專利名稱：利用液化天然氣冷量的汽車空調(diào)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)保型汽車、新型制冷方法和能量高效利用的技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用液化天然氣冷量的汽車空調(diào)器。
液化天然氣(LNG)存儲(chǔ)在110K的低溫下，進(jìn)入汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒時(shí)必須復(fù)熱到常溫狀態(tài)。LNG在汽化至常態(tài)過(guò)程中將釋放出大量的冷能，其制冷量約為0.1kWh/L。若將該部分冷能合理回收，作為車載制冷系統(tǒng)的冷源，如用于小型汽車空調(diào)、大客車?yán)涔?、冷藏運(yùn)輸車等，就可以省去現(xiàn)有的機(jī)械壓縮汽車制冷系統(tǒng)。既節(jié)省了能量，減少了機(jī)械噪聲污染，又可杜絕因CFCs制冷劑泄漏所造成的大氣環(huán)境破壞。因而實(shí)現(xiàn)能量綜合利用的液化天然氣汽車(LNGV)是一種真正意義上的綠色環(huán)保汽車。
國(guó)際上使用LNGV的發(fā)展趨勢(shì)十分明顯，我國(guó)尚在起步。LNG汽車的冷量回收技術(shù)國(guó)際上也剛剛起步，目前德國(guó)Messer公司已研制出首臺(tái)LNG冷藏運(yùn)輸車，試驗(yàn)效果良好。目前尚未檢索到其他有關(guān)該方面的技術(shù)資料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種利用液化天然氣冷量的汽車空調(diào)器，利用液化天然氣冷量制備LNG汽車空調(diào)器，是申請(qǐng)人首次提出的思想，并經(jīng)過(guò)兩年的深入研究，證實(shí)了其可行性。本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想內(nèi)容在于1)液化天然氣汽車(LNGV)替代壓縮天然氣汽車(CNGV)可以解決汽車有效載重少，連續(xù)行駛里程短，安全可靠性低等不足。
2)將LNG復(fù)熱時(shí)釋放的冷量用于汽車空調(diào)，實(shí)現(xiàn)冷能回收、優(yōu)化配置和節(jié)能的創(chuàng)新思想。
3)LNG汽車空調(diào)器取代傳統(tǒng)的氟里昂蒸汽壓縮式汽車空調(diào)器，一方面減少了該部分的設(shè)備投資，消除了壓縮機(jī)工作時(shí)的噪聲污染，減少了故障率和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)；另一方面從根本上杜絕了CFCs工質(zhì)泄漏問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年泄漏到大氣中的CFC達(dá)5.2萬(wàn)噸，其中75％是汽車空調(diào)泄漏的，CFC的泄漏嚴(yán)重破壞了大氣臭氧層，惡化了人類生存的環(huán)境。LNG汽車空調(diào)器的誕生將從根本上改變這一現(xiàn)狀。
4)液化天然氣汽車(LNGV)與LNG汽車空調(diào)器的組合達(dá)到了節(jié)能與環(huán)保的雙重目的。這一研究成果將為汽車制冷空調(diào)的發(fā)展提供新的思路。
5)解決了其中許多關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低溫工況下的大溫差換熱。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了利用液化天然氣冷量的汽車空調(diào)器，所采用的技術(shù)方案具有以下特點(diǎn)該汽車空調(diào)器包括液化天然氣杜瓦、盤管換熱器、套管換熱器、板翅換熱器、乙二醇蓄冷箱、風(fēng)冷換熱器、液體泵。與空調(diào)器相關(guān)的設(shè)備有冷凝器、冷卻水箱、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)。盤管換熱器設(shè)置在液化天然氣杜瓦內(nèi)，并與套管換熱器和板翅換熱器連通；盤管式換熱器實(shí)現(xiàn)液態(tài)天然氣和氣態(tài)天然氣的換熱，套管式換熱器實(shí)現(xiàn)冷熱氣體間的換熱，板翅式換熱器實(shí)現(xiàn)氣態(tài)天然氣和乙二醇液體的換熱。乙二醇通過(guò)蓄冷箱與風(fēng)冷換熱器連通并經(jīng)過(guò)液體泵返回板翅換熱器實(shí)現(xiàn)循環(huán)；復(fù)熱后的天然氣通過(guò)板翅換熱器、水冷凝器后進(jìn)入汽車發(fā)動(dòng)機(jī)；汽車發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量通過(guò)冷卻水進(jìn)行冷卻，即蓄水箱中的冷卻水經(jīng)泵進(jìn)入冷凝器，與天然氣進(jìn)行換熱，溫度降低后回到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷卻，溫度升高后再回到蓄水箱，如此反復(fù)循環(huán)。
本發(fā)明的其他一些特點(diǎn)是，所述液化天然氣杜瓦為多層真空屏蔽。
所述板翅換熱器為五股流九通道換熱器。
所述盤管換熱器為3個(gè)銅管繞制的盤管換熱器。
本發(fā)明的利用液化天然氣冷量的汽車空調(diào)器，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果表明，液化天然氣冷量回收汽車空調(diào)系統(tǒng)具有較好的瞬態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。瞬態(tài)工況下，空氣換熱器出風(fēng)溫度在幾分鐘內(nèi)就可以達(dá)到空調(diào)的送風(fēng)溫度(15℃以下)。穩(wěn)態(tài)工況時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)冷量的回收率保持在80％以上，實(shí)際冷量回收在2.5kW左右，可以滿足小型汽車的冷負(fù)荷需求。蓄冷效果也保持穩(wěn)定，當(dāng)LNG停止供應(yīng)，蓄冷系統(tǒng)繼續(xù)供冷10分鐘后，蓄冷劑溫度僅升高2℃左右。因此，LNG汽車空調(diào)器具有良好的冷量平衡和調(diào)節(jié)功能。
五具體實(shí)施例方式
為了更清楚地理解本發(fā)明，以下結(jié)合附圖和原理對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
參見

圖1，圖1是本發(fā)明的原理示意圖；依本發(fā)明的技術(shù)方案，利用液化天然氣冷量的汽車空調(diào)器包括液化天然氣杜瓦1、盤管換熱器2、套管換熱器3、板翅換熱器4、乙二醇蓄冷箱5、風(fēng)冷換熱器6、液體泵7、過(guò)濾器8、以及相關(guān)的冷凝器9、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)10、冷卻水箱11、低溫閥門12、低壓儲(chǔ)氣罐13；盤管換熱器2設(shè)置在液化天然氣杜瓦1內(nèi)，并與套管換熱器3和板翅換熱器4連通；板翅換熱器4還分別與乙二醇蓄冷箱5、液體泵7相連通；乙二醇蓄冷箱5與風(fēng)冷換熱器6連通并經(jīng)過(guò)液體泵7連接板翅換熱器4；板翅換熱器4還通過(guò)冷凝器9、低壓儲(chǔ)氣罐13與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)10連通；汽車發(fā)動(dòng)機(jī)10產(chǎn)生的熱量通過(guò)冷卻水進(jìn)行冷卻，即冷卻水經(jīng)冷卻水箱11進(jìn)入冷凝器9與天然氣進(jìn)行換熱，溫度降低后進(jìn)入汽車發(fā)動(dòng)機(jī)10中，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷卻，再回到冷卻水箱11，如此反復(fù)循環(huán)。
液化天然氣杜瓦1為多層真空屏蔽的低溫儲(chǔ)液罐。
板翅換熱器4為五股流九通道換熱器。
盤管換熱器2為三個(gè)銅管繞制成的盤管換熱器。
本發(fā)明的工作原理是，LNG杜瓦內(nèi)裝的三個(gè)銅管繞制的盤管換熱器通過(guò)低溫閥與LNG充注罐連接。板翅換熱器為五股流九通道換熱器，其中四股走天然氣(四個(gè)通道)，一股走乙二醇溶液(五個(gè)通道)，天然氣與乙二醇通道相間排列。汽車啟動(dòng)時(shí)，LNG杜瓦閥門打開，杜瓦上部的飽和氣態(tài)天然氣在系統(tǒng)壓力作用下進(jìn)入低溫套管換熱器中，與逆流的溫度較高的天然氣進(jìn)行熱交換，釋放部分冷量，溫度升高，然后進(jìn)入板翅換熱器中，與逆流的乙二醇溶液再次進(jìn)行熱交換，溫度進(jìn)一步升至0℃以上。從板翅換熱器中出來(lái)的溫度較高的天然氣返回LNG杜瓦，在低溫盤管換熱器中與管外的LNG進(jìn)行熱交換，使LNG氣化，同時(shí)自身溫度降低，成為低溫氣體，再進(jìn)入板翅換熱器中換熱，如此進(jìn)行兩次循環(huán)。在第三次循環(huán)中，天然氣從板翅換熱器出來(lái)后進(jìn)入低溫套管換熱器，用來(lái)加熱來(lái)自低溫杜瓦的低溫飽和天然氣，而后回到LNG杜瓦，在低溫盤管換熱器中進(jìn)一步冷卻，再次進(jìn)入板翅換熱器中，與分流的乙二醇溶液進(jìn)行熱交換。這樣，從LNG杜瓦中出來(lái)的低溫飽和天然氣經(jīng)過(guò)多次降溫和升溫，再通過(guò)低壓儲(chǔ)氣罐，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)冷凝器，經(jīng)冷卻水的進(jìn)一步加熱，而后送入發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室。
乙二醇溶液在板翅換熱器中被冷卻后攜帶冷量進(jìn)入蓄冷槽，這些溫度較低的乙二醇溶液經(jīng)泵加壓進(jìn)入空氣換熱器中，冷卻來(lái)自車廂的回風(fēng)，溫度升高后的乙二醇溶液經(jīng)過(guò)濾器再次進(jìn)入板翅換熱器，與低溫天然氣進(jìn)行熱交換獲取冷量。在空氣換熱器中被降溫后的回風(fēng)與新風(fēng)按比例混合后送回車廂，達(dá)到空調(diào)之作用。
汽車運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)空氣換熱器出風(fēng)溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)乙二醇的流量，以滿足不同行車工況下的冷負(fù)荷。為避免長(zhǎng)時(shí)間停車后，車廂內(nèi)空氣降溫速度太慢，從板翅換熱器出來(lái)的低溫乙二醇溶液可不經(jīng)過(guò)蓄冷槽而直接經(jīng)泵送入空氣換熱器。當(dāng)系統(tǒng)供冷超過(guò)冷負(fù)荷要求時(shí)，再將低溫乙二醇溶液送入蓄冷槽將過(guò)余量了儲(chǔ)藏，以滿足汽車怠速停車時(shí)的空調(diào)冷負(fù)荷。
本發(fā)明的特點(diǎn)是(1)采用二次冷媒間接換熱方式，解決了LNG直接冷卻環(huán)境空氣而出現(xiàn)結(jié)霜、換熱器堵塞以及冷空氣溫度過(guò)低不利于人體健康等情況。
二次冷媒的選擇乙二醇是一種無(wú)毒環(huán)保型載冷劑，乙二醇溶液的凝固點(diǎn)低(不同濃度的乙二醇水溶液凝固點(diǎn)有所差異)，比熱容大，對(duì)人體無(wú)危害。因此，可以根據(jù)設(shè)計(jì)的需要選擇適當(dāng)?shù)娜芤簼舛?。較大的比熱容對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效換熱和能量的蓄存具有重要的作用。
冷媒狀態(tài)參數(shù)的確定空調(diào)對(duì)人體適宜的送風(fēng)溫度是5℃左右，考慮到風(fēng)冷卻器的換熱溫差和乙二醇的凝固點(diǎn)參數(shù)，取乙二醇的最低溫度在-10℃～-5℃之間。
(2)采用多次冷量提取法將LNG的氣化潛熱轉(zhuǎn)化為氣體顯熱，避免了二次冷媒的凍結(jié)問(wèn)題多次冷量提取法的優(yōu)點(diǎn)是把LNG的氣化過(guò)程完全在LNG杜瓦中完成，即把相變換熱器放置在低溫杜瓦中，而從杜瓦出來(lái)的則完全是氣態(tài)天然氣。氣態(tài)天然氣可以控制在較高的溫度，避免在主換熱器中凍結(jié)乙二醇溶液，造成流動(dòng)受阻。
(3)采用以低溫多股流板翅式換熱器為主、盤管式和套管式換熱器為輔的復(fù)合換熱系統(tǒng)，解決了換熱溫差不均勻的問(wèn)題。
低溫多股流板翅式換熱器的作用是把LNG的冷量通過(guò)氣態(tài)天然氣傳遞給二次冷媒乙二醇，通過(guò)乙二醇冷卻空氣實(shí)現(xiàn)空調(diào)的目的。板翅式換熱器比面積大、體積小、高效緊湊，而且多股流體可以同時(shí)換熱，各通道流體的換熱溫差通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，達(dá)到優(yōu)化傳熱的效果。在這里實(shí)現(xiàn)了五通道流體換熱，四股天然氣與一股乙二醇溶液之間換熱。
盤管式換熱器是相變換熱器，通過(guò)氣態(tài)的天然氣加熱液體達(dá)到氣化的目的。盤管式換熱器放置在LNG杜瓦中，不增加額外的空間，從外面也觀察不到。這里布置了三個(gè)小型盤管式換熱器。
套管式換熱器在這里主要作用是通過(guò)回流的高溫氣體加熱來(lái)自杜瓦的LNG飽和蒸氣，提升進(jìn)入主換熱器冷氣體的入口溫度，避免乙二醇的凍結(jié)。套管式換熱器十分緊湊，不占據(jù)額外的空間，而且還有保冷的效果。
(3)利用二次冷媒作為蓄冷劑，合理匹配其儲(chǔ)量與流量，實(shí)現(xiàn)冷量的調(diào)節(jié)和儲(chǔ)備，以滿足不同行車工況下冷量的需求。
一般說(shuō)來(lái)，發(fā)動(dòng)機(jī)消耗天然氣燃料越多，LNG所提供的冷量也越大。而不同的季節(jié)和不同的行車工況下，汽車艙內(nèi)對(duì)空調(diào)冷量的需求并不因消耗燃料不同變化。冷量的提高和需求不一定完全一致，有時(shí)可能產(chǎn)生矛盾。蓄冷的思想就是解決冷量供需矛盾的一種手段，蓄冷系統(tǒng)將過(guò)剩的冷量暫時(shí)儲(chǔ)備下來(lái)，在需要大冷量時(shí)釋放。本發(fā)明提供了一個(gè)以乙二醇為蓄冷劑的蓄冷箱，通過(guò)乙二醇大的比熱容和一定量的乙二醇溶液實(shí)現(xiàn)蓄冷。乙二醇溶液量的選擇影響到蓄冷能力，也影響到啟動(dòng)時(shí)的制冷降溫速度。溶液量越大，蓄冷能力越強(qiáng)，而啟動(dòng)降溫速度越慢。本發(fā)明采用自動(dòng)控制下的流量旁通來(lái)協(xié)調(diào)這一矛盾。
采用本發(fā)明對(duì)于排氣量為1.8L的小型汽車來(lái)說(shuō)，按20L/100km(約30L/h)的LNG的耗量計(jì)算，LNG能夠提供冷量3kW?？紤]到系統(tǒng)的跑冷損失和復(fù)熱不完全損失，回收的冷量可以用于小型汽車的空調(diào)。
參見圖2、3；圖2、3是本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖和照片；實(shí)驗(yàn)測(cè)定環(huán)境溫度25-30℃，打開LNG儲(chǔ)罐頂部的低溫放氣閥后，30分鐘內(nèi)低溫?fù)Q熱系統(tǒng)中各點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化及蓄冷空調(diào)系統(tǒng)中冷媒乙二醇的溫度隨時(shí)間的變化進(jìn)行了測(cè)試；同時(shí)，對(duì)5分鐘內(nèi)空氣換熱器冷風(fēng)出口溫度、停車后冷媒與空氣換熱器冷風(fēng)出口溫度隨時(shí)間的變化也進(jìn)行了測(cè)試，以模擬汽車啟動(dòng)、停車時(shí)的瞬態(tài)性能。此外，還對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)空氣換熱器冷風(fēng)出口及蓄冷劑乙二醇進(jìn)出板翅換熱器溫度隨時(shí)間的變化進(jìn)行了測(cè)試，同時(shí)還對(duì)不同環(huán)境溫度下，系統(tǒng)回收的冷量進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果表明，液化天然氣冷量回收汽車空調(diào)系統(tǒng)具有較好的瞬態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。瞬態(tài)工況下，空氣換熱器出風(fēng)溫度在幾分鐘內(nèi)就可以達(dá)到空調(diào)的送風(fēng)溫度(15℃以下)。穩(wěn)態(tài)工況時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)冷量的回收率保持在80％以上，實(shí)際冷量回收在2.5kW左右，可以滿足小型汽車的冷負(fù)荷需求。蓄冷效果也保持穩(wěn)定，當(dāng)LNG停止供應(yīng)，蓄冷系統(tǒng)繼續(xù)供冷10分鐘后，蓄冷劑溫度僅升高2℃左右。因此，LNG汽車空調(diào)器具有良好的冷量平衡和調(diào)節(jié)功能。
權(quán)利要求
1.一種利用液化天然氣冷量的汽車空調(diào)器，其特征在于，該汽車空調(diào)器包括，液化天然氣杜瓦1、盤管換熱器2、套管換熱器3、板翅換熱器4、乙二醇蓄冷箱5、風(fēng)冷換熱器6、液體泵7和過(guò)濾器8，相關(guān)設(shè)備有冷凝器9、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)10、冷卻水箱11、低溫閥門12、低壓儲(chǔ)氣罐13；盤管換熱器2設(shè)置在液化天然氣杜瓦1內(nèi)，并與套管換熱器3和板翅換熱器4連通；板翅換熱器4還分別與乙二醇蓄冷箱5、液體泵7相連通；乙二醇蓄冷箱5與風(fēng)冷換熱器6連通并經(jīng)過(guò)液體泵7返回板翅換熱器4；板翅換熱器4還通過(guò)冷凝器9、低壓儲(chǔ)氣罐13與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)10連通；汽車發(fā)動(dòng)機(jī)10產(chǎn)生的熱量通過(guò)冷卻水進(jìn)行冷卻，即冷卻水經(jīng)冷卻水箱11進(jìn)入冷凝器9，與天然氣進(jìn)行換熱，溫度降低后回到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)10中，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷卻，溫度升高后回到蓄水箱11，如此反復(fù)循環(huán)。
2.如權(quán)利要求1所述的利用液化天然氣冷量的汽車空調(diào)器，其特征在于，所述液化天然氣杜瓦1為多層真空屏蔽的低溫儲(chǔ)液罐。
3.如權(quán)利要求1所述的利用液化天然氣冷量的汽車空調(diào)器，其特征在于，所述板翅換熱器4為五股流九通道換熱器。
4.如權(quán)利要求1所述的利用液化天然氣冷量的汽車空調(diào)器，其特征在于，所述盤管換熱器2為三個(gè)銅管繞制的盤管換熱器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用液化天然氣冷量的汽車空調(diào)器，包括液化天然氣杜瓦、盤管換熱器、套管換熱器、板翅換熱器、蓄冷箱、風(fēng)冷換熱器等，同時(shí)與汽車的冷凝器、冷卻水箱、發(fā)動(dòng)機(jī)直接相連。盤管換熱器設(shè)置在液化天然氣杜瓦內(nèi)，與套管換熱器和板翅換熱器連通；板翅換熱器還分別與乙二醇蓄冷箱、液體泵連通；乙二醇蓄冷箱與風(fēng)冷換熱器連通，并經(jīng)過(guò)液體泵返回板翅換熱器；板翅換熱器還通過(guò)低壓儲(chǔ)氣罐、冷凝器與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連通；汽車發(fā)動(dòng)機(jī)采用水冷，冷卻水由冷卻水箱進(jìn)入冷凝器，換熱降溫后，再吸收發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量，而后回到冷卻水箱，如此反復(fù)循環(huán)。本發(fā)明有較好的瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能，并具有較好的冷量平衡和調(diào)節(jié)功能，可以滿足小型汽車的冷負(fù)荷需求。
文檔編號(hào)F25D3/10GK1431107SQ03114438
公開日2003年7月23日 申請(qǐng)日期2003年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月17日
發(fā)明者厲彥忠, 王強(qiáng), 陳曦, 王江 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)