CN106671741A - 一种二氧化碳跨临界制冷循环汽车空调系统 - Google Patents

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刘坤
王洁冰
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    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
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Abstract

本发明公开了一种二氧化碳跨临界制冷循环汽车空调系统。本发明发动机尾气余热回收系统包括依次连接的内燃机、排气管、温差发电模块和蓄电池组；所述辅助蒸汽压缩制冷循环系统是由依次连接的辅助制冷压缩机、过冷器、冷凝器和第一节流阀组成，过冷器出口连接辅助制冷压缩机入口，蓄电池组连接辅助制冷压缩机；CO2跨临界制冷循环是由依次连接的跨临界制冷压缩机、气体冷却器、第二节流阀和蒸发器组成，跨临界制冷压缩机出口连接气体冷却器进口，蒸发器出口连接跨临界制冷压缩机进口；过冷器出口管路与气体冷却器出口管路联通。本发明制冷系统所使用工质为CO2，无毒无害不可燃，安全系数高，廉价易获取，单位容积制冷量大，使得CO2设备体积小。

Description

一种二氧化碳跨临界制冷循环汽车空调系统
技术领域
本发明涉及发动机余热回收及利用技术、第一热电效应，CO2制冷技术，制冷空调领域，尤其涉及一种发动机余热回收驱动蒸汽压缩辅助过冷的CO2跨临界制冷循环的汽车空调系统。
背景技术
随着当代社会的发展和人民生活水平的提高，家用汽车的数量与日俱增。现在汽车空调的制冷大多数采用的是蒸汽压缩制冷循环，包括压缩机、蒸发器、冷凝器、节流阀。由汽车发动机或者独立电机驱动。
现如今能源节约与环境保护问题已然成为全球关注的焦点。随着汽车数量的增加，汽车尾气的排放也越来越多。汽车尾气中的一氧化碳、二氧化碳、氮氧化合物等对环境造成很大破坏，产生温室效应，破坏臭氧层。此外，汽车发动机排放的废气的温度高达600-700℃，发动机燃料中30%-45%的能量随着尾气排放到大气中，造成了能量的浪费。所以说，对汽车尾气余热的回收利用，在很大程度上提高了能量的利用。
目前市场的汽车使用的制冷剂绝大多数为R134a，R134a这种制冷剂虽然ODP为0，但是GWP高达1300，汽车空调系统里的制冷剂不可避免的会发生泄漏和定期更换，对环境产生不利影响，加速温室效应。随着社会和科技的发展，减缓温室效应和臭氧层破坏成为全球面临的首要问题。必须尽早采用对环境无危害的制冷剂，全球各国也在加速推进环保制冷剂替代高GWP制冷剂的进程，其中，自然工质因为其环境友好的特性再次受到了人们的关注。CO2作为最具有潜力的自然工质是因为CO2有着如下诸多优点。1）、自然工质，对环境无破坏作用，ODP=0、GWP=1。2)、单位体积制冷量大，与普通工质相比，CO2设备体积小。3）、安全系数高，无毒不可燃，化学性质稳定。4）、粘度低，具有优良的流动性及传热性，其液体密度小氟利昂40%,与润滑油类似，具有良好的相容性。5）廉价容易获取。但是CO2制冷循环冷凝器出口与蒸发器入口的压差大，使得节流损失很大，导致整个循环的能效低。
因此，所要做的不仅要采用环境友好型（ODP为0，GWP很小）制冷剂，还要大幅度提高整个循环的能效。
发明内容
本发明目的在于提供一种发动机余热回收驱动蒸汽压缩辅助过冷的CO2跨临界制冷循环汽车空调系统，通过利用发动机排放的高温尾气进行发电，并且加以利用，提高整个系统的能效。
为了满足以上的需求，本发明所采取的技术方案是：提出一种二氧化碳跨临界制冷循环汽车空调系统，由发动机尾气余热发电系统、辅助蒸汽压缩制冷系统和CO2跨临界制冷系统组成；所述发动机尾气余热回收系统包括依次连接的内燃机、排气管、温差发电模块和蓄电池组；所述辅助蒸汽压缩制冷循环系统是由依次连接的辅助制冷压缩机、过冷器、冷凝器和第一节流阀组成，过冷器出口连接辅助制冷压缩机入口，蓄电池组连接辅助制冷压缩机；CO2跨临界制冷循环是由依次连接的跨临界制冷压缩机、气体冷却器、第二节流阀和蒸发器组成，跨临界制冷压缩机出口连接气体冷却器进口，蒸发器出口连接跨临界制冷压缩机进口；过冷器出口管路与气体冷却器出口管路联通。
所述排气管连接旁通管。
温差发电模块是基于Seeback效应的一种装置，由半导体材料制成的热电模块两侧有温差时，就会产生电势差。汽车尾气余热发电系统将内燃机排放的具有较高温度的尾气进入温差发电模块，，此时发电模块产生直流电，并储存在蓄电池中，通过蓄电池管理控制系统来控制蓄电池的充放电，用来驱动辅助蒸汽压缩制冷循环。
辅助蒸汽压缩制冷循环所使用的制冷剂为R290，CO2跨临界制冷循环所用的制冷剂是自然工质CO2。CO2跨临界制冷循环为：低温低压的CO2工质从车内环境吸收热量，进入到压缩机内压缩为高温高压的超临界流体，然后进入到气体冷却器向环境放热，此时CO2超临界流体的温度略高于环境温度。然后辅助蒸汽压缩制冷系统的蒸发器从气冷器出口的CO2流体中吸收热量， CO2流体的温度降低，过冷度变大。最后进入节流阀节流变为低温低压的气液两相流体进入到蒸发器吸收车内热量，完成整个循环。另一方面蒸汽压缩制冷循环中的低温低压的R290蒸汽吸收气冷器出口CO2中的热量后，再进入到压缩机压缩为高温高压的蒸汽，进入到冷凝器对环境放热，再进入节流阀中节流膨胀为低温低压湿蒸汽进入蒸发器吸收CO2流体的热量，降低CO2温度，而后进入压缩机完成整个循环。
本发明具有的优点和积极效果是：
（1）、制冷系统所使用工质为CO2，无毒无害不可燃，安全系数高，廉价易获取，单位容积制冷量大，使得CO2设备体积小。更重要的是它的ODP=0，GWP=1，可以大幅度减缓温室效应进程，是一种节能环保的工质。
（2）、引入一个新的辅助蒸汽压缩制冷循环。由于CO2超临界制冷循环冷凝器出口与蒸发器入口压差大，导致整个系统的效率不高，所以利用辅助压缩制冷循环来降低气冷器出口超临界流体的温度，降低压差，从而大幅度降低节流损失，进而提高系统的效率。
（3）、通过温差发电模块对发动机排放尾气余热进行有效利用。基于塞贝克效应，利用高温尾气与环境空气的温差产生电能，用来驱动辅助蒸汽压缩制冷循环，从而降气冷器出口制冷剂（CO2）的温度。节流损失减少，制冷量提高，系统性能得到提高。同时辅助循环压缩机实现了无能耗，节约环保。
（4）、通过引入用温差发电驱动的辅助蒸汽压缩制冷循环，有效降低了气冷器出口超临界CO2流体的温度，提高了整个系统的能效。是一种节能环保的发明制冷系统。
附图说明
图1为本发明的系统示意图；
图中：1、内燃机；2、排气管；3、旁通管；4、温差发电模块；5、蓄电池；6、小型压缩机；7、冷凝器；8、过冷器；9、气体冷却器；10、压缩机；11、蒸发器；12、第一节流阀；13、第二节流阀。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
图1为一种发动机余热回收驱动蒸汽压缩辅助过冷的CO2跨临界制冷循环汽车空调系统，包括发动机尾气余热发电系统、辅助蒸汽压缩制冷系统和CO2跨临界制冷系统。发动机尾气余热回收系统由依次连接的内燃机1、排气管2、温差发电模块4和蓄电池组5；辅助蒸汽压缩制冷循环系统是由依次连接的辅助制冷压缩机6、过冷器8、冷凝器7和第一节流阀12组成，过冷器出口连接辅助制冷压缩机入口，蓄电池组连接辅助制冷压缩机；CO2跨临界制冷循环是由依次连接的跨临界制冷压缩机10、气体冷却器9、第二节流阀13和蒸发器11组成，，跨临界制冷压缩机出口连接气体冷却器进口，蒸发器出口连接跨临界制冷压缩机进口；过冷器出口管路与气体冷却器出口管路联通。
本实施例的基于发动机余热回收利用驱动蒸汽压缩辅助过冷的CO2跨临界制冷系统的工作原理是：
第一阶段：内燃机1排放的高温尾气流经排气管2进入温差发电模块4。如果温差发电模块4的表面温度过高，则开启旁通管3，减少进入发电模块4的尾气流量，避免发电模块端温度过高造成损坏。发电模块4利用高温尾气和周围环境的温差产生的直流电储存在蓄电池5中。
第二阶段：制冷系统内充注的工质为CO2，低温低压的CO2蒸汽进入跨临界制冷压缩机10吸气口，由跨临界制冷压缩机10压缩至高温高压的超临界流体，进入气体冷却器9与环境空气进行换热，由于气冷器存在换热温差，此时CO2温度稍高于环境温度。
第三阶段：蓄电池5驱动辅助蒸汽压缩制冷循环。辅助循环充注的制冷剂为R20。低温低压的R20蒸汽对气体冷却器9出口的CO2进行过冷，CO2进一步冷却为低温、较高压超临界流体。
第四阶段：低温高压超临界CO2流体经过第二节流阀13膨胀节流后为低温低压的气液两相流体状态，进入蒸发器11吸收车厢内的热量，而后进入压缩机10，完成制冷循环。
第五阶段，对CO2实现过冷后的低温低压的R290蒸汽进入到压缩机6中压缩为高温高压气体，再进入冷凝器7向周围环境放热，经第一节流阀12节流膨胀，变为低温低压的湿蒸汽，完成辅助循环。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种二氧化碳跨临界制冷循环汽车空调系统，其特征是，由发动机尾气余热发电系统、辅助蒸汽压缩制冷系统和CO2跨临界制冷系统组成；所述发动机尾气余热回收系统包括依次连接的内燃机、排气管、温差发电模块和蓄电池组；所述辅助蒸汽压缩制冷循环系统是由依次连接的辅助制冷压缩机、过冷器、冷凝器和第一节流阀组成，过冷器出口连接辅助制冷压缩机入口，蓄电池组连接辅助制冷压缩机；CO2跨临界制冷循环是由依次连接的跨临界制冷压缩机、气体冷却器、第二节流阀和蒸发器组成，跨临界制冷压缩机出口连接气体冷却器进口，蒸发器出口连接跨临界制冷压缩机进口；过冷器出口管路与气体冷却器出口管路联通。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳跨临界制冷循环汽车空调系统，其特征是，所述排气管连接旁通管。
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