CN102423997A - 利用液化天然气汽化潜热实现过冷的汽车的空调系统 - Google Patents

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梁媛媛
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B40/00—Subcoolers, desuperheaters or superheaters
    • F25B40/02—Subcoolers

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Abstract

本发明公开了一种利用液化天然气汽化潜热实现过冷的汽车空调系统，在冷凝器和膨胀阀之间加入一个LNG过冷器，使冷凝器出口的制冷剂和低温的LNG进行换热，LNG吸热变成常温的气态进入发动机燃烧室；制冷剂过冷度增加，然后通过膨胀阀节流后得到低温的流体，降低制冷剂干度，从而提高了制冷量，同时可以降低冷凝压力，减少了压缩机耗功，提高了系统的COP。LNG过冷器采用LNG管道缠绕制冷剂管道的方法，结构简单，容易生产，而且系统运行高效、稳定。

Description

利用液化天然气汽化潜热实现过冷的汽车的空调系统
技术领域
本发明涉及一种汽车的空调系统，尤其涉及一种利用液化天然气汽化潜热实现过冷的汽车的空调系统。
背景技术
随着汽车工业的不断发展，液化天然气作为一种清洁能源在汽车上应用。天然气的主要成分是甲烷，甲烷的常压沸点是-162℃，临界温度为-84℃，临界压力为4.1MPa。液化天然气简称LNG，是指在常压下、温度为-162度的液体天然气，储存于车载绝热气瓶中。液化天然气(LNG)燃点高、安全性能强，适于长途运输和储存。LNG进入汽车发动机燃烧时必须在常温状态，在气化过程中会放出大量的冷量。对于现有情况，储液瓶中的液态天然气在输送至发动机的管路中与空气换热，提高温度后，再进入发动机，这就造成了冷量的浪费。若将该部分冷量合理回收，利用其来增加制冷剂在冷凝器出口的过冷度，就可以提高制冷系统的制冷量和能效比(COP)，减少压缩机耗功。
经对现有技术的文献检索发现，中国实用新型CN201646314U，名称为“液化天然气汽车空调系统”，及中国专利申请CN1431107A，名称为“利用液态天然气冷量的汽车空调器”中，都有利用LNG冷量的想法，但是他们都是采用直接利用LNG的冷量，并不使用现在广泛使用的汽车空调系统，需要重新设计车载空调系统，且受燃烧所需的天然气流量的限制，产生的制冷量有限，不足以提供车内所需的冷量。
目前车用液化天然气汽车应用趋势十分明显，我国尚在起步阶段，对于LNG汽车冷量的回收技术国际上也刚刚起步。利用回收的冷量来服务于车载空调系统，可以降低能量的消耗，有着利国利民的重要的意义。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种汽车空调系统，利用低温的液化天然气的气化潜热，增加制冷剂出口过冷度，从而提高制冷系统的制冷量和效率。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种汽车空调系统，利用低温的液化天然气的气化潜热，增加制冷剂出口过冷度，从而提高制冷系统的制冷量和效率。
为实现上述目的，本发明提供了一种利用液化天然气汽化潜热实现过冷的汽车空调系统，所述汽车利用液化天然气为能源，所述空调系统包括串联在一起的压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器，还包括液化天然气过冷器；其中，串联的管路中充注有制冷剂；从所述蒸发器出来的所述制冷剂形成的过热气体，经过所述压缩机后成为高温高压的气体，再进入所述冷凝器，与外界空气换热进行冷却；从所述冷凝器的出口流出的所述制冷剂为过冷的液体或者两相流，再经过所述液化天然气过冷器，与所述液化天然气过冷器中低温的液化天然气流体进行换热，增加所述制冷剂的过冷度，并且，所述液化天然气吸热后成为常温的气态进入所述汽车的发动机燃烧室；然后，所述制冷剂通过所述膨胀阀节流后得到低温的流体，在所述蒸发器内与汽车内的空气换热。
较佳地，所述空调系统为对现有的汽车空调系统进行改装而成，所述改装为在现有的汽车空调系统的冷凝器和现有的汽车空调系统的膨胀阀之间加入一个所述液化天然气过冷器。
较佳地，所述制冷剂的充注量低于所述现有的汽车空调系统。
较佳地，所述液化天然气过冷器为缠绕在所述冷凝器与所述膨胀阀之间的所述串联的管路上的所述液化天然气的流动管路。
本发明与现有技术相比的优点包括：
1)增大了制冷系统的制冷量，减少了压缩机的耗功，提高了系统的COP。提供了一种高效节能的汽车空调系统。
2)可以降低充注量，减少了制冷剂的泄露，减轻了制冷剂泄露引起的环境问题。
3)只需要对现有的汽车空调系统简单改造，系统运行稳定、高效。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的制冷系统的循环装置图；
图2是使用液态天然气的制冷循环的log p-h图及比较。
具体实施方式
汽车空调冷凝器内制冷剂与外部的空气换热冷凝。冷凝器出口一般为过冷的液体或两相流，当过冷度过小或制冷剂处于两相流时，经膨胀阀节流后的制冷剂往往干度较大，这样就减少了制冷量。所以一般希望膨胀阀前的制冷剂有较大的过冷度。因此可以在冷凝器的出口处增加一个过冷器，降低制冷剂进入膨胀阀的温度和焓值，以降低蒸发器入口的干度，从而提高制冷量。
随着能源形势的日渐紧张，提高制冷系统的效率是当务之急。而直接回收液态天然气的蒸发冷量可能不足以满足汽车的冷量需求，因此考虑回收这部分冷量来冷却冷凝器的出口制冷剂。相当于在普通的制冷系统中加入一个高效的过冷器。过冷器中为制冷剂与液态天然气之间换热。以此达到提高制冷系统效率。
由于常压下的液态天然气为-162℃，温度很低，一般冷凝器的制冷剂出口温度为40℃～50℃。在过冷器中，LNG可极大的降低制冷剂的温度，起到了非常好的过冷效果。因此可以适当的降低冷凝压力，这样可以提高容积效率并且降低压缩机耗功。同时还可以适当的减少制冷系统的充注量，从可以降低制冷剂的泄漏量，对解决温室效应问题有着重要的意义。
如图1所示，整个使用LNG的过冷器制冷装置主要由5个部件组成，包括压缩机10，冷凝器20，LNG过冷器30，膨胀阀40，蒸发器50。从蒸发器出来的过热气体，经过压缩机后变成高温高压的气体，再进入冷凝器，与空气换热进行冷却。冷凝器出口为过冷的液体或者两相流，再进入LNG过冷器，与低温的LNG流体进行换热，增加制冷剂的过冷度。然后通过膨胀阀节流后得到低温的流体，在蒸发器内与车内空气换热。
现在参照图2，对使用LNG的汽车空调系统的优势进行说明。
在没有LNG过冷器的空调装置中，循环图为1-2-3-4-1，。加上LNG过冷器后，循环图为1-2′-3′-4′-1，可以降低压缩机的压缩比，压缩机出口点由2变为2′，这样就降低了压缩机的耗功。这样虽然降低了冷凝压力，会降低汽车空调冷凝器中制冷剂的冷凝温度，但是制冷剂在流过冷凝器后，还要流过LNG过冷器，与温度低达-162℃的液态天然气换热。在过冷器中，液化天然气与制冷剂之间的温差可以达到200℃.即使过冷器不需要使用高效的换热器，也可以达到很好的冷却制冷剂的效果。进入膨胀阀的状态点由状态点3变为3′，膨胀阀出口的干度降低，制冷量相应增大，从而COP也增大。在冷负荷不变的情况下，可以降低制冷剂流量，从而进一步的降低了压缩机耗功。由于压缩机是由发动机带动的，压缩机功率降低，从而降低了对汽车发动机的影响，汽车的性能也得到了提高。
如图1所示，整个装置只需要对现有的汽车空调系统进行简单的改装即可。在冷凝器和膨胀阀之间加入一个LNG过冷器。
冷凝器出口的制冷剂和低温的LNG进行换热，LNG吸热变成常温的气态进入发动机燃烧室。同时，从蒸发器出来的过热气体，经过压缩机后变成高温高压的气体，再进入冷凝器，与空气换热进行冷却。冷凝器出口为过冷的液体或者两相流，再进入LNG过冷器，与低温的LNG流体进行换热，增加了制冷剂的过冷度。然后通过膨胀阀节流后得到低温的流体，在蒸发器内与车内空气进行换热。
预计可回收的冷量在2～3KW之间。而在LNG换热的过程中，天然气的温度变化很大，要从-162℃变化到20℃以上，温升在180℃左右。这就给换热器的设计带来了很大的难题，所以设计了比较简单易行的过冷器。将LNG的流动管路缠绕在冷凝器与膨胀阀的管路上，这样设计不仅结构简单，容易生产，而且系统运行稳定，也保证了天然气和制冷剂换热的接触面积，可以达到较好的换热效果。LNG的流动管路在冷凝器的出口处的缠绕长度根据换热效率和成本因素综合设计。选用导热效率高的管材时可以采用较短的缠绕长度，反之，可以选择较长的缠绕长度。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种利用液化天然气汽化潜热实现过冷的汽车的空调系统，所述汽车利用液化天然气为能源，所述空调系统包括串联在一起的压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器，还包括液化天然气过冷器；其中，串联的管路中充注有制冷剂；
从所述蒸发器出来的所述制冷剂形成的过热气体，经过所述压缩机后成为高温高压的气体，再进入所述冷凝器，与外界空气换热进行冷却；
从所述冷凝器的出口流出的所述制冷剂为过冷的液体或者两相流，再经过所述液化天然气过冷器，与所述液化天然气过冷器中低温的液化天然气流体进行换热，增加所述制冷剂的过冷度，并且，所述液化天然气吸热后成为常温的气态进入所述汽车的发动机燃烧室；
然后，所述制冷剂通过所述膨胀阀节流后得到低温的流体，在所述蒸发器内与汽车内的空气换热。
2.如权利要求1所述的汽车的空调系统，其特征在于，所述空调系统为对现有的汽车空调系统进行改装而成，所述改装为在现有的汽车空调系统的冷凝器和现有的汽车空调系统的膨胀阀之间加入一个所述液化天然气过冷器。
3.如权利要求2所述的汽车的空调系统，其特征在于，所述制冷剂的充注量低于所述现有的汽车空调系统。
4.如权利要求1所述的汽车的空调系统，其特征在于，所述液化天然气过冷器为缠绕在所述冷凝器与所述膨胀阀之间的所述串联的管路上的所述液化天然气的流动管路。
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