CN102679474A - 一种回收液化天然气冷能用于低温送风的汽车空调系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种回收液化天然气(LNG)冷能的汽车空调系统。它主要由三部分构成：与气化器串联布置的LNG冷能回收换热器、用于低温送风的空气换热器和安全保护装置，见附图。本装置在现有LNG汽车燃气供给系统中串联一个同轴套管式换热器，回收LNG气化的冷量供给汽车空调，供冷、供气互不影响；自动控制空气换热器风机转速，实现常规空调送风与低温送风的自动切换，实现用有限的冷量获取最佳的热舒适性；采用防冻、防超压、恒温供气三重安全保护装置，确保可靠制冷、安全供气；本空调系统紧凑实用、安全可靠，不但适用于以LNG为单一燃料的城市公交车、长途运输客车，其原理也完全适用于以LNG为单一燃料的重型卡车和一般汽车。

Description

一种回收液化天然气冷能用于低温送风的汽车空调系统

技术领域

本发明涉及一种回收利用液化天然气气化冷量的汽车空调系统。具体是利用同轴套管式换热器和LNG汽车气化器串联、在闭式循环中通过醇类溶液吸收LNG气化的冷量用于汽车空调。更加具体的是汽车空调为低温送风。

背景技术

受能源紧张和环境保护的影响，天然气汽车已经在城市交通运输车辆中占据了重要的位置。而液化天然气(Liquefied Natural Gas)相对于压缩天然气(Compressed Natural Gas)来讲，作为车用燃料具有能量密度大、存储压力低、不含水分和其他可凝性杂质等诸多优良特性，因此被公认为是一种更加经济、安全和清洁的汽车新能源。目前液化天然气汽车已经在重型卡车、城市公交车和长途运输客车等运营车辆上被较多应用，而LNG作为汽车燃料使用时，需要从-160℃的低温液体膨胀气化到常温气体，在气化过程中会释放较大的冷量，如果能将这部分冷量供给汽车空调，不仅能降低传统汽车空调的冷负荷、减少CFCs制冷剂的使用和泄漏，还能减少燃料消耗，实现能量的综合利用。但检索结果表明，目前尚未看到可直接应用于LNG汽车上的液化天然气冷回收汽车空调产品。

目前现有的LNG冷回收方案大致可分为两大类：直接换热和利用二次冷媒间接换热。前者例如2009年12月授予东风汽车公司的实用新型专利，其中描述了一种利用散热片使LNG与空气进行直接热交换的液化天然气汽车空调装置。后者例如2004年9月授予谢鸿飞的发明专利，其中描述了一种以水作为二次冷媒，在一个开式循环系统中吸收LNG气化时的冷量供给中央空调的方法；2008年8月授予福斯特惠勒(美国)公司的国际专利，其中描述了一种以醇类为介质，在闭路循环系统中利用废热和空气加热器中环境空气的热量对LNG进行气化的方法；2008年11月授予西安交通大学的发明专利，其中描述了一种利用LNG与乙二醇水溶液和LNG自身进行多次热交换，从而实现小温差换热的汽车空调器。

但是，上述LNG冷回收方案如果直接用于汽车空调时都存在不同程度的问题。如果是采取直接换热的冷回收方式，必然会因为大温差换热导致空气中的水蒸气等在换热器表面出现冻结现象，影响换热的可靠性。如果是采用间接换热的冷回收方式，则大都存在设备体积庞大、系统管路复杂、汽车空调所需热负荷与发动机实际用气量、空调实际回收冷量不匹配等问题，难以满足汽车空调热湿负荷大、布置空间有限、抗振性能要求高以及汽车空调必须要与整车内饰协调统一等客观要求。

因此，提供一种能够在各种工况下满足发动机的燃料供给量、最大限度地回收LNG气化时的冷量、能够调节车内温湿度、结构紧凑、安全可靠的液化天然气汽车冷回收空调系统是本发明的技术背景。

发明内容

本发明的目的在于针对重型卡车、城市公交车及长途客运等大中型客货运输车辆，提供了一种利用液化天然气冷量的实用汽车空调系统，它主要满足驾驶室等重点部位的夏季温湿度调节要求。本发明是申请人首次利用LNG为实验介质，设计了LNG汽车冷能回收汽车空调系统，历时一年多的模拟试验、装车试验，证实了该系统的可行性。本发明的设计思想在于：

1.设计了一个低温换热器。它既能高效回收LNG气化的冷量并用于汽车空调快速供冷，而且结构紧凑、运行可靠，通过将壳层内的冰充填率与管道阻力控制在一个合理范围内，避免管道冻结造成循环系统及设备的损坏。

2.为保证各种工况下发动机稳定的运转，设计的冷回收系统应与现有的LNG汽车燃料供气系统相匹配，冷回收系统的安装位置基本不改变原有LNG汽车燃料供气系统的布局。

3.由于汽车正常行驶时所能回收的最大冷能尚不能完全满足载客公交车对空调的热负荷需求。因此，本冷回收汽车空调系统的设计原则是：部分负荷时回收的冷能将首先面向驾驶室等局部重点区域供冷；而大负荷时随着回收的冷能增多，逐步向整个公交车内低温送风，做到合理规划冷量的分配和利用。

4.提出了冷回收装置与LNG气化器串联布置，最大程度减少冷回收系统与发动机燃料供给系统的连接点数量；当冷回收系统发生故障时，保证不会影响发动机燃料系统的供气。整个冷回收系统考虑汽车减振的要求，采用软连接方式，且选用的保温材料都满足车用空调防火阻燃的要求。

为实现上述目的，本发明提出了一种回收液化天然气冷能用于低温送风的汽车空调系统，采用的装置包括：冷回收装置(即同轴套管式换热器)、空气换热器(包含变风量风机和冷却盘管)、直流水泵、压力安全阀、温度传感器及液位传感器、控制器(包括温度继电器和液位继电器)、直流电磁阀等。

具体的技术方案是：同轴套管式换热器包裹在聚氨酯泡沫塑料保温材料内，壳层内循环20％～40％的乙二醇水溶液，管层内通过天然气低温气液两相流体，两种流体逆流换热。带走LNG气化冷量的乙二醇水溶液直接送到汽车内的空气换热器，根据冷却盘管进出口水温自动选择风机转速，实现常规13℃送风和低温9℃送风的自动切换，以达到利用有限的冷量获得最佳热舒适性的目的。乙二醇水溶液在闭式空调管路中通过直流水泵强制循环，利用高位水箱补水和平衡压力。

本发明的其他一些特点是：

公交车在变工况运行时，LNG气化时释放的冷量是不同的，即使在夏季的空调运行季节，个别阴雨天气、发动机大负荷工况时也可能会因为冷回收装置换热能力不足造成低温燃料进入减压器，造成减压器内的密封元件损毁。所以设计了冷回收装置和现用的LNG汽车气化器串联布置的方案，从而避免了潜在故障的发生。

另外，目前大量应用的混合器式天然气发动机的进气温度较高是引起爆震燃烧的主要因素之一。因此，串联布置方案中设计了通过高温电磁阀来控制从发动机冷却水套进入气化器的热水量。在夏季前后的空调运行季节，LNG首先进入冷回收装置迅速完成冷量交换，离开气化器后一般无需再被气化器二次加热。此时，控制气化器中发动机冷却水流动的电磁阀一般处于关闭状态，从而能有效降低发动机的进气温度；在冬季或其他不需要空调运行的季节，只需放掉冷回收空调系统中的乙二醇水溶液，并将其储存起来，留待来年继续使用。这时，冷回收装置只相当于一条低温燃料通路，不再承担低温燃料的气化负荷，LNG由气化器气化，电磁阀处于常开状态。

此外，还设计了防冻、防超压及恒温供气的三重安全保护装置：

1)防冻设计。设计了水泵电源开关与汽车发动机启动电路相连，当点火开关处于“ON”位置，汽车电源接通水泵使其提前运转，避免供气开始时，冷回收装置内的乙二醇水溶液因不流动而造成管路冻结现象。

2)防超压设计。冷回收装置中的低温两相流体与乙二醇水溶液之间的热交换属于大温差换热，换热过程受到发动机负荷、车内环境状况等诸多因素的影响。而且，虽然在设计冷回收装置时，已经根据额定用气量，通过设计将冷回收装置壳层中的冰填充率控制在一定范围以内。但是，为了防止实际运行时壳层内的冰填充率超过限定值，造成空调系统循环压力升高进而影响水泵的使用寿命，在水泵出口设计引出了一条旁通管路，旁通管路通过压力安全阀与高位水箱连接。这样，当泵出口压力升高到一定值时，压力安全阀自动打开，乙二醇水溶液进入水箱，水泵出口压力降低。当水箱内的液位超过设定值时，液位传感器发出开关信号，由液位继电器控制直流水泵停转。待故障排除后，打开水箱出口的截止阀即可重新工作。

3)恒温供气设计。根据对近年来我国各地LNG公交客车的使用和维修情况进行统计分析，结果表明进气温度较高是引起天然气发动机爆震燃烧的主要因素之一。目前现有的LNG汽车的气化器都是使用发动机冷却水作为热源，工作水温通常高达75℃～90℃，极易造成发动机进气温度过高从而引起发动机发生爆震等不良后果。因此在气化器的发动机冷却水进口处设置了一个耐高温电磁阀，由温度继电器控制电磁阀的启闭。只有当温度传感器检测到气化器前的燃气管壁温度低于设定温度时，才由温度继电器控制电磁阀打开，高温热水进入气化器二次加热燃气。反之电磁阀关闭。从而使得进入发动机的燃气温度保持在设定温度到环境温度之间，有效降低了夏季天然气发动机发生爆震的风险。

附图说明

在附图中示例性地示出了本发明，其中：

附图是液化天然气冷回收汽车空调系统的工作流程示意图，图中的符号表示：

1、LNG车用燃料罐，2、冷回收装置(即同轴套管式换热器)，3、冷却盘管，4、变风量风机，5、高位水箱，6、大流量24V直流循环水泵，7、气化器(即水浴式螺旋管换热器)，8、大流量压力安全阀，9、耐高温24V常开式直流电磁阀，10、截止阀，11、贴片式温度传感器，12、浮球式液位传感器，13、继电器，14、自动排气阀，15、低温高压液体燃料管路(铜管)，16、低温高压气体燃料管路(铜管)，17、常温高压气体燃气管路(铜管)，18、低温空调管路(汽车空调橡胶软管)，19、常温空调管路(汽车空调橡胶软管)，20、空调补水管路(金属软管)，21、冷回收装置空调回水管路(橡胶软管)，22、空调防超压安全旁路(金属软管)，23、空调送风管，24、发动机高温冷却水进水管(耐高温橡胶软管)，25发动机高温冷却水出水管(耐高温橡胶软管)，26、温度检测线，27、直流风机控制线，28、液位检测线，29、直流水泵控制线，30、空气换热器冷凝水托盘，31、空气换热器冷凝水排水管，32、冷风分布散流器，33、送风稳压箱，34、空气过滤网，35、整流栅

具体实施方式

本发明描述了一种回收液化天然气冷能用于低温送风的汽车空调装置。为了更清楚的解释本发明，在下面的说明书中结合附图对本发明做进一步的详细说明。

说明书附图是本发明的工作流程示意图。低温液态天然气(约110K，0.4～1.59MPa)在压差作用下从LNG车用燃料罐1进入冷回收装置2的管层内，与冷回收装置2壳层中的乙二醇水溶液进行逆流热交换。管层内的天然气为气液两相流体，壳层内的乙二醇水溶液在冰层和壳层的内壁面之间流动。

离开冷回收装置2的天然气进入LNG汽车气化器7中，进一步升温至环境温度后进入汽车燃料供给系统管路17.乙二醇水溶液为体积分数20％～40％的醇类和软水混合物，水溶液的最低凝固点温度要低于-20℃，且空调系统的管路压降满足水泵6的实际扬程和设计流量要求。冷却后的乙二醇水溶液直接送入汽车驾驶室内的空气换热器，在空气换热器内的冷却盘管3中与变风量风机4吸入的回风进行强制热交换。冷却盘管3除了管片式结构外，还可以是管带或层叠式结构。变风量风机4按吹压式布置，即风机4位于冷却盘管3上游，从而可以在低温送风时获得更低的送风温度。

进入冷回收装置2内的天然气为气液两相流体或液态单相流体。根据发明人所做的大量基础实验数据，分析表明对于气液两相流形态，适于采用常规13℃的空调送风方式，该方式侧重于降低回风的温度，变风量风机4送风的风速设定为500m³/h。而对于液态天然气单相流形态，适于采用低温9℃的空调送风方式，该方式侧重于降低车内的相对湿度，变风量风机4送风的风速设定为200m³/h。变风量风机4转速的切换由温度继电器13控制，温度继电器13根据安装在冷却盘管外壁上的温度传感器11提供的控制信号自动切换风机4的转速。考虑到低温送风时，在冷却盘管3上会出现大量的冷凝水，为防止因冷却盘管3过流断面上的气流分布不均造成送风气流带水，在冷却盘管3和变风量风机4之间设置了整流栅35，并在空气换热器的下方设置了冷凝水托盘30和排水管31，直接将冷凝水排往车外。

空调系统采用体积分数为20％～40％的乙二醇水溶液为循环工质，以保证在-20℃时不冻结。乙二醇水溶液在冷回收空调系统中作闭式循环，将LNG气化所释放的冷量传递给空气换热器的冷却盘管3，乙二醇水溶液由大流量的24V直流隔膜泵6驱动。为了便于加注溶液和平衡系统内的压力，还在空调系统的高位设置了水箱5，水箱5的入水口通过大流量压力安全阀8与水泵6的出口相连，水箱5的出水口通过截止阀10与水泵6的入口相连，空调系统正常运行时，截止阀10为关闭状态。另外，为了保持水箱5内的压力恒定，在水箱5的上方设置了自动排气阀14。

本发明的特点：

(1)选用同轴套管式换热器作为冷回收装置2

作为冷回收装置，同轴套管式换热器2相对于水浴式螺旋管式换热器7而言，其优点是空调水溶液的降温速率大，而且换热器的管接头布置方式灵活。另外，根据发明人在实验室和实际装车得到的LNG冷回收实验数据，结果表明只要合理选择乙二醇水溶液的配比浓度，同时控制空调系统工作介质的流速，就可以避免所设计的同轴套管式换热器7壳层内的乙二醇水溶液完全冻结。为此，发明人提出了乙二醇水溶液通过冰层与LNG进行间接换热的构想与方案设计，在一定程度上避免了乙二醇水溶液与LNG之间的直接进行大温差换热。

(2)冷回收装置2与LNG汽车气化器7串联布置

提出串联布置方案的优点在于：两种换热器的用途和工作介质完全不同，可以分别进行独立设计。冷回收装置2力图尽可能降低壳层内乙二醇水溶液的温度，从而为汽车空调快速提供更多的冷量。而水浴式螺旋管式换热器7则是目前LNG汽车上应用最广泛的气化器，其作用是利用流过气化器7的发动机冷却水气化并加热LNG，以避免过低的进气温度对发动机稳定运行所造成的影响。采用本发明提出的串联布置，在夏季前后的空调运行季节，LNG首先进入同轴套管式换热器2迅速完成冷量交换，而后进入螺旋管式换热器7。控制水浴式螺旋管式换热器7发动机冷却水管路的电磁阀9，可以根据进入气化器的燃气温度来自动调节进入气化器的发动机冷却水的流量，以防止个别极端工况下LNG未完全气化；一般情况下电磁阀9则处于关闭状态，从而保证燃气温度不会超过环境温度(一般约为20℃～30℃)，所以能有效降低了夏季天然气发动机的进气温度。

在冬季或其他不需要空调制冷的季节，只须中断冷回收装置的介质循环。这时的冷回收装置只相当于一条低温燃料通路，此时还是采用原有的气化器负责气化全部的LNG，这里的气化器仍采用目前LNG汽车上应用最广泛的换热器，以增加本发明的通用性。

(3)采用低温送风与常规送风的双重空调送风方式

采用低温9℃的送风方式，侧重于降低车内的相对湿度，当LNG以液态单相流体的形式进入冷回收装置2时，能更轻易的获得温度更低的制冷工质循环。这时，采用9℃送风的低温的送风方式通过降低车内环境的相对湿度，以达到使用较少冷量就可实现令人满意的人体热舒适性的目的，是本发明提出的缓解发动机部分符合工况时释放的冷量不足与驾乘人员对车内空气品质要求矛盾的解决方案。该方式适用于密闭空间、人员湿负荷较大的长途客运汽车、公交车空调；而对于发动机经常工作在大负荷工况、燃料消耗较多、驾乘人员少的重型卡车来讲，采用常规13℃的送风方式完全可满足空气调节要求。

(4)在冷回收汽车空调系统中设置了防冻、防超压和恒温供气的三重安全保护装置

防冻保护：将空调循环水泵的启动电路与汽车点火开关相连，当点火开关处于“ON”位置而发动机尚未启动时，运转空调循环水泵6。使空调系统中的循环工质流速达到所需的设计流速，避免出现空调循环工质完全冻结的危险。

防超压保护：采用大流量压力安全阀8、高位水箱5、手动截止阀10、自动排气阀14和液位传感器12一体设计的安全保护装置，避免冷回收装置出现故障时，由于水泵出口管路21压力升高导致空调管路损毁，保证闭式空调循环系统安全稳定运行。

恒温供气设计：采用温度传感器11、耐高温电磁阀9和温度继电器13的保护设计，确保夏季天然气的出口温度保持在0℃～40℃之间。当冷回收装置2出气温度低于0℃时，继电器13根据温度传感器11的开关信号，控制直流电磁阀9开启，供给气化器热水；当气化器7出来的天然气温度超过40℃时，继电器13根据温度传感器11的开关信号，控制直立电磁阀9关闭，切断气化器7的热源。

Claims (8)

1.一种回收液化天然气(LNG)冷能的汽车空调系统，具体如下：

1)冷回收装置，所述冷回收装置具体为同轴套管式换热器；

2)传热介质，所述传热介质主要包括体积分数20％～40％的乙二醇水溶液；

3)用于补充并实现传热介质压力恒定的高位水箱；

4)用于实现传热介质强制循环的至少一个直流水泵；

5)用于实现汽车空调制冷送风的空气换热器、送风风道、稳压箱及冷风分部散流器；

6)用于安全保护的液位传感器、继电器及水泵电源接线方式；

其特征为冷回收装置为同轴套管式结构，LNG和空调传热介质分别在换热器的管层和壳层内逆流换热。

2.根据权利要求1所述的冷回收装置，其特征为换热器和外层保护钢罩之间采用硬质聚氨酯泡沫作保温隔热和固定支撑材料。

3.根据权利要求1所述的高位水箱，其特征为水箱集成了以下部件：压力安全阀、截止阀、液位传感器、加液口和自动排气阀，且水箱内的最低水位必须高于空调系统其他装置的最高水位。

4.一种利用冷回收装置和气化器串联布置以实现LNG汽车恒温供气的方法，所述方法包括：

1)使用同轴套管式换热器作为冷回收装置；

2)使用水浴式螺旋管式换热器作为气化器；

3)冷回收装置和气化器串联布置，LNG先进入冷回收装置，后进气化器。

4)天然气温度传感器布置于冷回收装置出气口之后、气化器进气口之前的供气管路外壁，和气化器出气口之后的供气管壁，温度传感器反馈的温度信号通过继电器控制气化器中热水管路循环的启闭；

5)耐高温、常开直流电磁阀布置于气化器的热水进口；

其特征为气化器中的高温冷却水可根据供气温度变化通过电磁阀自动切断或恢复供给。

5.根据权利要求4所述的温度传感器、继电器的控制方式，其特征为当冷回收装置出气温度低于0℃时，继电器根据温度传感器的开关信号，控制直流电磁阀开启，供给气化器热水；当气化器出来的天然气温度超过40℃时，继电器根据温度传感器的开关信号，控制直立电磁阀关闭，切断气化器的热源。

6.一种利用与液化天然气换热后的空调循环换热介质用于汽车空调低温送风的方法，所述方法包括：

1)使用体积分数为20％～40％的乙二醇水溶液作为空调循环的换热介质；

2)空气换热器可以采用管翅式结构，也可以采用管带式或层叠式结构；

3)使用可变风量的风机使空气换热器内的空气强制流动；

4)使用吹压式的风机布置方式，在风机和换热器之间设置整流栅；

5)风道和稳压箱内部采用橡塑板或聚氨酯泡沫作为保温材料；

6)使用两个或以上冷风分布散流器在稳压箱上；

其特征为使用温度传感器检测空气换热器的传热介质入口温度，然后通过继电器控制变风量风机的转速。

7.根据权利要求6所述的可变风量风机，其特征为至少有高、低两档风速可调，而且最低风速不低于200m³/h，最高风速不超过500m³/h。

8.根据权利要求6所述的继电器，其特征为工作电压为24V，且当换热器的换热介质入口温度低于5℃时，根据温度继电器的开关信号，控制变风量风机低转速运行，否则风机高转速运行。

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