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及冷却剂等散失至环境中。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，采用液化天然气为燃料，并通过废热回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宄热点。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]目前研宄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、润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。已有提出的大量废热有机朗肯循环系统方案或者Kalina循环方案，尽管在某些工况下能够改善其节能特性，但总体较少考虑季节负荷需求的变化对车辆能量供需平衡的影响，或者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以液化天然气为燃料，考虑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、第一换热器、第一循环泵、第二换热器、第3换热器、第二循环泵、第一回热器、第二回热器、第一冷却器、第二冷却器、气液分离器、第一透平、第二透平、第一节流阀、第二节流阀、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；
第一换热器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口 ；第二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 ；第一回热器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口 ；第二回热器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口 ；第一冷却器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口 ；第二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P ; 液化天然气依次通过吸收冷凝器冷侧和第二透平后，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，发动机烟气出口与第一换热器热侧入口相连，第一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；
缸套出口与第二换热器热侧入口相连，第二换热器热侧出口与通过第一循环泵与缸套入口相连；
第二循环泵出口与第一回热器冷侧入口相连，第一回热器冷侧出口与第二回热器冷侧入口相连，第二回热器冷侧出口与第二换热器冷侧入口相连，第二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一换热器冷侧入口相连，第一换热器冷侧出口与第一透平入口相连，第一透平出口与第一回热器热侧入口相连，第一回热器热侧出口分为两路:一路与第二冷却器热侧入口相连，第二冷却器出口通过第一节流阀与蒸发器热侧入口相连，蒸发器热侧出口与吸收冷凝器热侧入口相连；另一路通过旁通阀与吸收冷凝器热侧入口相连。环境空气从第二冷却器冷侧入口进入并从冷侧出口排入环境，环境空气从蒸发器热侧入口进入并从冷风口排出。
[0007]气液分离器液相出口与第二回热器热侧入口相连，第二回热器热侧出口与第一冷却器热侧入口相连，第一冷却器热侧出口通过第二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二循环泵入口相连。
[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，以及独立的蒸汽压缩制冷循环消耗车辆动力来制冷的车辆供能系统相比，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及废冷进行了梯级回收，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两个运行部件:第一透平和第二透平，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，低温冷却剂经过第一循环泵送入缸套对发动机进行冷却后温度升高，然后进入第二换热器热侧，被第二换热器冷侧非共沸工质冷却后再送入第一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:
打开冷风口，关闭旁通阀，关闭供暖风口，热空气直接排空。
[0010]低温非共沸工质经过第二循环泵增压后进入第一回热器冷侧，被透平出口乏气预热后，再进入第二回热器冷侧被高温多组分溶液预热，接着进入第二换热器冷侧被高温冷却剂加热，再经过第3换热器冷侧被高温烟气加热至部分蒸发，然后送入气液分离器；
气液分离器气相出口多组分蒸汽经过第一换热器冷侧后，吸收烟气高温热能后温度升高，然后通过第一透平膨胀做功，第一透平出口乏汽经过第一回热器热侧，对第一回热器冷侧的非共沸工质进行预热。从第一回热器热侧出来的液态工质然后再进入第二冷却器被环境空气冷却至接近常温后，再通过第一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。
[0011]气液分离器液相出口多组分溶液经过第二回热器热侧对其冷侧非共沸工质加热后自身温度降低，然后进入第一冷却器热侧向冷侧环境空气释放热量；环境空气进入第一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；第一冷却器热侧出口工质通过第二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第二循环泵升压后开始下一热力循环。
[0012]二、非制冷模式:
打开旁通阀，打开供暖风口，关闭冷风口。
[0013]低温非共沸工质经过第二循环泵增压后进入第一回热器冷侧，被透平出口乏气预热后，再进入第二回热器冷侧被高温多组分溶液预热，接着进入第二换热器冷侧被高温冷却剂加热，然后再进入第3换热器冷侧，吸收第3换热器热侧烟气热能，第3换热器冷侧出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一换热器冷侧，吸收第一换热器热侧高温烟气的热能后温度升高，然后进入第一透平膨胀做功，透平出口乏气进入第一回热器热侧对初始非共沸工质预热，释放热能后从第一回热器热侧出口通过旁通阀送入吸收冷凝器热侧入P ；
气液分离器液相出口多组分溶液经过第二回热器热侧对其冷侧非共沸工质加热后自身温度降低，然后进入第一冷却器热侧向冷