CN115448399A - 一种基于发动机余热利用的制冷制纯水系统及其工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于发动机余热利用的制冷制纯水系统及其工艺，与发动机连接，该系统配以吸收式制冷装置和闪蒸装置，对发动机产生的余热进行多项利用，将冷却液和尾气的余热转化为冷量，取缔传统的基于发动机的压缩式制冷系统，同时余热又作为热源将含杂质的水制成纯水。本发明一方面提高了能源利用率、降低碳排放，另一方面在汽车长途旅游、货车长途跋涉、船舶远洋航行等纯水资源缺乏的情形下也具有十分重要的意义。
Description
技术领域
本发明属于余热利用技术领域，具体涉及一种基于发动机余热利用的制冷制纯水系统及其工艺。
背景技术
目前车用船用等发动机热效率普遍较低，实际使用过程中有相当大一部分的热能都损失掉了，为进一步提高发动机的热利用率，可以采取措施将发动机的余热利用起来。
以汽车发动机为例，汽车上的暖风系统直接利用发动机冷却液的热量，而制冷系统则采用发动机直接带动制冷压缩机的模式，制冷压缩机所用功率占发动机输出功率的15％左右，相较暖风系统而言，制冷系统需要额外的能量输入，增加了汽车油耗，并且在一定程度上降低了汽车发动机的有效输出功率，在爬坡、超车等汽车需要强劲动力的场合会造成一定的影响。
由于技术条件的限制，目前汽车发动机中燃料燃烧的热量只有约三分之一被有效利用，剩余的热量通过发动机冷却系统和高温尾气排放而损失，其各占燃料燃烧热量的约三分之一，由此可见，汽车发动机的能源浪费率是极高的。汽车发动机冷却液的温度在冬季可达90℃以上，夏季可高达120℃，尾气温度高达600-700℃，可见汽车发动机余热能源的品位较高，具有很好的利用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于发动机余热利用的制冷制纯水系统及其工艺，该系统能够将发动机产生的余热利用起来，配以吸收式制冷装置、闪蒸装置，将余热转化为冷量，取缔传统的利用发动机直接带动压缩机的制冷模式，并将海水、河水和湖泊水等易取且不易直接饮用的含杂质水制为纯水，从而起到节约能源、降低碳排量、制取纯水的目的。
一种基于发动机余热利用的制冷制纯水系统，与发动机连接，包括制冷系统和制纯水系统，发动机的冷却液管分别连接制冷系统和制纯水系统，提供热量，发动机的尾气管分别连接制冷系统和制纯水系统，制纯水系统包括残留水箱、板式换热器、一级闪蒸器、二级闪蒸器和冷凝水箱，板式换热器与发动机的冷却液进出管循环连接，残留水箱的出水口与板式换热器的冷介质进口连接，冷介质出口依次连接一级闪蒸器和二级闪蒸器，二级闪蒸器的出水口连接残留水箱构成循环回路，一级闪蒸器和二级闪蒸器的顶部蒸汽出口连接冷凝水箱，发动机的尾气管的一管路依次连接一级闪蒸器和二级闪蒸器，为其提供热量，制冷系统与冷凝水箱连接，用于冷凝蒸汽。
进一步地，制冷系统包括低压热量转化装置、高压热量转化装置、冷凝器、节流阀和蒸发器，发动机的冷却液进出管与低压热量转化装置循环连接，为其提供热量，低压热量转化装置的出口连接高压热量转化装置，发动机的尾气管的另一管路连接高压热量转化装置，为其提供热量，高压热量转化装置的出口依次连接冷凝器、节流阀和蒸发器，蒸发器的出口管路连接低压热量转化装置构成循环管路，节流阀与蒸发器连接的管路上设有支路，支路与蒸发器的出口管路汇合连接，同时支路设于冷凝水箱内，用于冷凝蒸汽。
进一步地，低压热量转化装置包括低压吸收器、低压发生器和低压循环泵，发动机的冷却液进出管与低压发生器循环连接，为其提供热量，低压发生器的出液口连接低压吸收器，低压吸收器的出液口通过低压循环泵与低压发生器循环连接，低压发生器的顶部蒸汽出口连接高压热量转化装置，蒸发器的出口管路连接低压吸收器。
进一步地，高压热量转化装置包括高压吸收器、高压发生器和高压循环泵，低压发生器的顶部蒸汽出口连接高压吸收器，高压吸收器的出液口通过高压循环泵与高压发生器连接，高压发生器的出液口连接高压吸收器，发动机的尾气管与高压发生器连接，为其提供热量，高压吸收器侧边另设有一管路连接低压吸收器与蒸发器之间的管路。
进一步地，残留水箱连接补水箱。
进一步地，冷凝水箱连接有真空泵，且冷凝水箱上设有泄压阀。
进一步地，冷凝器和蒸汽器的侧边设有风扇和电机。
一种采用上述系统对发动机余热利用的工艺，包括如下步骤：
1)低压吸收器中的溴化锂溶液吸收来自蒸发器中的蒸汽，将溴化锂溶液稀释，稀释后的溶液通过低压循环泵输送到低压发生器中，冷却液对低压发生器内的溶液进行加热，使得沸点较低的水蒸汽被蒸出至高压吸收器内，水蒸汽将高压吸收器内的溴化锂溶液稀释，通过高压循环泵输送至高压发生器中，被发动机的尾气加热产生水蒸汽，水蒸汽进入冷凝器冷凝为液态水，通过节流阀实现降温降压，在蒸发器中蒸发吸热进入下一循环；
2)残留水箱中的杂质水通过板式换热器与来自发动机的冷却液换热升温，升温后的杂质水进入一级闪蒸器和二级闪蒸器中，尾气热量对杂质水进行加热，水蒸汽蒸出至冷凝水箱中，节流阀的支路冷凝水对冷凝水箱中的水蒸汽进行冷凝。
进一步地，冷凝水箱的最大制纯水量M3满足以下公式：
式中：C1表示杂质水的比热容，KJ/kg·K；M1表示杂质水流量，kg/s；Δtl1表示杂质水流经一级闪蒸器(16)和二级闪蒸器(17)后的温差，K；C2表示尾气比热容，KJ/kg·K；M2表示汽车尾气流量，kg/s；Xg1表示汽车尾气分给闪蒸系统的流量占比；Δtg1表示尾气流经一级闪蒸器(16)和二级闪蒸器(17)后的温差，K；r表示水的汽化潜热，kJ/kg，M3表示最大制纯水量，kg/s。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
1)将发动机运行过程中产生的余热作为热源，应用吸收式制冷以热制冷的原理，将发动机的部分余热转化为冷量，并结合闪蒸制纯水的原理，在制冷的同时又将易取且不易直接饮用的含杂质水制为纯水，一方面极大提高了能源利用率，另一方面在汽车长途旅游、货车长途跋涉、船舶远洋航行等纯水资源缺乏的情形下也具有十分重要的意义；
2)使用发动机余热的吸收式制冷装置不需要制冷压缩机，和传统的发动机带动压缩机制冷模式相比，进一步提高了发动机的有效输出功率，保证了在特殊场合发动机的强劲动力。
3)发动机冷却液温度过高会造成点火延迟、发动机过热等现象，使得发动机效率变低，而本发明装置在原有发动机冷却系统基础上另开旁路，对发动机冷却液的余热进行再回收利用，从而可进一步降低发动机冷却液的温度，以保证发动机有正常的工作温度。
附图说明
图1为本发明的示意图。
图中：1、低压吸收器；2、低压发生器；3、低压循环泵；4、高压吸收器；5、高压发生器；6、高压循环泵；7、冷凝器；8、节流阀；9、蒸发器；10、风扇；11、电机；12、发动机；13、补水箱；14、残留水箱；15、板式换热器；16、一级闪蒸器；17、二级闪蒸器；18、冷凝水箱；19、真空泵。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明做进一步地说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
如图1所示，一种基于发动机余热利用的制冷制纯水系统，包括低压吸收器1、低压发生器2、低压循环泵3、高压吸收器4、高压发生器5、高压循环泵6、冷凝器7、节流阀8、蒸发器9、风扇10、电机11、发动机12、补水箱13、残留水箱14、板式换热器15、一级闪蒸器16、二级闪蒸器17、冷凝水箱18和真空泵19，发动机12的冷却液进出管通过一循环支路与低压发生器2连接，为其提供热量，低压发生器2的底部出液口连接低压吸收器1，低压吸收器1通过低压循环泵3实现与低压发生器2的循环连接，低压发生器2通过管路与高压吸收器4连接，高压发生器5的底部出液口连接高压吸收器4，高压吸收器4通过高压循环泵6实现与高压发生器5的循环连接，发动机12的尾气管分成两管路，一管路延伸入高压发生器5中，为其提供热量，高压发生器5依次连接冷凝器7、节流阀8和蒸发器9，蒸发器9的蒸汽出口通过管路与低压吸收器1连接，高压吸收器4的侧边还设有一管路，该管路与蒸发器9的蒸汽出口管路汇合连接，发动机12的冷却液进出管通过另一循环支路与板式换热器15循环连接，残留水箱14的出水口与板式换热器15的冷介质进口连接，冷介质出口依次连接一级闪蒸器16和二级闪蒸器17，二级闪蒸器17的出水口连接残留水箱14构成循环回路，一级闪蒸器16和二级闪蒸器17的顶部蒸汽出口连接冷凝水箱18，发动机12的尾气管的另一管路依次连接一级闪蒸器16和二级闪蒸器17，为其提供热量，节流阀8与蒸发器9连接的管路上设有支路，支路与蒸发器9的出口管路汇合连接，同时支路设于冷凝水箱18内，用于冷凝蒸汽制备纯水，残留水箱14连接补水箱13，冷凝水箱18连接有真空泵19，且冷凝水箱18利用的制冷制纯水系统，冷凝器7和蒸汽器9的侧边设有风扇10和电机11。
实施例1
1)以水作为制冷剂，溴化锂为吸收剂，将低压吸收器1抽真空至0.002MPa，低压发生器2抽真空至0.02MPa，此压力下对应的水蒸汽饱和温度为60℃，将高压吸收器4抽真空至0.02MPa，高压发生器5抽真空至0.04MPa，此压力下对应的水蒸汽饱和温度为80℃，蒸发器9出来的蒸汽温度为7℃，低压吸收器1中的溴化锂溶液吸收来自蒸发器9中的蒸汽，将溴化锂溶液稀释，稀释后的溶液通过低压循环泵3输送到低压发生器2中，流量为0.25kg/s的冷却液(120℃)对低压发生器2内的溶液进行加热，使得沸点较低的水蒸汽被蒸出至高压吸收器4内，水蒸汽将高压吸收器4内的溴化锂溶液稀释，通过高压循环泵6输送至高压发生器5中，被发动机12的尾气(700℃)加热产生水蒸汽(80℃，0.04MPa)，水蒸汽进入冷凝器7冷凝为液态水(≤80℃，0.04MPa)，通过节流阀8实现降温降压(7℃，0.001MPa)，在蒸发器9中蒸发吸热进入下一循环；
2)残留水箱14中的杂质水(20℃)以0.00556kg/s的流量通过板式换热器15与来自发动机12的冷却液换热升温至118℃，升温后的杂质水进入一级闪蒸器16和二级闪蒸器17中，一级闪蒸器16和二级闪蒸器17的压力为0.02MPa，尾气热量对杂质水进行加热，发动机尾气的温度为700℃，流经一级闪蒸器16和二级闪蒸器17后的废气温度为60℃，即发动机尾气流经一级闪蒸器16和二级闪蒸器17后的总温降△tg1为640℃，二级闪蒸器17的出液口的出口温度为60℃，杂质水的总温降△tl1为58℃，水蒸汽蒸出至冷凝水箱18中，节流阀8的支路冷凝水对冷凝水箱18中的水蒸汽进行冷凝，冷凝水箱18抽真空至0.02MPa。
在常规发动机冷却系统中，冷却液流经板式换热器15后温度可降低10-15℃左右，故在本发明中取冷却液在板式换热器15和低压发生器2中的温降均为△tl＝15℃。制冷装置中高压发生器5内设计的真空度为0.04MPa，对应的制冷剂水的沸点为80℃，故取发动机12尾气在高压发生器5中出口的温度为100℃，即发动机12尾气在高压发生器5内的温降△tg2为600℃。
查阅相关资料可得，–45℃乙二醇冷却液的比热容C0约为3.084KJ/kg·K，含杂质水的比热容C1约为4.2KJ/kg·K，汽车发动机尾气的比热容C2约为1.088KJ/kg·K，60℃时水的汽化潜热r为2365.8KJ/kg，普通汽车匀速平直路面行驶条件80km/h对应油耗约为5.8L/km＝4.46L/h，汽油密度：0.7kg/L，汽油充分燃烧时，汽油与空气的质量比为：1:15.3，即汽油与尾气的质量比为1:16.3，所以汽车尾气质量流量为：M2＝4.46×0.7×16.3÷3600＝0.014136kg/s。在本发明中，使用控制流量的方式对冷却液和汽车尾气的余热进行分配，设冷却液分给制纯水系统的流量占比为Xl1，分给制冷系统的流量占比为Xl2，有Xl1+Xl2＝1，汽车尾气分给制纯水系统的流量占比为Xg1，分给制冷系统的流量占比为Xg2，有Xg1+Xg2＝1。在最大制水量时，冷却液供给制纯水系统的热量应等于含杂质水在板式换热器15中的吸热量；一级闪蒸器16和二级闪蒸器17产生的水蒸气在冷凝水箱18中冷凝所需的冷量应等于制冷系统可提供的冷量。
板式换热器15中有能量方程式(忽略传热损失)：
C0Xl1M0△tl＝C1M1△t
一级闪蒸器16和二级闪蒸器17给闪蒸过程提供的总能量Q1为：
Q1＝C1M1△tl1+C2Xg1M2△tg1
制冷系统可提供的冷量(除去汽车空调系统所需冷量Qe，取1KW)Q2为：
Q2＝ε(C0M0Xl2△tl+C2M2Xg2△tg2)–Qe
为最大程度利用发动机12余热，应使Q1＝Q2
该系统最大产水量满足下式；
Q1＝M3r
最大制纯水量M3满足以下公式：
式中：C1表示杂质水的比热容，KJ/kg·K；M1表示杂质水流量，kg/s；Δtl1表示杂质水流经一级闪蒸器16和二级闪蒸器17后的温差，K；C2表示尾气比热容，KJ/kg·K；M2表示汽车尾气流量，kg/s；Xg1表示汽车尾气分给闪蒸系统的流量占比；Δtg1表示尾气流经一级闪蒸器16和二级闪蒸器17后的温差，K；r表示水的汽化潜热，kJ/kg，M3表示最大制纯水量，kg/s。
Claims (9)
1.一种基于发动机余热利用的制冷制纯水系统，与发动机(12)连接，其特征在于包括制冷系统和制纯水系统，发动机(12)的冷却液管分别连接制冷系统和制纯水系统，提供热量，发动机(12)的尾气管分别连接制冷系统和制纯水系统，制纯水系统包括残留水箱(14)、板式换热器(15)、一级闪蒸器(16)、二级闪蒸器(17)和冷凝水箱(18)，板式换热器(15)与发动机(12)的冷却液进出管循环连接，残留水箱(14)的出水口与板式换热器(15)的冷介质进口连接，冷介质出口依次连接一级闪蒸器(16)和二级闪蒸器(17)，二级闪蒸器(17)的出水口连接残留水箱(14)构成循环回路，一级闪蒸器(16)和二级闪蒸器(17)的顶部蒸汽出口连接冷凝水箱(18)，发动机(12)的尾气管的一管路依次连接一级闪蒸器(16)和二级闪蒸器(17)，为其提供热量，制冷系统与冷凝水箱(18)连接，用于冷凝蒸汽。
2.如权利要求1所述的一种基于发动机余热利用的制冷制纯水系统，其特征在于制冷系统包括低压热量转化装置、高压热量转化装置、冷凝器(7)、节流阀(8)和蒸发器(9)，发动机(12)的冷却液进出管与低压热量转化装置循环连接，为其提供热量，低压热量转化装置的出口连接高压热量转化装置，发动机(12)的尾气管的另一管路连接高压热量转化装置，为其提供热量，高压热量转化装置的出口依次连接冷凝器(7)、节流阀(8)和蒸发器(9)，蒸发器(9)的出口管路连接低压热量转化装置构成循环管路，节流阀(8)与蒸发器(9)连接的管路上设有支路，支路与蒸发器(9)的出口管路汇合连接，同时支路设于冷凝水箱(18)内，用于冷凝蒸汽。
3.如权利要求2所述的一种基于发动机余热利用的制冷制纯水系统，其特征在于低压热量转化装置包括低压吸收器(1)、低压发生器(2)和低压循环泵(3)，发动机(12)的冷却液进出管与低压发生器(2)循环连接，为其提供热量，低压发生器(2)的出液口连接低压吸收器(1)，低压吸收器(1)的出液口通过低压循环泵(3)与低压发生器(2)循环连接，低压发生器(2)的顶部蒸汽出口连接高压热量转化装置，蒸发器(9)的出口管路连接低压吸收器(1)。
4.如权利要求3所述的一种基于发动机余热利用的制冷制纯水系统，其特征在于高压热量转化装置包括高压吸收器(4)、高压发生器(5)和高压循环泵(6)，低压发生器(2)的顶部蒸汽出口连接高压吸收器(4)，高压吸收器(4)的出液口通过高压循环泵(6)与高压发生器(5)连接，高压发生器(5)的出液口连接高压吸收器(4)，发动机(12)的尾气管与高压发生器(5)连接，为其提供热量，高压吸收器(4)侧边另设有一管路连接低压吸收器(1)与蒸发器(9)之间的管路。
5.如权利要求1所述的一种基于发动机余热利用的制冷制纯水系统，其特征在于残留水箱(14)连接补水箱(13)。
6.如权利要求1所述的一种基于发动机余热利用的制冷制纯水系统，其特征在于冷凝水箱(18)连接有真空泵(19)，且冷凝水箱(18)上设有泄压阀。
7.如权利要求2所述的一种基于发动机余热利用的制冷制纯水系统，其特征在于冷凝器(7)和蒸汽器(9)的侧边设有风扇(10)和电机(11)。
8.一种采用如权利要求4所述的系统对发动机余热利用的工艺，其特征在于包括如下步骤：
1)低压吸收器(1)中的溴化锂溶液吸收来自蒸发器(9)中的蒸汽，将溴化锂溶液稀释，稀释后的溶液通过低压循环泵(3)输送到低压发生器(2)中，冷却液对低压发生器(2)内的溶液进行加热，使得沸点较低的水蒸汽被蒸出至高压吸收器(4)内，水蒸汽将高压吸收器(4)内的溴化锂溶液稀释，通过高压循环泵(6)输送至高压发生器(5)中，被发动机(12)的尾气加热产生水蒸汽，水蒸汽进入冷凝器(7)冷凝为液态水，通过节流阀(8)实现降温降压，在蒸发器(9)中蒸发吸热进入下一循环；
2)残留水箱(14)中的杂质水通过板式换热器(15)与来自发动机(12)的冷却液换热升温，升温后的杂质水进入一级闪蒸器(16)和二级闪蒸器(17)中，尾气热量对杂质水进行加热，水蒸汽蒸出至冷凝水箱(18)中，节流阀(8)的支路冷凝水对冷凝水箱(18)中的水蒸汽进行冷凝。
9.如权利要求9所述的工艺，其特征在于冷凝水箱(18)的最大制纯水量M3满足以下公式：
式中：C1表示杂质水的比热容，KJ/kg·K；M1表示杂质水流量，kg/s；Δtl1表示杂质水流经一级闪蒸器(16)和二级闪蒸器(17)后的温差，K；C2表示尾气比热容，KJ/kg·K；M2表示汽车尾气流量，kg/s；Xg1表示汽车尾气分给闪蒸系统的流量占比；Δtg1表示尾气流经一级闪蒸器(16)和二级闪蒸器(17)后的温差，K；r表示水的汽化潜热，kJ/kg，M3表示最大制纯水量，kg/s。
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