CN102198783B - 一种利用液化天然气冷量的汽车空调系统 - 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系统，包括由LNG储液罐、低温阀和低温泵等构成的液化天然气系统；由第三电动三通调节阀、乙二醇储液器、空气换热器和乙二醇溶液泵等构成的乙二醇溶液系统；由乙二醇喷淋罐、第一气液分离器、第二气液分离器和天然气储气罐等构成的直接接触沸腾换热系统和由电动阀、汽车发动机、冷却水箱、冷却水泵、风冷水冷却器等构成的汽车发动机冷却水系统及其连接部件。本发明采用乙二醇溶液作为载冷剂，在乙二醇喷淋罐内采用液化天然气由底部向上喷入和乙二醇溶液从顶部向下喷射的直接接触沸腾换热形式，实现夏季乙二醇溶液的冷量为汽车空调间内空间供冷，冬季为汽车空调间内空间供暖的效果。

Description

一种利用液化天然气冷量的汽车空调系统

技术领域

本发明涉及绿色环保汽车和能量高效回收利用的技术领域，特别涉及一种利用液化天然气冷量的汽车空调系统。

背景技术

汽车空调在给车厢创造了舒适的环境的同时也带来了很多负面影响。目前，汽车空调多采用R134a蒸汽压缩式制冷系统，压缩机由汽车发动机通过连轴系统驱动， 蒸汽压缩式制冷系统不仅消耗汽车发动机的动力，而且容易造成制冷剂的泄漏。液化天然气(Liquified Natural Gas，简称LNG)，主要成分是甲烷，作为一种清洁低污染的汽车代用燃料具有能量存储密度大，一次充灌连续行驶里程长，而且车载容系统压力低，重量轻，安全方便等特点。低压LNG存储在ll0K的低温下，其在汽化至常温过程中将释放出大量的冷能，如果将LNG的冷能回收利用并用于汽车空调，则无需配备单独的压缩式汽车空调制冷系统，节约了汽车空调的耗能，还避免了因制冷剂泄漏造成的环境污染。

中国专利CN1431107公开了一种利用液化天然气冷量的汽车空调器，其特点是：液化天然气的冷量通过一系列的换热系统包括盘管换热强、套管换热系统、板翅换热系统，传给载冷剂乙二醇，载冷剂通过风冷换热系统和空气进行冷量交换，对驾驶室供冷。其缺点是收集LNG冷量的系统太过复杂，同时，它只涉及夏季利用液化天然气的冷量对汽车空调间供冷系统，没有将其与冬季汽车空调间的供暖系统联系起来。

发明内容

基于现有的LNG汽车空调系统存在的问题，本发明专利提出一种利用液化天然气冷量的汽车空调系统，采用乙二醇溶液作为载冷剂，利用天然气与乙二醇溶液不相容的原理，在乙二醇喷淋罐内采用液化天然气由底部喷入和乙二醇溶液从顶部向下喷射的直接接触沸腾换热形式。乙二醇溶液吸收液化天然气冷量，液化天然气在乙二醇喷淋罐内气化升温。本汽车空调系统可以实现不同季节的使用工况：在夏季，乙二醇溶液的冷量为汽车空调间内空间供冷；在冬季，乙二醇溶液的冷量首先冷却汽车发动机的高温冷却水，经过汽车发动机高温冷却水加热后的乙二醇溶液再加热空气，并为汽车空调间内空间供暖。本汽车空调系统通过对电动三通调节阀的开度调节，可以很好的实现对汽车空调间内部环境的温度调节，对于LNG冷量的回收是一种创新性思维。

本发明的技术方案如下：

一种利用液化天然气冷量的汽车空调系统，其特点是该汽车空调系统包括：

液化天然气系统包括LNG储液罐、第一安全阀、低温阀、低温泵和止回阀；

乙二醇溶液系统包括第三电动三通调节阀、乙二醇储液器、空气换热器、乙二醇溶液泵和第二套管式换热器；

直接接触沸腾换热系统包括乙二醇喷淋罐、第二安全阀、第一气液分离器、第二气液分离器和天然气储气罐；

汽车发动机冷却水系统包括电动阀、第一套管式换热器、汽车发动机、冷却水箱、冷却水泵、第一电动三通调节阀、风冷水冷却器和第二电动三通调节阀；

及其连接部件；

上述部件的连接关系如下：

所述的LNG储液罐上部设置第一安全阀，该LNG储液罐通过液化天然气管道经所述的低温阀、所述的低温泵与所述的乙二醇喷淋罐底部相连接，该处的液化天然气管道伸入所述的乙二醇喷淋罐内；所述的乙二醇喷淋罐顶部设置第二安全阀，该乙二醇喷淋罐的天然气输出端通过气态天然气管道经所述的第一气液分离器、天然气储气罐、电动阀与所述的第一套管式换热器的外管入口相连接，该第一套管式换热器的外管出口通过气态天然气管道与所述的汽车发动机相连接，该汽车发动机的冷却水出口通过冷却水管道经所述的冷却水箱、冷却水泵与所述的第一电动三通调节阀的输入端相连接，该第一电动三通调节阀的第一输出端经所述的风冷水冷却器与所述的第一套管式换热器的内管入口相连接，所述的第一套管式换热器的内管出口与所述的第二电动三通调节阀的第一输入端相连，该第二电动三通调节阀的输出端与所述的汽车发动机的冷却水入口管路相连接，所述的第一电动三通调节阀的第二输出端通过冷却水管道与所述的第二套管式换热器的外管入口相连接，该第二套管式换热器的外管出口通过冷却水管道与所述的第二电动三通调节阀的第二输入端相连接；所述的乙二醇喷淋罐的乙二醇输出端通过乙二醇管道经第二气液分离器与所述的第二套管式换热器的内管入口相连接，该第二套管式换热器的内管出口通过乙二醇管道与所述的第三电动三通调节阀输入端相连，该第三电动三通调节阀的第一输出端经所述的乙二醇储液器与所述的空气换热器输入端相连，该第三电动三通调节阀的第二输出端通过乙二醇管道直接与所述的空气换热器输入端相连，该空气换热器的出口经所述的乙二醇溶液泵与所述的乙二醇喷淋罐顶部相连接，该处的乙二醇管道伸入所述的乙二醇喷淋罐内。

本发明采用乙二醇溶液作为载冷剂，利用了天然气与乙二醇溶液不相容的原理，在乙二醇喷淋罐内采用液化天然气由底部喷入和乙二醇溶液从顶部向下喷射的直接接触沸腾换热形式。液化天然气气化为低温气态天然气，同时乙二醇溶液被冷却。低温气态天然气进入发动机的第一套管式换热器，经冷却水进一步加热，而后送入发动机的燃烧室。夏季，通过调节第一电动三通调节阀和第二电动三通调节阀关闭发动机冷却水下回路，来自乙二醇喷淋罐温度较低的乙二醇溶液进入空气换热器中，与汽车空调间回风进行充分的热交换，降温后的回风与新风按比例混合后送回汽车空调间，温度升高后的乙二醇溶液经过乙二醇溶液泵的加压被送入乙二醇喷淋罐与液化天然气进行冷量交换；冬季，通过调节第一电动三通调节阀和第二电动三通调节阀打开发动机冷却水下回路，来自乙二醇喷淋罐温度较低的乙二醇溶液先进入套管式换热系统二中，与发动机冷却水下回路的冷却水进行热交换，降温后的冷却水进入发动机中，对发动机进行冷却，温度升高后的乙二醇溶液再进入空气换热器中，与汽车空调间回风进行充分的热交换，升温后的回风与新风按比例混合后送回汽车空调间，温度降低后的乙二醇溶液经过乙二醇溶液泵的加压被送入乙二醇喷淋罐与液化天然气进行冷量交换。通过对三个电动三通调节阀的开关调节，实现对汽车内部环境的温度调节，如此往复循环。

所述的第一气液分离器和第二气液分离器为不锈钢丝网填充的气液分离器，第一气液分离器作用是防止乙二醇溶液进入天然气储气罐，第二气液分离器的作用是防止天然气进入第二套管式换热器。

在所述的风冷水冷却器和空气换热器外分别设有鼓风机，用以增加空气的对流换热。

在乙二醇喷淋罐内，由底部向上喷入的液化天然气与从顶部向下喷射的乙二醇溶液直接接触可能会在低温LNG排放口处（即乙二醇喷淋罐的天然气输出端）冻结部分乙二醇溶液，为此采取了相应的措施，尽量避免乙二醇溶液冻结低温LNG排放口。措施如下：

（1）液化天然气管道为双层真空低温绝热管，真空夹层充入CO2；

（2）在伸入乙二醇喷淋罐内的液化天然气管道口处安装止回阀，防止乙二醇溶液倒流入液化天然气管道，从而发生冻结管道事故；

（3）在伸入乙二醇喷淋罐内的乙二醇管道口处设有乙二醇溶液喷头，该乙二醇溶液喷头底部呈圆形，中心设有1个第一喷射孔，该第一喷射孔的四周分布有若干个第二喷射孔，该第二喷射孔外侧分布多个第三喷射孔，喷射孔的半径由第一喷射孔到第三喷射孔依次递减。该乙二醇溶液喷头浸入乙二醇溶液中，通过乙二醇溶液的流动避免乙二醇溶液的冻结，同时与液化天然气进行充分的冷量交换。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

（1）在乙二醇溶液喷淋罐内采用液化天然气由底部向上喷射和乙二醇溶液由顶部喷淋的直接接触沸腾换热形式，强化了换热能力，简化了换热系统，降低了生产成本，提高了液化天然气汽车空调系统的反应速度，降低了液化天然气的冷量损失。

（2）可以在一年四季使用，充分利用了汽车发动机冷却水系统和液化天然气气化系统的耦合作用，增强了汽车空调系统的可靠性和实用性。

附图说明

图1是本发明利用液化天然气冷量的汽车空调系统的结构示意图。

图2是本发明本发明利用液化天然气冷量的汽车空调系统中乙二醇溶液喷头的仰视图。

图中：1.LNG储液罐、2.第一安全阀、3.低温阀、4.低温泵、5.乙二醇喷淋罐、6.止回阀、7.第二安全阀、8.第一气液分离器、9.天然气储气罐、10.电动阀、11.第一套管式换热器、12.汽车发动机、13.冷却水箱、14.冷却水泵、15.第一电动三通调节阀、16.风冷水冷却器、17.第二电动三通调节阀、18.第二套管式换热器、19.第二气液分离器、20.第三电动三通调节阀、21.乙二醇储液器、22.空气换热器、23.乙二醇溶液泵、201.乙二醇溶液喷头、202.第一喷射孔、203.第二喷射孔、204.第三喷射孔。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的阐述，但不以此限制本发明的保护范围。

请先参阅图1，图1 是本发明利用液化天然气冷量的新型汽车空调系统的结构示意图。如图所示，一种利用液化天然气冷量的汽车空调系统，其特点是该汽车空调系统包括：

液化天然气系统包括LNG储液罐1、第一安全阀2、低温阀3、低温泵4和止回阀6；

乙二醇溶液系统包括第三电动三通调节阀20、乙二醇储液器21、空气换热器22、乙二醇溶液泵23和第二套管式换热器18；

直接接触沸腾换热系统包括乙二醇喷淋罐5、第二安全阀7、第一气液分离器8、第二气液分离器19和天然气储气罐9；

汽车发动机冷却水系统包括电动阀10、第一套管式换热器11、汽车发动机12、冷却水箱13、冷却水泵14、第一电动三通调节阀15、风冷水冷却器16和第二电动三通调节阀17；

及其连接部件；

上述部件的连接关系如下：

LNG储液罐1上部设置第一安全阀2起过载保护作用，该LNG储液罐1中温度为-163℃左右的液化天然气通过液化天然气管道经低温阀3、低温泵4的加压与乙二醇喷淋罐5底部相连，该处的液化天然气管道伸入乙二醇喷淋罐5底部内，液化天然气管道口设有止回阀6，让液化天然气从底部向上喷射，空气换热器22的出口中为乙二醇溶液通过乙二醇管道经乙二醇溶液泵23加压与乙二醇喷淋罐5顶端相连，该处的乙二醇管道伸入乙二醇喷淋罐5内，乙二醇管道口设有乙二醇溶液喷头让乙二醇溶液从顶部向下喷淋，与由底部向上喷射的液化天然气进行冷量交换，使液化天然气气化为低温气态天然气（-160℃左右），乙二醇溶液降温。

乙二醇喷淋罐5顶部设置第二安全阀7，控制压力不超过规定值，对人体安全和设备运行起重要保护作用。该乙二醇喷淋罐5的天然气输出端中温度为-160℃左右的低温气态天然气通过气态天然气管道经第一气液分离器8、天然气储气罐9、电动阀10与第一套管式换热器11的外管入口相连接，风冷水冷却器16的输出端通过冷却水管道与第一套管式换热系统11的内管入口相连，利用低温气态天然气（-160℃左右）的冷量，通过第一套管式换热器11冷却冷却水，气态天然气升温至0℃左右送入汽车发动机燃烧室，冷却水降温经第二电动三通调节阀17的输出端与汽车发动机12的冷却水入口管道相连接，冷却汽车发动机12，汽车发动机12的冷却水出口通过冷却水管道经冷却水箱13、冷却水泵14加压、第一电动三通调节阀15与风冷水冷却器16的输入端相连接，利用风机作强制对流，对流经风冷水冷却器16的冷却水降温，如此冷却水往复循环。

乙二醇喷淋罐5的乙二醇输出端中低温乙二醇溶液，通过乙二醇管道经第二气液分离器19与所述的第二套管式换热器18的内管入口相连接。夏季，通过调节第一电动三通调节阀15、第二电动三通调节阀17关闭汽车发动机12的下回路冷却水，第二套管式换热器18的内管出口通过乙二醇管道与第三电动三通调节阀20输入端相连，该第三电动三通调节阀20的第一输出端经乙二醇储液器21与空气换热器22输入端相连，第三电动三通调节阀20的第二输出端通过乙二醇管道直接与空气换热器22输入端相连，利用乙二醇储液器21输出的低温乙二醇溶液冷量，通过空气换热器22冷却汽车空调间的回风，降温后的回风与新风按比例混合后送回汽车空调间，温度升高后的乙二醇溶液通过乙二醇管道经乙二醇溶液泵23与乙二醇喷淋罐5顶部相连接，该处乙二醇管道伸入乙二醇喷淋罐5内，使乙二醇溶液从顶部向下喷淋；冬季，通过调节第一电动三通调节阀15和第二电动三通调节阀17打开汽车发动机12的下回路冷却水，利用乙二醇溶液喷淋罐5的乙二醇输出端输出低温乙二醇溶液的冷量，通过第二套管式换热器18冷却第一电动三通调节阀15的第二输出端输出的冷却水，冷却水降温经第二电动三通调节阀17的第二输入端与汽车发动机12的输入端的冷却水管道相连接，冷却汽车发动机12，温度升高后的乙二醇溶液通过乙二醇管道经第三电动三通调节阀20第一输出端经乙二醇储液器21与空气换热器22输入端相连接，第三电动三通调节阀20第二输出端直接与空气换热器22输入端相连接，利用乙二醇储液器21输出的高温乙二醇溶液的热量，通过空气换热器22加热汽车空调间的回风，升温后的回风与新风按比例混合后送回汽车空调间，温度降低后的乙二醇溶液经乙二醇溶液泵23与乙二醇喷淋罐5的乙二醇输入端的乙二醇溶液管道相连接，乙二醇从顶部向下喷淋，如此往复循环。

阴雨天或冬夏季通过电动三通调节阀大小开度的不同，调节汽车发动机系统冷却水上下回路流量分配比例，对汽车空调间冷暖进行调节，可以实现变气候或变季节调节。

汽车运行过程中，根据空气换热器22出风温度自动调节乙二醇溶液的流量，以满足不同行车工况下的冷热负荷。为保证长时间停车汽车发动后空气换热器22出风温度迅速降低（升高），乙二醇溶液可直接送入空气换热器22，而不经过乙二醇储液系统21。当系统供冷（热）超过冷（热）负荷时，可以将乙二醇溶液送入乙二醇储液器21，以满足汽车怠速停车时的空调冷（热）负荷。

本发明的特点是：采用乙二醇溶液作为载冷剂，利用了天然气与乙二醇溶液不相容的原理，在乙二醇喷淋罐内采用液化天然气由底部喷入和乙二醇溶液从顶部向下喷射的直接接触沸腾换热形式。乙二醇溶液吸收液化天然气冷量，液化天然气在乙二醇喷淋罐内气化升温。该系统可以实现不同季节的使用工况：在夏季，乙二醇溶液的冷量为汽车内空间供冷；在冬季，乙二醇溶液的冷量首先冷却汽车发动机的高温冷却水，经过汽车发动机高温冷却水加热后的乙二醇溶液再加热空气，并为汽车内空间供暖。该汽车空调系统通过电动三通调节阀的开度调节，可以很好的实现对汽车内部环境的温度调节。

Claims (5)

1.一种利用液化天然气冷量的汽车空调系统，其特征在于，该汽车空调系统包括：

液化天然气系统包括LNG储液罐（1）、第一安全阀（2）、低温阀（3）、低温泵（4）和止回阀（6）；

乙二醇溶液系统包括第三电动三通调节阀（20）、乙二醇储液器（21）、空气换热器（22）、乙二醇溶液泵（23）和第二套管式换热器（18）；

直接接触沸腾换热系统包括乙二醇喷淋罐（5）、第二安全阀（7）、第一气液分离器（8）、第二气液分离器（19）和天然气储气罐（9）；

汽车发动机冷却水系统包括电动阀（10）、第一套管式换热器（11）、汽车发动机（12）、冷却水箱（13）、冷却水泵（14）、第一电动三通调节阀（15）、风冷水冷却器（16）和第二电动三通调节阀（17）；

及其连接部件；

上述部件的连接关系如下：

所述的LNG储液罐（1）上部设置所述的第一安全阀（2），该LNG储液罐（1）通过液化天然气管道经所述的低温阀（3）、所述的低温泵（4）与所述的乙二醇喷淋罐（5）的底部相连接，该处的液化天然气管道伸入所述的乙二醇喷淋罐（5）内；所述的乙二醇喷淋罐（5）顶部设置第二安全阀（7），该乙二醇喷淋罐（5）的天然气输出端通过气态天然气管道经所述的第一气液分离器（8）、天然气储气罐（9）、电动阀（10）与所述的第一套管式换热器（11）的外管入口相连接，该第一套管式换热器（11）的外管出口通过气态天然气管道与所述的汽车发动机（12）相连接，该汽车发动机（12）的冷却水出口通过冷却水管道经所述的冷却水箱（13）、冷却水泵（14）与所述的第一电动三通调节阀（15）的输入端相连接，该第一电动三通调节阀（15）的第一输出端经所述的风冷水冷却器（16）与所述的第一套管式换热器（11）的内管入口相连接，所述的第一套管式换热器（11）的内管出口与所述的第二电动三通调节阀（17）的第一输入端相连，该第二电动三通调节阀（17）的输出端与所述的汽车发动机（12）的冷却水入口管道相连接，所述的第一电动三通调节阀（15）的第二输出端通过冷却水管道与所述的第二套管式换热器（18）的外管入口相连接，该第二套管式换热器（18）的外管出口通过冷却水管道与所述的第二电动三通调节阀（17）的第二输入端相连接；所述的乙二醇喷淋罐（5）的乙二醇输出端通过乙二醇管道经第二气液分离器（19）与所述的第二套管式换热器（18）的内管入口相连接，该第二套管式换热器（18）的内管出口通过乙二醇管道与所述的第三电动三通调节阀（20）输入端相连，该第三电动三通调节阀（20）的第一输出端经所述的乙二醇储液器（21）与所述的空气换热器（22）输入端相连，该第三电动三通调节阀（20）的第二输出端通过乙二醇管道直接与所述的空气换热器（22）输入端相连，该空气换热器（22）的出口经所述的乙二醇溶液泵（23）与所述的乙二醇喷淋罐（5）顶部相连接，该处的乙二醇管道伸入所述的乙二醇喷淋罐（5）内。

2.如权利要求1所述的利用液化天然气冷量的汽车空调系统，其特征在于，伸入乙二醇喷淋罐（5）内的液化天然气管道口设有止回阀（6），防止乙二醇溶液倒流入液化天然气管道；伸入乙二醇喷淋罐（5）内的乙二醇管道口设有乙二醇溶液喷头（201）。

3.如权利要求2所述的利用液化天然气冷量的汽车空调系统，其特征在于，所述的乙二醇溶液喷头（201）底部呈圆形，中心设有1个第一喷射孔（204），该第一喷射孔（204）的四周分布有若干个第二喷射孔（203），该第二喷射孔外侧分布多个第三喷射孔（202），喷射孔的半径由第一喷射孔到第三喷射孔依次递减。

4.如权利要求1所述的利用液化天然气冷量的汽车空调系统，其特征在于，所述的第一气液分离器和第二气液分离器分别为不锈钢丝网填充的气液分离器。

5.如权利要求1所述的利用液化天然气冷量的汽车空调系统，其特征在于，所述的液化天然气管道为双层真空低温绝热管，真空夹层充入CO₂。

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