CN105626318B - 一种采用相变蓄热材料的车用lng汽化器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用相变蓄热材料的车用LNG汽化器，包括密闭的壳体以及设置在所述壳体内的LNG管道和冷却液管道，所述壳体上设置液化天然气进口、气态天然气出口、冷却液进口和冷却液出口，所述LNG管道的一端与液化天然气进口连接，其另一端与气态天然气出口连接，所述冷却液管道的一端与冷却液进口连接，其另一端与冷却液出口连接，所述壳体内填充有液态相变蓄热材料，所述壳体外壁设置有保温层，所述冷却液进口上设置有电磁阀。本发明可以提高车辆在温度较低环境下冷启动初期的LNG汽化效率和发动机冷却液的升温速度，并在车辆稳定工作时，保证稳定高效的汽化效率以此提高发动机运行效率，节约能源。

Description

一种采用相变蓄热材料的车用LNG汽化器

技术领域

本发明属于新能源汽车技术领域，涉及一种LNG汽化器，尤其涉及一种采用相变蓄热材料的车用LNG汽化器。

背景技术

液化天然气(LNG)热值高、燃烧充分、污染小、价格低、运输经济性及安全性好，近年来越来越受到重视。目前以LNG为燃料的公交车、卡车、出租车已广泛投入运行。LNG汽车燃料以低温液体形式储存,但供给发动机时必须是气体状态，贮存温度为-162℃的低温液态天然气在汽化器内吸收热量汽化后流向发动机。进入发动机前的压力一般要求在0.3～1.0MPa之间，温度允许范围在-40℃～90℃之间。

在LNG汽车的燃料系统中，汽化器是一个核心部件。汽化器的运行效率会影响供气压力和温度，并影响发动机的运行效率。目前，LNG汽车上所用的汽化器基本上是利用发动机冷却液提供热能的水浴式汽化器，汽化器与发动机冷却液系统相连，冷却液流经汽化器壳程并对内部流经LNG的盘管进行加温，使LNG由液态变成气态，即能达到汽化LNG,又能有效地利用废热并降低冷却液温度进而冷却发动机温度，减少机械冷却的能源消耗。

然而，现有的LNG汽化器存在以下两个问题：

1、车辆长时间静止后冷启动时，特别是冬天环境温度比较低时，管路内的冷却液较低，在这种情况下，此类型汽化器的供气温度可能会下降，并且汽化器可能会出现结冰现象，冷却液提供的热量不能满足LNG汽化所需热量，影响汽化效果，进而影响发动机正常运转，所以现在LNG汽车普遍在冷启动初期需要缓慢怠速热车或低负荷运行一段时间以提升水温和汽化器供气效率；

2、车辆在启动初期，热负荷较大，发动机各部分需要暖机，车厢内的暖风系统以及冷却液加热的发动机进气管预热系统等都依靠冷却液的快速升温来工作，而发动机冷却液管路内的冷却液温度上升到正常一般需要2-5分钟时间(发动机的正常工作温度在80～95℃时，发动机效率最高、油耗最低，冷却液温度控制在70-90℃)，在这一过程中发动机冷却液较低的温度与冷却液的较大热负荷相矛盾，导致发动机运行效率降低，增加排放。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用相变蓄热材料的车用LNG汽化器，它可以提高车辆在温度较低环境下冷启动初期的LNG汽化效率和发动机冷却液的升温速度，并在车辆稳定工作时，保证稳定高效的汽化效率以此提高发动机运行效率，节约能源。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种采用相变蓄热材料的车用LNG汽化器，该汽化器包括密闭的壳体以及设置在所述壳体内的LNG管道和冷却液管道，所述壳体上设置液化天然气进口、气态天然气出口、冷却液进口和冷却液出口，所述LNG管道的一端与液化天然气进口连接，其另一端与气态天然气出口连接，所述冷却液管道的一端与冷却液进口连接，其另一端与冷却液出口连接；所述壳体内填充有液态相变蓄热材料，所述壳体外壁设置有保温层，所述冷却液进口上设置有电磁阀。

在发动机冷启动初期冷却液温度低于设定值时，冷却液进口上的电磁阀关闭，液态天然气经液化天然气进口进入LNG管道内，吸收壳体内液态相变蓄热材料发生液-固相变释放的大量潜热，成为气态天然气经气态天然气出口流出；

在发动机稳定工作冷却液温度升温至设定值以上时，冷却液进口上的电磁阀开启，冷却液经冷却液进口进入冷却液管道内，相对高温的冷却液释放大量的热量使固态相变蓄热材料发生固-液相变以蓄热，同时通过相变蓄热材料使LNG管道内的液态天然气汽化，经气态天然气出口流出；

在发动机停止工作冷却液温度降低至设定值以下时，冷却液进口上的电磁阀关闭，在保温层的保温作用下，相变蓄热材料继续以液态存在，以供下次发动机启动时发生液-固相变释放热量。

按上述技术方案，所述LNG管道和冷却液管道之间通过多个导热肋片连接。

按上述技术方案，所述导热肋片与LNG管道和冷却液管道之间均采用焊接连接。

按上述技术方案，所述LNG管道和冷却液管道均为螺旋形管道，两个螺旋形管道同螺旋轴心设置，且相互平行设置，所述多个导热肋片平行于两个螺旋形管道的螺旋轴心呈环形均匀分布。

按上述技术方案，所述壳体上开设有用于向壳体内注入相变蓄热材料的相变材料注入口，所述相变蓄热材料的相变温度点略高于所述汽化器所处环境的平均温度。

按上述技术方案，所述相变蓄热材料为结晶水合盐类或石蜡类相变材料。

按上述技术方案，发动机运行一段时间汽化器供气压力≤0.3Mpa或温度≤-40℃时，冷却液进口上的电磁阀开启。

本发明产生的有益效果是：本发明通过在壳体内填充液态相变蓄热材料，额外提供一个稳定的热源用于汽化器的热能供应，以满足车辆冷车启动的两到三分钟内，汽化器能稳定的供气并不影响冷却液升温，以使发动机及各个需要冷却液供热的部件快速达到稳定运行状态，保证发动机正常运转，避免了在冷启动后需长时间热车、冷却液升温缓慢的情况；同时，本发明通过在冷却液进口上设置电磁阀，在发动机稳定运行后冷却液温度升至设定值时，通过冷却液提供LNG汽化热量，保证汽化器稳定高效的供气效率，提高发动机运行效率，同时可以使相变蓄热材料发生固-液相变以蓄热；另外，本发明通过在壳体外设置保温层，以降低在低温环境下相变蓄热材料的热量损失，使相变蓄热材料继续以液态存在，以供下次发动机启动时发生液-固相变释放热量。本发明可以改善车辆的运行效率，提高燃气经济性，降低排放，节约能源。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是沿图1中A-A线的剖视图；

图3是本发明实施例中导热肋片的结构示意图。

图中：1-冷却液进口；2-液化天然气进口；3-电磁阀；4-壳体；5-保温层；6-相变蓄热材料；7-相变材料注入口；8-LNG管道；9-冷却液管道；10-导热肋片；11-冷却液出口；12-气态天然气出口。

具体实施方式

为了使本发明的目的-技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、图2所示，一种采用相变蓄热材料的车用LNG汽化器，该汽化器包括密闭的壳体4以及设置在壳体4内的LNG管道8和冷却液管道9，壳体4上设置液化天然气进口2、气态天然气出口12、冷却液进口1和冷却液出口11，LNG管道8的一端与液化天然气进口2连接，其另一端与气态天然气出口12连接，冷却液管道9的一端与冷却液进口1连接，其另一端与冷却液出口11连接，壳体4内填充有液态相变蓄热材料6，壳体4外壁设置有保温层5，冷却液进口1上设置有电磁阀3；

在发动机冷启动初期冷却液温度低于设定值时，冷却液进口1上的电磁阀3关闭，液态天然气经液化天然气进口2进入LNG管道8内，吸收壳体4内液态相变蓄热材料6发生液-固相变释放的大量潜热，成为气态天然气经气态天然气出口12流出；

在发动机稳定工作冷却液温度升温至设定值以上时，冷却液进口1上的电磁阀3开启，冷却液经冷却液进口1进入冷却液管道9内，相对高温的冷却液释放大量的热量使固态相变蓄热材料6发生固-液相变以蓄热，同时通过相变蓄热材料6使LNG管道8内的液态天然气汽化，经气态天然气出口12流出；

在发动机停止工作冷却液温度降低至设定值以下时，冷却液进口1上的电磁阀3关闭，在保温层5的保温作用下，相变蓄热材料6继续以液态存在，以供下次发动机启动时发生液-固相变释放热量。

在本发明的优选实施例中，如图1、图2所示，LNG管道8和冷却液管道9之间通过多个导热肋片10连接。导热肋片可以提高相变蓄热材料与LNG管道和冷却液管道之间的换热效率，同时能显著提高在稳定工况下冷却液热能向LNG直接传递的效率，以满足发动机各种工况下对供气的需求。

在本发明的优选实施例中，如图1、图2所示，导热肋片10与LNG管道8和冷却液管道9之间均采用焊接连接，增加导热肋片与两个管道之间的接触面积，还能起到在冷却液管道和LNG管道之间作为直接的传热通道增加传热效果，进一步提高传热效率。

在本发明的优选实施例中，如图1、图2所示，LNG管道8和冷却液管道9均为螺旋形管道，两个螺旋形管道同螺旋轴心设置，且相互平行设置，多个导热肋片10平行于两个螺旋形管道的螺旋轴心呈环形均匀分布。这样可以增加相变蓄热材料在汽化器壳体内的流动性和温度分布均匀性，增加所述管路与相变蓄热材料之间的换热效果，同时增加所述LNG管道与冷却液管道之间的直接传热效果。

在本发明的优选实施例中，如图1所示，壳体4上开设有用于向壳体4内注入相变蓄热材料6的相变材料注入口7，相变蓄热材料6的相变温度点略高于汽化器所处环境的平均温度。本发明可以通过相变材料注入口向壳体内注入不同相变温度的相变蓄热材料，通过更换不同相变温度的相变材料，以适应不同的环境低温。

在本发明的优选实施例中，相变蓄热材料6为结晶水合盐类或石蜡类相变材料，这类相变材料成本较低、性能好。

在本发明的优选实施例中，发动机运行一段时间汽化器如果出现供气压力≤0.3Mpa或温度≤-40℃时，冷却液进口1上的电磁阀3开启。汽车的行车电脑会在车辆工作时采集处理车辆的各种状态信息，发动机运行一段时间后汽化器如果出现供气压力过低(≤0.3Mpa)或温度过低(≤-40℃)时，车辆ECU(行车电脑)通过管路内的传感器采集到供气管路内的气压和温度信息低于发动机正常工况的要求值后，控制冷却液进口上的电磁阀开启。电磁阀的开合由车辆ECU(行车电脑)控制，行车电脑通过采集冷却液管路的冷却液温度和发动机供气管路内的传感器提供的温度、压力等数据，并根据采集到的信息通过车辆电气系统总线进行控制电磁阀的开合。

本发明在具体应用时，用来控制发动机冷却液流动的电磁阀在冷却液温度达到设定值(70℃)后由行车电脑控制开启，在极端情况下，如发动机运行一段时间后，冷却液温未到设定值但汽化器出现供气压力过低(≤0.3Mpa)、温度过低(≤-40℃)等情况时，车载电脑可强制开启电磁阀使冷却液进入汽化器内流动，以满足车辆发动机运行对供气压力、供气温度的需求。本实施例中，LNG管道和冷却液管道在壳体内均采用螺旋形管道，两个螺旋形管道绕壳体中心轴线成圆周向轴线方向螺旋盘绕，同时两个螺旋形管道之间沿着壳体轴线方向相互平行，两个螺旋形管道之间通过导热肋片相连接，导热肋片所处平面经过壳体中心轴线，且导热肋片之间成30°夹角围绕壳体中心轴线成环形均匀分布，以此来保证汽化器内LNG、冷却液和相变蓄热材料三者之间的热传递路线和效率，以实现文中所述的有益效果。相变蓄热材料不填满壳体内腔，使得壳体内留有少量空间以补充相变蓄热材料在发生相变时所产生的体积差；保温层缠绕在壳体外壁上，完全覆盖壳体外壁。

本发明的工作过程是：

S1、车辆初始启动阶段：车辆在长时间静止后启动时，由于此时发动机冷却液循环管路内的冷却液温度较低，冷却液温度低于电磁阀的开启温度，此时电磁阀处于关闭状态，发动机的冷却液此时不流经汽化器，使冷却液能尽快升温，LNG此时从液化天然气进口进入汽化器内的LNG管道，LNG由于处于极低的温度(-162℃)开始在LNG管道内大量吸热，此时汽化器内的液态相变蓄热材料开始释放热量，首先相变蓄热材料降低温度释放显热，直至降低至相变温度点时，相变蓄热材料开始发生液-固相变，在这个过程中释放大量的潜热使LNG能够稳定汽化为发动机在这个过程运行提供足够的供气，热量通过LNG管道和LNG管道上的导热肋片传递给LNG管道内的LNG，使其发生汽化并升温从气态天然气出口流出；

S2、在车辆运行一段时间发动机进入稳定工况后：此时发动机冷却液循环系统内的冷却液温度上升并稳定在正常温度(70-90℃)时，冷却液温度达到电磁阀的开启温度(70℃)以上，此时电磁阀开启，高温冷却液开始流入冷却液管道内，高温冷却液在冷却液管道内通过冷却液管道和导热肋片释放大量的热量，其中一部分热量通过冷却液管道和导热肋片直接传递给LNG管道使LNG吸热发生汽化，另一部分热量通过导热肋片和冷却液管道传递给壳体内的相变蓄热材料使其温度逐渐升高发生固-液相变并继续升温，使相变蓄热材料得以蓄热，同时相变蓄热材料的一部分热量通过导热肋片和LNG管道传递给LNG管道内的LNG使其吸热汽化，最后汽化升温后的气态天然气从天然气出口流出，换热降温后的冷却液从冷却液出口流出进入发动机冷却液循环管路；

S3、车辆停车熄火后：发动机冷却液管路内的冷却液温度开始降低，此时电磁阀关闭，冷却液不流经汽化器内，同时由于汽化器壳体外侧有保温层，所以汽化器壳体内的液态相变蓄热材料能尽可能减少热量散失，进而在汽化器内维持相对高温的液态，直至下次车辆启动。

本发明利用相变蓄热材料发生相变而放热或吸热，相变材料物理状态发生变化时，其自身的温度在相变完成前几乎维持不变，但吸收或释放的潜热却相当大。固-液相变是实际应用得较多的相变蓄热方式，当相变材料工作温度覆盖相变温度时能快速放出大量的热量。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种采用相变蓄热材料的车用LNG汽化器，该汽化器包括密闭的壳体（4）以及设置在所述壳体（4）内的LNG管道（8）和冷却液管道（9），所述壳体（4）上设置液化天然气进口（2）、气态天然气出口（12）、冷却液进口（1）和冷却液出口（11），所述LNG管道（8）的一端与液化天然气进口（2）连接，其另一端与气态天然气出口（12）连接，所述冷却液管道（9）的一端与冷却液进口（1）连接，其另一端与冷却液出口（11）连接，其特征在于，所述壳体（4）内填充有液态相变蓄热材料（6），所述壳体（4）外壁设置有保温层（5），所述冷却液进口（1）上设置有电磁阀（3）；

在发动机冷启动初期冷却液温度低于设定值时，冷却液进口（1）上的电磁阀（3）关闭，液态天然气经液化天然气进口（2）进入LNG管道（8）内，吸收壳体（4）内液态相变蓄热材料（6）发生液-固相变释放的大量潜热，成为气态天然气经气态天然气出口（12）流出；

在发动机稳定工作冷却液温度升温至设定值以上时，冷却液进口（1）上的电磁阀（3）开启，冷却液经冷却液进口（1）进入冷却液管道（9）内，相对高温的冷却液释放大量的热量使固态相变蓄热材料（6）发生固-液相变以蓄热，同时通过相变蓄热材料（6）使LNG管道（8）内的液态天然气汽化，经气态天然气出口（12）流出；

在发动机停止工作冷却液温度降低至设定值以下时，冷却液进口（1）上的电磁阀（3）关闭，在保温层（5）的保温作用下，相变蓄热材料（6）继续以液态存在，以供下次发动机启动时发生液-固相变释放热量。

2.根据权利要求1所述的汽化器，其特征在于，所述LNG管道（8）和冷却液管道（9）之间通过多个导热肋片（10）连接。

3.根据权利要求2所述的汽化器，其特征在于，所述导热肋片（10）与LNG管道（8）和冷却液管道（9）之间均采用焊接连接。

4.根据权利要求2所述的汽化器，其特征在于，所述LNG管道（8）和冷却液管道（9）均为螺旋形管道，两个螺旋形管道同螺旋轴心设置，且相互平行设置，所述多个导热肋片（10）平行于两个螺旋形管道的螺旋轴心呈环形均匀分布。

5.根据权利要求1所述的汽化器，其特征在于，所述壳体（4）上开设有用于向壳体（4）内注入相变蓄热材料（6）的相变材料注入口（7），所述相变蓄热材料（6）的相变温度点高于所述汽化器所处环境的平均温度。

6.根据权利要求1或5所述的汽化器，其特征在于，所述相变蓄热材料（6）为结晶水合盐类或石蜡类相变材料。

7.根据权利要求1所述的汽化器，其特征在于，发动机运行一段时间汽化器出现供气压力≤0.3Mpa或温度≤-40℃时，冷却液进口（1）上的电磁阀（3）开启。