CN102261761A - 蓄能型发动机尾气余热溴化锂空调及其发生器单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蓄能型发动机尾气余热溴化锂空调及其发生器单元，其发生器单元的低温级热管的蒸发段用于设置在发动机排气管内，低温级热管的冷凝段设置在低压发生器中，高温级热管的蒸发段用于设置在发动机排气管内并位于低温级热管的蒸发段的前方，高温级热管的加热冷凝段设置在高压发生器内，高温级热管的储能冷凝段设置在一相变储能器内，相变储能器包括内部设置有将高温级热管的储能冷凝段包设在其内的相变保温材料的壳体，相变储能器与高压发生器内还设置有补偿热管，补偿热管的蒸发段设置在相变储能器的相变保温材料内，补偿热管的冷凝段设在高压发生器内，低压发生器内设有串设在高压发生器的蒸汽出口与冷凝器的蒸汽进口之间的散热装置。

Description

蓄能型发动机尾气余热溴化锂空调及其发生器单元

技术领域

本发明涉及一种利用发动机尾气中携带的余热为热源的溴化锂空调，同时本发明还涉及该溴化锂空调的发生器单元。

背景技术

随着我国汽车工业的发展，车辆消耗的能源与日俱增，车辆的节能也越来越受关注。然而，以现有的内燃发动机指标评估，燃油中60%左右的能量没有得到有效利用，绝大部分以余热的形式排放到大气中，造成了巨大的经济损失和严重的环境污染,若能将这部分余热二次利用具有重大的节能环保意义。

由于汽车的结构紧凑、发动机排气量相对较小，车用发动机余热的利用相对于大型工业设备余热回收来说难度更大。目前，发动机余热利用的研究成果主要体现在余热发电、余热做功和余热驱动制冷空调系统方面。利用发动机余热发电是一个很好的节能途径,温差发电模块安装在发动机的排气管上，可将余热直接转换为电能，但是需要寻找高优值的热电材料，以提高发电功率和转换效率，并存在效率低、成本高、结构不够紧凑等问题，尚难商品化。最近提出了一种利用发动机余热做功的新型热力循环系统，可同时回收发动机的尾气余热、 冷却水余热和润滑油余热，具有更好的节能潜力，但是需要对发动机机体和冷却系统进行改造，并为实现Kalina循环和有机Rankine循环 ( Organic Rankine Cycle, ORC)耦合增加更多的装置，也使得系统更为复杂，该技术仍处于理论研究阶段。

当前发动机余热驱动制冷空调系统的研究成果最为丰富，利用发动机余热制冷不仅可以降低排入大气中的尾气温度，避免现有汽车制冷剂泄露引起的温室效应以及对臭氧层的破坏，对环境起到更有效地保护作用，而且可以大大节约汽车的能耗，避免了汽车行驶时开空调出现动力不足等问题。而发动机余热制冷方法一般有吸附式制冷和吸收式制冷两种。吸附式制冷系统运动部件少，可靠性较高，国内以上海交通大学为主对固体吸附制冷关键技术进行了大量的研究工作，并取得重大进展，先后开发了应用于内燃机车司机室空调、渔船制冰、汽车空调等余热驱动的吸附式制冷系统，但与吸收式制冷系统相比，其系统COP较低。

吸收式制冷是利用吸收器中的浓溶液吸收来自蒸发器的制冷剂气体，在发生器中通过高温加热稀溶液，使制冷剂蒸发至冷凝器的一种循环制冷方式。吸收式制冷可以利用废热做发生器的加热源，其单级系统的效率可以达到0.5左右，较吸附式制冷的效率高，且制冷剂比较环保。Mostafavi和Agnew对汽车发动机尾气余热驱动的吸收式制冷系统进行了理论研究与可行性分析;通用汽车公司的Munther Salim研究了利用发动机缸套余热驱动的吸收式制冷系统，并对采用吸收式制冷系统代替压缩式制冷系统做了比较分析；国内上海交通大学制冷与低温研究所、肖尤明和周东一等用改造后的汽车发动机汽缸体、汽缸盖及汽缸套作为吸收式制冷系统中的溶液发生器，将溴化锂溶液直接充注在汽车发动机冷却空腔内，吸收发动机冷却热量驱动溴化锂吸收式制冷系统。虽然解决了发动机低速运转时热量不足的问题，但是带来了热量回收系统的复杂和可靠性问题，并且需要对原车的发动机冷却系统进行改造。

发明内容

本发明的目的在于提供一种蓄能型发动机尾气余热溴化锂空调，以解决现有技术中利用发动机余热驱动溴化锂空调时为了解决发动机低速运转时热量不足的问题，而对发动机的冷却系统进行改造时带来的热量回收系统复杂、可靠性差的问题，同时本发明的目的还在于提供一种蓄能型发动机尾气余热溴化锂空调的发生器单元。

为实现上述目的，本发明的蓄能型发动机尾气余热溴化锂空调采用如下技术方案：一种蓄能型发动机尾气余热溴化锂空调，包括发生器单元，发生器单元包括高压发生器、低压发生器以及高温级热管和低温级热管，低温级热管的蒸发段用于设置在发动机排气管内，低温级热管的冷凝段设置在低压发生器中，所述的高温级热管包括蒸发段以及并联设置的储能冷凝段和加热冷凝段，高温级热管的蒸发段用于设置在发动机排气管内并位于低温级热管的蒸发段的前方，高温级热管的加热冷凝段设置在高压发生器内，高温级热管的储能冷凝段设置在一相变储能器内，相变储能器包括内部设置有将高温级热管的储能冷凝段包设在其内的相变保温材料的壳体，相变储能器与高压发生器内还设置有补偿热管，补偿热管的蒸发段设置在相变储能器的相变保温材料内，补偿热管的冷凝段设置在高压发生器内，高压发生器与低压发生器的蒸汽出口均与冷凝器的蒸汽进口相连，低压发生器内设置有串设在高压发生器的蒸汽出口与冷凝器的蒸汽进口之间的蒸汽输送管上的为低压发生器内的溶液加热的散热装置，冷凝器的液体出口经过膨胀阀与蒸发器的液体进口相连，蒸发器的蒸汽出口与吸收器的蒸汽进口连通，吸收器的浓溶液进口通过溶液泵与高压发生器和低压发生器的浓溶液出口相连，吸收器的稀溶液出口通过循环泵与高压发生器和低压发生器的稀溶液进口相连。

高压发生器的浓溶液出口处的浓溶液与其稀溶进口处的稀溶液通过高温溶液换热器换热，低压发生器的浓溶液出口处的浓溶液与其稀溶进口处的稀溶液通过低温溶液换热器换热。

所述的散热装置为冷凝蒸发器，高压发生器的蒸汽出口与冷凝蒸发器的进口相连，冷凝器的蒸汽进口与冷凝蒸发器的出口相连。

所述的冷凝蒸发器的出口处设置有为由冷凝蒸发器出来的蒸汽降压使其压力与由低压发生器内出来的蒸汽压力相等的节流装置。

所述的高压发生器、低压发生器以及吸收器中均设置有蜂窝状填料。

本发明的蓄能型发动机尾气余热溴化锂空调的发生器单元采用如下技术方案：

一种蓄能型发动机尾气余热溴化锂空调的发生器单元，包括高压发生器、低压发生器以及高温级热管和低温级热管，低温级热管的蒸发段用于设置在发动机排气管内，低温级热管的冷凝段设置在低压发生器中，所述的高温级热管包括蒸发段以及并联设置的储能冷凝段和加热冷凝段，高温级热管的蒸发段用于设置在发动机排气管内并位于低温级热管的蒸发段的前方，高温级热管的加热冷凝段设置在高压发生器内，高温级热管的储能冷凝段设置在一相变储能器内，相变储能器包括内部设置有将高温级热管的储能冷凝段包设在其内的相变保温材料的壳体，相变储能器与高压发生器内还设置有补偿热管，补偿热管的蒸发段设置在相变储能器的相变保温材料内，补偿热管的冷凝段设置在高压发生器内，低压发生器内设置有串设在高压发生器的蒸汽出口与冷凝器的蒸汽进口之间的蒸汽输送管上的为低压发生器内的溶液加热的散热装置。

所述的散热装置为冷凝蒸发器。

所述的高压发生器与低压发生器内均设置有蜂窝状填料。

本发明的发生器单元的高温级热管具有并联设置的储能冷凝段和加热冷凝段，加热冷凝段用于为高压发生器加热，使得高压发生器产生制冷剂蒸汽，储能冷凝段设置在相变储能器的相变保温材料内，用于加热相变保温材料并将能量储存在相变保温材料中，而高温级热管的蒸发段设置在发动机的排气管中，吸收尾气中的热量并将热量传递给储能冷凝段和加热冷凝段。相变保温材料中还设置有补偿热管的蒸发段，补偿热管的冷凝段设置在高压发生器中，当发动机处于怠速等工况排气较少，高温级热管的蒸发段无法由尾气中获得足够的热量时，相变储能器作为高压发生器的热源，通过其内的相变保温材料将补偿热管的蒸发段加热并通过补偿热管的冷凝段加热高压发生器内的溶液，继续驱动高压发生器工作，进而驱动溴化锂空调运行，对车内环境温度进行调节，在不改造发动机的冷却系统的前提下，改善了空调系统的启动性能并使得空调系统的运行平稳。

另外，在发动机的排气管内于高温级热管的蒸发段的后侧设置有低温级热管的蒸发段，低温级热管的冷凝段位于低压发生器内对低压发生器内的溶液进行加热，并且高压发生器的蒸汽出口上设置的蒸汽输送管穿过低压发生器，来自高压发生器的蒸汽具有较高的饱和温度，这部分蒸汽通过低压发生器并对低压发生器内的溶液进行加热，为低压发生器提供热源，这样，低压发生器的热源除了低压级热管还有高压发生器的蒸汽，使得低压发生器的热源丰富。两级蒸发器的使用有效的利用了发动机尾气中的热量，可以最大限度的提高空调制冷效率，可以提供较多的冷量。

本发明的高压发生器、低压发生器以及吸收器中均设置有蜂窝状填料，蜂窝状填料对液体的流动具有阻碍作用，可以约束溶液，减小液面的波动，防止汽车行驶在颠簸路面上时由于液面倾斜而导致的空调系统无法正常工作的问题出现。

附图说明

图1是本发明的蓄能型发动机尾气余热溴化锂空调的系统原理图。

具体实施方式

一种蓄能型发动机尾气余热溴化锂空调的实施例，在图1中，包括发生器单元，发生器单元包括高压发生器23以及高温级热管，高温级热管包括一个蒸发段24和一个储能冷凝段与一个加热冷凝段20，高温级热管的储能冷凝段与加热冷凝段20并联设置，也就是，高温级热管的储能冷凝段与加热冷凝段分别与高温级热管的蒸发段24相连。高温级热管的蒸发段24用于设置在发动机的排气管27中，高温级热管的加热冷凝段20设置在高压发生器23内为高压发生器23提供热源，高温级热管的储能冷凝段设置在一个相变储能器内，相变储能器的壳体内设置有相变保温材料，高温级热管的储能冷凝段设置在相变保温材料内并加热相变保温材料将能量储存在相变保温材料内，相变保温材料内还设置有一个补偿热管的蒸发段25，补偿热管的冷凝段26设置在高压发生器23内。发生器单元还包括低压发生器13与低温级热管，低温级热管的蒸发段19用于设置在发动机的排气管内并且位于高温级热管的蒸发段的后方，低温级热管的冷凝段16设置在低压发生器13内。低压发生器13内还设置有冷凝蒸发器17，冷凝蒸发器17串联设置在高压发生器的蒸汽出口与冷凝器的蒸汽进口之间的蒸汽输送管道上。冷凝蒸发器17的进口与高压发生器23的蒸汽出口21相连，冷凝蒸发器17的出口通过节流装置9与冷凝器12的蒸汽进口相连，这样来自高压发生器23的蒸汽就可以通过冷凝蒸发器17对低压发生器13内的溶液进行加热了。节流装置9设置在冷凝蒸发器17的出口处，为由冷凝蒸发器17出来的蒸汽降压使其压力与由低压发生器中出来的蒸汽的压力一样。由低压发生器13的蒸汽出口15出来的蒸汽在节流装置9的后方与由节流装置9出来的蒸汽汇合后进入冷凝器12的蒸汽进口。进入冷凝器12的蒸汽在冷却水的冷却下冷凝为液体并由冷凝器12的液体出口流出进入膨胀阀11，在膨胀阀11的作用下成为过冷液体并进入蒸发器8的液体进口，过冷的液体在蒸发器8中吸热蒸发成为蒸汽并将冷量传递给风扇1带来的空气，将空气冷却使其变成冷空气送到驾驶室中。由蒸发器8中出来蒸汽会进入吸收器5中。高压发生器23中经蒸发后的浓溶液由高压发生器23的浓溶液出口2中流出，同样，低压发生器13中经过蒸发后的浓溶液也会由低压发生器13的浓溶液出口14中流出，来自高压发生器23的浓溶液与来自低压发生器13的浓溶液汇合后在溶液泵7的作用下进入吸收器5中将来自蒸发器8中的蒸汽吸收变成稀溶液；吸收器5中的稀溶液由吸收器5的稀溶液出口出来经过循环泵6加压后分为两路，其中一路进入高压发生器23的稀溶液进口22，另一路进入低压发生器13的稀溶液进口18。进入高压发生器23的稀溶液在高温级热管的加热冷凝段的加热下生成蒸汽并变为浓溶液进入下一个制冷循环，同样，进入低压发生器13的稀溶液在低温级热管的冷凝段与来自高压发生器的蒸汽的加热下生成蒸汽并变为浓溶液进入下一个制冷循环。

在工作中，冷凝器12与吸收器5均需要冷却水进行冷却，在本实施例中这两个部件的冷却水设置在了一个水循环系统中，由冷凝器出来的冷却水经过散热后进入吸收器，由吸收器出来的冷却水进入了冷凝器中，冷凝器与吸收器的冷却水在冷却水泵10的作用下进行循环。

作为上述技术方案的改进，高压发生器23的浓溶液出口2处的浓溶液与高压发生器23的稀溶进口22处的稀溶液通过高温溶液换热器3换热，也就是说，由高压发生器23的浓溶液出口2出去的浓溶液进入高温溶液换热器3中，来自吸收器的稀溶液在进入高压发生器23之前进入高温溶液换热器中，在高温溶液换热器3中，浓溶液将热量传递给稀溶液；同样，低压发生器13的浓溶液出口14处的浓溶液与低压发生器13的稀溶进口18处的稀溶液通过低温溶液换热器4换热，也就是说，由低压发生器13的浓溶液出口14出去的浓溶液进入低温溶液换热器4中，来自吸收器5的稀溶液在进入低压发生器13之前进入低温溶液换热器4中，在低温溶液换热器4中，浓溶液将热量传递给稀溶液。

作为上述实施例的改进，高压发生器、低压发生器以及吸收器中均设置有蜂窝状填料。

一种蓄能型发动机尾气余热溴化锂空调的发生器单元的实施例，在图1中，该发生器单元即为上述蓄能型发动机尾气余热溴化锂空调的发生器单元，两者的组成相同，本实施例的发生器单元也包括高压发生器、低压发生器以及给高压发生器与低压发生器加热的高温级热管和低温级热管。同样，高温级热管也包括蒸发段以及并联设置的储能冷凝段与加热冷凝段，高温级热管的蒸发段设置在发动机的排气管中吸收尾气中蕴含的热量，高温级热管的加热冷凝段设置在高压发生器内用于加热高压发生器内的溶液，高温级热管的储能冷凝段设置在相变储能器内用于加热相变储能器内的相变保温材料，将热量储存在相变保温材料内。补偿热管的蒸发段设置在相变储能器的相变保温材料内，吸收相变保温材料内的热量并将热量传递给处于高压发生器内的补偿热管的冷凝段，在发动机的尾气量不足时，补偿热管的冷凝段辅助加热高压发生器内的溶液，保证空调系统能够稳定运行。由高压发生器中出来的蒸汽也经过低压发生器并通过冷凝蒸发器对低压发生器内的液体进行加热，以保证低压发生器可以正常的工作。

同样，本实施例中的高压发生器与低压发生器内也设置有蜂窝状填料，这种形态的填料可以将液体储藏在一个个的蜂窝内，防止液体随意流，保证液面不会剧烈波动，保证在路面不平，车辆颠簸时空调系统也能正常工作。

上述实施例中的相变储能器中的相变保温材料为现有材料，在市场上就可以买到，常用的相变保温材料有KNO₃和KOH，这类材料在有热量得失时会产生相变，可以用于储存热量。上述实施例中采用的相变保温材料为复合定型相变材料，是KNO₃、KOH和石墨粉的组合。

上述实施例中冷凝器与吸收器合用一个冷却水系统，冷凝器与吸收器也可以分别设置冷却水系统。

上述实施例中的节流装置可以是节流阀。

上述实施例中的蒸发器为空冷式的，也就是直接采用空气对蒸发器进行冷却得到冷空气，也可以设置水冷式的蒸发器，采用冷却水对蒸发器进行冷却得到冷冻水，再利用冷冻水制冷，水冷式的蒸发器效率更高，但需要设置冷冻水系统。

上述实施例中的散热装置为冷凝蒸发器，来自高压发生器的蒸汽通过冷凝蒸发器为低压发生器内的溶液加热，这里的散热装置也可以是蛇形管或是普通的盘管。

在工作时，高温级热管的蒸发段将发动机尾气中蕴含的热量吸收并传递给分别通过上升管与下降管和高温级热管的蒸发段相连的高温级热管的储能冷凝段与加热冷凝段，高温级热管的加热冷凝段与储能冷凝段并联设置。储能冷凝段加热相变保温材料将热量储存在相变储能器内，加热冷凝段加热高压发生器内的溴化锂溶液使溴化锂溶液产生蒸汽变为浓溶液。同样，低温级热管的蒸发段由从高温级热管的蒸发段流出的低温尾气中吸收热量，将热量传给低温级热管的冷凝段，低温级热管的冷凝段加热低压发生器内的溴化锂溶液使溴化锂溶液产生蒸汽变为浓溶液。由高压发生器出来的蒸汽经过设置在低压发生器内的冷凝蒸发器，由于高压发生器内的压力较高，产生出来的蒸汽的饱和温度较高，高温蒸汽会通过冷凝蒸发器将热量传递低压发生器内的溴化锂溶液充当低压发生器的热源。高压发生器以及低压发生器产生的蒸汽都传输到冷凝器中，在冷却水的冷却下，来自两个发生器的蒸汽将热量传递给冷却水冷凝成饱和液体，由冷凝器出来的液体经过膨胀阀成为低压饱和液体，低压饱和液体在蒸发器中蒸发将冷量传递给风扇吹来的空气，将空气变为冷空气。从蒸发器出来的低温蒸汽进入吸收器被来自两个发生器的浓溶液吸收，吸收了蒸汽的浓溶液变为稀溶液并返回两个发生器中，返回发生器的稀溶液被再次加热产生蒸汽并重新生成浓溶液进入下一个循环。当发动机处于怠速状态，尾气量较少时，补偿热管的冷凝段就会将来自相变保温材料的热量传递给高压发生器中的溶液，而高压发生器中产生的蒸汽将加热低压发生器中的溶液，从而保证空调系统的正常工作。当空调为水冷式的空调时，低压饱和液体在蒸发器中蒸发会将冷量传递给作为载冷剂的冷冻水，将作为载冷剂的冷冻水的温度降低，通过风机吹拂内部循环着作为载冷剂的冷冻水的风机盘管就可以得到温度较低的冷空气。

Claims (8)

1.一种蓄能型发动机尾气余热溴化锂空调，包括发生器单元，发生器单元包括高压发生器、低压发生器以及高温级热管和低温级热管，低温级热管的蒸发段用于设置在发动机排气管内，低温级热管的冷凝段设置在低压发生器中，其特征在于：所述的高温级热管包括蒸发段以及并联设置的储能冷凝段和加热冷凝段，高温级热管的蒸发段用于设置在发动机排气管内并位于低温级热管的蒸发段的前方，高温级热管的加热冷凝段设置在高压发生器内，高温级热管的储能冷凝段设置在一相变储能器内，相变储能器包括内部设置有将高温级热管的储能冷凝段包设在其内的相变保温材料的壳体，相变储能器与高压发生器内还设置有补偿热管，补偿热管的蒸发段设置在相变储能器的相变保温材料内，补偿热管的冷凝段设置在高压发生器内，高压发生器与低压发生器的蒸汽出口均与冷凝器的蒸汽进口相连，低压发生器内设置有串设在高压发生器的蒸汽出口与冷凝器的蒸汽进口之间的蒸汽输送管上的为低压发生器内的溶液加热的散热装置，冷凝器的液体出口经过膨胀阀与蒸发器的液体进口相连，蒸发器的蒸汽出口与吸收器的蒸汽进口连通，吸收器的浓溶液进口通过溶液泵与高压发生器和低压发生器的浓溶液出口相连，吸收器的稀溶液出口通过循环泵与高压发生器和低压发生器的稀溶液进口相连。

2.根据权利要求1所述的蓄能型发动机尾气余热溴化锂空调，其特征在于：高压发生器的浓溶液出口处的浓溶液与其稀溶进口处的稀溶液通过高温溶液换热器换热，低压发生器的浓溶液出口处的浓溶液与其稀溶进口处的稀溶液通过低温溶液换热器换热。

3.根据权利要求2所述的蓄能型发动机尾气余热溴化锂空调，其特征在于：所述的散热装置为冷凝蒸发器，高压发生器的蒸汽出口与冷凝蒸发器的进口相连，冷凝器的蒸汽进口与冷凝蒸发器的出口相连。

4.根据权利要求3所述的蓄能型发动机尾气余热溴化锂空调，其特征在于：所述的冷凝蒸发器的出口处设置有为由冷凝蒸发器出来的蒸汽降压使其压力与由低压发生器内出来的蒸汽压力相等的节流装置。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的蓄能型发动机尾气余热溴化锂空调，其特征在于：所述的高压发生器、低压发生器以及吸收器中均设置有蜂窝状填料。

6.一种蓄能型发动机尾气余热溴化锂空调的发生器单元，包括高压发生器、低压发生器以及高温级热管和低温级热管，低温级热管的蒸发段用于设置在发动机排气管内，低温级热管的冷凝段设置在低压发生器中，其特征在于：所述的高温级热管包括蒸发段以及并联设置的储能冷凝段和加热冷凝段，高温级热管的蒸发段用于设置在发动机排气管内并位于低温级热管的蒸发段的前方，高温级热管的加热冷凝段设置在高压发生器内，高温级热管的储能冷凝段设置在一相变储能器内，相变储能器包括内部设置有将高温级热管的储能冷凝段包设在其内的相变保温材料的壳体，相变储能器与高压发生器内还设置有补偿热管，补偿热管的蒸发段设置在相变储能器的相变保温材料内，补偿热管的冷凝段设置在高压发生器内，低压发生器内设置有串设在高压发生器的蒸汽出口与冷凝器的蒸汽进口之间的蒸汽输送管上的为低压发生器内的溶液加热的散热装置。

7.根据权利要求6所述的蓄能型发动机尾气余热溴化锂空调，其特征在于：所述的散热装置为冷凝蒸发器。

8.根据权利要求6或7所述的蓄能型发动机尾气余热溴化锂空调，其特征在于：所述的高压发生器与低压发生器内均设置有蜂窝状填料。

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