[發(fā)明專利]一種用于內(nèi)燃機(jī)余熱回收的CO2循環(huán)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410240294.5
• 申請(qǐng)日: 2014-05-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103983036A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-08-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王順森;白昆侖;邸娟;劉觀偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): F25B9/00
• 分類號(hào): F25B9/00;F25B27/00;F02G5/00;F01K25/10;F01D15/10;F01D15/08;F01K7/32
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 陸萬(wàn)壽

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于內(nèi)燃機(jī)余熱回收的CO₂循環(huán)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，具體涉及一種利用車用內(nèi)燃機(jī)余熱進(jìn)行發(fā)電/驅(qū)動(dòng)以及夏季制冷的跨臨界CO₂朗肯循環(huán)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，屬于機(jī)械工程和節(jié)能領(lǐng)域。

背景技術(shù)

2013年，中國(guó)汽車保有量超過(guò)1億輛，石油年消耗量也超過(guò)5億噸。汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展在促進(jìn)社會(huì)進(jìn)步的同時(shí)也將能源與環(huán)境推到日益惡化的境地。已有研究表明，機(jī)動(dòng)車排放的氣態(tài)污染物以及顆粒污染物占城市大氣污染物的比例高達(dá)40％至60％，是霧霾等大氣污染的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

內(nèi)燃機(jī)是最常用的車用動(dòng)力設(shè)備，然而，受技術(shù)條件的限制，其動(dòng)力輸出的功僅占燃料燃燒總熱量的30％-40％(柴油機(jī))或20％-30％(汽油機(jī))，其余的燃油能量則通過(guò)尾氣、冷卻系統(tǒng)和潤(rùn)滑油系統(tǒng)耗散到大氣中。其中，尾氣余熱的能量常常達(dá)到燃燒總能量的35％～45％，溫度可達(dá)300℃以上，具有極高的利用價(jià)值；冷卻系統(tǒng)盡管溫度降低，但所含熱量也超過(guò)燃燒總熱量的15％。如果對(duì)這兩部分余熱資源進(jìn)行有效回收利用，將能夠使內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、降低燃油消耗率等功效。同時(shí)可以有效控制環(huán)境惡化、減少碳排放以及實(shí)現(xiàn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展。

2005年康明斯(Cummins)公司重新提出在重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用基于有機(jī)朗肯循環(huán)的余熱回收系統(tǒng)。2006年，AVL公司提出利用超臨界有機(jī)朗肯循環(huán)回收重型車用柴油機(jī)余熱以提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。威斯康星大學(xué)的Diego?A.Arias針對(duì)一臺(tái)混合動(dòng)力汽油機(jī)提出三種不同的朗肯循環(huán)余熱回收策略，分別針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣熱源、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣和冷卻水熱源以及發(fā)動(dòng)機(jī)排氣和發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體熱源進(jìn)行余熱回收。寶馬公司設(shè)計(jì)制造了“Turbo?Steamer”系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)包括高溫循環(huán)和低溫循環(huán)兩個(gè)部分。高溫循環(huán)主要回收發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱，低溫循環(huán)主要回收發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)余熱和高溫循環(huán)冷凝時(shí)的放熱。盡管相關(guān)研究已取得重要進(jìn)展，但設(shè)備體積過(guò)大和有機(jī)工質(zhì)泄漏成為目前限制其工程應(yīng)用的最主要因素。

眾所周知，現(xiàn)有的車用空調(diào)大多以HFC-R134a為工質(zhì)，由于振動(dòng)、檢修等原因，其泄漏量遠(yuǎn)大于家用空調(diào)，成為溫室氣體的主要來(lái)源之一。歐盟于2006年頒布了一項(xiàng)法令，將逐步淘汰不符合新環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的HFC-134a制冷劑。寶馬、大眾以及其它多家主要汽車生產(chǎn)商都已宣布將用純天然的CO₂作為空調(diào)制冷劑，消除工質(zhì)泄漏對(duì)大氣的危害。

CO₂工質(zhì)的最大優(yōu)點(diǎn)是其臨界溫度只有31.1℃，接近環(huán)境溫度，容易實(shí)現(xiàn)跨/超臨界循環(huán)，氣化潛熱小、超臨界換熱不存在窄點(diǎn)溫差問(wèn)題，且具有優(yōu)良的流動(dòng)和傳熱特性，更適合采用更加緊湊的微通道換熱器。另外，在工作參數(shù)下，CO₂的密度是常用有機(jī)工質(zhì)的5～20倍，這將使CO₂循環(huán)的壓縮機(jī)、膨脹透平以及管路系統(tǒng)的體積遠(yuǎn)小于有機(jī)工質(zhì)循環(huán)。這些特征使得CO₂不僅可用于車用制冷循環(huán)，也可用于車用動(dòng)力循環(huán)，若能將兩種聯(lián)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)冷熱電聯(lián)產(chǎn)，由于工質(zhì)和部分設(shè)備可共用，將使系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，也為內(nèi)燃機(jī)的余熱回收提供了新的途徑。

本發(fā)明基于上述思路和工程熱力學(xué)的基本原理，結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域的工程實(shí)踐，并經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的潛心研究，提出一種非常具有市場(chǎng)前景的可用于內(nèi)燃機(jī)余熱回收的CO₂循環(huán)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)的專利檢索和分析，申請(qǐng)人未發(fā)現(xiàn)與本發(fā)明特征相近的技術(shù)方案。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種用于內(nèi)燃機(jī)余熱回收的CO₂循環(huán)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)利用車用內(nèi)燃機(jī)余熱進(jìn)行發(fā)電/驅(qū)動(dòng)以及夏季制冷、冬季供暖。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案。

該系統(tǒng)以CO₂為工質(zhì)，以內(nèi)燃機(jī)余熱為能量來(lái)源，通過(guò)集成跨臨界CO₂制冷循環(huán)和超臨界CO₂動(dòng)力循環(huán)實(shí)現(xiàn)冷、熱、電聯(lián)產(chǎn)。在取代現(xiàn)有機(jī)動(dòng)車輛的暖風(fēng)系統(tǒng)和制冷空調(diào)系統(tǒng)的同時(shí)，還可以產(chǎn)生電能，用于車輛供電或輔助驅(qū)動(dòng)。

所述跨臨界CO₂制冷循環(huán)主要由壓縮機(jī)、冷卻器、膨脹機(jī)/節(jié)流閥以及蒸發(fā)器等組成，吸熱過(guò)程處于亞臨界狀態(tài)，依靠液體CO₂的蒸發(fā)潛熱從環(huán)境吸熱，而循環(huán)的放熱過(guò)程處于超臨界狀態(tài)。

所述超臨界CO₂動(dòng)力循環(huán)主要由壓縮機(jī)、加熱器、動(dòng)力透平和冷卻器等組成，CO₂工質(zhì)一直工作在臨界點(diǎn)之上，整個(gè)循環(huán)過(guò)程沒(méi)有相變。