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超级节能汽车与空气能双向能效动力循环

2017-03-31 14:31:00 5e   作者: 邱纪林  

超级节能汽车的能耗比较石化燃料(汽柴油)、电动、气动以及其它混合动力汽车低80%,听起来象天方夜谭。因为,所有形式的能量转换效率是确定的,遵守卡诺定理,即便提高1%也极为困难。

然而,如此大幅度节能的动力装置并非不可能,新增能量来自环境(太阳辐射热)。理解这一点需要了解热泵工作原理。我们对热泵并不陌生,空调、冰箱实质就是热泵。当使用目的是制冷时(利用循环蒸发端)称为空调,当使用目的是制热时(利用冷凝端)称为热泵。热泵是一种独特的能源利用模式,它用少量电能作为驱动能源,可以从低温热源成倍的吸收低品位热能给高温热源。热泵运行不是能量转换过程,不受能量转换效率极限100%的限制。

热泵制造的热量是它从环境搬运的热量与消耗能量的和。热泵能效比COP一般为4,即制造的4份热量中3份来自环境,1份来自压缩机电耗。热泵另一个重要功能为同步制冷热,同时利用冷和热热泵能效比等于提高1倍,称双向能效。

近年来,在二氧化碳制冷循环中用膨胀机(利用压缩气体膨胀降压时对外输出功使气体温度降低原理以获得冷量的机械)替代膨胀阀,不仅大幅度提高热泵制冷能力,增加工质吸热量,而且回收30%左右的压缩功(膨胀机膨胀对外输出功可以获得最大程度的温降。空气从0.6兆帕节流到0.1兆帕温降只有1℃,而通过膨胀机膨胀理论温降可达80℃-90℃)。

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这种二氧化碳热泵不仅对外输出功,而且制冷效率也相应提高。这项已经问世多年的技术实质意味着人类对太阳能(辐射热)的利用取得了历史性突破,因为膨胀机回收的功不仅来自压缩机,而主要来自低沸点工质从环境吸热。然而,迄今人们对此未予足够认识。制造商只是将输出功的膨胀机与压缩机同轴连接以减少压缩机能耗,而没有将其应用在动力装置上。

超级节能汽车是建立在输出功的热泵循环基础之上的气动汽车,它不仅回收功,而且将循环过程产生的冷、热一同转换为汽车动力。

气动汽车是一种新型汽车,以压缩空气(液氮)为动力源,压缩空气膨胀推动活塞运动为汽车提供动力。气动汽车说到底是电动汽车的变种,因为空气压缩完全依赖电力。气动汽车能耗(空压机效率)与电动汽车(电能转换机械能效率)相当,优势在于充气速度快(3分钟),不会出现反复充电导致的电池性能衰减以及废旧电池形成的污染。

小型气动汽车储气罐容量300升、压力30兆帕,气动发动机工作压力1兆帕,最大行程200千米,最大时速100千米。现行气动汽车采用的活塞式气动发动机结构复杂、效率低、气缸容积限制了气体等温膨胀,尾气温度一般为-10℃,残压和冷量排放造成的效率损失达42%。

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超级节能汽车采用膨胀机替代气动发动机,循环过程二氧化碳介质从环境吸收的热能、产生的冷量以及膨胀机输出的功一同转换为汽车动力(发明人称其为空气能双向能效动力循环)。由于能量主要来自空气能(太阳辐射热),循环效率受环境温度影响,环境温度越高效率越高,低于-20℃则自动转为纯电动模式运行。

下图为环境25℃,工质蒸发温度0℃空气能双向能效动力循环的模拟工况:

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空气能双向能效动力循环利用了二氧化碳制冷剂从环境吸热蒸发产生的冷热双向能效(制冷剂从环境吸热对环境而言是制冷,是环境增加的吸热能力)。制冷剂从环境吸热获得的内能经膨胀机转化为功为汽车提供动力,蒸发制冷量作为冷却介质进入冷凝器。

膨胀机膨胀产生的低温(膨胀机制冷量)冷量作为嵌套的以环境为高温热源的有机郎肯循环ORC的低温热源,与有机郎肯循环透平尾气换热,ORC循环介质得以向膨胀机制冷量放热冷凝。

与ORC换热温度回升的气相工质经压缩机进入冷凝器向蒸发制冷量放热冷凝,液化后的高温、高压液态二氧化碳经膨胀机减压为低温、低压进入蒸发器,进入下一循环。

空气能双向能效动力循环有2个吸热、2个放热,1个压缩、1个节流过程,膨胀机1、2以及嵌套的ORC循环共3个动力输出源为汽车提供动力,循环过程压缩机主要起推送和阻止工质逆向流动而非压缩作用所需能量较少,系统综合能效比达到12以上。尽管存在换热损失,超级汽车的能耗比较传统汽车动力装置仍然可以大幅减少80%。

上述工况,二氧化碳蒸发温度0℃对应压力为3.5兆帕,这个压力相当于小型气动汽车发动机工作压力的3.5倍,可以满足较大功率气动汽车的动力需求。

超级汽车的最大亮点在于超级节能,相同功率能耗比较任何其它形式的汽车低40%-80%,研发成功必将引发一场能源技术革命,冲击和颠覆现有的汽车(船)市场。




责任编辑: 李颖

标签: 新能源 超级节能汽车 空气能 双向能效 动力循环

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