阅读说明：本技术 一种坦克装甲车辆发动机冷却与余热发电的耦合系统 (A kind of cooling coupled system with cogeneration of tank armored vehicle engine ) 是由 谷操 李源浩 张敏 刘洋 于 2019-08-21 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种坦克装甲车辆发动机冷却与余热发电的耦合系统,包括液体工质、水泵、蒸发器、过热器、涡轮、发电机、冷凝器及风机；液体工质利用水泵驱动进入蒸发器,蒸发器以发动机冷却液为热源,加热所述液体工质直至蒸发成蒸汽,冷却发动机；蒸汽流入过热器,过热器以发动机排气余热为热源,将蒸汽加热到过热温度成为过热蒸汽；过热蒸汽驱动涡轮运转,带动发电机发电,过热蒸汽温度、压力随之降低成为低温蒸汽；低温蒸汽进入冷凝器,依靠风机散热,低温蒸汽冷凝为液体；液体流入水泵实现闭式循环。本发明能够冷却发动机,同时利用发动机余热发电。(The present invention provides a kind of cooling coupled systems with cogeneration of tank armored vehicle engine, including liquid working substance, water pump, evaporator, superheater, turbine, generator, condenser and blower；Liquid working substance is driven into evaporator using water pump, and evaporator heats the liquid working substance up to flashing to steam, cooling engine using engine coolant as heat source；Steam flows into superheater, and superheater is heated to overtemperature as superheated steam using engine exhaust heat as heat source, by steam；Superheated steam drives turbo driving, drives electrical power generators, superheat steam temperature, pressure are decreased as Low Temperature Steam；Low Temperature Steam enters condenser, and by fan radiating, Low Temperature Steam is condensed into liquid；Liquid flows into water pump and realizes closed cycle.The present invention can cool down engine, while be generated electricity using engine exhaust heat.)

一种坦克装甲车辆发动机冷却与余热发电的耦合系统

技术领域

本发明涉及车发动机热效率技术领域，具体涉及一种坦克装甲车辆发动机冷却与余热发电的耦合系统。

背景技术

坦克装甲车辆的动力及电力能源都来自发动机，目前发动机转变为有效功的热量只占燃料燃烧发热量(输入热量)的30％～40％，排气带走的热量要占30％～40％，冷却系统带走的热量约占20％～25％，其他散热约占10％左右。坦克装甲车辆的动力技术发展，通过采用高温冷却技术、绝热发动机技术等，是为了提高发动机的功率密度，提高燃料的燃烧热转化为有效功的比例。但受制于热力循环特性，发动机的燃料燃烧热量转化为有效功的比例是有限度的；且随着新型驱动技术、电磁技术及其他脉冲技术的大量应用，对于电力能源的需求越来越大，致使能耗日益提高。在这一形势背景下，提高能源利用效率的需求更加迫切，对于通过回收排气热量等发动机的余热来提高燃料的热效率等发动机余热的回收利用技术日益受到重视。

目前对于余热发电技术的研究，主要集中在发动机排气余热利用，忽视了对冷却系统的热量回收。目前基于朗肯循环的发动机排气余热发电技术存在一系列缺陷，直接制约了在车辆上的应用，主要表现在：系统中的压缩机能耗较高、冷凝器的冷凝温度较低致使冷凝能耗较高从而影响回收效率，系统的部件较多、占用的空间大，工质侧封闭式循环的工作压力高、对流动阻力匹配的要求苛刻等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种坦克装甲车辆发动机冷却与余热发电的耦合系统，能够冷却发动机，同时利用发动机余热发电。

本发明采取的技术方案如下：

一种坦克装甲车辆发动机冷却与余热发电的耦合系统，所述耦合系统包括液体工质、水泵、蒸发器、过热器、涡轮、发电机、冷凝器及风机；

液体工质利用水泵驱动进入蒸发器，蒸发器以发动机冷却液为热源，加热所述液体工质直至蒸发成蒸汽，冷却发动机；蒸汽流入过热器，过热器以发动机排气余热为热源，将蒸汽加热到过热温度成为过热蒸汽；过热蒸汽驱动涡轮运转，带动发电机发电，过热蒸汽温度、压力随之降低成为低温蒸汽；低温蒸汽进入冷凝器，依靠风机散热，低温蒸汽冷凝为液体；液体流入水泵实现闭式循环。

进一步地，所述液体工质为发动机冷却液。

进一步地，所述冷凝器采用带式平行流铝管结构。

有益效果：

1、本发明利用朗肯(Rankine)循环理论，将发动机冷却系统的热量引入到该循环系统中，将工质的冷凝温度提高到与发动机散热系统的工作温度接近时，利用冷却系统的热量实现工质的蒸发，用排气的热量加热蒸汽产生过热蒸汽，可以进一步提高过热蒸汽的温度，提高涡轮发电机的发电能力；同时利用散热系统的冷却风来冷却冷凝器。在现有部件体积、重量有限增加的前提下将发动机余热发电技术应用在坦克装甲车辆上，提高发动机的燃料能量利用率进而提高了发动机的性能以及整车的性能。

2、本发明冷凝器采用带式平行流铝管结构，带式平行流铝管结构的紧凑系数高且重量轻，因此相比原水散热器的空间和重量，冷凝器的体积、重量并未增加。

附图说明

图1为本发明朗肯(Rankine)系统原理图；

图2为本发明朗肯(Rankine)循环热力学状态参数图；

其中，P-水泵、E-蒸发器、S-过热器、T-涡轮、G-发电机、C-冷凝器、F-风机。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供了一种坦克装甲车辆发动机冷却与余热发电的耦合系统，基于朗肯(Rankine)循环，包括液体工质、水泵P、蒸发器E、过热器S、涡轮T、发电机G、冷凝器C及原散热系统的风机F，替代原散热系统的散热器。

如图1所示，冷却与余热发电的耦合过程如下：

1-2-3过程：水泵P驱动液体工质流入蒸发器E，蒸发器E以发动机冷却液为热源，液体工质吸收发动机冷却液的热量后被蒸发为蒸汽，蒸汽流入过热器S，过热器S以发动机排气为热源，令蒸汽吸收发动机排气的热量，成为高温过热蒸汽，此过程为等压吸热过程，涉及热力学公式为：

工质在蒸发器E中吸入的热量Q为：

Q＝m(h₃-h₁) (1)

式中m为工质质量，h₁、h₃为该工况下蒸汽比焓。

吸收发动机冷却系统的散热量用于工质蒸发：

Q_1-1＝m·L (2)

式中m为工质质量，L为该工况下气化焓。

发动机冷却液的散热量：

Q₁＝m₁·Cp₁·(t₁₁-t₁₂) (3)

式中m₁为发动机冷却水质量，Cp₁为冷却水比热，t₁₁、t₁₂为冷却水进出水温。

热量Q₁通过蒸发器E传递完成，换热量：

Q₁＝K₁·F₁·Δt_m1＝Q_1-1 (4)

式中K₁为蒸发器传热系数，F₁为蒸发器传热面积，Δt_m1为传热温差。

吸收发动机排气余热给工质的热量加热成过热蒸汽：

Q_1-2＝m(h₃-h₂) (5)

式中m为工质质量，h₂、h₃为该工况下蒸汽比焓。

发动机排气的散热量：

Q_g＝m_g·Cp_g·(t_2g-t_1g) (6)

式中m_g为发动机排气质量，Cp_g为排气比热，t_2g、t_1g为排气进出温度。

热量Q_g通过过热器S传递完成，换热量：

Q_g＝K_g·F_g·Δt_mg＝Q_1-2 (7)

式中K_g为过热器传热系数，F_g为过热器传热面积，Δt_mg为传热温差。

Q＝Q_1-1+Q_1-2 (8)

3-4过程：涡轮T被高温过热蒸汽驱动，带动发电机G对外做功W_t，产生电能，蒸汽的温度降低、压力减小，此过程为等熵膨胀过程，涉及热力学公式为：

涡轮T中工质对外做功为：

W_t＝m·(h₃-h₄) (9)

式中m为工质质量，h₄、h₃为该工况下蒸汽比焓。

4-5过程：利用原散热系统的风机F来冷却冷凝器C，冷凝器C将做功后的蒸汽冷却为饱和液态工质，此过程为等温放热过程，涉及热力学公式为：

冷凝器C中工质对外放热

Q₂＝m(h₄-h₅) (10)

式中m为工质质量，h₄、h₅为该工况下蒸汽比焓。

冷却空气的吸热量：

Q_cg＝m_cg·Cp_cg·(t_2cg-t_1cg) (11)

式中m_cg为冷却空气质量，Cp_cg为排气比热，t_2cg、t_1cg为冷却空气进出温度。

该热量通过冷凝器C传递完成，换热量：

Q₂＝K₂·F₂·Δt_m2＝Q_cg (12)

式中K₂为冷凝器传热系数，F₂为冷凝器传热面积，Δt_m2为传热温差。

5-1过程：工质经水泵P驱动流动并加压，此过程为等熵压缩过程，消耗外部输入功；工质接受外功

式中m为工质质量，υ’为工质液体比体积，P₅、P₄为工况点压力。

净输出功：

W＝W_t-W_p (14)

式中W_p为涡轮T内消耗功；W_T为输出功。

当且仅当式(14)的结果大于零时，系统运行是有效的，即对外输出功大于系统消耗功。

假定发动机基本参数：额定功率400kW的增压中冷柴油机，额定工况下的排气量0.7kg/s，涡轮T增压后排温550℃，冷却系统散热量240kW、冷却水流量500L/min。选取发动机冷却液(工质侧工作压力小于0.1MPa)作为液体工质。

查饱和水与饱和蒸汽热力性质表：蒸发点85℃时对应的饱和压力P₁＝0.058MPa，液体比体积υ’₁＝0.0010326m³/kg，蒸汽比体积υ”₁＝2.8300m³/kg，液体比焓h’₁＝355.92kJ/kg，蒸汽比焓h”₁＝2652.1kJ/kg，汽化焓(潜热)L₁＝2292.6kJ/kg，液体比熵s’₁＝1.1343kJ/(kg·K)，蒸汽比熵s”₁＝7.5459kJ/(kg·K)。

冷凝点70℃度对应的饱和压力为P₅＝0.0312MPa，液体比体积υ’₅＝0.0010228m³/kg，蒸汽比体积υ”₅＝2.83005.0479m³/kg，液体比焓h’₅＝292.96kJ/kg，蒸汽比焓h”₅＝2626.8kJ/kg，汽化焓(潜热)L₅＝2333.8kJ/kg，液体比熵s’₅＝0.9548kJ/(kg·K)，蒸汽比熵s”₅＝7.7565kJ/(kg·K)。

根据冷却系统散热量为240kW，依靠85℃的液体工质蒸发换热，按照公式(2)有：

m＝Q_1-1/L₁＝240/2292.6＝0.105kg/s

设定排气温度降低到450℃，排气比热Cp_g＝1kJ/(kg·K)，根据公式(5)、(6)、(7)计算，可以得到：

Q_g＝m_g·Cp_g·(t_2g-t_1g)＝0.7×1×(550-450)＝70kW

h″₃＝h″₂+70/0.105＝h″₁+70/0.105＝3318.8kJ/kg

查饱和水与饱和蒸汽热力性质表0.05MPa，可得过热蒸汽温度达到425℃。

查未饱和水和过热蒸汽热力性质表，该状态下蒸汽的热力性质为：蒸汽比体积υ”₃＝17.718m³/kg，蒸汽比熵s”₃＝9.1486kJ/(kg·K)。

蒸汽流过涡轮T膨胀做功是等熵过程，膨胀过程后的终了压力与冷凝压力一致，按照蒸汽比熵s”₄＝s”₃＝9.1486kJ/(kg·K)、冷凝点压力P₄≈P₅＝0.0312MPa查水和水蒸汽h-s图(焓熵图)，如图2所示，可以得到膨胀后蒸汽的比焓值h”₄＝2750kJ/kg。

按照公式(9)计算得到膨胀功，即用于驱动发电机G的输出功：

W_t＝m·(h″₃-h″₄)＝0.105×(3318.8-2750)＝59.724kW

如按照涡轮T发电效率为0.8核算，则可发电功率为：0.8×59.724＝47.78kW

按照公式(10)计算冷凝换热量：

Q＝m·(h₄″-h′₅)＝0.105×(2750-292.96)＝28kW

水经过水泵P压缩是绝热等熵过程，按照公式(13)计算水泵P的耗功：

W_P＝m·v·(P₁-P₄)＝0.105×0.0010228×(0.057803-0.031161)×10⁶＝2.86kW

如水泵P的效率按照0.9核算，则水泵P耗功为：2.86/0.9＝3.18kW

按照公式(14)计算净输出功：

不考虑效率时的发电净输出：W＝W_t-W_p＝59.724-2.86＝56.864kW

与发动机的输出功率相比：56.864/400＝0.142＝14.2％

考虑效率的实际净输出电力：W＝W_t-W_p＝47.78-3.18＝44.60kW

与发动机的输出功率相比：44.60/400＝0.112＝11.2％

蒸发器E的计算：

按照公式(3)计算蒸发器E的热源侧(即发动机冷却水的出口)温度：

t₁₂＝t₁₁-Q₁/(m₁·Cp₁)＝105-240/(500/60×4.18)＝98.11℃

蒸发温度为85℃，计算对数温差为：Δt_m1＝16.313℃

按照公式(4)计算，蒸发器E的K₁·F₁＝Q₁/Δt_m1＝240/16.313＝14.712kW/℃

因为蒸发器E的热测工质是水，故蒸发器E的传热系数K₁可以达到5000W/m2℃以上，即蒸发器E的换热面积不会大于3m²，采用铝板翅式结构，该蒸发器E的体积、重量均比较小。

过热器S的计算：

前面已经得到，过热器S的排气侧温度为进口550℃、出口450℃，工质蒸汽的入口为85℃、出口为425℃，换热量为70kW。

计算得到对数平均温差：Δt_mg＝223.97℃

按照公式(7)计算，过热器S的K_g·F_g＝Q_g/Δt_mg＝70/223.97＝0.313kW/℃

蒸汽和排烟气体的换热过程，过热器S的传热系数比较低，按照50W/m²℃计算，过热器S的换热面积在6.26m²，采用板翅式结构，该过热器S的体积、重量均比较小。

冷凝器C的计算：

设定原散热系统的冷却风扇风量为8m³/s，按照公式(11)计算冷凝器C的风侧出口温度：

t_2cg＝t_1cg+Q_cg/(m_cg·Cp_cg)＝35+258/(8×1.005)＝67.09℃

冷凝温度为70℃，计算对数温差为：Δt_m2＝12.902℃

按照公式(12)计算，冷凝器C的K₂·F₂＝Q₂/Δt_m2＝258/12.902＝19.997kW/℃

如果采用的是原水散热器，根据前面计算已经得到：t₁₂＝98.11℃

则水散热器的对数平均温差为：Δt＝50.779℃

水散热器的K·F＝Q/Δt＝240/50.779＝4.726kW/℃

尽管冷凝器C的传热系数会比水散热器的传热系数高，但从上述对比计算发现冷凝器C所需要的换热面积依然要比水散热器大，对于坦克装甲车辆水散热器通常采用铝板翅式结构，而冷凝器C则可以采用带式平行流铝管结构，带式平行流铝管结构的紧凑系数要高得多且重量轻，因此可以在原水散热器空间和重量内解决；特别是如果能将蒸发温度和冷凝温度提高，将会大大改善冷凝器C的体积、重量。

综合分析，利用朗肯(Rankine)循环理论可以将发动机冷却和余热发电的耦合系统应用在该坦克装甲车辆上。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。