基于再热式有机朗肯循环技术的车用发动机热电联供系统

摘要

本发明属于余热回收技术领域，特别是涉及一种基于再热式有机朗肯循环技术的车用发动机热电联供系统。包括第一换热器、第三换热器、第一级膨胀机、发电机、冷凝器、储液罐、工质泵、供水箱和蒸汽箱，利用发动机尾气余热能量通过加热器实现冷水的汽化变成高温的水蒸汽，高温水蒸汽对开水箱内的冷水加热，为饮水器提供清洁的开水。加热循环和饮用水循环完全分开，确保了饮用水的清洁卫生。本设计不仅能够有效解决车内热水供应不足的问题，而且余热回收系统结合发动机EGR系统共用换热器部件，节约部件，有效降低采用有机朗肯循环余热回收发电系统的复杂程度。

说明书

技术领域

本发明属于余热回收技术领域，特别是涉及一种基于再热式有机朗肯循环技术的车用发动机热电联供系统。

背景技术

近年来随着能源价格的不断上涨，节能已经成为世界各国普遍关注的问题。尤其是随着我国近年来的飞速发展，人们生活水平的大幅度提高，各种汽车拥有量呈直线上升，汽车燃油量占全国燃油总消耗量的近55%。然而研究表明：内燃机转变为有用功的能量仅占燃烧室所释放能量的30%-40%；被发动机冷却水系统带走并释放到大气中的能量达到20%-25%；被尾气直接排放到大气中的能量占40%-45%，发动机实际用来做功的能量仅占燃烧室燃烧释放能量的三分之一，其中近三分之二的能量通过冷却水系统和尾气排放系统排放到周围环境中，由此可见，通过回收利用发动机余热可有效提高发动机燃油的经济性。

而且，一般的长途客车都没有方便乘客的饮水装置，其主要原因是客车本身供给开水既不经济又受到量的限制，而直接接自来水又不清洁卫生。如何解决长途客车乘客饮水困难且喝到经济卫生洁静的纯净水一直是困扰长途客车业界的难题。针对上述余热浪费问题，目前提出的朗肯循环发电系统效率仍旧较低，这主要是因为传统的发动机余热回收系统仅仅回收发动机排气余热，并未对发动冷却水系统带走的余热进行回收利用。此外，传统的朗肯循环发电系统结构复杂，体积大，安装维修不便。而发动机供热技术的应用主要为暖风系统，这对余热的利用能力十分有限，而且目前车内供水系统主要为电加热，是通过发动机做功转化为电能再转化为内能的过程，不仅降低了发动机的工作效率而且降低了燃油的经济性。

发明内容

本发明为了克服现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种结合发动机结构，通过对不同温度的余热源采用不同的回收方法，对余热加以回收利用，不仅提高发动机的工作效率和燃油经济性还能为车内乘客提供热水，解决目前车内热水提供不足的问题的基于再热式有机朗肯循环技术的车用发动机热电联供系统。

本发明所采用的技术解决方案是一种基于再热式有机朗肯循环技术的车用发动机热电联供系统，包括第一换热器、第三换热器、第一级膨胀机、发电机、冷凝器、储液罐、工质泵、供水箱和蒸汽箱，发动机的冷却水系统出口端与第一换热器的工作介质输入端相连接，第一换热器的工作介质输出端与冷却水系统入口端相连接，所述的储液罐的输出端与工质泵的输入端相连接，所述的工质泵的输出端与回热器的待加热介质输入端相连接，回热器的待加热介质输出端与第一蒸发器的待加热介质输入端相连接，第一蒸发器的待加热介质输出端与第一级膨胀机的工作介质输入端相连接，所述的第一级膨胀机的输出端与发电机相连接，所述的第一级膨胀机的工作介质的输出端与冷凝器的输入端相连接，所述的冷凝器的输出端与储液罐的输入端相连接，所述的涡轮增压器一端涡轮端与回热器的工作介质输入端相连接，回热器的工作介质输出端与发动机的进气端相连接；所述的供水箱的输出端与蒸汽箱的进水端相连接，蒸汽箱进气端与第三换热器的冷工质的输出端相连接，所述的蒸汽箱的冷水输出端与第三换热器的冷工质的输入端相连接。

所述的第一级膨胀机与发电机之间设置有第二级膨胀机和第二换热器，所述的第一级膨胀机的工作介质输出端与第二换热器的待加热介质的输入端相连接，所述的第二换热器的待加热介质的输出端与第二级膨胀机的工作介质输入端相连接，所述的第一级膨胀机的输出端和第二级膨胀机的输出端与发电机相连接，第二级膨胀机的工作介质的输出端与冷凝器的输入端相连接，所述的涡轮增压器另一端涡轮端与第二换热器的工作介质输入端相连接。

所述的供水箱、蒸汽箱和第三换热器之间还包括输气管、回水管、第一控制阀、第二控制阀、水位计导管、开水箱、安全阀、密封盖、温度计导管、泄气阀、进水阀、冷水阀、开水阀，所述的蒸汽箱上部与供水箱连接处设有第二控制阀，蒸汽箱内部设有开水箱，开水箱上方与供水箱连接处设有进水阀，开水箱上方还设置有安全阀和泄气阀，在安全阀一侧设有温度计导管，所述的温度计导管与开水箱顶部连接处设置有密封盖，开水箱底部设有疏水管道连接饮水器的开水阀，回水管设置在蒸汽箱的底部，所述的蒸汽箱的回水管与第三换热器的输入端相连接，所述的输气管设在蒸发器的底部，所述的蒸汽箱的输气管与第三换热器的输出端相连接，所述的输气管内设置有第一控制阀，所述的蒸汽箱内设置有水位计导管。

所述的输气管、回气管均采用螺栓通过法兰分别与加热器冷工质的出口端和进口端连接，所述的法兰盘中间夹有紫铜垫，保证连接后的密封性，输气管和回水管均采用304不锈钢管材。

所述的饮水器的高度要低于蒸汽箱的高度。

所述的开水箱和蒸汽箱均采用不锈钢材料，蒸汽箱外部用橡胶石棉垫隔热、防震并固定在汽车尾端发动机一侧。

本发明涉及到的热力过程如下：来自储液罐的冷凝工质经过工质泵加压变成过冷液，有机工质的过冷液进入回热器变成饱和的液态有机工质，饱和的有机工质进入连接发动机冷却水系统的第一换热器，饱和的有机工质经过第一换热器吸热变成过热蒸汽进入第一级膨胀机，过热蒸汽进入膨胀机膨胀做功，膨胀做功后的工质进入连接在涡轮增压器尾气排出端的再热器，有机工质重新吸收热量进入第二级膨胀机，有机工质在二级膨胀机内完成膨胀做功，做功后的有机工质从膨胀机出来进入冷凝器，在冷凝器中冷凝为液态进入储液罐，再进入工质泵完成一个循环，发电机连接膨胀机持续不断的输出电能；热水循环：供水箱的冷水与蒸汽箱连接，蒸汽箱内的冷水进入加热器吸收热量变成蒸汽，蒸汽再进入蒸汽箱加热开水箱内的冷水，完成加热过程。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：利用发动机尾气余热能量通过加热器实现冷水的汽化变成高温的水蒸汽，高温水蒸汽对开水箱内的冷水加热，为饮水器提供清洁的开水。加热循环和饮用水循环完全分开，确保了饮用水的清洁卫生。本设计不仅能够有效解决车内热水供应不足的问题，而且余热回收系统结合发动机EGR系统共用换热器部件，节约部件，有效降低采用有机朗肯循环余热回收发电系统的复杂程度；设计中在供水箱底部和客车顶部之间安有多个喷淋装置，车厢一旦发生火灾，喷淋装置自动喷水，起到消防灭火的作用，一定程度上降低了客车的火灾隐患；采用再热式有机朗肯循环，实现余热多级利用，既保证整个余热系统的余热回收效率，增加发动机燃油经济性，又减小了整个发动机余热回收系统的体积。

附图说明    

图1为本发明的结构示意图；

图2为汽车发动机供热系统示意图；

图3装置用于汽车发动机时结构布局示意图。

图中：

1、发动机，2、第一换热器，3、第一级膨胀机，4、第二换热器，

5、第二级膨胀机，6、冷凝器，7、储液罐，8、工质泵，9、回热器，

10、发电机，11、第三换热器，12、涡轮增压器一端涡轮端，

13、涡轮增压器另一端涡轮端，16、输气管，17、回水管，18、

第一控制阀，19、水位计导管，20、开水箱，21、安全阀，22、密封盖，

23、温度计导管，24、泄气阀，25、进水阀，26、第二控制阀，

27、冷水阀，28开水阀，29、饮水器，30、喷淋头。

具体实施方式

如图1所示，一种基于再热式有机朗肯循环技术的车用发动机热电联供系统，包括第一换热器2、第三换热器11、第一级膨胀机3、发电机10、冷凝器6、储液罐7、工质泵8、供水箱和蒸汽箱，发动机的冷却水系统出口端与第一换热器2的工作介质输入端相连接，第一换热器2的工作介质输出端与冷却水系统入口端相连接，所述的储液罐7的输出端与工质泵8的输入端相连接，所述的工质泵8的输出端与回热器9的待加热介质输入端相连接，回热器9的待加热介质输出端与第一蒸发器的待加热介质输入端相连接，第一蒸发器的待加热介质输出端与第一级膨胀机3的工作介质输入端相连接，所述的第一级膨胀机3的输出端与发电机10相连接，所述的第一级膨胀机3的工作介质的输出端与冷凝器6的输入端相连接，所述的冷凝器6的输出端与储液罐7的输入端相连接，所述的涡轮增压器一端涡轮端12与回热器9的工作介质输入端相连接，回热器9的工作介质输出端与发动机的进气端相连接；所述的供水箱的输出端与蒸汽箱的进水端相连接，蒸汽箱进气端与第三换热器11的冷工质的输出端相连接，所述的蒸汽箱的冷水输出端与第三换热器11的冷工质的输入端相连接。

所述的第一级膨胀机3与发电机10之间设置有第二级膨胀机5和第二换热器4，所述的第一级膨胀机3的工作介质输出端与第二换热器4的待加热介质的输入端相连接，所述的第二换热器4的待加热介质的输出端与第二级膨胀机5的工作介质输入端相连接，所述的第一级膨胀机3的输出端和第二级膨胀机5的输出端与发电机10相连接，第二级膨胀机5的工作介质的输出端与冷凝器6的输入端相连接，所述的涡轮增压器另一端涡轮端13与第二换热器4的工作介质输入端相连接。综上，将第一换热器2代替冷却水系统中的散热器，作为系统的热源；本系统中具有再热的功能，故第二换热器4可命名为再热器，将涡轮增压器出口端的尾气作为再热器的热源；原来的EGR系统涡轮增压器的中冷器在本系统中具有回热的功能，故将中冷器可命名为回热器9，将涡轮增压器压缩后的高温气体在回热器9中释放的热量作为回热器9的热源；膨胀机作为本系统主要的做功部件分别连接在两个换热器的出口端；储液罐7用来储存用于本系统的有机工质；发电机10与膨胀机输出端连接，发出的电能用于用电设备或转存到蓄电池中备用；第三换热器11取代EGR系统的尾气冷却器，在本系统中，第三换热器11具有加热冷水的作用，故在本实施例中可命名为加热器，加热器与蒸汽箱连接，利用发动机内的高温尾气作为蒸汽箱的热源，完成对冷水的加热。

如图2所示：所述的供水箱、蒸汽箱和第三换热器11之间还包括输气管16、回水管17、水位计导管19、开水箱20、安全阀21、密封盖22、温度计导管23、泄气阀24、进水阀25、第一控制阀18、第二控制阀26、冷水阀27、开水阀28，所述的蒸汽箱上部与供水箱连接处设有第二控制阀26，蒸汽箱内部设有开水箱20，开水箱20作为用来提供洁净饮用水的容器；开水箱20上方与供水箱连接处设有进水阀25，开水箱20上方还设置有安全阀21和泄气阀24，用来控制开水箱20内的压力；在安全阀21一侧设有温度计导管23，所述的温度计导管23与开水箱20顶部连接处设置有密封盖22，开水箱20底部设有疏水管道连接饮水器29的开水阀28，回水管17设置在蒸汽箱的底部，所述的蒸汽箱的回水管17与第三换热器11的输入端相连接，所述的输气管16设在蒸发器的底部，所述的蒸汽箱的输气管16与第三换热器11的输出端相连接，所述的输气管16内设置有第一控制阀18，所述的蒸汽箱内设置有水位计导管19。具体供热过程如下：供水箱的冷水通过进水阀25进入开水箱20，部分冷水通过控制阀进入蒸汽箱，当需要热水时，打开第一控制阀18，蒸汽箱内的冷水通过回水管17进入加热器，经过加热器的冷水加热变成水蒸汽通过管道回到蒸汽箱，蒸汽箱内的蒸汽放热后冷凝为液态水流到蒸汽箱底部，再通过回水管17进入加热器完成加热过程。供热系统主要包括供水箱、蒸汽箱和饮水箱，蒸汽箱是使来自供水箱的液态水吸收发动机内的余热转化为热水的关键部件，其主要包括输气管16和回水管17，输气管16与发动机加热器的出口端连接，它们组成一个热水循环。需要加热时，人工开启加热器循环，即第一控制阀18被打开，由于热水密度比冷水要小，在加热器中的水吸收热量将自动向上运动，在蒸汽箱内加热开水箱20内的冷水，释放热量后的冷却水在蒸汽箱内底部将进入加热器继续吸收热量，同时完成对汽车发动机尾气的冷却作用和对供热系统的加热作用。这种设计利用热水受热自动向上运动的原理，不需增加额外的动力泵为热水循环提供动力，降低系统能量损耗并简化了系统复杂度。

所述的输气管16、回气管均采用螺栓通过法兰分别与加热器冷工质的出口端和进口端连接，所述的法兰盘中间夹有紫铜垫，保证连接后的密封性，输气管16和回水管17均采用304不锈钢管材。

所述的饮水器29的高度要低于蒸汽箱的高度，利于开水从开水阀28流出。

所述的开水箱20和蒸汽箱均采用不锈钢材料，蒸汽箱外部用橡胶石棉垫隔热、防震并固定在汽车尾端发动机一侧。

如图3所示：供水箱置于客车车厢顶部偏后的位置，水箱上部两侧设有倒角，以降低汽车在行驶过程中所受到的阻力，其高度、宽度优选与车顶通风罩外形等高宽应与车身匹配；供水箱内部根据其高度采取分层设计，降低在行驶过程中偶遇路况不好带来的扰动；冷凝器6靠近汽车尾部的一端设有输水管道，分别通过控制进水阀25和第二控制阀26向蒸汽箱和开水箱20供给冷水，在靠近车头方向设有另一输水管道，连接饮水器29内的冷水阀27为乘客提供冷水；同时，供水箱底部和车厢顶部之间可安装数个喷淋头30，当车内发生火灾时，通过温度感应器喷淋装置可自动实施喷淋，开始喷水灭火。

有机工质从储液罐7中出来进入工质泵8，工质泵8做功将有机工质加压成高压的过冷液，过冷液流入回热器9对来自涡轮增压器的压缩气体进行降温，同时吸热后的过冷液变成饱和液进入第一换热器2，在第一换热器2吸热后，有机工质变成高温高压的过热蒸汽进入第一级膨胀机3，推动第一级膨胀机3做功后有机工质压力和温度都会降低但仍为过热蒸汽，过热蒸汽沿着管道进入与涡轮增压器另一端涡轮端13连接的第二换热器4，在第二换热器4中吸收尾气中的余热有机工质变成过热蒸汽进入第二级膨胀机5，在第二级膨胀机5做功后的有机工质进入冷凝器6冷却变成低温低压的冷凝液进入储液罐7，从储液罐7出来的有机工质进入工质泵8完成发动机再热式有机朗肯循环的一次循环。发电机10连接膨胀机持续不断的输出电能

此外，汽车发动机1冷却水系统中冷却水的温度通常维持在85℃-95℃时，最适合发动机1正常工作，也就是说汽车发动机1余热回收发电系统的工作温度维持在100℃左右。对于应用于中低温有机朗肯循环的有机工质基本均适用于此系统，目前研究中使用效率高，对环境污染小的有机工质主要有：R245fa、R114、R11、R123等。

对本系统中应用到的管道要根据有机工质的性质具有特殊性的要求，一般有机工质均具有一定的腐蚀性，其次，在高温情况下，有机工质气体会具有很大的压力，所以，在选择管道时要根据所选有机工质在正常工作下所达到的压力和腐蚀度对管道要有所考虑。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。