CN107128150B - 一种蓄冷型lng重卡冷能利用空调系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种蓄冷型LNG重卡冷能利用空调系统，解决了现有技术中由于LNG重卡输出功率的不稳定导致LNG提供的冷量不稳定，不能保证空调系统的稳定性和舒适性的问题。本发明包括LNG钢瓶、气动阀、气化器、换热器、减压阀、过滤器、发动机、载冷剂储液罐、蓄冷管路、蒸发管路和控制器，蓄冷管路包括第一循环泵、第一电磁阀和蓄冷器，蒸发管路包括第二循环泵、第二电磁阀和蒸发器。本发明在利用LNG释放的冷量为LNG重卡供冷的同时，利用其蓄冷功能解决实际情况下LNG释放冷量和重卡空调需要的冷量的不同步的问题，提高了空调系统运行的稳定性和舒适性。系统对LNG进行了综合应用，节能环保，具有较高的经济效益和社会效益。

Description

一种蓄冷型LNG重卡冷能利用空调系统

技术领域

本发明涉及汽车空调领域，特别是指一种蓄冷型LNG重卡冷能利用空调系统。

背景技术

液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称LNG），主要成分是甲烷，被公认为是地球上最干净的化石能源，无色无味，无毒且没有腐蚀性。液化天然气是天然气经过压缩，冷却至其沸点（-161.5℃）温度后变成液体，通常储存在-161.5℃、0.1Mpa左右的低温存储罐内，由专用船或罐车运输，使用时需重新汽化。由于液化天然气清洁、高效、无污染、安全和便于运输等特性，使其广泛应用于各个产业中。

液化天然气作为汽车燃料仅仅是其众多应用领域的一个重要方面，因其具有很好的社会效益、经济效益，所以具有很好的发展前景。原因之一是价格低廉，成本较低；原因之二LNG是绿色能源，能够很好地缓解我国的环境压力，比如雾霾问题和PM2.5的问题；原因之三是保证汽车正常使用的情况下，安全有保障。首先天然气的燃点一般在650℃以上（汽油是427℃），并不像汽油那样容易燃、易爆，而且密度（0.45kg/m³），比空气密度（0.55kg/m³）低，泄漏到空气里也会向空中扩散，不影响人身安全，其次LNG车型采用低温液体储存方式，而不是高压储存，并且低温储存气瓶经过10M高空跌落试验、火烧试验、震动试验，可以保证设备的安全性能；原因之四是国家政策的鼓励。综上所述，LNG汽车的发展是符合时代潮流，是大势所趋，一定会为大多数人所接受，前景广阔。

液化天然气，顾名思义是液态的天然气，而在使用的时候汽车发动机需要的是气态的天然气，从液态到气态的过程必然伴随着热量的交换过程。据相关资料显示生产1吨液化天然气的设施及动力耗电量约850 kW·h，而在LNG接收站，LNG汽化时放出的大量冷量，其值约为830-860 kJ/kg，LNG汽化过程伴随大量可用冷能的释放，1吨LNG经换热汽化在理论上可利用的冷量约为230 kw·h，数量非常可观。但正常情况下，这部分冷量通常在LNG汽化器中是被舍弃的，不仅造成了大量的能源浪费，还会造成冷污染。回收这部分冷能，有效利用能源同时，还减少了大量电能消耗，具有可观的经济与社会效益。因此，汽车领域LNG冷能利用应该引起大家广泛的关注和研究。

LNG冷能在重卡领域的使用是其在汽车领域应用的一个重要方面，目前国内市场已有的LNG重卡冷能利用系统只能实现利用LNG冷能为重卡空调供冷，但是由于LNG重卡输出功率的不稳定导致LNG提供的冷量不稳定，不能保证空调系统的稳定性和舒适性。

发明内容

本发明提出一种蓄冷型LNG重卡冷能利用空调系统，解决了现有技术中由于LNG重卡输出功率的不稳定导致LNG提供的冷量不稳定，不能保证空调系统的稳定性和舒适性的问题。本发明可以在保证汽车正常工作的情况下，利用LNG汽化和无相变冷媒进行热交换，所得冷量为汽车驾驶空间提供冷量。在汽车停止或LNG流量不足的情况下可以启动电辅助制冷模块或蓄冷器模块对空调系统进行冷量补偿，提高了汽车空调的运行的可靠性和稳定性。

本发明的技术方案是这样实现的：一种蓄冷型LNG重卡冷能利用空调系统，包括LNG钢瓶，所述的LNG钢瓶与气动阀连接，气动阀与气化器的天然气进口连接，气化器的天然气出口与换热器连接，换热器与减压阀连接，减压阀与过滤器连接，过滤器与发动机连接，发动机与换热器之间设有二次换热回路；气化器上设有载冷剂储液罐，气化器的载冷剂出口分为蓄冷管路和蒸发管路，蓄冷管路和蒸发管路合并后与气化器的载冷剂进口连接；蓄冷管路上依次设有第一循环泵、第一电磁阀和蓄冷器，蒸发管路上依次设有第二循环泵、第二电磁阀和蒸发器，第一循环泵、第一电磁阀、第二循环泵和第二电磁阀均与控制器连接。

所述的蓄冷器与蒸发器之间设有补冷回路，蒸发器与辅助制冷模块之间设有辅助制冷回路，蓄冷器内部设有蓄冷材料，蓄冷材料外部设有保温材料，蓄冷器内部设有第一温度传感器，补冷回路中蓄冷器进入蒸发器的进口处设有第二温度传感器，蒸发器的出风口处设有第三温度传感器，第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和辅助制冷模块均与控制器连接。

所述的辅助制冷回路包括节流阀、冷凝器和压缩机，节流阀与冷凝器连接，冷凝器与压缩机连接，压缩机与节流阀连接，节流阀设在蒸发器内，冷凝器和压缩机设在辅助制冷模块内。

气化器中的载冷剂为无相变载冷剂。

所述的辅助制冷模块采用24V或12V供电系统。

本发明在利用LNG释放的冷量为LNG重卡供冷的同时，利用其蓄冷功能解决实际情况下LNG释放冷量和重卡空调需要的冷量的不同步的问题，提高了空调系统运行的稳定性和舒适性。系统对LNG进行了综合应用，节能环保，具有较高的经济效益和社会效益。

本发明特点在于具有蓄冷功能，可增强LNG重卡汽车空调系统的舒适性和可控性，同时还会提高能源利用率。LNG重卡在工作过程中，LNG流量不会一直均匀输出，当重卡LNG流量较大，输出的冷量一时难以用完，会造成冷量浪费、气化器损害、换热效率下降和空调区舒适性下降等问题，蓄冷器的存在就很好的解决了这个问题，当LNG流量较大时，多余的冷量会储存在蓄冷器中，当LNG流量变小时，蓄冷器再释放出冷量，实现系统冷量补偿。同时系统还设置有电辅助制冷模块，当LNG流量过小时，蓄冷器进行冷量补偿也不能满足要求，系统会启动电辅助制冷模块对蒸发器进行二次冷量补偿，确保系统满足要求。同时系统结构简单，几乎只是在原来的系统上加上一个换热器和汽化器及控制系统，易于实现，并且稳定性和可靠性大大增加。采用无相变冷媒提取LNG中的冷量，节省了传统空调制冷时消耗的电能；而控制系统保证了空调系统调控的灵敏性和运行的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的原理图。

图2为LNG重卡24V供电电压空调电源转换原理框图。

图3为蓄冷模块剖面图。

图4为蒸发器和辅助制冷模块连接示意图。

图中：1-LNG钢瓶，2-气动阀，3-载冷剂储液罐，4-气化器，5-第一循环泵，6-第二循环泵，7-第一电磁阀，8-第二电磁阀，9-控制器，10-蓄冷器，11-第一温度传感器，12-蒸发器，13-第二温度传感器，14-第三温度传感器，15-辅助制冷模块，16-换热器，17-减压阀，18-过滤器，19-发动机，20-保温材料，21-蓄冷器第一出口，23-蓄冷器第二进口，24-蓄冷器第二出口，25-蓄冷材料，26-蓄冷器第一进口，27-蒸发器进口，28-节流阀，29-蒸发器出口，30-压缩机，31-冷凝器，33-辅助制冷回路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-4所示，一种蓄冷型LNG重卡冷能利用空调系统，包括LNG钢瓶1，所述的LNG钢瓶1与气动阀2连接，气动阀2与气化器4的天然气进口连接，气化器4的天然气出口与换热器16连接，换热器16与减压阀17连接，减压阀17与过滤器18连接，过滤器18与发动机19连接，发动机19与换热器16之间设有二次换热回路；气化器4上设有载冷剂储液罐3，气化器4的载冷剂出口分为蓄冷管路和蒸发管路，蓄冷管路和蒸发管路合并后与气化器4的载冷剂进口连接；蓄冷管路上依次设有第一循环泵5、第一电磁阀7和蓄冷器10，蒸发管路上依次设有第二循环泵6、第二电磁阀8和蒸发器12，第一循环泵5、第一电磁阀7、第二循环泵6和第二电磁阀8均与控制器9连接。

所述的蓄冷器10与蒸发器12之间设有补冷回路，蒸发器12与辅助制冷模块15之间设有辅助制冷回路33，蓄冷器10内部设有蓄冷材料25，蓄冷材料25外部设有保温材料20，蓄冷器10内部设有第一温度传感器11，补冷回路中蓄冷器10进入蒸发器12的进口处设有第二温度传感器13，蒸发器12的出风口处设有第三温度传感器14，第一温度传感器11、第二温度传感器13、第三温度传感器14和辅助制冷模块15均与控制器9连接。

所述的辅助制冷回路33包括节流阀28、冷凝器31和压缩机30，节流阀28与冷凝器31连接，冷凝器31与压缩机30连接，压缩机30与节流阀28连接，节流阀28设在蒸发器12内，冷凝器31和压缩机30设在辅助制冷模块15内。

气化器4中的载冷剂为无相变载冷剂。

所述的辅助制冷模块15采用24V或12V供电系统。

所述的气动阀2为LNG汽车空调专用气动阀。

一种蓄冷型LNG重卡冷能利用空调系统，如图1所示。LNG钢瓶1通过管路与气动阀2相连接，此气动阀2为LNG汽车空调专用阀，在满足使用精度的要求的同时还具有很好的防爆功能，LNG经过气动阀2后进入气化器4和无相变载冷剂进行逆流换热，进行初步换热，然后LNG通过换热器16之后沿管路经过减压阀17，经过过滤器18进入发动机工作，在换热器16中LNG和发动机冷却液进行二次换热，实现了LNG冷能的多级利用。经过初步换热后，无相变载冷剂分两路，一路经过溶液泵沿管路流经电磁阀进入蓄冷器10，在蓄冷器中换热蓄冷后的载冷剂沿管路流回气化器进行循环，一路进入空调蒸发器12，为空调区提供冷量。LNG重卡大功率运行，此时LNG输出的冷量一时不能完全被消耗，当空调的出风口的温度等于或者低于设定温度时，控制器9会根据系统的反馈信息，对载冷剂的流量进行二次分配，在保证汽车空调正常制冷的前提下把多余的冷量蓄存在蓄冷器中；反之，当LNG重卡下坡或者停车的时候，此时LNG输出冷量会短时间不能满足空调需求，此时蓄冷器就会释放之前蓄存的冷量，如果这时还不能满足空调的制冷需要，则控制器会启动电辅助制冷模块，在蓄冷器和电辅助制冷模块的双重保护下，确保空调系统在非极端条件下都能满足制冷要求。

第一温度传感器11设在蓄冷器10内，第二温度传感器13设置蒸发器内，同时设置在蓄冷器进入蒸发器的进口侧，第三温度传感器14设置在蒸发器出风口侧。当LNG重卡大功率运行的时候，LNG流量偏大，提供冷量过剩，蒸发器出风口的温度会相对偏低，第三温度传感器14把温度信息反馈到控制器9，进而做出决策对LNG流量进行分配，蓄冷器10开始蓄冷；在LNG蓄冷的过程中，第一温度传感器11对蓄冷器10的蓄冷过程进行温度监控，以控制其温度在一个安全高效区域；当LNG重卡小功率运行的时候，LNG流量不足以满足LNG驾驶区的基本要求的时候，第三温度传感器14反馈信息到控制器9，控制器9做出蓄冷器10释放冷量的决策，蓄冷器10开始释放其蓄冷量，同时第二温度传感器13监控载冷剂的进口温度，控制器9通过比较第二温度传感器和第三温度传感器的监控温度，确保载冷剂的换热温度在一个安全有效的区域，不做无用功，提高其换热效率和整个空调系统的能效比。

如图3所示，空调系统的蒸发器12与蓄冷器10相连，在重卡大功率运行时，会有一部分载冷剂流量经过蓄冷器第一进口26流进，和蓄冷材料25进行换热，然后经过蓄冷器第一出口21流出，在重卡小功率运行时，空调冷量不足，经蒸发器流出的载冷剂会有一部分由蓄冷器第二进口23流入蓄冷器换热，再经蓄冷器第二出口24流出蓄冷器，进入蒸发器，其中保温材料20对蓄存冷量进行保温。

如图4所示，空调系统的蒸发器12与辅助制冷模块15相连，在少数情况下联合LNG蓄冷器也不能保证驾驶区域的冷量需求，控制器9会根据第二温度传感器13和第三温度传感器14的反馈信息，做出启动辅助制冷模块15的指令，辅助制冷模块开始工作，保证空调制冷要求。在蒸发器中，载冷剂由蒸发器进口27进入，和辅助制冷模块的制冷剂进行换热，再由蒸发器出口29流出蒸发器；制冷剂在蒸发器中换热后，沿辅助制冷回路33进入冷凝器31，在冷凝器中换热后温度降低，进入压缩机30，经压缩机压缩后变为高温高压的制冷剂蒸汽，进入节流阀28，并再次与蒸发器内的载冷剂进行换热，如此循环。

第一循环泵5、第一电磁阀7、第二循环泵6和第二电磁阀8、第一温度传感器11、第二温度传感器13、第三温度传感器14和辅助制冷模块15均与控制器9连接，确保在可控范围内保证整个系统的安全稳定的运行。

所述汽车供电系统为24V或12V的供电系统，不同的供电电压涉及到不同的空调供电框架，但无论是哪种架构，都会用低压降（LDO）稳压器将24V或12V电压转换为5V。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种蓄冷型LNG重卡冷能利用空调系统，包括LNG钢瓶（1），其特征在于：所述的LNG钢瓶（1）与气动阀（2）连接，气动阀（2）与气化器（4）的天然气进口连接，气化器（4）的天然气出口与换热器（16）连接，换热器（16）与减压阀（17）连接，减压阀（17）与过滤器（18）连接，过滤器（18）与发动机（19）连接，发动机（19）与换热器（16）之间设有二次换热回路；气化器（4）上设有载冷剂储液罐（3），气化器（4）的载冷剂出口分为蓄冷管路和蒸发管路，蓄冷管路和蒸发管路合并后与气化器（4）的载冷剂进口连接；蓄冷管路上依次设有第一循环泵（5）、第一电磁阀（7）和蓄冷器（10），蒸发管路上依次设有第二循环泵（6）、第二电磁阀（8）和蒸发器（12），第一循环泵（5）、第一电磁阀（7）、第二循环泵（6）和第二电磁阀（8）均与控制器（9）连接；

所述的蓄冷器（10）与蒸发器（12）之间设有补冷回路，蒸发器（12）与辅助制冷模块（15）之间设有辅助制冷回路（33），蓄冷器（10）内部设有蓄冷材料（25），蓄冷材料（25）外部设有保温材料（20），蓄冷器（10）内部设有第一温度传感器（11），补冷回路中蓄冷器（10）进入蒸发器（12）的进口处设有第二温度传感器（13），蒸发器（12）的出风口处设有第三温度传感器（14），第一温度传感器（11）、第二温度传感器（13）、第三温度传感器（14）和辅助制冷模块（15）均与控制器（9）连接；

所述的辅助制冷回路（33）包括节流阀（28）、冷凝器（31）和压缩机（30），节流阀（28）与冷凝器（31）连接，冷凝器（31）与压缩机（30）连接，压缩机（30）与节流阀（28）连接，节流阀（28）设在蒸发器（12）内，冷凝器（31）和压缩机（30）设在辅助制冷模块（15）内。

2.根据权利要求1所述的蓄冷型LNG重卡冷能利用空调系统，其特征在于：气化器（4）中的载冷剂为无相变载冷剂。

3.根据权利要求1所述的蓄冷型LNG重卡冷能利用空调系统，其特征在于：所述的辅助制冷模块（15）采用24V或12V供电系统。

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