CN104896787B - 一种利用发动机尾气驱动的吸附制冷装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用发动机尾气驱动的吸附制冷装置，包括依次相连形成一制冷剂循环流动环路的冷凝器、蒸发器、高温盐吸附床和中温盐吸附床；高温盐吸附床的翅片管内填充有氯化锰/硫化膨胀石墨复合吸附剂，中温盐吸附床的翅片管内填充有氯化钙/硫化膨胀石墨复合吸附剂；发动机尾气通过空气烟气管道输送到高温盐吸附床和中温盐吸附床内，并与高温盐吸附床和中温盐吸附床的翅片管实现热交换后被排入外部环境中，高温盐吸附床和中温盐吸附床各自的空气烟气管道上还通过分支与外部空气相连通。本发明适用于冷藏车，将冷藏车的发动机尾气中的热量用于驱动该吸附式制冷装置来获得冷量，起到制冷的效果，且本发明适用于更加恶劣的工况。
Description
技术领域
本发明涉及制冷技术领域，特别涉及一种利用发动机尾气驱动的吸附制冷装置。
背景技术
吸附式制冷作为一种可以利用低品位热能(如发动机尾气，地热能等)驱动的绿色环保型技术，越来越受到研究者的重视。吸附式制冷系统主要由吸附床、蒸发器和冷凝器组成，吸附式制冷一般包括两个过程：(1)冷却吸附过程，该过程使用冷却水或空气冷却吸附床，使吸附床中的吸附剂吸附蒸发器中的制冷剂，制冷剂在蒸发器中蒸发产生冷量；(2)加热解吸过程，该过程使用中低品位热能使吸附饱和的吸附剂再生，即将制冷剂与吸附剂分离，解吸出来的制冷剂在冷凝器中冷凝为液体，流回到蒸发器中完成一个循环。考虑到发动机尾气有较大的热量及较高的温度，如果将发动机尾气直接排掉，必然带来热量的浪费，于是提出了利用汽车尾气驱动的吸附式制冷装置，如图1所示的一套利用内燃机车烟气余热驱动的沸石－水吸附式空调系统，现场运行表明，吸附式余热空调系统基本上可以满足除了慢车工况以外的机车驾驶室内空调的需要，采用蓄冷式的循环方式，实现了连续供冷，对于典型工况，系统的制冷量为3.0-4.2kW，蒸发温度为10℃左右，该套系统满足空调工况，不能满足冷冻工况，即不能满足冷藏车的冷冻需求。
随着人们生活水平的提高，对食品品质的要求也更高，从而使食品的保鲜和冷藏变得更加重要，则冷藏车应运而生，传统的冷藏车采用的是蒸汽压缩式制冷制冷系统，为了保证冷藏车的连续制冷需要耗费一定量的发动机轴功率，增大了冷藏车的尾气排放量，造成了大气污染以及温室效应。
而上述提到了利用发动机尾气驱动的吸附式制冷系统，蒸发温度只能达到10℃，不能满足冷藏车运输途中的冷冻需求，蒸发温度需要达到-10℃。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种利用发动机尾气驱动的吸附制冷装置，包括冷凝器、蒸发器、高温盐吸附床和中温盐吸附床，所述冷凝器、蒸发器、高温盐吸附床和中温盐吸附床依次相连形成一供制冷剂流动的环路；
所述高温盐吸附床的翅片管内充满吸附剂，用以吸附来自所述蒸发器的制冷剂；所述中温盐吸附床的翅片管内充满吸附剂，用以吸附来自所述高温盐吸附床的制冷剂；
所述高温盐吸附床和中温盐吸附床分别通过空气烟气管道与发动机尾气出口相连通，发动机尾气通过所述空气烟气管道输送到所述高温盐吸附床和中温盐吸附床内，并与所述高温盐吸附床和中温盐吸附床的翅片管实现热交换后被排入外部环境中；所述高温盐吸附床和中温盐吸附床各自的空气烟气管道上还分别通过分支与外部空气相连通。
较佳地，所述冷凝器和所述蒸发器之间的管路上还依次设置有储液罐和阀门。
较佳地，所述蒸发器与所述高温盐吸附床之间、所述中温盐吸附床与所述高温盐吸附床之间、所述冷凝器与所述中温盐吸附床之间、所述高温盐吸附床和中温盐吸附床的外部空气进口和发动机尾气进口上均设置有阀门。
较佳地，所述高温盐吸附床内的吸附剂采用氯化锰/硫化膨胀石墨复合吸附剂。
较佳地，所述中温盐吸附床内的吸附剂采用氯化钙/硫化膨胀石墨复合吸附剂。
较佳地，所述制冷剂采用氨。
较佳地，所述冷凝器的一侧设置有冷凝器风机。
较佳地，所述蒸发器的一侧设置有蒸发器风机。
较佳地，所述高温盐吸附床和所述中温盐吸附床的外部空气的进口处均设置有风机。
较佳地，所述发动机尾气出口上还设置有一将尾气直接排至外部空气中的分支管路，且该分支管路上设置有阀门。
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
本发明提供的吸附制冷装置，适用于冷藏车，将冷藏车的发动机尾气中的热量用于高温盐吸附床和中温盐吸附床中制冷剂的脱附，以便于由蒸发器、高温盐吸附床、中温盐吸附床和冷凝器组成的制冷循环正常运行，使得蒸发器中的制冷剂蒸发吸热，吸收制冷空间内空气中的热量，降低空气的温度，从而起到制冷的效果；本发明将发动机尾气中的余热进行回收利用，具有节约能源等优点；
同时，本发明通过高温盐吸附床和中温盐吸附床的共同配合，其中高温盐吸附床中采用氯化锰/硫化膨胀石墨复合吸附剂，中温盐吸附床采用氯化钙/硫化膨胀石墨复合吸附剂，从而降低了高温盐吸附床和中温盐吸附床所需的解吸温度，提高了吸附温度的目的，从而使得发动机尾气温度不够高的时候制冷装置依旧能够工作，使得该制冷装置适用于更加恶劣的工况。
附图说明
结合附图，通过下文的述详细说明，可更清楚地理解本发明的上述及其他特征和优点，其中：
图1为现有技术中利用内燃机车烟气余热驱动的沸石－水吸附式空调系统图；
图2为本发明提供的利用发动机尾气驱动的吸附制冷装置的结构示意图；
图3为两级吸附式制冷循环克拉伯龙(Clapeyron)图。
符号说明：
1-第一制冷剂阀门 2-冷凝器风机 3-冷凝器
4-储液罐 5-第四制冷剂阀门 6-蒸发器
7-第二制冷剂阀门 8-蒸发器风机 9、23-吸附剂
10-高温盐吸附床 11、21-空气烟气管道 12-第一风门
13-第一圆形管道风机 14-第三制冷剂阀门 15-第二烟气蝶阀
16-第三烟气蝶阀 17-发动机尾气入口 18-第一烟气蝶阀
19-第二圆形管道风机 20-第二风门 22-中温盐吸附床
具体实施方式
参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚起见，可能放大了层及区域的尺寸及相对尺寸。
本发明提供了一种利用发动机尾气驱动的吸附制冷装置，该装置主要针对冷藏车而设计的，包括有冷凝器3、蒸发器6、高温盐吸附床10、中温盐吸附床22等组成部分；本发明将冷藏车发动机产生的尾气用来加热高温盐吸附床10、中温盐吸附床22内的吸附剂，实现高温盐吸附床10、中温盐吸附床22内制冷剂的脱附，以便于设置在冷藏车需要制冷的空间内的蒸发器6进行制冷工作。本发明将发动机尾气中的热量回收用于制冷，同时通过高温盐吸附床10和中温盐吸附床的配合使用，从而降低了解吸温度，提高了吸附温度的目的，从而使得发动机尾气温度不够高的时候制冷装置依旧能够工作，使得该制冷装置适用于更加恶劣的工况。
参照图2中所示，冷凝器3、蒸发器6、高温盐吸附床10、中温盐吸附床22均由翅片管组成，且冷凝器3、蒸发器6、高温盐吸附床10、中温盐吸附床22的翅片管之间均通过管道依次相连形成一供制冷剂流通的循环回路；冷凝器3与蒸发器6之间设置有一储液罐4，用于收集来自冷凝器3的液体制冷剂，其中制冷剂优选采用氨，当然也可采用其他制冷剂，此处不作限制。其中，蒸发器6设置在需要制冷的空间内，冷凝器3设置在需要制冷的空间外部，其余组成部分的设置位置可根据具体情况进行设置，此处不作限制。
具体的，蒸发器6是由54根相连的钢铝翅片管组成，基管Φ25×2.5mm，翅片高10mm，布置为3排，每排18根翅片管，每根翅片管的长度为420mm。蒸发器6的翅片管入口与储液罐4的出口相连通，且之间设置有第四制冷剂阀门5；来自储液罐4中的制冷剂液体流入到蒸发器6中，制冷剂在蒸发器6中蒸发并吸收蒸发器6周围需要制冷的空间内的热量，蒸发器6翅片与制冷空间内的空气热交换，降低了空气的温度，从而达到制冷的目的；为了加强制冷空间内空气与蒸发器6翅片之间的换热，在蒸发器6背部加装一蒸发器风机8。制冷剂液体在经过蒸发器6的蒸发吸热后，变成制冷剂气体。
高温盐吸附床10由112根相连通且长度为460mm的钢铝翅片管组成，基管直径Φ42×2.5mm，翅片高10mm，长度方向排列16根，高度方向排列7根。高温盐吸附床10翅片管内填充有吸附剂，具体的采用氯化锰/硫化膨胀石墨复合吸附剂。高温盐吸附床10翅片管的入口与蒸发器6翅片管的出口相连通，且之间设置有第二制冷剂阀门7；来自蒸发器6的制冷剂流入到高温盐吸附床10的翅片管内，且被氯化锰/硫化膨胀石墨复合吸附剂所吸附，实现吸附过程，且吸附剂在吸附制冷剂的时候产生热量；当高温盐吸附床10的吸附剂吸附饱和后，吸收热量将制冷剂与吸附剂分离，实现脱附的过程。
中温盐吸附床22由77根相连通且长度为460mm的钢铝翅片管组成，基管直径Φ42×2.5mm，翅片高10mm，长度方向排列11根，高度方向排列7根。中温盐吸附床22翅片管内填充有吸附剂，具体的采用氯化钙/硫化膨胀石墨复合吸附剂。中温盐吸附床22翅片管的入口与高温盐吸附床10翅片管的出口相连通，且之间设置有第三制冷剂阀门14；从高温盐吸附床10脱附出来的制冷剂，再次被中温盐吸附床22翅片管内吸附剂所吸附，实现吸附过程，且吸附剂在吸附制冷剂的时候产生热量；当中温盐吸附床22的吸附剂吸附饱和后，吸收热量将制冷剂与吸附剂分离，实现脱附的过程。
冷凝器3是由24根相连通的钢铝翅片管组成，基管Φ25×2.5mm，翅片高10mm，布置为2排，每排12根翅片管，每根翅片管的长度为530mm。冷凝器3翅片管的入口与中温盐吸附床22翅片管的出口相连通，且之间设置有第一制冷剂阀门1；经过高温盐吸附床10和中温盐吸附床22后的制冷剂气体被加压，被加压后的制冷剂气体进入到冷凝器3内，冷凝为制冷剂液体，制冷剂液体再次回收到储液罐4内；制冷剂液体在冷凝过程中放出热量，冷凝器3的翅片与外部空气进行换热，使其产生的热量被带走；在本实施例中，在冷凝器的背部加装一冷凝器风机2，加强冷凝器3翅片与外部空气的换热。
在本实施例中，高温盐吸附床10通过空气烟气管道11连接发动机尾气入口17，且空气烟气管道11的入口处设置有用于控制通断的第二烟气蝶阀15；高温盐吸附床10的空气烟气管道11上还设置有第一分支，该第一分支与外界空气相连通，第一分支上设置有用于控制通断的第一风门12，第一分支的入口处还设置有第一风机13，第一风机13可采用圆形管道风机，此处不作限制。其中，当高温盐吸附床10内的吸附剂吸附制冷剂的时候产生吸附热，打开第一风门12、启动第一风机13，使得外界空气进入到高温盐吸附床10内，与高温盐吸附床10翅片进行热交换，带走吸附热，带有吸附热的空气直接从高温盐吸附床10内排到外界空气中；当高温盐吸附床10翅片管内的制冷剂脱离吸附剂的时候，打开第二烟气蝶阀15，使得发动机尾气中的高温烟气进入到高温盐吸附床10内，并与翅片进行热交换，为翅片管内的吸附剂和制冷剂提供解吸热，使得制冷剂脱附而出，经过高温盐吸附床10的发动机尾气可直接排到外部空气中。
在本实施例中，中温盐吸附床22通过空气烟气管道21连接发动机尾气入口17，且空气烟气管道21的入口处设置有用于控制通断的第一烟气蝶阀18；中温盐吸附床22的空气烟气管道21上还设置有第二分支，该第二分支与外界空气相连通，且第二分支上设置有用于控制通断的第二风门20，第二分支的入口处设置有第二风机19，第二风机19可采用圆形管道风机，此处不作限制。其中，当中温盐吸附床22内的吸附剂吸附制冷剂的时候产生吸附热，打开第二风门20、启动第二风机19，使得外界空气进入到中温盐吸附床22内，与中温盐吸附床22翅片进行热交换，带走吸附热，带有吸附热的空气直接从中温吸附床22内排到外界空气中；当中温盐吸附床22翅片管内的制冷剂脱离吸附剂的时候，打开第二烟气蝶阀15，使得发动机尾气中的高温烟气进入到中温盐吸附床22内，并与翅片进行热交换，为翅片管内的吸附剂和制冷剂提供解吸热，使得制冷剂脱附而出，经过中温盐吸附床22的发动机尾气可直接排到外部空气中。
以上所述的冷凝器3、蒸发器6、高温盐吸附床10、中温盐吸附床22的翅片管的具体尺寸、根数、直径等结构形状，均可根据具体情况来设定，此处均不作限制。
本发明提供的一种利用发送机尾气驱动的吸附制冷机，通过高温盐吸附床和中温盐吸附床的共同使用，从而使得解吸温度降低，使得吸附温度升高。其具体原理如下：
参照图3为两级吸附式制冷循环Clapeyron图，其中4-5是制冷剂氨对应的饱和温度压力曲线；2’-3是中温盐吸附解吸反应平衡曲线；1’-6是高温盐吸附解吸反应平衡曲线；1’-4-5-6是高温盐单级循环曲线，解吸温度为Tg3；3-4-5-2’是中温盐单级循环曲线，吸附温度为Tc1；1-2-3-4-5-6是两级吸附制冷循环，在相同的冷凝温度下，与高温盐单级循环曲线相比，解吸温度从Tg3降低到了Tg1,；与中温盐单级循环曲线相比，吸附温度从Tc1升高到Ta；由此可见，高温盐温盐吸附床与中温盐吸附床的共同使用，降低了解吸温度，提高了吸附温度，使得本发明适用于更加恶劣的工况。
在本实施例中，发动机尾气入口17处还设置有一与之相连通的分支管路，该分支管路可将发动机尾气直接排入到外界空气中；该分支管路上设置有第三烟气蝶阀16，当发动机尾气驱动的吸附制冷装置不工作时，打开第三烟气蝶阀16，发动机尾气直接排到大气环境中。
本发明提供的一种利用发动机尾气驱动的吸附制冷装置，其工作原理如下：
在系统初次运行时，在储液罐4中注入一定量的制冷剂液体，系统运行时将第三烟气蝶阀16关闭，系统运行分为两个过程：吸附/解吸过程和再吸附过程；
(1)蒸发器6冷量输出的过程及高温盐吸附床10冷却吸附、加热解吸制冷剂的过程
储液罐4中制冷剂液体流经蒸发器6，并在蒸发器6内蒸发吸收制冷空间内空气的热量，降低空气的温度，达到制冷效果；同时蒸发器风机8通电，加速制冷效果；第二制冷剂阀门7打开，制冷剂从蒸发器6流入到高温盐吸附床10内。
第一风门12打开，给第一风机13通电，第二烟气蝶阀15、第三制冷剂阀门14及第四制冷剂阀门5处于关闭状态，在此过程中，外界的空气通过第一风机13、第一风门12和空气烟气管道11流入高温盐吸附床10内，并带走温盐吸附床10中吸附剂在吸附制冷剂是产生的吸附热。
高温盐吸附床10内的吸附剂吸附饱和后，第一风门12关闭，第二烟气蝶阀15、第二风门20、第三制冷剂阀门14及第四制冷剂阀门5处于打开状态。发动机尾气通过第二烟气蝶阀15、烟气空气管道11流入到高温盐吸附床10，给高温盐吸附床10进行加热，使制冷剂解吸出来。
(2)中温盐吸附床的冷却吸附过程、加热解吸过程
从高温盐吸附床10中解吸出来的制冷剂进入到中温盐吸附床22内，并被中温盐吸附床22内的吸附剂所吸收；在此过程中，外界空气通过第一风机20、烟气空气管道21流入到中温盐吸附床22内，冷却中温盐吸附床，带走相应的吸附热。
中温盐吸附床22内的吸附剂吸附饱和后，发动机尾气通过发动机尾气入口17、第一烟气蝶阀18、空气烟气管道21流入到中温盐吸附床22内，给中温盐吸附床22进行加热，制冷剂从中温盐吸附床22中解吸出来，并流入到冷凝器3中；制冷剂气体在冷凝器3冷凝为液体，给冷凝器风机2通电，使外界空气带走相应的冷凝热，冷凝后的制冷剂液体回流到储液罐4中。此时第一烟气蝶阀18和第一制冷剂阀门1处于打开状态，第二风门20处于关闭的状态。
本发明提供的吸附制冷装置，适用于冷藏车，将冷藏车的发动机尾气中的热量用于高温盐吸附床和中温盐吸附床制冷剂的脱附，以便于由蒸发器、高温盐吸附床、中温盐吸附床和冷凝器组成的制冷循环正常运行，使得蒸发器中的制冷剂蒸发吸热，吸收制冷空间内空气中的热量，从而起到制冷的效果；同时，本发明通过高温盐吸附床和中温盐吸附床的共同配合，且高温盐吸附床中采用氯化锰/硫化膨胀石墨复合吸附剂，中温盐吸附床采用氯化钙/硫化膨胀石墨复合吸附剂，从而降低了高温盐吸附床和中温盐吸附床所需的解吸温度，提高了吸附温度的目的，从而使得发动机尾气温度不够高的时候制冷装置依旧能够工作，使得该制冷装置适用于更加恶劣的工况。
另外，本发明提供的吸附制冷装置的制冷温度能够达到-10℃，其主要由以下两方面来实现：(1)本发明中采用氨来作为制冷剂；(2)在冷却高温盐吸附床时，高温盐吸附床的压力会降低到制冷剂氨-10℃对应的饱和压力，高温盐吸附床与蒸发器相连，在蒸发器中与制冷剂氨换热的外部流体温度高于-10℃，制冷剂氨蒸发吸收外部流体的热量，从而产生冷量。
本技术领域的技术人员应理解，本发明可以以许多其他具体形式实现而不脱离本发明的精神或范围。尽管已描述了本发明的实施例，应理解本发明不应限制为这些实施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本发明精神和范围之内作出变化和修改。
Claims (7)
1.一种利用发动机尾气驱动的吸附制冷装置，其特征在于，包括冷凝器、蒸发器、高温盐吸附床和中温盐吸附床，所述冷凝器、蒸发器、高温盐吸附床和中温盐吸附床依次相连形成一供制冷剂流动的环路；
所述制冷剂采用氨；
所述高温盐吸附床的翅片管内充满吸附剂，用以吸附来自所述蒸发器的制冷剂；所述中温盐吸附床的翅片管内充满吸附剂，用以吸附来自所述高温盐吸附床的制冷剂；所述高温盐吸附床内的吸附剂采用氯化锰/硫化膨胀石墨复合吸附剂，所述中温盐吸附床内的吸附剂采用氯化钙/硫化膨胀石墨复合吸附剂；
所述高温盐吸附床和中温盐吸附床分别通过空气烟气管道与发动机尾气出口相连通，发动机尾气通过所述空气烟气管道输送到所述高温盐吸附床和中温盐吸附床内，并与所述高温盐吸附床和中温盐吸附床的翅片管实现热交换后被排入外部环境中；所述高温盐吸附床和中温盐吸附床各自的空气烟气管道上还分别通过分支与外部空气相连通。
2.据权利要求1所述的利用发动机尾气驱动的吸附制冷装置，其特征在于，所述冷凝器和所述蒸发器之间的管路上还依次设置有储液罐和阀门。
3.据权利要求1所述的利用发动机尾气驱动的吸附制冷装置，其特征在于，所述蒸发器与所述高温盐吸附床之间、所述中温盐吸附床与所述高温盐吸附床之间、所述冷凝器与所述中温盐吸附床之间、所述高温盐吸附床和中温盐吸附床的外部空气进口和发动机尾气进口上均设置有阀门。
4.据权利要求1所述的利用发动机尾气驱动的吸附制冷装置，其特征在于，所述冷凝器的一侧设置有冷凝器风机。
5.据权利要求1所述的利用发动机尾气驱动的吸附制冷装置，其特征在于，所述蒸发器的一侧设置有蒸发器风机。
6.据权利要求1所述的利用发动机尾气驱动的吸附制冷装置，其特征在于，所述高温盐吸附床和所述中温盐吸附床的外部空气的进口处均设置有风机。
7.据权利要求1所述的利用发动机尾气驱动的吸附制冷装置，其特征在于，所述发动机尾气出口上还设置有一将尾气直接排至外部空气中的分支管路，且该分支管路上设置有阀门。
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