CN100434292C - 利用液化天然气冷量的汽车空调器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用液化天然气冷量的汽车空调器，包括液化天然气杜瓦、盘管换热器、套管换热器、板翅换热器、蓄冷箱、风冷换热器等，同时与汽车的冷凝器、冷却水箱、发动机直接相连。盘管换热器设置在液化天然气杜瓦内，与套管换热器和板翅换热器连通；板翅换热器还分别与乙二醇蓄冷箱、液体泵连通：乙二醇蓄冷箱与风冷换热器连通，并经过液体泵返回板翅换热器；板翅换热器还通过低压储气罐、冷凝器与汽车发动机连通；汽车发动机采用水冷，冷却水由冷却水箱进入冷凝器，换热降温后，再吸收发动机产生的热量，而后回到冷却水箱，如此反复循环。本发明有较好的瞬态、稳态性能，并具有较好的冷量平衡和调节功能，可以满足小型汽车的冷负荷需求。

Description

利用液化天然气冷量的汽车空调器

技术领域

本发明属于环保型汽车、新型制冷方法和能量高效利用的技术领域，涉及一种利用液化天然气冷量的汽车空调器。

背景技术

随着汽车工业的不断发展，天然气作为一种清洁低污染的汽车代用燃料已得到广泛应用。由于天然气的标准沸点低(110K左右)，目前较多的应用常温压缩天然气(CNG)方式，即将天然气压缩，存储在20MPa的高压罐内(可以容纳240倍标准工况下体积的气体)。由于高压储罐壁厚、车载重，存在安全性能差、一次行驶里程短等缺点，很大程度上制约了天然气汽车的发展。液化天然气(LNG)汽车弥补了CNG汽车的许多不足，它以常压低温液态存储的方式代替压缩存储方式，存储密度是标准工况下气体的660倍，因而存储体积大大减小，而能量储存密度增大，一次充灌连续行驶里程长，而且车载容器压力低，重量轻，安全方便，是一种更具发展优势的汽车燃料。

液化天然气(LNG)存储在110K的低温下，进入汽车发动机燃烧时必须复热到常温状态。LNG在汽化至常态过程中将释放出大量的冷能，其制冷量约为0.1kWh/L。若将该部分冷能合理回收，作为车载制冷系统的冷源，如用于小型汽车空调、大客车冷柜、冷藏运输车等，就可以省去现有的机械压缩汽车制冷系统。既节省了能量，减少了机械噪声污染，又可杜绝因CFCs制冷剂泄漏所造成的大气环境破坏。因而实现能量综合利用的液化天然气汽车(LNGV)是一种真正意义上的绿色环保汽车。

国际上使用LNGV的发展趋势十分明显，我国尚在起步。LNG汽车的冷量回收技术国际上也刚刚起步，目前德国Messer公司已研制出首台LNG冷藏运输车，并申请了专利(EP0788908A2，公开日：1997.8.13)，将来自低温储箱LNG直接送入食品冷藏箱的上部，通过管式热交换器冷却循环空气，气化后的天然气通过管道引出冷藏箱，送入发动机，并利用内置的风机驱动空气实现强制循环，达到了快速降温，均匀冷藏箱内的温度场的目的，该系统完全利用LNG的冷量满足了冷藏运输要求，并取代了常规的压缩制冷装置，但它仅限于提供食品冷藏运输的制冷，因此，对温度和冷量没有严格的控制要求。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种利用液化天然气冷量的汽车空调器，利用液化天然气冷量制备LNG汽车空调器，是申请人首次提出的思想，并经过两年的深入研究，证实了其可行性。本发明的设计思想内容在于：

1)液化天然气汽车(LNGV)替代压缩天然气汽车(CNGV)可以解决汽车有效载重少，连续行驶里程短，安全可靠性低等不足。

2)将LNG复热时释放的冷量用于汽车空调，实现冷能回收、优化配置和节能的创新思想。

3)LNG汽车空调器取代传统的氟里昂蒸汽压缩式汽车空调器，一方面减少了该部分的设备投资，消除了压缩机工作时的噪声污染，减少了故障率和运行维护费；另一方面从根本上杜绝了CFCs工质泄漏问题。据统计，全世界每年泄漏到大气中的CFC达5.2万吨，其中75％是汽车空调泄漏的，CFC的泄漏严重破坏了大气臭氧层，恶化了人类生存的环境。LNG汽车空调器的诞生将从根本上改变这一现状。

4)液化天然气汽车(LNGV)与LNG汽车空调器的组合达到了节能与环保的双重目的。这一研究成果将为汽车制冷空调的发展提供新的思路。

5)解决了其中许多关键技术，实现了低温工况下的大温差换热。

为了实现上述目的，本发明提出了利用液化天然气冷量的汽车空调器，所采用的技术方案具有以下特点：包括液化天然气杜瓦、和相关的冷凝器、冷却水箱以及汽车发动机，还包括有盘管换热器、套管换热器、板翅换热器、乙二醇蓄冷箱、风冷换热器、液体泵和过滤器、低温阀门和低压储气罐；

盘管换热器设置在液化天然气杜瓦内，并与套管换热器和板翅换热器连通；盘管式换热器实现液态天然气和气态天然气的换热，套管式换热器实现冷热气体间的换热，板翅式换热器实现气态天然气和乙二醇液体的换热。乙二醇通过蓄冷箱与风冷换热器连通并经过液体泵返回板翅换热器实现循环；复热后的天然气通过板翅换热器、水冷凝器后进入汽车发动机；汽车发动机产生的热量通过冷却水进行冷却，即蓄水箱中的冷却水经泵进入冷凝器，与天然气进行换热，温度降低后回到汽车发动机中，对发动机进行冷却，温度升高后再回到蓄水箱，如此反复循环。

本发明的其他一些特点是，所述液化天然气杜瓦为多层真空屏蔽。

所述板翅换热器为五股流九通道换热器。

所述盘管换热器为3个铜管绕制的盘管换热器。

本发明的利用液化天然气冷量的汽车空调器，经实验室测试结果表明，液化天然气冷量回收汽车空调系统具有较好的瞬态性能和稳态性能。瞬态工况下，空气换热器出风温度在几分钟内就可以达到空调的送风温度(15℃以下)。稳态工况时，整个系统冷量的回收率保持在80％以上，实际冷量回收在2.5kW左右，可以满足小型汽车的冷负荷需求。蓄冷效果也保持稳定，当LNG停止供应，蓄冷系统继续供冷10分钟后，蓄冷剂温度仅升高2℃左右。因此，LNG汽车空调器具有良好的冷量平衡和调节功能。

附图说明

图1是本发明的原理示意图；图中的符号表示：1、LNG杜瓦，2、盘管换热器，3、套管换热器，4、板翅换热器，5、乙二醇蓄冷箱，6、风冷换热器，7、液体泵，8、过滤器，9、冷凝器，10、汽车发动机，11、冷却水箱，12、低温阀门，13、低压储气罐；

图2是本发明的实验系统示意图；图中的符号表示：1、LNG杜瓦，2、盘管换热器，3、套管换热器，4、板翅式换热器，5、乙二醇蓄冷箱，6、风冷换热器，7、液体泵，8、过滤器，9、冷凝器，10、汽车发动机，11、冷却水箱，12、低温阀门，13、低压储气罐，14、LNG充注罐。

图3是本发明的实验系统外观图片。

具体实施方式

为了更清楚地理解本发明，以下结合附图和原理对本发明作进一步的详细说明。

参见图1，图1是本发明的原理示意图；依本发明的技术方案，利用液化天然气冷量的汽车空调器包括：液化天然气杜瓦1、盘管换热器2、套管换热器3、板翅换热器4、乙二醇蓄冷箱5、风冷换热器6、液体泵7、过滤器8、以及相关的冷凝器9、汽车发动机10、冷却水箱11、低温阀门12、低压储气罐13；

盘管换热器2设置在液化天然气杜瓦1内，并与套管换热器3和板翅换热器4连通；板翅换热器4还分别与乙二醇蓄冷箱5、液体泵7相连通；乙二醇蓄冷箱5与风冷换热器6连通并经过液体泵7连接板翅换热器4；板翅换热器4还通过冷凝器9、低压储气罐13与汽车发动机10连通；

汽车发动机10产生的热量通过冷却水进行冷却，即冷却水经冷却水箱11进入冷凝器9与天然气进行换热，温度降低后进入汽车发动机10中，对发动机进行冷却，再回到冷却水箱11，如此反复循环。

液化天然气杜瓦1为多层真空屏蔽的低温储液罐。

板翅换热器4为五股流九通道换热器。

盘管换热器2为三个铜管绕制成的盘管换热器。

本发明的工作原理是，LNG杜瓦内装的三个铜管绕制的盘管换热器通过低温阀与LNG充注罐连接。板翅换热器为五股流九通道换热器，其中四股走天然气(四个通道)，一股走乙二醇溶液(五个通道)，天然气与乙二醇通道相间排列。汽车启动时，LNG杜瓦阀门打开，杜瓦上部的饱和气态天然气在系统压力作用下进入低温套管换热器中，与逆流的温度较高的天然气进行热交换，释放部分冷量，温度升高，然后进入板翅换热器中，与逆流的乙二醇溶液再次进行热交换，温度进一步升至0℃以上。从板翅换热器中出来的温度较高的天然气返回LNG杜瓦，在低温盘管换热器中与管外的LNG进行热交换，使LNG气化，同时自身温度降低，成为低温气体，再进入板翅换热器中换热，如此进行两次循环。在第三次循环中，天然气从板翅换热器出来后进入低温套管换热器，用来加热来自低温杜瓦的低温饱和天然气，而后回到LNG杜瓦，在低温盘管换热器中进一步冷却，再次进入板翅换热器中，与分流的乙二醇溶液进行热交换。这样，从LNG杜瓦中出来的低温饱和天然气经过多次降温和升温，再通过低压储气罐，进入发动机冷凝器，经冷却水的进一步加热，而后送入发动机的燃烧室。

乙二醇溶液在板翅换热器中被冷却后携带冷量进入蓄冷槽，这些温度较低的乙二醇溶液经泵加压进入空气换热器中，冷却来自车厢的回风，温度升高后的乙二醇溶液经过滤器再次进入板翅换热器，与低温天然气进行热交换获取冷量。在空气换热器中被降温后的回风与新风按比例混合后送回车厢，达到空调之作用。

汽车运行温速度太慢，从板翅换热器出来的低温乙二醇溶液可不经过蓄冷槽而直过程中，根据空气换热器出风温度自动调节乙二醇的流量，以满足不同行车工况下的冷负荷。为避免长时间停车后，车厢内空气降接经泵送入空气换热器。当系统供冷超过冷负荷要求时，再将低温乙二醇溶液送入蓄冷槽将过余量了储藏，以满足汽车怠速停车时的空调冷负荷。

本发明的特点是：

(1)采用二次冷媒间接换热方式，解决了LNG直接冷却环境空气而出现结霜、换热器堵塞以及冷空气温度过低不利于人体健康等情况。

二次冷媒的选择：乙二醇是一种无毒环保型载冷剂，乙二醇溶液的凝固点低(不同浓度的乙二醇水溶液凝固点有所差异)，比热容大，对人体无危害。因此，可以根据设计的需要选择适当的溶液浓度。较大的比热容对于实现高效换热和能量的蓄存具有重要的作用。

冷媒状态参数的确定：空调对人体适宜的送风温度是5℃左右，考虑到风冷却器的换热温差和乙二醇的凝固点参数，取乙二醇的最低温度在-10℃～-5℃之间。

(2)采用多次冷量提取法将LNG的气化潜热转化为气体显热，避免了二次冷媒的冻结问题

多次冷量提取法的优点是：把LNG的气化过程完全在LNG杜瓦中完成，即把相变换热器放置在低温杜瓦中，而从杜瓦出来的则完全是气态天然气。气态天然气可以控制在较高的温度，避免在主换热器中冻结乙二醇溶液，造成流动受阻。

(3)采用以低温多股流板翅式换热器为主、盘管式和套管式换热器为辅的复合换热系统，解决了换热温差不均匀的问题。

低温多股流板翅式换热器的作用是把LNG的冷量通过气态天然气传递给二次冷媒乙二醇，通过乙二醇冷却空气实现空调的目的。板翅式换热器比面积大、体积小、高效紧凑，而且多股流体可以同时换热，各通道流体的换热温差通过合理的设计，达到优化传热的效果。在这里实现了五通道流体换热，四股天然气与一股乙二醇溶液之间换热。

盘管式换热器是相变换热器，通过气态的天然气加热液体达到气化的目的。盘管式换热器放置在LNG杜瓦中，不增加额外的空间，从外面也观察不到。这里布置了三个小型盘管式换热器。

套管式换热器在这里主要作用是通过回流的高温气体加热来自杜瓦的LNG饱和蒸气，提升进入主换热器冷气体的入口温度，避免乙二醇的冻结。套管式换热器十分紧凑，不占据额外的空间，而且还有保冷的效果。

(3)利用二次冷媒作为蓄冷剂，合理匹配其储量与流量，实现冷量的调节和储备，以满足不同行车工况下冷量的需求。

一般说来，发动机消耗天然气燃料越多，LNG所提供的冷量也越大。而不同的季节和不同的行车工况下，汽车舱内对空调冷量的需求并不因消耗燃料不同变化。冷量的提高和需求不一定完全一致，有时可能产生矛盾。蓄冷的思想就是解决冷量供需矛盾的一种手段，蓄冷系统将过剩的冷量暂时储备下来，在需要大冷量时释放。本发明提供了一个以乙二醇为蓄冷剂的蓄冷箱，通过乙二醇大的比热容和一定量的乙二醇溶液实现蓄冷。乙二醇溶液量的选择影响到蓄冷能力，也影响到启动时的制冷降温速度。溶液量越大，蓄冷能力越强，而启动降温速度越慢。本发明采用自动控制下的流量旁通来协调这一矛盾。

采用本发明对于排气量为1.8L的小型汽车来说，按20L/100km(约30L/h)的LNG的耗量计算，LNG能够提供冷量3kW。考虑到系统的跑冷损失和复热不完全损失，回收的冷量可以用于小型汽车的空调。

参见图2、3；图2、3是本发明的实验系统示意图和图片；

图2中，LNG充注罐14通过低温阀门12给LNG杜瓦1提供液态天然气。盘管换热器2设置在液化天然气杜瓦1内，并与套管换热器3和板翅换热器4连通；板翅换热器4还分别与乙二醇蓄冷箱5、液体泵7相连通；乙二醇蓄冷箱5与风冷换热器6连通并经过液体泵7连接板翅换热器4；板翅换热器4还通过低压储气罐13和冷凝器9与汽车发动机10连通；冷凝器9和汽车发动机10之间还有冷却水箱11；

乙二醇蓄冷箱5的出口通过阀门连接有液体泵7和风冷换热器6及其过滤器8，返回板翅换热器4的另一端。

实验测定环境温度25-30℃，打开LNG储罐顶部的低温放气阀后，30分钟内低温换热系统中各点温度随时间的变化及蓄冷空调系统中冷媒乙二醇的温度随时间的变化进行了测试；同时，对5分钟内空气换热器冷风出口温度、停车后冷媒与空气换热器冷风出口温度随时间的变化也进行了测试，以模拟汽车启动、停车时的瞬态性能。此外，还对系统稳态时空气换热器冷风出口及蓄冷剂乙二醇进出板翅换热器温度随时间的变化进行了测试，同时还对不同环境温度下，系统回收的冷量进行了测试。实验室测试结果表明，液化天然气冷量回收汽车空调系统具有较好的瞬态性能和稳态性能。瞬态工况下，空气换热器出风温度在几分钟内就可以达到空调的送风温度(15℃以下)。稳态工况时，整个系统冷量的回收率保持在80％以上，实际冷量回收在2.5kW左右，可以满足小型汽车的冷负荷需求。蓄冷效果也保持稳定，当LNG停止供应，蓄冷系统继续供冷10分钟后，蓄冷剂温度仅升高2℃左右。因此，LNG汽车空调器具有良好的冷量平衡和调节功能。

Claims (4)

1.一种利用液化天然气冷量的汽车空调器，包括液化天然气杜瓦(1)、和相关的冷凝器(9)、冷却水箱(11)以及汽车发动机(10)，其特征在于，还包括有盘管换热器(2)、套管换热器(3)、板翅换热器(4)、乙二醇蓄冷箱(5)、风冷换热器(6)、液体泵(7)和过滤器(8)、低温阀门(12)和低压储气罐(13)；

盘管换热器(2)设置在液化天然气杜瓦(1)内，并与套管换热器(3)和板翅换热器(4)连通；板翅换热器(4)还分别与乙二醇蓄冷箱(5)、液体泵(7)相连通；乙二醇蓄冷箱(5)与风冷换热器(6)连通并经过液体泵(7)返回板翅换热器(4)；板翅换热器(4)还通过冷凝器(9)、低压储气罐(13)与汽车发动机(10)连通；汽车发动机(10)产生的热量通过冷却水进行冷却，即冷却水经冷却水箱(11)进入冷凝器(9)，与天然气进行换热，温度降低后回到汽车发动机(10)中，对发动机进行冷却，温度升高后回到蓄水箱(11)，如此反复循环。

2.如权利要求1所述的利用液化天然气冷量的汽车空调器，其特征在于，所述液化天然气杜瓦(1)为多层真空屏蔽的低温储液罐。

3.如权利要求1所述的利用液化天然气冷量的汽车空调器，其特征在于，所述板翅换热器(4)为五股流九通道换热器。

4.如权利要求1所述的利用液化天然气冷量的汽车空调器，其特征在于，所述盘管换热器(2)为三个铜管绕制的盘管换热器。

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