新型車輛動力/冷熱供能系統(tǒng)及其工作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型車輛動力/冷熱供能系統(tǒng)和工作方法，屬于能源與動力領域。
【背景技術】
[0002]當前運輸車輛能耗在我國能源消費總量中占有重要比例，當前常規(guī)內(nèi)燃機車的燃料熱效率僅為1/3，其余2/3主要作為廢熱通過煙氣及冷卻劑等散失至環(huán)境中。此外，車輛尾氣排放已成為城市空氣污染的重要來源。隨著節(jié)能減排要求日趨嚴格，采用液化天然氣為燃料，并通過廢熱回收技術提高車輛供能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效率，并降低其單位產(chǎn)能污染排放已經(jīng)成為了當前的研宄熱點。實際車輛供能系統(tǒng)受到季節(jié)負荷變化的影響，主要可分為制冷季和非制冷季兩種工作模式:制冷季主要負荷需求為機械動力和冷量；非制冷季主要負荷需求為機械動力和熱量。
[0003]目前研宄者已經(jīng)提出大量車輛廢熱回收方案，主要通過回收車輛發(fā)動機廢煙氣、潤滑油和冷卻劑的廢熱，將其轉(zhuǎn)化為機械動力或者制冷，用于改善車輛供能系統(tǒng)的總能轉(zhuǎn)化效率。提出或者構(gòu)建的回收車輛廢熱制冷方案，也僅適用具有冷需求條件下的節(jié)能。已有提出的大量廢熱有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)方案或者Kalina循環(huán)方案，盡管在某些工況下能夠改善其節(jié)能特性，但總體較少考慮季節(jié)負荷需求的變化對車輛能量供需平衡的影響，或者廢熱回收方案與車輛季節(jié)負荷需求的適應性。
[0004]由此可見，考慮現(xiàn)有車輛供能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并體現(xiàn)季節(jié)負荷需求特點，構(gòu)建總體能效較高的新型車輛供能系統(tǒng)方案具有重要應用價值。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的在于提出一種以液化天然氣為燃料，考慮回收車輛內(nèi)燃機各類廢熱、同時能夠滿足其不同季節(jié)新型車輛動力/冷熱供能系統(tǒng)和工作方法。
[0006]一種新型車輛動力/冷熱供能系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)包括發(fā)動機、缸套、第一換熱器、第一循環(huán)泵、第二換熱器、第3換熱器、第二循環(huán)泵、第一回熱器、第二回熱器、第一冷卻器、第二冷卻器、氣液分離器、第一透平、第二透平、第一節(jié)流閥、第二節(jié)流閥、吸收冷凝器和蒸發(fā)器；
發(fā)動機包括燃料入口、空氣入口和煙氣出口，缸套布置在發(fā)動機外圍；
第一換熱器包括熱側(cè)入口、熱側(cè)出口、冷側(cè)入口和冷側(cè)出口 ；第二換熱器包括熱側(cè)入口、熱側(cè)出口、冷側(cè)入口和冷側(cè)出口；第3換熱器包括熱側(cè)入口、熱側(cè)出口、冷側(cè)入口和冷側(cè)出口 ；第一回熱器包括熱側(cè)入口、熱側(cè)出口、冷側(cè)入口和冷側(cè)出口 ；第二回熱器包括熱側(cè)入口、熱側(cè)出口、冷側(cè)入口和冷側(cè)出口 ；第一冷卻器包括熱側(cè)入口、熱側(cè)出口、冷側(cè)入口和冷側(cè)出口 ；第二冷卻器包括熱側(cè)入口、熱側(cè)出口、冷側(cè)入口和冷側(cè)出口 ；吸收冷凝器包括熱側(cè)入口、熱側(cè)出口、冷側(cè)入口和冷側(cè)出口 ；蒸發(fā)器包括熱側(cè)入口、熱側(cè)出口、冷側(cè)入口和冷側(cè)出P ; 液化天然氣依次通過吸收冷凝器冷側(cè)和第二透平后，與發(fā)動機燃料入口相連，環(huán)境空氣物流與發(fā)動機空氣入口相連，發(fā)動機煙氣出口與第一換熱器熱側(cè)入口相連，第一換熱器熱側(cè)出口與第3換熱器熱側(cè)入口相連，第3換熱器熱側(cè)出口與大氣環(huán)境相連；
缸套出口與第二換熱器熱側(cè)入口相連，第二換熱器熱側(cè)出口與通過第一循環(huán)泵與缸套入口相連；
第二循環(huán)泵出口與第一回熱器冷側(cè)入口相連，第一回熱器冷側(cè)出口與第二回熱器冷側(cè)入口相連，第二回熱器冷側(cè)出口與第二換熱器冷側(cè)入口相連，第二換熱器冷側(cè)出口與第3換熱器冷側(cè)入口相連，第3換熱器冷側(cè)出口與氣液分離器入口相連，氣液分離器還包括氣相出口和液相出口:
氣液分離器氣相出口與第一換熱器冷側(cè)入口相連，第一換熱器冷側(cè)出口與第一透平入口相連，第一透平出口與第一回熱器熱側(cè)入口相連，第一回熱器熱側(cè)出口分為兩路:一路與第二冷卻器熱側(cè)入口相連，第二冷卻器出口通過第一節(jié)流閥與蒸發(fā)器熱側(cè)入口相連，蒸發(fā)器熱側(cè)出口與吸收冷凝器熱側(cè)入口相連；另一路通過旁通閥與吸收冷凝器熱側(cè)入口相連。環(huán)境空氣從第二冷卻器冷側(cè)入口進入并從冷側(cè)出口排入環(huán)境，環(huán)境空氣從蒸發(fā)器熱側(cè)入口進入并從冷風口排出。
[0007]氣液分離器液相出口與第二回熱器熱側(cè)入口相連，第二回熱器熱側(cè)出口與第一冷卻器熱側(cè)入口相連，第一冷卻器熱側(cè)出口通過第二節(jié)流閥與吸收冷凝器熱側(cè)入口相連。吸收冷凝器熱側(cè)出口與第二循環(huán)泵入口相連。
[0008]與現(xiàn)有常規(guī)采用發(fā)動機提供主動力，散熱器的冷卻系統(tǒng)來供暖，以及獨立的蒸汽壓縮制冷循環(huán)消耗車輛動力來制冷的車輛供能系統(tǒng)相比，上述系統(tǒng)通過非共沸工質(zhì)熱力循環(huán)對常規(guī)車輛發(fā)動機的各類廢熱及廢冷進行了梯級回收，根據(jù)車輛各季節(jié)負荷需求為其提供不同品位的動力、冷/熱。且僅在原有車輛發(fā)動機基礎上增加了兩個運行部件:第一透平和第二透平，安全可靠性高。
[0009]本發(fā)明提出的新型車輛動力/冷熱供能系統(tǒng)，可以采用如下的運行過程:燃料與空氣進入發(fā)動機燃燒釋放熱能并通過活塞做功轉(zhuǎn)化為機械能對外輸出，發(fā)動機同時對外排出高溫煙氣。缸套布置在發(fā)動機外圍通過導熱方式為發(fā)動機散熱，低溫冷卻劑經(jīng)過第一循環(huán)泵送入缸套對發(fā)動機進行冷卻后溫度升高，然后進入第二換熱器熱側(cè)，被第二換熱器冷側(cè)非共沸工質(zhì)冷卻后再送入第一循環(huán)泵開始下一輪冷卻循環(huán)。該系統(tǒng)除了以上過程，其特征還在于包括以下兩種工作模式:
一、制冷模式:
打開冷風口，關閉旁通閥，關閉供暖風口，熱空氣直接排空。
[0010]低溫非共沸工質(zhì)經(jīng)過第二循環(huán)泵增壓后進入第一回熱器冷側(cè)，被透平出口乏氣預熱后，再進入第二回熱器冷側(cè)被高溫多組分溶液預熱，接著進入第二換熱器冷側(cè)被高溫冷卻劑加熱，再經(jīng)過第3換熱器冷側(cè)被高溫煙氣加熱至部分蒸發(fā)，然后送入氣液分離器；
氣液分離器氣相出口多組分蒸汽經(jīng)過第一換熱器冷側(cè)后，吸收煙氣高溫熱能后溫度升高，然后通過第一透平膨脹做功，第一透平出口乏汽經(jīng)過第一回熱器熱側(cè)，對第一回熱器冷側(cè)的非共沸工質(zhì)進行預熱。從第一回熱器熱側(cè)出來的液態(tài)工質(zhì)然后再進入第二冷卻器被環(huán)境空氣冷卻至接近常溫后，再通過第一節(jié)流閥降壓降溫后進入蒸發(fā)器冷側(cè)，蒸發(fā)器熱側(cè)的環(huán)境空氣被冷卻后送入冷風口，蒸發(fā)器冷側(cè)出口的氣態(tài)工質(zhì)最后進入吸收冷凝器熱側(cè)。
[0011]氣液分離器液相出口多組分溶液經(jīng)過第二回熱器熱側(cè)對其冷側(cè)非共沸工質(zhì)加熱后自身溫度降低，然后進入第一冷卻器熱側(cè)向冷側(cè)環(huán)境空氣釋放熱量；環(huán)境空氣進入第一冷卻器冷側(cè)吸收熱量后溫度升高變?yōu)闊峥諝夂蟊恢苯优趴?；第一冷卻器熱側(cè)出口工質(zhì)通過第二節(jié)流閥降壓后送入吸收冷凝器熱側(cè)，吸收冷凝器熱側(cè)出口液態(tài)工質(zhì)經(jīng)過第二循環(huán)泵升壓后開始下一熱力循環(huán)。
[0012]二、非制冷模式:
打開旁通閥，打開供暖風口，關閉冷風口。
[0013]低溫非共沸工質(zhì)經(jīng)過第二循環(huán)泵增壓后進入第一回熱器冷側(cè)，被透平出口乏氣預熱后，再進入第二回熱器冷側(cè)被高溫多組分溶液預熱，接著進入第二換熱器冷側(cè)被高溫冷卻劑加熱，然后再進入第3換熱器冷側(cè)，吸收第3換熱器熱側(cè)煙氣熱能，第3換熱器冷側(cè)出口工質(zhì)送入氣液分離器；
氣液分離器氣相出口多組分蒸汽進入第一換熱器冷側(cè)，吸收第一換熱器熱側(cè)高溫煙氣的熱能后溫度升高，然后進入第一透平膨脹做功，透平出口乏氣進入第一回熱器熱側(cè)對初始非共沸工質(zhì)預熱，釋放熱能后從第一回熱器熱側(cè)出口通過旁通閥送入吸收冷凝器熱側(cè)入P ；
氣液分離器液相出口多組分溶液經(jīng)過第二回熱器熱側(cè)對其冷側(cè)非共沸工質(zhì)加熱后自身溫度降低，然后進入第一冷卻器熱側(cè)向冷