《新型车辆动力、冷/热供能系统及其工作方法.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《新型车辆动力、冷/热供能系统及其工作方法.pdf（10页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、10申请公布号CN104141552A43申请公布日20141112CN104141552A21申请号201410313628722申请日20140703F02G5/04200601F01K25/10200601B60H1/02200601B60H1/3220060171申请人南京航空航天大学地址210016江苏省南京市秦淮区御道街29号72发明人岳晨韩东蒲文灏何纬锋黄莺74专利代理机构江苏圣典律师事务所32237代理人贺翔54发明名称新型车辆动力、冷/热供能系统及其工作方法57摘要一种新型车辆动力、冷/热供能系统及其工作方法，属于能源与动力领域。其特征在于打开第1球阀（28）、第4球阀（31。
2、）和第1节流阀（22），并关闭第2球阀（29）、第3球阀（30）和第5球阀（33），可启动制冷工作模式，切换以上开关可启动非制冷工作模式；在原有车辆发动机基础上仅增加一个运动部件透平（12），安全可靠性高；通过采用非共沸混合工质（10）梯级回收车辆发动机（3）各类废热，并将其转化为动力、冷量/热量，适合现有车辆供能系统节能减排改造。51INTCL权利要求书3页说明书5页附图1页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书3页说明书5页附图1页10申请公布号CN104141552ACN104141552A1/3页21一种新型车辆动力、冷/热供能系统，其特征在于该系统包括发动机（3）。
3、、缸套（4）、第1换热器（7）、第1循环泵（8）、第2换热器（9）、第2循环泵（11）、第1回热器（12）、第2回热器（13）、第1冷却器（14）、气液分离器（15）、透平（18）、第2冷却器（19）、吸收冷凝器（20）、第1节流阀（22）、蒸发器（24）、第3换热器（25）和第2节流阀（32）；发动机（3）包括燃料入口、空气入口和烟气出口，缸套（4）布置在发动机（3）外围；第1换热器（7）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第2换热器（9）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第3换热器（25）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第1回热器（12）包括热侧入口、热侧出口。
4、、冷侧入口和冷侧出口；第2回热器（13）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第1冷却器（14）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第2冷却器（19）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；吸收冷凝器（20）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；蒸发器（24）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；燃料（1）物流与发动机（3）燃料入口相连，环境空气（2）物流与发动机（3）空气入口相连，发动机（3）烟气出口分为两路一路通过第1球阀（28）与第3换热器（25）热侧入口相连，第3换热器（25）热侧出口与大气环境相连；另一路通过第2球阀（29）与第1换热器（7）热侧入口相连。
5、，第1换热器（7）热侧出口与第3换热器（25）热侧入口相连；缸套（4）出口与第2换热器（9）热侧入口相连，第2换热器（9）热侧出口通过第1循环泵（8）与缸套（4）入口相连；第2循环泵（11）出口与第1回热器（12）冷侧入口相连，第1回热器（12）冷侧出口与第2回热器（13）冷侧入口相连，第2回热器（13）冷侧出口与第2换热器（9）冷侧入口相连，第2换热器（9）冷侧出口与第3换热器（25）冷侧入口相连，第3换热器（25）冷侧出口与气液分离器（15）入口相连，气液分离器（15）还包括气相出口和液相出口气液分离器（15）气相出口与第1换热器（7）冷侧入口相连，第1换热器（7）冷侧出口分为两路一路依次。
6、通过第3球阀（30）、透平（18）与第1回热器（12）热侧入口相连；另一路通过第4球阀（31）与第1回热器（12）热侧入口相连，第1回热器（12）热侧出口分为两路一路通过第5球阀（33）与吸收冷凝器（20）热侧入口相连，另一路与第2冷却器（19）热侧入口相连，环境空气从第2冷却器（19）冷侧入口进入并从冷侧出口排入环境；第2冷却器（19）热侧出口通过第1节流阀（22）与蒸发器（24）冷侧入口相连，环境空气与蒸发器（24）热侧入口相连，蒸发器（24）热侧出口与冷风口（27）相连；蒸发器（24）冷侧出口与吸收冷凝器（20）热侧入口相连；环境空气与吸收冷凝器（20）冷侧入口相连，吸收冷凝器（20）冷。
7、侧出口与环境空气相连；气液分离器（15）液相出口与第2回热器（13）热侧入口相连，第2回热器（13）热侧出口与第1冷却器（14）热侧入口相连，第1冷却器（14）热侧出口通过第2节流阀（32）与吸收冷凝器（20）热侧入口相连；吸收冷凝器（20）热侧出口与第2循环泵（11）入口相连。2根据权利要求1所述的新型车辆动力、冷/热供能系统的工作方法，其特征在于燃料（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（1）同时对外排出高温烟气（6）；缸套（4）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（5）经过第1循环泵（8）送入缸套（4）对发。
8、动机（3）进权利要求书CN104141552A2/3页3行冷却后温度升高，然后进入第2换热器（9）热侧，被第2换热器（9）冷侧非共沸工质（10）冷却后再送入第1循环泵（8）开始下一轮冷却循环；该系统除了以上过程，其特征还在于包括以下两种工作模式一、制冷模式关闭第2球阀（29）、第3球阀（30）和第5球阀（33），打开第1球阀（28）、第4球阀（31）和第1节流阀（22）；低温非共沸工质（10）经过第2循环泵（11）增压后进入第1回热器（12）冷侧，被透平（18）出口乏气预热后，再进入第2回热器（13）冷侧被高温多组分溶液（17）预热，接着进入第2换热器（9）冷侧被高温冷却剂（5）加热，再经过第。
9、3换热器（25）冷侧被高温烟气（6）加热至部分蒸发，然后送入气液分离器（15）；气液分离器（15）气相出口蒸气经过第1换热器（7）冷侧后，通过第4球阀（31）进入第1回热器（12）热侧对其冷侧的液态工质释放热能被冷凝为液态，从第1回热器（12）热侧出来的液态工质然后再进入第2冷却器（19）被环境空气冷却至接近常温后，再通过第1节流阀（22）降压降温后进入蒸发器（24）冷侧，蒸发器（24）热侧的环境空气被冷却后送入冷风口（27），蒸发器（24）冷侧出口的气态工质最后进入吸收冷凝器（20）热侧；气液分离器（15）液相出口多组分溶液（17）经过第2回热器（13）热侧对其冷侧非共沸工质（10）加热后自。
10、身温度降低，然后进入第1冷却器（14）向冷侧环境空气（2）释放热量；环境空气（2）进入第1冷却器（14）冷侧吸收热量后温度升高变为热空气（21）后被直接排空；第1冷却器（14）热侧出口工质通过第2节流阀（32）降压后送入吸收冷凝器热侧（20），吸收冷凝器（20）热侧出口液态工质经过第2循环泵（11）升压后开始下一热力循环；二、非制冷工作模式关闭第1球阀（28）、第4球阀（31）和第1节流阀（22），打开第2球阀（29）、第3球阀（30）和第5球阀（33）；低温非共沸工质（10）经过第2循环泵（11）增压后进入第1回热器（12）冷侧，被透平（18）出口乏气预热后，再进入第2回热器（13）冷侧被高。
11、温多组分溶液（17）预热，接着进入第2换热器（9）冷侧被高温冷却剂（5）加热至部分蒸发，然后再进入第3换热器（25）冷侧，被第1换热器（7）热侧出来进入第3换热器（25）热侧的烟气加热，第3换热器（25）冷侧出口工质送入气液分离器（15）；气液分离器（15）气相出口多组分蒸汽（16）进入第1换热器（7）冷侧，被通过第2球阀（29）进入第1换热器（7）热侧的高温烟气加热，第1换热器（7）冷侧出口的过热蒸气然后通过第3球阀（30）进入透平（18）膨胀做功，透平（18）出口乏气进入第1回热器（12）热侧对初始非共沸工质（10）预热，释放热能后从第1回热器（12）热侧出口通过第5球阀（33）送入吸收冷。
12、凝器（20）热侧入口；气液分离器（15）液相出口多组分溶液（17）经过第2回热器（13）热侧对其冷侧非共沸工质（10）加热后自身温度降低，然后进入第1冷却器（14）向冷侧环境空气（2）释放热量；环境空气（2）进入第1冷却器（14）冷侧吸收热量后温度升高变为热空气（21）后送入暖风口（26）；第1冷却器（14）热侧出口工质通过第2节流阀（32）降压后送入吸收冷凝器（20）热侧，吸收冷凝器（20）热侧出口液态工质经过第2循环泵（11）升压后开始下一热力循环。3根据权利要求1所述的新型车辆动力、冷/热供能系统的工作方法，其特征在于所权利要求书CN104141552A3/3页4采用非共沸混合工质（10。
13、）为NH3H2O，或者R44/HCS混合工质。4根据权利要求1所述的新型车辆动力、冷/热供能系统的工作方法，其特征在于该系统中采用的非共沸混合工质（10）的临界温度高于环境温度。权利要求书CN104141552A1/5页5新型车辆动力、冷/热供能系统及其工作方法技术领域0001本发明涉及一种新型车辆动力、冷/热供能系统和工作方法，属于能源与动力领域。背景技术0002当前运输车辆能耗在我国能源消费总量中占有重要比例，当前常规内燃机车的燃料热效率仅为1/3，其余2/3主要作为废热通过烟气、冷却剂和滑油散失至环境中。此外，车辆尾气排放已成为城市空气污染的重要来源。随着节能减排要求日趋严格，通过废热回。
14、收技术提高车辆供能系统能量转化效率，并降低其单位产能污染排放已经成为了当前的研究热点。实际车辆供能系统受到季节负荷变化的影响，主要可分为制冷季和非制冷季两种工作模式制冷季主要负荷需求为机械动力和冷量；非制冷季主要负荷需求为机械动力和热量。0003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，也仅适用具有冷需求条件下的节能。而对于考虑回收冷却废热的有机朗肯循环系统方案，由于现有车辆供能系统需要采用部分冷却废热在供暖季供暖，因此，这类方案的冷却废热仅能在非。
15、供暖季全部回收。也有研究者提出利用KALINA循环梯级回收车辆各类废热，但其主要用于将废热转化为机械能。已有提出的废热回收供能系统方案较多关注各类废热的回收潜力，但较少从车辆能量供需平衡角度，考虑废热回收方案与车辆季节负荷需求的适应性。0004由此可见，考虑现有车辆供能系统结构并体现季节负荷需求特点，构建总体能效较高的新型车辆供能系统方案具有重要应用价值。发明内容0005本发明的目的在于提出一种回收车辆内燃机各类废热、同时能够满足其不同季节新型车辆动力、冷/热供能系统和工作方法。0006一种新型车辆动力、冷/热供能系统，其特征在于该系统包括发动机、缸套、第1换热器、第1循环泵、第2换热器、第3。
16、换热器、第2循环泵、第1回热器、第2回热器、第1冷却器、第2冷却器、气液分离器、透平、第1节流阀、第2节流阀、吸收冷凝器和蒸发器；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1换热器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第2换热器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第3换热器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第1回热器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第2回热器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第1冷却器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第2冷却器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；吸收冷凝器包括热侧入口、热侧出。
17、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；说明书CN104141552A2/5页6燃料物流与发动机燃料入口相连，环境空气物流与发动机空气入口相连，发动机烟气出口分为两路第1路通过第1球阀与第3换热器热侧入口相连，第3换热器热侧出口与大气环境相连；第2路通过第2球阀与第1换热器热侧入口相连，第1换热器热侧出口与第3换热器热侧入口相连，第3换热器热侧出口与大气环境相连；缸套出口与第2换热器热侧入口相连，第2换热器热侧出口与通过第1循环泵与缸套入口相连；第2循环泵出口与第1回热器冷侧入口相连，第1回热器冷侧出口与第2回热器冷侧入口相连，第2回热器冷侧出口与第2换热器冷。
18、侧入口相连，第2换热器冷侧出口与第3换热器冷侧入口相连，第3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1换热器冷侧入口相连，第1换热器冷侧出口分为两路第1路依次通过第3球阀、透平与第1回热器热侧入口相连；第2路通过第4球阀与第1回热器热侧入口相连，第1回热器热侧出口分为两路一路通过第5球阀与吸收冷凝器热侧入口相连，另一路与第2冷却器热侧入口相连，环境空气从第2冷却器冷侧入口进入并从冷侧出口排入环境。第2冷却器热侧出口通过第1节流阀与蒸发器冷侧入口相连，环境空气与蒸发器热侧入口相连，蒸发器热侧出口与冷风口相连。蒸发器冷侧出口与吸收冷凝器热侧入口相。
19、连。环境空气与吸收冷凝器冷侧入口相连，吸收冷凝器冷侧出口与环境空气相连，吸收冷凝器热侧出口与第2循环泵入口相连。0007气液分离器液相出口与第2回热器热侧入口相连，第2回热器热侧出口与第1冷却器热侧入口相连，第1冷却器出口通过第2节流阀与吸收冷凝器热侧入口相连，吸收冷凝器热侧出口与第2循环泵入口相连。0008与现有常规采用发动机提供主动力，散热器的冷却系统来供暖，以及蒸气压缩制冷循环消耗车辆动力来制冷的独立供能系统相比，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，根据车辆各季节负荷需求为其提供不同品位的动力、冷/热。且仅在原有车辆发动机基础上增加了透平这一个运动部件。
20、，安全可靠性高。0009本发明提出的新型车辆动力、冷/热供能系统，可以采用如下的运行过程燃料与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。缸套布置在发动机外围通过导热方式为发动机散热，低温冷却剂经过第1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2换热器热侧，被第2换热器冷侧非共沸工质冷却后再送入第1循环泵开始下一轮冷却循环。该系统除了以上过程，其特征还在于包括以下两种工作模式一、制冷模式关闭第2球阀、第3球阀和第5球阀，打开第1球阀、第4球阀和第1节流阀。0010低温非共沸工质经过第2循环泵增压后进入第1回热器冷侧，被透平出口乏气预热后，。
21、再进入第2回热器冷侧被高温多组分溶液预热，接着进入第2换热器冷侧被高温冷却剂加热，再经过第3换热器冷侧被烟气加热至部分蒸发，然后送入气液分离器；气液分离器液相出口多组分溶液经过第2回热器热侧对其冷侧非共沸工质加热后自身温度降低，然后进入第1冷却器向冷侧环境空气释放热量；环境空气进入第1冷却器冷侧吸收热量后温度升高变为热空气后被直接排空；第1冷却器热侧出口工质通过第2节流阀说明书CN104141552A3/5页7降压后送入吸收冷凝器热侧，吸收冷凝器热侧出口液态工质经过2循环泵升压后开始下一热力循环。0011气液分离器气相出口多组分蒸气经过第1换热器冷侧后再通过第4球阀进入第1回热器热侧对其冷侧的。
22、液态工质释放热能后被冷凝为液态，从第1回热器热侧出来的液态工质然后再进入第2冷却器被环境空气冷却至接近常温后，再通过第1节流阀降压降温后进入蒸发器冷侧，蒸发器热侧的环境空气被冷却后送入冷风口，蒸发器冷侧出口的气态工质最后进入吸收冷凝器热侧。0012二、非制冷模式关闭第1球阀、第4球阀和第1节流阀，打开第2球阀、第3球阀和第5球阀。0013低温非共沸工质经过第2循环泵增压后进入第1回热器冷侧，被透平出口乏气预热后，再进入第2回热器冷侧被高温多组分溶液预热，接着进入第2换热器冷侧被高温冷却剂加热至部分蒸发，然后再进入第3换热器冷侧，被第1换热器热侧出来进入第3换热器热侧的烟气加热，第3换热器冷侧出。
23、口工质送入气液分离器；气液分离器气相出口多组分蒸汽进入第1换热器冷侧，被通过第2球阀进入第1换热器热侧的高温烟气加热，第1换热器冷侧出口的过热蒸气然后通过第3球阀进入透平膨胀做功，透平出口乏气进入第1回热器热侧对初始非共沸工质预热，释放热能后从第1回热器热侧出口通过第5球阀送入吸收冷凝器热侧入口；气液分离器液相出口多组分溶液经过第2回热器热侧对其冷侧非共沸工质加热后自身温度降低，然后进入第1冷却器向冷侧环境空气释放热量；环境空气进入第1冷却器冷侧吸收热量后温度升高变为热空气后送入暖风口；第1冷却器热侧出口工质通过第2节流阀降压后送入吸收冷凝器热侧，吸收冷凝器热侧出口液态工质经过2循环泵升压后开。
24、始下一热力循环。0014该车辆动力、冷/热供能系统通过切换关闭和开启部分球阀，能够实现工作模式的改变。与仅用在制冷季的常规采用蒸汽压缩制冷的车辆空调相比，该系统可全年回收车辆发动机废热，设备利用率高。0015由于该车辆废热回收子系统采用了非共沸工质，第1换热器、第2换热器和第3换热器内的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；吸收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。0016上述新型车辆动力、冷/热供能系统，所采用非共沸混合工对为NH3H2O，或者R44/HCS等混合工质，与常规空调采用具有环境危害的氟利昂。
25、工质相比，以上混合工质具有较好的环境性能。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。0017上述新型车辆动力、冷/热供能系统，为了尽量降低冷凝压力，根据最小传热温差要求，需要保证吸收冷凝器内的非等温滑移特性，因此采用的非共沸混合工质的临界温度需要高于环境温度。对于采用R44/HCS的混合工质，当环境温度高于R44的临界温度时，则不能采用R44/HCS作为混合工质。0018与常规直接从第2换热器采集废热的方案相比，该车辆供能系统从第2冷却器回说明书CN104141。
26、552A4/5页8收的高品位废热用于预热高温非共沸工质溶液，而从第1冷却器采集的温度较低的废热用于供暖，由于对冷却废热进行了梯级回收，因此废热回收火用效率有所改善。0019上述新型车辆动力、冷/热供能系统，通过调整初始非共沸工质中各组分质量分数，能够进一步提高废热热功转化效率，满足车辆动力和供暖需求，可用于显著降低车辆发动机油耗。也适合以内燃机作为动力的船舶和机车的节能改造。附图说明0020图1是新型车辆动力、冷/热供能系统；图中标号名称1燃料，2环境空气，3发动机，4缸套，5冷却剂，6烟气，7第1换热器，8第1循环泵，9第2换热器，10非共沸工质，11第2循环泵，12第1回热器，13第2回热。
27、器，14第1冷却器，15气液分离器，16多组分蒸气，17多组分溶液，18透平，19第2冷却器，20吸收冷凝器，21热空气，22第1节流阀，23冷空气，24蒸发器，25第3换热器，26供暖风口，27冷风口，28第1球阀，29第2球阀，30第3球阀，31第4球阀，32第2节流阀，33第5球阀。具体实施方式0021图1是本发明提出的新型车辆动力、冷/热供能系统，下面参照图1说明该供能系统的工作过程。0022首先，燃料1与环境空气2进入发动机3气缸燃烧释放热能，部分被转化为机械能，其余热能分别被发动机烟气6和布置在发动机外围的缸套4内的冷却剂5带走。缸套4出口冷却剂5进入第2换热器9对非共沸工质10加。
28、热，然后通过第1循环泵8进入缸套4对发动机3进行循环冷却。0023烟气6通过第1换热器7热侧对冷侧多组分蒸气16加热后温度降低，并进入第3换热器25热侧对非共沸工质10进行预热后排入大气环境。0024非共沸工质10通过第2循环泵11增压后送入第1回热器12冷侧，吸收第1回热器12热侧乏气废热后，再进入第2回热器13冷侧，吸收第2回热器13热侧多组分溶液17显热后进入第2换热器9冷侧，吸收第2换热器9热侧冷却剂5显热后部分蒸发，并进入第3换热器25冷侧吸收烟气6显热后蒸发分数提高并进入气液分离器15。0025该系统根据外界负荷需求可以分为制冷工作模式和非制冷工作模式一、制冷工作模式关闭第2球阀2。
29、9、第3球阀30和第5球阀33，打开第1球阀28、第4球阀31和第1节流阀22。打开冷风口27，关闭供暖风口26，热空气21全部排空。0026气液分离器15气相出口的多组分蒸气16经过第1换热器7冷侧，通过第4球阀进入第1换热器12热侧对低温非共沸工质10进行预热后温度降低，然后再进入第2冷却器19被环境空气2冷却至接近常温后，通过第1节流阀22降压降温，第1节流阀22出口的工质进入蒸发器24冷侧对热侧环境空气进行冷却，被冷却的环境空气送入冷风口27。蒸发器24冷侧出口工质进入吸收冷凝器20热侧。0027气液分离器15液相出口的高温多组分溶液17经过第2回热器13热侧对其冷侧的工质预热后温度降。
30、低，然后进入第1冷却器14热侧，被其冷侧的环境空气冷却后经过第2说明书CN104141552A5/5页9节流阀32降压后送入吸收冷凝器20热侧。第2冷却器14冷侧出口热空气21直接排空。0028进入吸收冷凝器20热侧的非共沸工质10被其冷侧环境空气2全部冷凝后液态后，通过第2循环泵11增压后进入第1回热器12冷侧，开始下一热力循环。0029二、非制冷工作模式打开第2球阀29、第3球阀30和第5球阀33，关闭第1球阀28、第4球阀31和第1节流阀22。关闭冷风口27，关闭供暖风口26，热空气21全部排空。需要供暖时，打开供暖风口26。0030气液分离器15气相出口的多组分蒸气16通过第1换热器7。
31、冷侧被高温烟气6加热至一定过热状态后，通过第3球阀30进入透平18膨胀做功，透平18出口乏气进入第1回热器12热侧对其冷侧的非共沸工质10预热后，通过第5球阀33进入吸收冷凝器20热侧。0031气液分离器15液相出口的高温多组分溶液17经过第2回热器13热侧对其冷侧的工质预热后温度降低，然后进入第1冷却器14热侧被其冷侧的环境空气冷却后，第1冷却器14出口的热空气21直接排空，需要供暖时，将热空气21送入暖风口26。第1冷却器14热侧出口的工质经过第2节流阀32降压后送入吸收冷凝器20热侧。0032进入吸收冷凝器20热侧的非共沸工质10被其冷侧环境空气全部冷凝后液态后，通过第2循环泵11增压后进入第1回热器冷侧，开始下一热力循环。说明书CN104141552A1/1页10图1说明书附图CN104141552A10。