六截止阀136进入第二换热器8，经第三截止阀134排至室外，换热后有机工质温度下降；其后有机工质流经第十三截止阀1313、第十二截止阀1312和第七截止阀137进入第三换热器4，开始二次放热，放完热变成液体排入工质储液罐5，工质泵6继续将液态工质输送到第一换热器1，形成双冷凝模式；正常工作模式状态下的系统结构与制热模式状态下的系统结构相同，区别在于正常工作模式状态下是将在第二换热器8处产生的热空气排到汽车室外，整个过程为双重冷凝有机朗肯循环，发电效率更高，而制热模式状态下是将在第二换热器8处产生的热空气排到汽车室内，以提高室内温度。

第一截止阀131至第十五截止阀1315以及单向阀12，均可以用来调控管道工质流量大小，可以满足在工况变化时，使管道工质流量处于适当值，保证系统发电效率最高，制冷制热效果最好；本发明的一种汽车尾气余热综合利用系统，是有机朗肯循环系统与空调制冷制热系统的有效结合，替代了汽车原有的空调系统，发电且能制冷制热，既节约了空间，又可以充分发挥汽车尾气的余热能量。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种汽车尾气余热利用的综合系统，其特征在于，由有机朗肯循环系统和多功能换热系统组成，所述有机朗肯循环系统包括第一换热器（1）、膨胀机（2）、第三换热器（4）、有机工质储液罐（5）、工质泵（6）、第一风机（7）、发电机（11）和单向阀（12），所述多功能换热系统包括压缩机（3）、第二换热器（8）、膨胀阀（9）和第二风机（10），所述有机朗肯循环系统和多功能换热系统通过阀组进行串联或并联；

所述第一换热器（1）的高温管道为汽车尾气回路，低温管道为有机工质回路，所述第二换热器（8）的高温管道为有机工质回路，低温管道为空气回路，所述第三换热器（4）的高温管道为有机工质回路，低温管道为空气回路；所述工质泵（6）的进口管路与有机工质储液罐（5）的出口管路连通，工质泵（6）的出口设有2个出口管路，一个出口管路与第一换热器（1）的低温管道的进口管路连通，另一个出口管路上设有第十五截止阀（1315）；所述第一换热器（1）的高温管道的进口管路和出口管路均与汽车尾气管道连通；所述膨胀机（2）的进口管路与第一换热器（1）的低温管道的出口管路连通，膨胀机（2）的出口设有2个出口管路，2个出口管路上分别设有第九截止阀（139）和第十截止阀（1310），膨胀机（2）上连接有发电机（11）；所述单向阀（12）的进口端与第九截止阀（139）的出口端连通，单向阀（12）的出口端与压缩机（3）的出口端、第七截止阀（137）的出口端和第三换热器（4）的高温管道的进口管路连通；所述第三换热器（4）的高温管道的进口端设有3个进口管路，3个进口管路分别与压缩机（3）的出口端、第七截止阀（137）的出口端和单向阀（12）的出口端连通，第三换热器（4）的高温管道的出口端与有机工质储液罐（5）的进口端连通，第三换热器（4）的低温管道的进口管路上连接有第一风机（7），第一风机（7）与室外连通；

所述压缩机（3）依靠发电机的电能驱动，压缩机（3）与第八截止阀（138）串联并与第七截止阀（137）并联；所述第二换热器（8）的高温管道的进口端有2个进口管路，2个进口管路上分别设有第十截止阀（1310）和第十一截止阀（1311），第二换热器（8）的高温管道的出口端设有2个出口管路，2个出口管路上分别设有第十三截止阀（1313）和第十四截止阀（1314），第二换热器（8）的低温管道的进口端上连接有第二风机（10）；所述膨胀阀（9）与第十四截止阀（1314）串联并与第十三截止阀（1313）并联；第十二截止阀（1312）的一端与第七截止阀（137）和第八截止阀（138）连通，另一端与第十五截止阀（1315）、第十三截止阀（1313）和膨胀阀（9）连通；

所述第一换热器（1）的高温管道的进口管路上设有第一截止阀（131），第一换热器（1）的高温管道的出口管路上设有第二截止阀（132）；

所述第二换热器（8）的低温管道的出风口处设有2根出风管道，2根出风管道上分别设有第三截止阀（133）和第四截止阀（134），所述第二风机（10）的进风口处设有2根进风管道，2根进风管道上分别设有第五截止阀（135）和第六截止阀（136）；所述第三截止阀（133）和第五截止阀（135）与室内连通，所述第四截止阀（134）和第六截止阀（136）与室外连通。

2.根据权利要求1所述的一种汽车尾气余热利用的综合系统，其特征在于，所述有机工质为三氟二氯乙烷或四氟一氯乙烷。

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