CN203655395U - 一种低温型有机朗肯循环汽车余热发电设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种低温型有机朗肯循环汽车余热发电设备，包括依次连接成环的储液箱（1）、工质泵（2）、一组并联设置的余热回收装置（3）、热功动力转换机械（4）、散热冷凝器（5）；所述余热回收装置（3）包括串联的蒸发器（6）、储气包（7）和调压阀（8）。该设备结构简单、成本低廉，不仅可回收利用发动机排往空气中的350℃左右的中温尾气余热，而且可以回收发动机冷却液中的80-90℃的排往空气中的低品位热量，大大提高了汽车燃油使用效率。
Description
技术领域
本实用新型属于余热发电装置领域，特别涉及一种低温型有机朗肯循环汽车余热发电设备。
背景技术
随着人们生活水平的提高，汽车的销售量及保有量越来越大，目前我国汽车销售量已经达到了每年1900万辆，民用汽车保有量已经达到了11000万辆。汽车能源消耗在总能源消耗中所占的比例越来越高，汽车节能问题越来越受到关注，节能已经成为当今世界汽车工业发展的主题之一。
汽车消耗的能源主要是石油燃料，而我国是一个石油存储量相对欠缺的国家，目前己成为世界第二大石油进口国。近年全国各地的雾霾天气越来越严重，机动车污染被认为是造成灰霾、光化学烟雾污染的重要原因。汽车燃料燃烧所释放的能量，只有三分之一左右的热量被转化为机械能用来驱动汽车，其余的大部分的能量都被散失或排放到大气中，造成了能源极大浪费，也带来了不良空气及环境的严重影响。因此提高汽车的能源使用效率，有效的回收利用汽车的排热，是实现汽车节能，降低汽车能源消耗的有效途径。随着我国汽车工业的迅速发展，提高汽车燃料有效利用率和减少环境污染在我国具有更重要的意义。
从目前汽车所用发动机的热平衡来看，用于动力输出的功率一般只占燃油燃烧总热量的30%-45%（柴油机）或20%-30%（汽油机）。以余热形式排出车外的能量占燃烧总能量的55%-70%（柴油机）或80%-70%（汽油机），主要包括循环冷却液带走的热量和尾气带走的热量，见表1。
表1为内燃机的热平衡表
从表中可以看出汽车发动机废气带走的热量及发动机通过冷却液带走的热量都有较大利用空间，如何将其有效利用，对于提高发动机的效率，起到决定性的作用。目前，以余热形式排出车外的能量占汽油燃烧总能量的70%（汽油机），主要有两大部分组成，一部分来自行驶过程中发动机通过排气管排放的废气热量，属于中温余热（350-400℃，40%）；另一部分来自行驶过程中汽车发动机通过冷却液在发动机散热器处散去的热量，属于低温余热（80-90℃，30%）。由于汽车发动机余热的品位较低，特别是汽车发动机冷却液带走的热量，回收较困难，有待进一步的商业开发及利用。
电动汽车有可能克服燃油发动机汽车存在的种种弊病，但是目前的电池技术及成本问题阻碍了电动汽车的应用。由于电池的能量密度与汽油相比差上百倍，远未达到人们所要求的数值，现实迫使工程师们想出了一个两全其美的办法，开发了一种油电混合动力（Hybrid-Electric Vehicel，缩写HEV）汽车，即燃料动力和电能的混合汽车。混合动力汽车是由电动马达作为发动机的辅助动力来来驱动汽车，燃油经济性能较高，而且行驶性能优越，就是与同样大小的汽车相比，燃油费用也较低，目前在纯电动汽车还不够成熟的情况下，已开始批量生产混合动力汽车。混合动力车和纯电动车相比，多了另一种电动马达动力来源和自发电设备，边行驶边充电，即使电池电力用尽，仍可提供能量行驶并生电，无需设立充电站。混合动力车的蓄电池可靠数种方法来自行充电，可以靠自发电设备，因此只需要普通的加油站即可解决充电的问题。但是，由于混合动力汽车的蓄电池仍然要用汽车发动机来带动自发电设备来充电，还是要使用发动机动力及燃油，不能利用占汽油燃烧总能量的70%的低温余热，所以并不能真正的的实现节约燃油的效果。混合动力车在高速行驶较绝大多数大小相近的传统车辆省油，然而现有的混合动力汽车仍然存在着运行效率低，经济性能差等缺点。
此外，随着生活条件的提高，越来越多的汽车以及其他内燃机应用于生活、生产之中，会产生大量的热量，不仅加剧了温室效应，而且造成了其使用燃料的很大部分转化为热能白白的散发在空气中，燃料利用率不高，浪费严重。
实用新型内容
实用新型目的：本实用新型的目的是提供一种低温型有机朗肯循环汽车余热发电设备，该设备能够利用占汽油燃烧总能量的70%的低温余热资源进行发电，用于混合动力汽车的的蓄电池的充电，以减少燃油的消耗。
技术方案：本实用新型提供了一种低温型有机朗肯循环汽车余热发电设备，包括依次连接成环的储液箱、工质泵、一组并联设置的余热回收装置、热功动力转换机械、散热冷凝器；所述余热回收装置包括串联的蒸发器、储气包和调压阀。
作为优选，所述余热回收装置的数量为2个以上，优选2-3个，更优选2个。
作为另一种优选，还包括发电机，所述发电机与热功动力转换机械连接。
作为另一种优选，所述蒸发器的蒸发温度为60℃-80℃。
作为另一种优选，所述低温型有机朗肯循环发电装置采用临界温度100℃以下、沸点在-40℃以下的单一或混合工质作为循环工质。
作为进一步优选，所述工质为二氧化碳，或丙烷和二氧化碳的混合物。
作为另一种优选，所述的热功动力转换机械为汽轮机或膨胀机。
作为进一步优选，所述膨胀机为涡旋式膨胀机、螺杆式膨胀机、离心式膨胀机或活塞式膨胀机。使用低温型低沸点工质的膨胀机，体积小，机体坚固，适合安装在汽车上并且实现节能减排的功效。
有益效果：本实用新型提供的低温型有机朗肯循环汽车余热发电设备结构简单、成本低廉，不仅可回收利用发动机排往空气中的350℃左右的中温尾气余热，而且可以回收发动机冷却液中的80-90℃的排往空气中的低品位热量，大大提高了汽车燃油使用效率。
本实用新型设备尤其适用于油电混合动力的汽车，将发动机排气的废热及冷却汽车发动机产生的热能通过该装置转化为电能，从而一直向汽车蓄电池充电储能，使汽车热效率提高10%以上，燃油量减少30%以上，大大节省了燃料的消耗，使得油电混合动力汽车更加的节省燃料，运行效率高，经济性能好。
附图说明
图1为本实用新型低温型有机朗肯循环汽车余热发电设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进一步说明，但本实用新型的内容并不限于此。
低温型有机朗肯循环汽车余热发电设备，包括发电机9以及依次连接成环的储液箱1、工质泵2、一组并联设置的余热回收装置3、热功动力转换机械4、散热冷凝器5；余热回收装置3包括串联的蒸发器6、储气包7和调压阀8；发电机9与热功动力转换机械4连接。
余热回收装置3换热器的数量可根据可以使用的热源数量设置相应的数量，优选地其数量为2个；由于汽车中最适宜使用的热源主要有两个，其一是发动机尾气中的350℃左右的中温余热，其二是发动机冷却液中的80-90℃的低品位热量，因此从经济性出发，本实用新型中设置两个并联设置的余热回收装置，用以回收这两部分热源。
本实用新型中，蒸发器6的蒸发温度通过工质的选择和设计控制在60℃-80℃之间的低温区域。
本实用新型中，热功动力转换机械4为汽轮机；可选地，也可以选择任意合适的热功动力转换机械；优选地，可选用汽轮机或膨胀机，其中，膨胀机包括但不限于涡旋式膨胀机、螺杆式膨胀机、离心式膨胀机和活塞式膨胀机。
该装置的工作原理为：
以发动机1排放的尾气及汽车发动机冷却介质作为加热热源，因此将两个余热回收装置3中的蒸发器6分别设置于排气管以及冷却介质中。工质泵2将储液箱1中的工作介质泵入余热回收装置3的蒸发器6中，在蒸发器6中吸收来自发动机11的尾气以及冷却介质的热量后气化，经过储气包7、调压阀8后推动热功动力转换机械4，并带动发电机9发电用于混合动力汽车蓄电池充电；作功后的有机工质乏气通过散热冷凝器5冷凝，把散热冷凝器5布置在汽车最前端迎风的位置，和快速吹来的较低温度的空气进行热交换达到降温，经冷却后变为液体送入储液箱1中，完成一次循环。
将上述低温型有机朗肯循环汽车余热发电设备用于不同条件下发电。
应用实例一，蒸发器6的蒸发温度均为100℃，冷凝器5的冷凝温度为30℃，采用丙烷作为循环工质，结果见表1。
表1低温型有机朗肯循环汽车余热发电的效果比较
余热回收率的定义：余热可用于发电的部分的比率。
由上表可知：
（1）热源温度需要达100℃以上，才可利用本设备发电。
（2）回收90℃汽车发动机冷却余热，本实例不能利用这样的热源。
（3）回收350℃的汽车尾气余热，采用本实用新型设备，余热回收率达78％，效率15%。
应用实例二，蒸发器6的蒸发温度均为80℃，冷凝器5冷凝温度为10℃，采用丙烷和二氧化碳的混合物作为循环工质，结果见表2。
表2低温型有机朗肯循环汽车余热发电的效果比较
由上表可知：
（1）热源温度只要达80℃以上，即可利用本设备发电。
（2）回收90℃汽车发动机冷却余热，采用本实例，余热回收率达100％，效率15%。
（3）回收350℃的汽车尾气余热，采用本实例，余热回收率达84％，效率15%。
应用实例三，蒸发器6的蒸发温度均为70℃，冷凝器5的冷凝温度为0℃，采用二氧化碳作为循环工质，适合于北方的寒冷的地区。结果见表3。
表3低温型有机朗肯循环汽车余热发电的效果比较
由上表可知：
（1）热源温度只要达70℃以上，即可利用本设备发电。
（2）回收90℃汽车发动机冷却余热，采用本实例，余热回收率达100％，效率15%。
（3）回收350℃的汽车尾气余热，采用本实例，余热回收率达87％，效率15%。
应用实例四，蒸发器6的蒸发温度均为60℃，冷凝器5的冷凝温度为0℃，采用二氧化碳作为循环工质，适合于北方的寒冷的地区。结果见表4。
表4低温型有机朗肯循环汽车余热发电的效果比较
由上表可知：
（1）热源温度只要达60℃以上，即可利用本设备发电。
（2）回收90℃汽车发动机冷却余热，采用本实例，余热回收率达100％，效率12%。
（3）回收350℃的汽车尾气余热，采用本实例，余热回收率达90％，效率12%。
以上公开的仅为本实用新型的具体实施例，除此之外的温度范围，可根据余热的温度的高低对工质进行设计，调整各组分的比例，以达到最高的热功转换效率及热回收率。实例中采用工质的比较及建议适用的余热温度如表5。
表5低温型有机朗肯循工质的特性
以上公开的仅为本实用新型的具体实施例，但是本实用新型并非局限于此，除此之外，本实用新型还可以其他方式实现，在不脱离本实用新型实用新型构思及实用新型精神的前提下，任何显而易见的更改及替换均在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种低温型有机朗肯循环汽车余热发电设备，其特征在于：包括依次连接成环的储液箱（1）、工质泵（2）、一组并联设置的余热回收装置（3）、热功动力转换机械（4）、散热冷凝器（5）；所述余热回收装置（3）包括串联的蒸发器（6）、储气包（7）和调压阀（8）。
2.根据权利要求1所述的一种低温型有机朗肯循环汽车余热发电设备，其特征在于：所述余热回收装置（3）的换热器的数量为2个。
3.根据权利要求1所述的一种低温型有机朗肯循环汽车余热发电设备，其特征在于：还包括发电机（9），所述发电机（9）与热功动力转换机械（4）连接。
4.根据权利要求1所述的一种低温型有机朗肯循环汽车余热发电设备，其特征在于：所述蒸发器（6）的蒸发温度为60℃-80℃。
5.根据权利要求1所述的一种低温型有机朗肯循环汽车余热发电设备，其特征在于：所述低温型有机朗肯循环发电装置（2）采用临界温度100℃以下、沸点在-40℃以下的单一或混合工质作为循环工质。
6.根据权利要求5所述的一种低温型有机朗肯循环汽车余热发电设备，其特征在于：所述工质为二氧化碳，或丙烷和二氧化碳的混合物。
7.根据权利要求1所述的一种低温型有机朗肯循环汽车余热发电设备，其特征在于：所述的热功动力转换机械（4）为汽轮机或膨胀机。
8.根据权利要求7所述的一种低温型有机朗肯循环汽车余热发电设备，其特征在于：所述膨胀机为涡旋式膨胀机、螺杆式膨胀机、离心式膨胀机或活塞式膨胀机。
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