CN103884128A - 一种利用汽车废热驱动的吸附及压缩混合制冷空调系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用汽车废热驱动的吸附及压缩混合制冷空调系统，属于汽车空调技术领域。制冷空调系统包括压缩机、蒸发器、冷凝器、节流阀、两台吸附床、两个冷却水箱、循环水泵、分水器、集水器、两个三通调节阀、散热器、热电模块和蓄电池。汽车在使用空调时，发动机废热驱动的吸附式制冷始终运行，若冷量不足，则由汽车传统压缩式制冷进行补充，两种制冷方式共用一套冷凝器、蒸发器和节流阀。本发明在现有制冷系统的基础上，增加少量部件，实现对汽车废热的充分回收利用，从而达到节能环保的目的，且增加部件中无运动部件，装置安全、可靠，具有显著的社会效益和经济效益。

Description

一种利用汽车废热驱动的吸附及压缩混合制冷空调系统

技术领域

本发明涉及的是一种汽车空调制冷系统，尤其是一种利用发动机和尾气废热来驱动的汽车空调制冷系统，属于制冷空调技术领域。

背景技术

现在的汽车空调制冷系统基本采用的是传统的蒸汽压缩制冷系统，压缩机由汽车发动机驱动，低压气态制冷剂由压缩机压缩后进入冷凝器中冷凝成高压液态制冷剂，再经过节流阀节流后进入蒸发器蒸发，从而完成一个循环，这种制冷系统的动力完全来自发动机的机械功，发动机的机械功是燃料燃烧经过膨胀做功而获得的，通常这种转化工程的效率是非常低的。发动机的冷却水温度一般为90℃～100℃，发动机的排气温度通常是很高的，汽油机的排气温度一般为400℃～550℃，柴油机的排气温度一般为300℃～400℃，远远高于环境空气温度。从目前汽车所用发动机的热平衡看，用于动力输出功率一般只占燃油燃烧总热量的30%～45%(柴油机)或20%～30%(汽油机)，以废热形式排出车外的能量占燃烧总能量的55%～70%(柴油机)或70%～80%(汽油机)，主要包括循环冷却水带走的热量和尾气带走的热量。因此，汽车发动机中大量的余热被白白浪费掉，回收汽车发动机的有用能对于能源日渐紧张的当今社会来说意义重大，而现有的汽车空调系统是没法对发动机的余热进行回收的。

已有技术中，为了实现汽车空调的节能，公开号为CN1482017的两极金属氢化物汽车空调发明专利，采用金属氢化物的吸附作用对氢气进行间歇的吸附和解吸，从而实现制冷效果，其中解吸所需的动力就来自于汽车尾气。将汽车尾气的热量转化为汽车空调所需的冷量，从而实现了汽车尾气中有用能的回收。该专利自述为“两极金属氢化物汽车空调是通过金属氢化物与氢气之间可逆反应的热效应来实现制冷，利用汽车尾气中的废热作为高温热源，外界大气环境作为中温热源来驱动金属氢化物制冷循环，采用两对金属氢化物反应器交替制冷来实现汽车室内空气温度的连续调节。该空调系统主要包括金属氢化物高、低温反应器、散热器、电磁阀、水泵、风机等。高、低温反应器中布置有内填金属氢化物的细管，在管中心设有透氢薄膜，每只反应器均有收集氢气的总管。该发明的空调无腐蚀、无磨损，运动部件少，耐行车过程中的震动冲击，采用氢气作为能量载体。属于天然工质，不存在对大气臭氧层的破坏作用，为环保型空调”。

上述发明的汽车空调制冷过程是间歇的，必须采用两套装置才能实现连续制冷，而且效率也是较低的。光靠回收尾气的热量产生的制冷量不足以满足汽车空调用，该发明无法与传统的蒸汽压缩式制冷系统联合运行，若采用蒸汽压缩式制冷进行补充，装置过于复杂，而且体积庞大，且金属氢化物价格非常昂贵，在汽车上实现是不现实的。

公开号为CN1776327的压缩机和尾气余热混合驱动的汽车空调制冷系统的发明专利对上述发明进行了改进，利用余热驱动的喷射式制冷，由压缩机压缩制冷剂制冷来进行补充，达到制冷效果。但是该发明的汽车空调采用的喷射式制冷过程产生的噪音大，制冷性能系数低，同时该汽车空调制冷系统不能满足停车时，汽车对空调的需要。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷和不足，本发明设计了一种利用汽车废热驱动的吸附及压缩混合制冷空调系统。汽车在行驶过程中使用空调时，发动机余热驱动的吸附式制冷始终运行，不足的冷量由压缩机压缩制冷剂制冷来进行补充，这两种制冷方法共用一套冷凝器、蒸发器和节流阀，同时，汽车在行驶过程中利用尾气温差发电，将电能储存在蓄电池中；汽车在停车状态下使用空调时，蓄电池驱动压缩式制冷，提前对汽车内空气进行处理。

本发明的装置是通过下述技术方案来实现的：

一种利用汽车废热驱动的吸附及压缩混合制冷空调系统，包括压缩机、蒸发器、冷凝器、节流阀、冷却水箱A、冷却水箱B、循环水泵和散热器，空调系统还包括吸附床A、吸附床B、热电模块、蓄电池、三通调节阀A、三通调节阀B、分水器、集水器、电磁阀A、电磁阀B、电磁阀C、电磁阀D、电磁阀E、电磁阀F、电磁阀G，冷却水箱A与循环水泵连接，循环水泵的出口与分水器的进口相连，分水器的三个出口分别与发动机、冷却水箱B进口以及三通调节阀A连接，发动机的冷却水出口与三通调节阀B连接，所述三通调节阀A的另外两个端口分别连接吸附床A和吸附床B；所述三通调节阀B的另外两个端口也分别连接吸附床A和吸附床B，吸附床A的冷却水出口、吸附床B的冷却水出口以及冷却水箱B的冷却水出口都与集水器的进口连接，集水器的出口连接到散热器，散热器与冷却水箱A连接；所述吸附床A和吸附床B分别与由电磁阀C、电磁阀D、电磁阀E、电磁阀F组成的换向器两端连接，换向器的另外两端与蒸发器、冷凝器分别相连，节流阀连接在蒸发器和冷凝器之间；所述吸附床A通过电磁阀G与吸附床B连接，所述压缩机通过电磁阀A和电磁阀B分别与蒸发器和冷凝器相连；所述冷却水箱设置在汽车尾气通道内；所述热电模块包括上极板和下极板，分别上下夹在汽车尾气通道内壁与冷却水箱外壁之间形成的间隙内，并且上极板与汽车尾气通道相接触，下极板与冷却水箱相接触；所述热电模块与汽车蓄电池相连。

所述汽车尾气通道为矩形，并在其上、下内壁面加装金属翅片。

所述热电模块的上极板和下极板为周期阵列排布，采用行之间串联、列之间并联的方式连接。

本发明利用上述汽车废热驱动的吸附及压缩混合制冷空调系统的制冷方法，具体过程如下：冷却水流经发动机带走发动机的热量，自身温度升高，三通调节阀在其控制装置作用下打开，使得热水进入吸附床A，吸附床A受热，吸附质蒸汽压力升高，当吸附床A内的蒸汽压力升至冷凝压力，换向器中与冷凝器相连的电磁阀D打开，制冷剂流入冷凝器进行冷凝，而吸附床A继续被来自发动机的热水加热；与此同时，循环水泵将冷却水经分水器、三通调节阀A、三通调节阀B送入吸附床B，吸附床B冷却降压直至蒸发压力时，换向器中与蒸发器相连的电磁阀G打开，蒸发器中汽化的制冷剂流入吸附床B，而吸附床B继续被冷却，冷却水温度升高形成温水，温水经集水器进入散热器，经冷却后重新注入冷却水箱。

为确保制冷系统能时刻满足用户需求，该发明中仍配备有传统的压缩式制冷系统，即用压缩机在特定时刻代替吸附床，汽车在使用空调时，发动机废热驱动的吸附式制冷始终运行，若冷量不足，则由汽车传统压缩式制冷进行补充，两种制冷方式共用一套冷凝器、蒸发器和节流阀。

本发明在现有制冷系统的基础上，增加少量部件，实现对汽车废热的充分回收利用，从而达到节能环保的目的，且增加部件中无运动部件，装置安全、可靠，具有显著的社会效益和经济效益。此项发明的优点是：1、不增加发动机能耗，并实现对汽车废热的充分回收利用，从而达到节能环保的目的；2、可以满足汽车在任何行驶状态下对冷负荷的需求；3、制冷系数高；4、利用尾气驱动温差发电系统发电并将电能储存在蓄电池中，来满足汽车在停车状态下对空调的需求，具有较高制冷性能系数，节约燃料；5、汽车改动幅度小；6、适用范围广，内燃机车都可使用。

附图说明

图1为本发明的汽车空调制冷系统结构示意图；

图2为吸附床的结构示意图；

图3为温差发电系统的热电模块布置图；

图4为加装翅片的矩形汽车尾气通道示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。

如图1所示，本发明包括：压缩机1、蒸发器2、冷凝器3、节流阀4、吸附床5、吸附床6、冷却水箱7、循环水泵8、冷却水箱9、热电模块10（包含上极板25、下极板26，见图3）、分水器11、三通调节阀12、三通调节阀13、集水器14、散热器15、蓄电池16、17～23均为电磁阀。吸附床的结构如图2所示，内部装有吸附材料24为活性炭。

冷却水箱9外接循环水泵8，循环水泵8的出口与分水器11的进口相连，分水器11的出口分别与三通调节阀12、冷却水箱9、发动机的冷却水进口相连，从而形成吸附式制冷系统、半导体温差发电系统、汽车自带冷却系统三个水循环体系。

对于吸附式制冷系统而言，采用活性炭—氨作制冷剂，冷却水流经发动机带走发动机的热量，自身温度升高，发动机冷却水出口与三通调节阀13的进口相连，三通调节阀13在其控制装置作用下打开，使得热水进入吸附床5，吸附床5受热，吸附质蒸汽压力升高，当吸附床5内的蒸汽压力升至冷凝压力，与冷凝器3相连的电磁阀19打开，制冷剂流入冷凝器3进行冷凝，而吸附床5继续被来自发动机的热水加热；与此同时，循环水泵8将冷却水经分水器11、三通调节阀12、三通调节阀13送入吸附床6，吸附床6冷却降压直至蒸发压力时，与蒸发器2相连的电磁阀23打开，蒸发器中汽化的制冷剂流入吸附床6，而吸附床6继续被冷却，冷却水温度升高形成温水，温水经集水器14进入散热器15，经冷却后重新注入冷却水箱7；为保证制冷剂使用完全，在两吸附床之间增设阀门，在吸附床5完全解吸和吸附床6完全吸附后，上述过程逆转。即电磁阀19、电磁阀23关闭，三通调节阀13换向，从发动机出口引出的热水进入吸附床6，当吸附床6内的蒸汽压力升至冷凝压力，与冷凝器3相连的电磁阀21打开，冷剂流入冷凝器3冷凝，而吸附床6继续被来自发动机的热水加热；与此同时，循环水泵8将冷却水经分水器11、三通调节阀12、三通调节阀13送入吸附床5，吸附床5冷却降压直至蒸发压力时，与蒸发器2相连的电磁阀20打开，蒸发器中汽化的冷剂流入吸附床5，而吸附床5继续被冷却，冷却水温度升高形成温水，温水经集水器14进入散热器15，经冷却后重新注入冷却水箱7；在吸附床6完全解吸和吸附床5完全吸附后，上述过程再次逆转。

为确保制冷系统能时刻满足用户需求，该发明中仍配备有传统的压缩式制冷系统，即用压缩机在特定时刻代替吸附床5、吸附床6，与蒸发器2，冷凝器3，节流阀4自成一套系统。

对于半导体温差发电系统，一方面，从发动机出口的尾气进入带有翅片28的矩形排气管道29，对呈矩阵排列的热电模块的上极板25进行加热，上极板25采用P型、N型两种不同的热电材料27，两者一端相连形成一个PN结，被尾气加热形成高温，另一方面，分水器11的出口与热电模块10的下极板26冷却水箱9相连，则下极板26为冷端，冷却水温度升高形成温水，温水经集水器进入散热器15，经冷却后重新注入冷却水箱7。为使电动势足够高，本发明采取多个PN结串联的方式。电流经由导线输入到蓄电池16内储存，用以驱动压缩机1、蒸发器2、冷凝器3、循环水泵8、散热器15及各个阀门的元器件。

Claims (4)

1.一种利用汽车废热驱动的吸附及压缩混合制冷空调系统，包括压缩机(1)、蒸发器(2)、冷凝器(3)、节流阀(4)、冷却水箱A(7)、冷却水箱B(9)、循环水泵(8)和散热器(15)，其特征在于，空调系统还包括吸附床A(5)、吸附床B(6)、热电模块(10)、蓄电池(16)、三通调节阀A(12)、三通调节阀B(13)、分水器(11)、集水器(14)、电磁阀A(17)、电磁阀B(22)、电磁阀C(18)、电磁阀D(19)、电磁阀E(20)、电磁阀F(21)、电磁阀G(23)，冷却水箱A(7)与循环水泵(8)连接，循环水泵(8)的出口与分水器(11)的进口相连，分水器(11)的三个出口分别与发动机、冷却水箱B(9)进口以及三通调节阀A(12)连接，发动机的冷却水出口与三通调节阀B(13)连接，所述三通调节阀A(12)的另外两个端口分别连接吸附床A(5)和吸附床B(6)；所述三通调节阀B(13)的另外两个端口也分别连接吸附床A(5)和吸附床B(6)，吸附床A(5)的冷却水出口、吸附床B(6)的冷却水出口以及冷却水箱B(9)的冷却水出口都与集水器(14)的进口连接，集水器(14)的出口连接到散热器(15)，散热器(15)与冷却水箱A(7)连接；所述吸附床A(5)和吸附床B(6)分别与由电磁阀C(18)、电磁阀D(19)、电磁阀E(20)、电磁阀F(21)组成的换向器两端连接，换向器的另外两端与蒸发器(2)、冷凝器(3)分别相连，节流阀(4)连接在蒸发器(2)和冷凝器(3)之间；所述吸附床A(5)通过电磁阀G(23)与吸附床B(6)连接，所述压缩机(1)通过电磁阀A(17)和电磁阀B(22)分别与蒸发器(2)和冷凝器(3)相连；所述冷却水箱(9)设置在汽车尾气通道(28)内；所述热电模块(10)包括上极板(25)和下极板(26)，分别上下夹在汽车尾气通道(28)内壁与冷却水箱(9)外壁之间形成的间隙内，并且上极板(25)与汽车尾气通道(28)相接触，下极板(26)与冷却水箱(9)相接触；所述热电模块(10)与汽车蓄电池(16)相连。

2.根据权利要求1所述的一种利用汽车废热驱动的吸附及压缩混合制冷空调系统，其特征在于，所述汽车尾气通道(28)为矩形，并在其上、下内壁面加装金属翅片(28)。

3.根据权利要求1或2所述的一种利用汽车废热驱动的吸附及压缩混合制冷空调系统，其特征在于，所述热电模块(10)的上极板(25)和下极板(26)为周期阵列排布，采用行之间串联、列之间并联的方式连接。

4.如权利要求1所述一种利用汽车废热驱动的吸附及压缩混合制冷空调系统的制冷方法，其特征在于，具体过程如下：冷却水流经发动机带走发动机的热量，自身温度升高，三通调节阀(13)在其控制装置作用下打开，使得热水进入吸附床A(5)，吸附床A(5)受热，吸附质蒸汽压力升高，当吸附床A(5)内的蒸汽压力升至冷凝压力，换向器中与冷凝器(3)相连的电磁阀D(19)打开，制冷剂流入冷凝器(3)进行冷凝，而吸附床A(5)继续被来自发动机的热水加热；与此同时，循环水泵(8)将冷却水经分水器(11)、三通调节阀A(12)、三通调节阀B(13)送入吸附床B(6)，吸附床B(6)冷却降压直至蒸发压力时，换向器中与蒸发器(2)相连的电磁阀G(23)打开，蒸发器中汽化的制冷剂流入吸附床B(6)，而吸附床B(6)继续被冷却，冷却水温度升高形成温水，温水经集水器(14)进入散热器(15)，经冷却后重新注入冷却水箱(7)。

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