CN104406327A - 多模废热驱动汽车空调系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多模废热驱动汽车空调系统，包括喷射器制冷循环回路及压缩机制冷循环回路，所述喷射器制冷循环回路包括由泵、发生器、喷射器和冷凝器依次相连所组成的回路，所述压缩机制冷循环回路包括由电子膨胀阀、蒸发器、压缩机、喷射器和冷凝器依次相连所组成的回路；本发明提出了一种新的汽车空调喷射式制冷循环，用于改良现在普遍使用的汽车空调压缩制冷循环。通过将压缩制冷方式与喷射式制冷方式相结合，有效的利用了汽车运行过程中所产生的废热，同时克服了传统喷射器式制冷方式能量利用率低，冷凝器侧压力不易控制等问题。利用喷射器将传统系统中压缩机功耗大幅降低，并调高了系统稳定性。

Description

多模废热驱动汽车空调系统

技术领域

本发明涉及废热驱动汽车空调系统技术领域，特别是属于一种多模废热驱动汽车空调系统。

背景技术

随着国内经济的快速发展，我国的能源问题现在已经变得日益尖锐，能源已成为制约我`国长期持续发展的一个重要因素。与此同时，随着居民收入的相应提高，我国的汽车保有量也在逐年高速增长，汽车能耗在总能耗中所占比例也越来越大。汽车产业作为典型的重工业，上世纪初期开始蓬勃发展，一直以来就是重要的耗能来源。目前市场上的车型大部分用汽油、柴油作为驱动能源,只有极少部分为电动和混合动力车辆，汽车成为了石油消耗的主要部分。如何同时保证汽车行业发展和减少汽车的能耗,成为了很多学科的研究内容,有着很多等待改进的方向。

这对于解决今天的能源问题具有十分重要的价值。而且由于现代汽车本身的工作原理，汽车燃料燃烧所产生的热量绝大部分都没有被有效地利用，更多的是以废热的形式进入了外界环境中，浪费了巨大的能源。

汽车尾气是导致雾霾天气的重要原因之一，汽车废热回收用于喷射器空调制冷是一种新颖的汽车节能减排思路,但是目前废热喷射器空调较低的COP还难以满足汽车多工况下稳定运行的需求，已成为制约该类空调产业化发展的瓶颈。

在传统的汽车空调系统中，制冷压缩机是制冷系统的核心耗能部件，如何通过降低压缩机的功耗，并且使系统能耗显著降低，就显得尤为重要。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了多模废热驱动汽车空调系统，通过将压缩制冷方式与喷射式制冷方式相结合，有效的利用了汽车运行过程中所产生的废热，同时有效克服了传统系统中压缩机功耗大，系统稳定性低等问题。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

多模废热驱动汽车空调系统，包括喷射器制冷循环回路及压缩机制冷循环回路，所述喷射器制冷循环回路是由泵、发生器、喷射器和冷凝器依次相连所组成的回路，所述压缩机制冷循环回路是由电子膨胀阀、蒸发器、压缩机、喷射器和冷凝器依次相连所组成的回路。

所述蒸发器与压缩机之间的管路上及发生器与喷射器之间的管路上分别设有第一阀及第三阀，冷凝器与喷射器之间的公共端与蒸发器之间的管路上依次设有第四阀及第二阀，第四阀及第二阀之间的管路与喷射器和压缩机之间的管路交叉相连，即压缩机的出口与喷射器的二次流入口可连通。

压缩机的压缩比为压缩机排气压与进气压之比，传统的汽车空调系统中，压缩机出口与冷凝器相连，而冷凝器的侧压力不易调节，冷凝器的温度及压力与外界环境相关，是在一定范围内的确切值。本发明中压缩机出口与喷射器二次流入口相连，喷射器的压缩比为混合压力与引射压力之比，一般大于1，此处的混合压力即为冷凝器压力，引射压力即为压缩机的排气压，这样压缩机的压缩比就大幅度降低了，相对于传统汽车空调制冷系统中的压缩机出口直接与冷凝器相连的状态。压缩机的压缩比降低，会显著降低压缩机的功耗，并且使得系统的功耗也随之降低。

所述低能耗多模废热驱动汽车空调系统包括三种工作模式：压缩机模式、混合模式及喷射器模式。该三种工作模式，是针对汽车怠速、低速、正常行使等不同的运行工况下进行切换的，充分利用汽车运行过程中所产生的废热，有效地减少了汽车空调的能耗，不仅节省能源，并且能够很好地解决系统COP较低的问题。

所述低能耗多模废热驱动汽车空调系统三种工作模式的根据汽车运行工况切换运行，最大限度的节省了制冷能耗，三种模式切换由设置在发生器中的温度传感器进行反馈控制。

温度传感器测量发生器收集的废热量的温度，设定两个温度阈值，发生器的第一温度阈值，即工作在喷射器模式下产生特定的制冷量需要的最小废热量的温度值，发生器的第二温度阈值，即工作在喷射器模式下产生特定的制冷量需要的最大废热量的温度值。当汽车刚刚启动时，这时汽车产生的废热温度小于发生器的第一温度阈值，开启第一阀及第四阀，关闭第二阀及第三阀，系统只有压缩机处于工作状态，为压缩机模式；

随着汽车的行驶，产生的废热量温度大于发生器的第一温度阈值但小于发生器的第二温度阈值，开启第二阀及第三阀，关闭第一阀及第四阀，喷射器单独工作，为喷射器模式；

当汽车产生的废热足够多，大于发生器的第二温度阈值，汽车空调由废热驱动，开启第一阀及第三阀，关闭第二阀及第四阀，压缩机和喷射器协调工作，为混合模式。

所述汽车空调系统的废热主要从散热水箱和汽车尾气环节获得。

本发明的有益效果：

本发明所提出的低能耗多模废热驱动汽车空调系统，利用汽车废热驱动喷射器进行制冷，无需再额外消耗燃料；压缩机出口与喷射器二次流入口相连，使得压缩机的压缩比大为降低，进而显著降低压缩机的功耗；三种工作模式的最佳切换，最大限度的利用了废热，减少了制冷能耗，对节能减排和保护环境具有重要意义。

汽车空调的压缩机是由发动机燃烧燃料来提供动力，一般来说汽车空调要消耗8％-12％的汽车发动机动力,同时增加12％-17％的油耗。然而，本发明所提出的一种低能耗多模废热驱动汽车空调系统中，压缩机出口与喷射器二次流入口相连，使得压缩机的压缩比大为降低，进而显著降低压缩机的功耗。另外，通过将压缩制冷方式与喷射式制冷方式相结合，有效的利用了汽车运行过程中所产生的废热；系统中加入的废热回收装置，可以有效收集汽车所产生的废热，减少了汽车不必要的负荷损耗，并且改进了汽车运行效率。

从能源方面来看，一般来说汽车发动机最多能将30％燃烧产生的热量转化为有效的功，70％的热量通过各种方式以废热的形式，通过冷却液、废气、发动机升温等方式散失掉，这部分能量超过发动机有效功率的两倍。而汽车正常运行过程中，发动机不可能一直保持在最高效率状态，也就是说随着发动机机械效率的降低，产生的废热会逐步升高，也就会有更多的能量可以去回收与再利用。

在众多利用废热为空调系统供能的技术中，喷射器型的空调系统因其极少的移动部件、低成本、高可靠性等特性被广泛的研究。利用这种技术，可以利用汽车运行时产生的废热来得到汽车所需的冷量，一方面可以减少汽车的油耗，在相同的情况下提高汽车的动力性能，同时保证用户的使用感受。

汽车空调的制冷量会跟随车速的变化而发生变化，当汽车低速运行时，开启压缩机模式；汽车运行一段时间，废热量足够时，开启混合模式；当所需的制冷量很小时，开启喷射器模式。三种工作模式的最佳切换，有效解决了系统COP较低的问题。

本发明提出的低能耗多模废热驱动汽车空调系统，通过将压缩制冷方式与喷射式制冷方式相结合，有效的利用了汽车运行过程中所产生的废热，同时克服了传统喷射器式制冷方式能量利用率低，冷凝器侧压力不易控制等问题。利用喷射器将传统系统中压缩机功耗大幅降低，并提高了系统的稳定性。

附图说明

图1本发明的结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，该空调系统是一种混合空调系统，包括两种循环和三种工作模式。系统的两个循环包括：1)以汽车废热为能量来源的喷射器制冷循环，其回路为(g)-(d)-(b)-(c)-(f)-(g)，包含泵，发生器，喷射器和冷凝器等部件；2)压缩机制冷循环(e)-(a)-(b)-(c)-(f)-(e)，此循环包括电子膨胀阀(EEV)，蒸发器，压缩机，喷射器和冷凝器。在喷射器循环中，汽车运行中所产生的废热被发生器收集回收，并被发生器中的制冷剂所吸收。制冷剂吸热后变成高压蒸汽，作为喷射器的一次流。在压缩机制冷循环中，蒸发器出口的制冷剂气体，经过压缩机的作用后，流入冷凝器进行冷却。三种工作模式，包括压缩机模式，混合模式和喷射器模式。

本发明提出一种低能耗多模废热驱动汽车空调系统的工作过程具体为：首先，冷媒由废热进行加热，在发生器里面产生高压饱和蒸汽。当高压饱和蒸汽通过喷射器喷嘴时变成高速射流，由此在喷嘴里面产生低压，诱导吸入来自蒸发器或者压缩机的低压冷媒，显然此处的低压要高于喷嘴内的低压。引射流和诱导流混合后泵入高温高压冷凝器进行冷却，然后一路经泵进入发生器，另一路经电子膨胀阀进入蒸发器，直接作为喷射器的引射流即二次流；或者在冷凝器内冷却的制冷剂液体进入蒸发器后再经过压缩机，再作为喷射器的二次流。

冷媒就是制冷剂，制冷剂在整个系统中循环制冷；并且发生器内是制冷剂液体，被加热，废热就是用来给发生器内的冷媒加热。

当高压饱和蒸汽通过喷射器喷嘴时变成高速射流，由此在喷嘴里面产生低压，诱导吸入来自蒸发器或者压缩机的低压冷媒，喷嘴内的高速射流就是诱导流，它是喷嘴的一次流，即是发生器内的饱和蒸汽经过喷嘴里发生变化而形成的，因为喷射器喷嘴特殊的结构致使高速射流会形成低压(依据伯努利方程原理)。

泵入：就是两股流体混合后因喷射器特殊的结构形式，形成一种类似泵的推动力，进入冷凝器。此处引射流就是喷射器的二次流，来源于蒸发器或者压缩机(来源于蒸发器或者压缩机取决于系统工作在哪一种模式下)。当然也可以将泵入改为进入冷凝器。

在冷凝器内冷却的制冷剂液体一路进入蒸发器，直接作为喷射器的引射流即二次流；或者在冷凝器内冷却的制冷剂液体进入蒸发器后再经过压缩机，再作为喷射器的二次流。

本发明提出一种低能耗多模废热驱动汽车空调系统,该系统可以工作在三种工作模式之下:1)压缩机模式；2)混合模式；3)喷射器模式。针对汽车不同工况下的行驶状态，通过对三种工作模式的最佳切换，在满足空调制冷需求的同时，实现能源消耗最小的目标。三种工作模式可以根据表3-1所示的各个阀的开闭来进行相应切换。

表3-1不同工作模式下阀的组合

在第一种压缩机模式下，系统中的压缩机像传统的汽车空调系统那样工作，这种工作状态会出现在汽车引擎关闭或者汽车刚刚启动时。在第二种混合模式下，压缩机和喷射器由于有足够的汽车废热都可以工作在正常状态，即系统工作在混合模式下。在第三种喷射器模式下，喷射器由汽车的废热来驱动，然而在这种模式下喷射器COP非常低，故该模式出现在所需制冷负荷极小的情况下。所述的压缩机模式即为传统的压缩机模式，在现有汽车中被广泛使用，单纯的喷射器模式应用范围很小。

本发明的特色之一在于，将传统汽车空调的压缩式制冷循环与喷射式制冷技术相结合，提出了一种新的混合式制冷循环，利用了喷射式制冷技术的优点，同时压缩机出口与喷射器二次流入口相连，使得压缩机的压缩比大为降低，进而显著降低压缩机的功耗。

本发明，提出了一种包含两种循环和三种工作模式的混合空调系统：一种是由汽车废热所驱动的喷射器循环，另一种是压缩机循环。整个系统可以工作在压缩机模式，喷射器模式或者是两者混合模式。在混合模式下，喷射器二次流入口通过管道与压缩机的出口相连接，这样便可以降低压缩机的压缩比。系统整体COP也会随着压缩比的降低而逐渐升高。系统包括压缩机、发生器、蒸发器、冷凝器、喷射器以及电子膨胀阀等，各部分之间通过质量和能量守恒定律相联系。整个系统首先在设定工况下测试，然后通过改变系统的各个可调量(一次流压力，蒸发压，背压)，来调整整个系统的工作情况。混合模式下的系统兼具了高COP，低成本和高可靠性等优点，更具有使用价值。

本发明提出的低功耗多模废热驱动汽车空调系统具有三种工作模式，它将喷射器的二次流吸入口与压缩机的出口相连接，则喷射器的特性便可以在压缩机制冷系统中得以应用，并且在保持系统蒸发压力不变的同时，减小压缩机的压缩比，减小压缩机功耗，三种工作模式最佳切换，可以提高整个系统的COP。这种系统有效利用汽车废热驱动汽车空调，在同样的制冷量要求下所需的能量更低，油耗更少。

Claims (7)

1.多模废热驱动汽车空调系统，其特征是，包括喷射器制冷循环回路及压缩机制冷循环回路，所述喷射器制冷循环回路包括由泵、发生器、喷射器和冷凝器依次相连所组成的回路，所述压缩机制冷循环回路包括由电子膨胀阀、蒸发器、压缩机、喷射器和冷凝器依次相连所组成的回路。

2.如权利要求1所述的多模废热驱动汽车空调系统，其特征是，所述蒸发器与压缩机之间的管路上及发生器与喷射器之间的管路上分别设有第一阀及第三阀，冷凝器与喷射器之间的公共端与蒸发器之间的管路上依次设有第四阀及第二阀，第四阀及第二阀之间的管路与喷射器和压缩机之间的管路交叉相连，即压缩机的出口与喷射器的二次流入口可连通。

3.如权利要求1所述的多模废热驱动汽车空调系统，其特征是，所述汽车空调系统包括三种工作模式：压缩机模式、混合模式及喷射器模式；

温度传感器测量发生器收集的废热的温度，设定两个温度阈值，发生器的第一温度阈值，发生器的第二温度阈值，当汽车刚刚启动时，这时汽车产生的废热温度小于发生器的第一温度阈值，开启第一阀及第四阀，关闭第二阀及第三阀，系统只有压缩机处于工作状态，为压缩机模式。

4.如权利要求3所述的多模废热驱动汽车空调系统，其特征是，随着汽车的行驶，产生的废热量温度大于发生器的第一温度阈值但小于发生器的第二温度阈值，开启第二阀及第三阀，关闭第一阀及第四阀，喷射器单独工作，为喷射器模式。

5.如权利要求3所述的多模废热驱动汽车空调系统，其特征是，当汽车产生的废热足够多，大于发生器的第二温度阈值，汽车空调由废热驱动，开启第一阀及第三阀，关闭第二阀及第四阀，压缩机和喷射器协调工作，为混合模式。

6.如权利要求3所述的多模废热驱动汽车空调系统，其特征是，发生器的第一温度阈值，即工作在喷射器模式下产生特定的制冷量需要的最小废热量的温度值，发生器的第二温度阈值，即工作在喷射器模式下产生特定的制冷量需要的最大废热量的温度值。

7.如权利要求3所述的多模废热驱动汽车空调系统，其特征是，所述汽车空调系统的废热主要从散热水箱和汽车尾气环节获得。