CN105202797A - 一种余热驱动的微型车载吸收式制冷装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种余热驱动的微型车载吸收式制冷装置，包括水槽，水泵，余热交换装置，以及通过管道连通的发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器，装置中形成三条循环回路，分别为吸收剂循环回路、制冷剂循环回路和用于辅助冷却吸收剂与制冷剂的冷却水循环回路；该制冷装置提供三条循环回路，通过冷却水循环回路辅助冷却吸收剂与制冷剂，提高吸收剂对制冷剂的吸收效率；该装置采用有机分子与离子液体的混合溶液-制冷剂组成的液体工质对，该工质对对于运行环境的要求较低并且对装置无腐蚀作用，装置在常压下即可运行。

Description

一种余热驱动的微型车载吸收式制冷装置

技术领域

本发明涉及一种余热驱动的微型车载吸收式制冷装置，属于汽车制冷系统技术领域。

背景技术

我国汽车及其相关发动机、柴油机能耗占全国总能耗比重接近全国成品油的60％，目前汽车发动机中25％的能量是以冷却水散热的形式损失了，而与此同时约有7％的燃油是用在空调制冷，因此利用发动机的废热进行制冷既可以节省燃油，还能够利用废热，对我国汽车工业的发展有着重要意义。

目前，国内外对新型车用空调技术的研究，主要集中于喷射式制冷、吸附式制冷、吸收式制冷、半导体制冷、热声制冷等。在这些制冷技术中，用于车载制冷设备时能满足体积小、效率高要求的只有吸收式制冷，其技术较为成熟，在工业余热利用中已实现规模化生产。但现存的吸收式制冷设备体积普遍较大，不便直接装配，故在发动机余热资源的利用中吸收式制冷设备的微型化显得尤为重要。

吸收式工质对的选择对其物理化学性质方面都有相应的要求，目前较为普遍的吸收式制冷机普遍采用溴化锂溶液作为吸收剂，水或氨水溶液作为制冷剂。

溴化锂溶液对吸收式机组常用的黑色金属和紫铜有强烈的腐蚀性，且其在有空气存在时更为严重，直接影响了机组的使用寿命。而其腐蚀产生的氢气是机组运行中不凝性气体的主要来源，不凝性气体在机组内的积聚，直接影响了吸收过程和冷凝过程从而导致了机组性能的下降。此外，腐蚀形成的铁锈、铜锈等脱落物，随溶液循环，极易造成喷嘴和过滤器的堵塞，妨碍机组的正常运行。溴化锂吸收式机组需要在真空条件下运行，对于发动机的复杂运行环境而言，要保持其相应的真空度非常困难，且不凝性气体极易进入系统，故溴化锂吸收式机组不适合用于发动机余热资源的回收利用。

氨水溶液对有色金属材料有腐蚀作用，在利用氨水溶液作为工质对的吸收式系统中不允许使用铜及铜合金材料，这使得机组在选择管材及实际装配时存在诸多不便。在发动机运行环境复杂多变的情况下，氨水吸收式机组发生泄漏的几率会明显增大，氨对人体有一定的毒性，空气中氨的体积分数达到0.5％—0.6％时人会在半小时内中毒，另外氨还可燃烧，当空气中混有氨的体积分数达到15.5％—27％时会发生爆炸。此外，氨与水的沸点相差很小，在发生过程中，蒸发出来的除了氨蒸汽还有水蒸气，故需要在发生器中增加精馏装置从而会增加设备体积，综合以上因素，故氨水吸收式机组不适合用于发动机余热资源的回收利用。

水作为制冷剂，环保且成本低廉，但由于在典型的制冷和空调工况下其饱和蒸汽压处于高真空，因此制冷装置须工作于高真空状况，用于维持真空环境的装置体积较大并且价格昂贵，并且由于泄露导致系统性能缺乏稳定性。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，并提供一种结构简单、体积小的余热驱动的微型车载吸收式制冷装置，该制冷装置提供三条循环回路，通过冷却水循环回路辅助冷却吸收剂与制冷剂，提高吸收剂对制冷剂的吸收效率；该装置采用有机分子与离子液体的混合溶液-制冷剂组成的液体工质对，该工质对对于运行环境的要求较低并且对装置无腐蚀作用，装置在常压下即可运行。

实现本发明目的所采用的技术方案为，一种余热驱动的微型车载吸收式制冷装置，至少包括余热交换装置和通过管道连通的发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器，装置中设有三条循环回路，分别为用于吸收剂循环的吸收剂循环回路、用于制冷剂循环的制冷剂循环回路和用于辅助冷却吸收剂与制冷剂的冷却水循环回路；所述冷却水循环回路包括相互连通的水槽、预冷装置和降膜器，冷却水循环回路通过水泵提供冷却水循环动力；制冷剂循环回路包括通过管道循环连通的发生器、冷凝器、节流装置、蒸发器和吸收器；吸收剂循环回路包括通过管道循环连通的发生器、冷凝器、吸收器和第一单向阀，吸收剂循环回路通过溶液泵提供吸收剂循环动力；发生器中设有用于分离制冷剂蒸汽与吸收剂液体的分离过滤装置，预冷装置和分离过滤装置从上至下依次集成于发生器内部，分离过滤装置与发生器底部构成用于加热吸收剂-制冷剂液体工质对的混合腔，混合腔由余热交换装置加热；吸收器中设有用于喷射吸收剂液体的喷射装置，喷射装置和降膜器从上至下依次集成于吸收器内部。

吸收剂循环回路中设有由通过管道连通的第一手阀和第一减压阀构成的第一回流通路，溶液泵和第一单向阀通过管道连通构成第二回流通路，两条回流通路首尾连通构成的溶液回流回路。

发生器与吸收器之间连通有由带第二手阀的管道构成的气体平衡通路，气体平衡通路连通发生器的内腔与吸收器的内腔。

所述吸收剂为有机分子与离子液体的混合溶液，制冷剂为氟代烷烃、氟代烯烃、氟代醚、非取代烷烃或烯烃中的一种或两种以上的混合物。

连通冷凝器与喷射装置的管道上设有第二减压阀，连通蒸发器与吸收器的管道上设有第二单向阀，制冷剂循环回路中设有气液分离器，气液分离器连通发生器与冷凝器。

发生器底部设有与混合腔连通的放液口，放液口上设有放液阀，发生器顶部设有与发生器内腔连通的抽气口，抽气口上设有抽气阀，预冷装置通过安装于发生器侧壁上的进水口和出水口分别与水槽和降膜器连通，降膜器通过安装于吸收器侧壁上的循环水入口和循环水出口分别与降膜器和水槽连通。

所述分离过滤装置由2层以上平行放置并且网孔相互交错的金属滤网构成。

所述预冷装置为管壳式换热器，冷凝器为两通道板翅式换热器，吸收剂和制冷剂分别在两条通道中冷凝，蒸发器为管翅式换热器，制冷剂在蒸发器中吸收外界温度蒸发，实现制冷效果。

所述节流装置为毛细管，余热交换装置为蛇形管，蛇形管与发动机排气口或发动机冷却水管连通。

发生器和吸收器均呈柱状，发生器上设有与预冷装置连通的出汽口以及与混合腔连通的出液口A和回流口，吸收器下端设有与降膜器连通的进汽口，吸收器底部设置出液口B。

由上述技术方案可知，本发明提供的余热驱动的微型车载吸收式制冷装置，由常规的发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器即可实现汽车内部的制冷，相比于现有的余热驱动制冷装置，本发明不需使用真空泵等真空装置，因此整体结构简单、成本低；预冷装置和分离过滤装置从上至下依次集成于发生器内部，其中分离过滤装置用于分离制冷剂蒸汽与吸收剂液体，采用竖向布置，过滤出的吸收剂液体在自重条件下流入位于发生器底部的混合腔，吸收剂-制冷剂液体工质对在混合腔中由余热交换装置加热，使得吸收剂-制冷剂液体工质对中的制冷剂汽化蒸出；喷射装置和降膜器从上至下依次集成于吸收器内部，采用竖向布置，合理利用吸收剂液体自重加快吸收剂液体对制冷剂的吸收速率；发生器和吸收器的集成结构使得其内部结构紧凑，因而大大缩小了装置的整体尺寸，使得装置微型化。制冷剂和吸收剂均为液体，在工作过程中处于不断流动或液/汽化的状态，相比于吸附式制冷装置，装置中无需使用体积较大的吸附剂容器，因而进一步减小尺寸，装置整体体积为0.25立方米左右，满足汽车的装配空间要求。

本发明在现有制冷装置两条循环回路(吸收剂循环回路和制冷剂循环回路)的基础上增加用于辅助冷却吸收剂与制冷剂的冷却水循环回路，冷却水循环回路中，水槽中的水经过水泵作用，经过发生器上端的预冷装置冷却制冷剂蒸汽之后进入吸收器上端的降膜器，在降膜器中吸收有机分子与离子液体的混合溶液的热量从而增大其对制冷剂蒸汽的吸收率，大大提高装置的制冷效果。

在吸收剂循环回路中，吸收剂在吸收器到发生器通路的流动过程中，低压浓溶液(吸收剂)经溶液泵泵入发生器，溶液泵的运行频率与发生器到吸收器之间的第一减压阀开度有着密切的联系。为了维持发生器与吸收器之间正常的工作压差，需要将减压阀的开度减小，在此情况下溶液泵就需要较高频率才能将有机分子与离子液体的混合溶液从吸收器泵入到发生器中。较高频率会导致吸收器中的有机分子与离子液体的混合溶液快速泵完，为防止吸收器中发生空液现象，在吸收器的出液口B与发生器的回流口之间设置溶液回流回路，由通过管道连通的第一手阀和第一减压阀构成的第一回流通路与由溶液泵和第一单向阀通过管道连通构成的第二回流通路首尾连通，使得吸收剂(有机分子与离子液体的混合溶液)在经过第一单向阀后其中一部分经过第一回流通路重新与吸收器底部出液口B中的吸收剂混合，从而避免吸收器出现空液的情况，保持整个制冷系统正常运行。此外，各管路上设置减压阀、单向阀或手阀，用于保持系统正常运行；发生器与吸收器之间连通有由带第二手阀的管道构成的气体平衡通路，气体平衡通路用于进行系统运行前的参数调节；为保证制冷剂蒸汽与吸收剂液体充分分离，在制冷剂循环回路中设有气液分离器，气液分离器连通发生器与冷凝器，充分分离制冷剂蒸汽与吸收剂液体。

本发明采用有机分子与离子液体的混合溶液-制冷剂组成的液体工质对，制冷剂是氟代烷烃、氟代烯烃、氟代醚、非取代烷烃或烯烃中的一种或两种以上的混合物，吸收剂(有机分子与离子液体)选用中国发明专利“用于热源温度在60℃至130℃之间的吸收式热循环系统的工作物质对”(申请号：CN201210500221)中公开的吸收剂，有机分子与离子液体的混合溶液对该制冷剂有强烈的吸收能力，并且其与制冷剂的沸点相差很大，在发生过程中不会随着制冷剂一起蒸出，此外，此混合溶液在高浓度情况下工作时不会产生结晶现象。该有机分子与离子液体的混合溶液-制冷剂工质对无毒、高浓度不爆炸，对吸收式机组的金属材料无腐蚀作用，其化学稳定性和热稳定性较好，工作压力高于大气压，系统无需保持真空度且不受不凝性气体的影响。有机分子与离子液体的混合溶液-制冷剂工质对对吸收式制冷装置对运行环境要求低，可适应复杂多变的发动机运行环境，非常适合作为发动机余热资源的回收利用装置。

综上所述，本发明提供的余热驱动的微型车载吸收式制冷装置，以发动机余热资源作为微型吸收式制冷机的驱动热源，回收未被利用的发动机余热资源，降低发动机能耗；该装置体积小、结构紧凑，可以直接装配在相应设备上以发动机余热资源作为驱动热源来提供能量，可以代替现有的汽车空调，节省用于汽车空调的油耗，达到余热回收利用与节能的目的；本发明提供的制冷装置采用有机分子与离子液体的混合溶液-制冷剂组成的液体工质对，该工质对对于运行环境的要求较低并且对装置无腐蚀作用，装置在常压下即可运行，安全可靠、成本低。

附图说明

图1为本发明提供的余热驱动的微型车载吸收式制冷装置的液体回路示意图。

图2为发生器的结构示意图。

图3为吸收器的结构示意图。

其中，1-发生器，2-放液阀，3-第二减压阀，4-吸收器，5-溶液泵，6-第一单向阀，7-第一减压阀，8-第一手阀，9-第二单向阀，10-蒸发器，11-毛细管，12-冷凝器，13-第二手阀，14-气液分离器，15-抽气阀，16-余热换热装置，17-水泵，18-水槽，19-出液口A，20-混合腔，21-回流口，22-分离过滤装置，23-出水口，24-预冷装置，25-出汽口，26-进水口，27-出液口B，28-循环水入口，29-立式降膜器，30-喷射装置，31-循环水出口，32-进汽口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细具体说明，本发明的内容不局限于以下实施例。

本发明提供的余热驱动的微型车载吸收式制冷装置，其结构如图1所示，包括余热交换装置16、发生器1、气液分离器14、冷凝器12、蒸发器10、吸收器4、溶液泵5、第一单向阀6、第二单向阀9、第一减压阀3、第二减压阀7、第一手阀8、第二手阀13、毛细管11、水槽18和水泵17，本实施例采用的毛细管11的规格为内径0.6～2.5mm，长度0.8～2.2m，冷凝器为两通道板翅式换热器，吸收剂和制冷剂分别在两条通道中冷凝，蒸发器为管翅式换热器，制冷剂在蒸发器中吸收外界温度蒸发，实现制冷效果，带第二手阀13的管路连通发生器的内腔与吸收器的内腔形成气体平衡通路，用于进行系统运行前的参数调节；

所述发生器呈柱状，尺寸为内径16cm，高度62cm，其结构如图2所示，发生器内部从上至下依次设有并且顺序连通的预冷装置24、分离过滤装置22和用于加热吸收剂的混合腔20，分离过滤装置22由2层以上平行放置并且网孔相互交错的金属滤网构成，预冷装置为管壳式换热器，混合腔由位于其中的余热交换装置16加热，所述余热交换装置16为蛇形管，蛇形管与发动机排气口或发动机冷却水管连通，发生器的顶部设有与预冷装置连通的出汽口25和与发生器内腔连通的抽气口，抽气口上设有抽气阀15，发生器的侧壁下部上设有与混合腔连通的出液口A19和回流口21，发生器的侧壁上部上设有与预冷装置连通的进水口26和出水口23，发生器底部设有与混合腔连通的放液口，放液口上设有放液阀2；

所述吸收器呈柱状，尺寸为内径12cm，高度56cm，其结构如图3所示，内部从上至下依次设有喷射装置30和立式降膜器29，喷射装置30的入口位于吸收器顶部，吸收器的侧壁下部上设有与立式降膜器连通的进汽口32，吸收器的侧壁上部上设有与立式降膜器29连通的循环水入口28和循环水出口31，吸收器的底部设有出液口B27；

本发明采用有机分子与离子液体的混合溶液-制冷剂组成的液体工质对，其中有机分子与离子液体的混合溶液为吸收剂，优选离子液体1-乙基-3-甲基咪唑乙酸盐和有机液体四乙二醇二甲醚的混合溶液作为吸收剂；制冷剂为氟代烷烃、氟代烯烃、氟代醚、非取代烷烃或烯烃中的一种或两种以上的混合物，优选R134a。

下面对本发明提供的余热驱动的微型车载吸收式制冷装置的具体工作原理进行详细说明，参见附图1，本发明提供的余热驱动的微型车载吸收式制冷装置中存在三个循环回路，分别为：

1、吸收剂循环回路，由发生器的出液口A19、冷凝器12、第一减压阀3、吸收器4、溶液回流回路、发生器的回流口21通过管道顺序连通构成，其中溶液回流回路由两条首尾连通的回流通路构成，两条回流通路分别为由通过管道连通的第一手阀和第二减压阀构成的第一回流通路，以及由溶液泵和第一单向阀通过管道连通构成的第二回流通路，吸收剂循环回路由溶液泵提供吸收剂循环动力；

吸收剂在吸收剂循环回路中的循环过程为：发生器1中的高压低浓度吸收剂从其下端出液口A19流出，经冷凝器12冷凝后再经第一减压阀3减压，随后从吸收器4上端的喷射装置30进入吸收器，吸收剂在吸收器的立式降膜器29中降膜吸收制冷剂蒸汽变为高浓度吸收剂后，从吸收器底部出液口B27流出，经溶液泵5作用后再经过第一单向阀6与从气液分离器14下端流出的高压低浓度吸收剂相混合，从发生器的回流口21进入发生器，从而完成吸收剂的循环；在此过程中，为防止吸收器中发生空液现象，回路中设置溶液回流回路，即有吸收剂在经过第一单向阀6(第二回流通路)后其中一部分经过第一回流通路(第二减压阀7和第一手阀8)重新与吸收器底部出液口B中的吸收剂混合，从而避免吸收器出现空液的现象；

2、制冷剂循环回路，由发生器的出汽口25、气液分离器14、冷凝器12、毛细管11、蒸发器10、第二单向阀9和吸收器的进汽口32通过管道顺序连通构成；制冷剂在制冷剂循环回路中的循环过程为：发生器1中的吸收剂在经余热交换装置16加热之后蒸出制冷剂蒸汽，制冷剂蒸汽经过分离过滤装置22及预冷装置24后从发生器上端的出汽口25流出进入气液分离器14，在气液分离器中进行进一步分离后，制冷剂蒸汽从其上端流出经冷凝器12冷凝后变为制冷剂液体，然后经过毛细管11节流后进入蒸发器10蒸发变为制冷剂蒸汽，此蒸发过程中制冷剂吸收外界环境热量从而产生制冷效果，制冷剂蒸汽经过第二单向阀9后从吸收器下端进汽口32进入，在吸收器中被吸收剂降膜吸收后随吸收剂回到发生器，从而完成制冷剂循环；

3、冷却水循环回路，由水槽18、水泵17、预冷装置24和立式降膜器29相互连通构成，水泵17提供冷却水循环动力；水在冷却水循环回路中的循环过程为：水槽18中的水经过水泵17作用，从发生器1上部进水口26进入发生器1，经过预冷装置24对制冷剂蒸汽进行冷却，随后从发生器1上部出水口23流经吸收器4上部的循环水入口28进入吸收器4，经过立式降膜器29对吸收剂进行冷却，吸收其热量从而增大吸收剂对制冷剂蒸汽的吸收率，随后从吸收器4上部的循环水出口31流出再回到水槽18，从而完成冷却水循环。

Claims (10)

1.一种余热驱动的微型车载吸收式制冷装置，至少包括余热交换装置和通过管道连通的发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器，其特征在于：装置中设有三条循环回路，分别为用于吸收剂循环的吸收剂循环回路、用于制冷剂循环的制冷剂循环回路和用于辅助冷却吸收剂与制冷剂的冷却水循环回路；所述冷却水循环回路包括相互连通的水槽、预冷装置和降膜器，冷却水循环回路通过水泵提供冷却水循环动力；制冷剂循环回路包括通过管道循环连通的发生器、冷凝器、节流装置、蒸发器和吸收器；吸收剂循环回路包括通过管道循环连通的发生器、冷凝器、吸收器和第一单向阀，吸收剂循环回路通过溶液泵提供吸收剂循环动力；发生器中设有用于分离制冷剂蒸汽与吸收剂液体的分离过滤装置，预冷装置和分离过滤装置从上至下依次集成于发生器内部，分离过滤装置与发生器底部构成用于加热吸收剂-制冷剂液体工质对的混合腔，混合腔由余热交换装置加热；吸收器中设有用于喷射吸收剂液体的喷射装置，喷射装置和降膜器从上至下依次集成于吸收器内部。

2.根据权利要求1所述的余热驱动的微型车载吸收式制冷装置，其特征在于：吸收剂循环回路中设有由通过管道连通的第一手阀和第一减压阀构成的第一回流通路，溶液泵和第一单向阀通过管道连通构成第二回流通路，两条回流通路首尾连通构成的溶液回流回路。

3.根据权利要求1所述的余热驱动的微型车载吸收式制冷装置，其特征在于：发生器与吸收器之间连通有由带第二手阀的管道构成的气体平衡通路，气体平衡通路连通发生器的内腔与吸收器的内腔。

4.根据权利要求1所述的余热驱动的微型车载吸收式制冷装置，其特征在于：所述吸收剂为有机分子与离子液体的混合溶液，制冷剂为氟代烷烃、氟代烯烃、氟代醚、非取代烷烃或烯烃中的一种或两种以上的混合物。

5.根据权利要求1所述的余热驱动的微型车载吸收式制冷装置，其特征在于：连通冷凝器与喷射装置的管道上设有第二减压阀，连通蒸发器与吸收器的管道上设有第二单向阀，制冷剂循环回路中设有气液分离器，气液分离器连通发生器与冷凝器。

6.根据权利要求1所述的余热驱动的微型车载吸收式制冷装置，其特征在于：发生器底部设有与混合腔连通的放液口，放液口上设有放液阀，发生器顶部设有与发生器内腔连通的抽气口，抽气口上设有抽气阀，预冷装置通过安装于发生器侧壁上的进水口和出水口分别与水槽和降膜器连通，降膜器通过安装于吸收器侧壁上的循环水入口和循环水出口分别与降膜器和水槽连通。

7.根据权利要求1所述的余热驱动的微型车载吸收式制冷装置，其特征在于：所述分离过滤装置由2层以上平行放置并且网孔相互交错的金属滤网构成。

8.根据权利要求1所述的余热驱动的微型车载吸收式制冷装置，其特征在于：所述预冷装置为管壳式换热器，冷凝器为两通道板翅式换热器，吸收剂和制冷剂分别在两条通道中冷凝，蒸发器为管翅式换热器。

9.根据权利要求1所述的余热驱动的微型车载吸收式制冷装置，其特征在于：所述节流装置为毛细管，余热交换装置为蛇形管，蛇形管与发动机排气口或发动机冷却水管连通。

10.根据权利要求1所述的余热驱动的微型车载吸收式制冷装置，其特征在于：发生器和吸收器均呈柱状，发生器上设有与预冷装置连通的出汽口以及与混合腔连通的出液口A和回流口，吸收器下端设有与降膜器连通的进汽口，吸收器底部设置出液口B。