CN108621749B - 一种基于尾气驱动的车载吸收式空调系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于车载空调器相关技术领域，并公开了一种基于尾气驱动的车载吸收式空调系统，其包括发生器、气液分离器、溶液热交换器、高温吸收器、低温吸收器、风冷冷凝器以及风冷蒸发器等组件，其中不仅将吸收器分为两级设计并对其具体结构及设置方式进行调整，而且还对制冷剂和溶液的两种循环过程相应进行了改进。通过本发明，能够有效增大放气范围，优化传统方案中大量吸收热散发到空气中无法利用的问题，同时降低低温吸收器出口温度过高的现象，进而显著提高整个制冷循环的工作性能。

Description

一种基于尾气驱动的车载吸收式空调系统

技术领域

本发明属于车载空调器相关技术领域，更具体地，涉及一种基于尾气驱动的车载吸收式空调系统。

背景技术

当前的车载空调器一般采用蒸汽压缩式制冷循环，压缩机消耗的轴功率直接来源于汽车发动机，如小型汽车的压缩机由发动机直接带动，大型客车还需配备专门的发动机驱动。统计数据表明，汽车空调要消耗发动机8％-12％的动力，其中压缩机占80％-85％，风机占15％-20％，这不但增加了油耗，同时汽车在夏季开空调时还会出现发动机动力不足、同时影响到车载空调器的使用效果等。也就是说，传统汽车空调长时间运行必然会消耗大量一次能源，不符合当前绿色低碳发展的趋势。

现有技术中已经提出了一些对汽车尾气余热进行合理利用的吸收式制冷机方案。具体而言，这些已有的车载空调器设备主要包括发生器、气液分离器、溶液热交换器、节流阀、吸收器、风冷冷却器、风冷冷凝器、节流阀、风冷蒸发器以及溶液泵等设备，并通过以上系统来利用尾气余热的热能作为动力执行制冷操作，代替传统的蒸汽压缩式汽车空调。

然而，进一步的研究表明，上述现有方案仍然存在以下的缺陷或不足：首先，在上述系统的运行过程中，制冷剂被溶液吸收的过程仅在单一吸收器内进行，不论吸收器设计为绝热吸收器还是非绝热吸收器，吸收过程中所释放的大量吸收热都无法快速散发至空气中，并导致出现吸收器内吸收温度偏高、以及溶液饱和浓度偏高的问题，同时造成了吸收器内溶液吸收能力下降，系统的COP(性能系数)也会相应偏低；其次，当大量的吸收热被直接释放到空气中后，吸收器出口的溶液经过溶液泵加压后要再次在溶液交换器和发生器中被加热，这造成非绝热吸收器及其循环溶液的风冷冷却器和溶液热交换器的热负荷都较大，而且大量温度较高的吸收热散发到空气中并未被循环利用。换而言之，现有各类基于尾气的车载吸收式空调系统还无法使其达到良好的散热效果的同时保持良好吸收效率。相应地，本领域亟需对此作出进一步的改进，以便更好地符合现代化车载空调在高质高效和绿色环保方面的需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于尾气驱动的车载吸收式空调系统，其中通过对其整个构造组成及布局重新进行设计，同并对多个关键组件如高温吸收器、低温吸收器等的具体结构及设置方式等多个方面进行调整，同时还对包含溶液回路和制冷剂回路在内的工作机理做出改进，相应不仅能够有效克服现有技术的吸收温度偏高及吸收溶液饱和浓度偏高的问题，而且增大了放气范围，降低了相关换热器的热负荷，最终显著提高了整个制冷循环的工作性能。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于尾气驱动的车载吸收式空调系统，其特征在于，该车载吸收式空调系统包括发生器、气液分离器、溶液热交换器、第一节流阀、高温吸收器、低温吸收器、溶液泵、风冷冷凝器、第二节流阀以及风冷蒸发器，其中：

所述发生器内部流经有由制冷剂-吸收剂工质对组成的稀溶液，它的外部与输送至此的高温尾气相接触，由此利用高温尾气的热能将稀溶液不断加热，使得其中低沸点的组分蒸发出来且稀溶液逐渐被浓缩为浓溶液，并形成高温气液混合物经由出口端输送至所述气液分离器；

所述气液分离器在其上部具有制冷剂蒸汽出口，它的底部具有溶液出口，高温气液混合物在此分成两路进行循环：对于其中由低沸点的组分蒸发出来的高温气体也即制冷剂的循环而言，它经由该制冷剂蒸汽出口进入到所述风冷冷凝器中，并与室外空气换热而成为饱和或过冷制冷剂液体，接着经由所述第二节流阀降压降温后形成制冷剂气液混合物后，进入位于室内侧的所述风冷蒸发器，由此在风机的作用下吸收室内侧空气的热量以发挥降温作用，同时气化成为制冷剂蒸汽；该制冷剂蒸汽继续分为两条支路进行输送，其中一条支路经由所述高温吸收器下部的第一制冷剂入口端进入，并被该高温吸收器上部配备的喷淋装置所喷淋的吸收剂溶液而吸收，另外一条支路经由所述低温吸收器下部的第二制冷剂入口端进入，并被该低温吸收器液膜管内喷射的吸收剂溶液而吸收；而对于其中被浓缩的高温浓溶液也即吸收剂的循环而言，它经由处于所述气液分离器底部的所述溶液出口进入到所述溶液热交换器中，然后经由该溶液热交换器的一个热溶液通道出口端通过所述第一节流阀与所述高温吸收器上部配备的所述喷淋装置相连接；

所述高温吸收器的下部除了所述第一制冷剂入口端之外，还设有第一循环溶液出口端和第一溶液出口端，其中该第一循环溶液出口端首先与第一喷淋泵相连，然后连接至所述高温吸收器上部配备的所述喷淋装置；该第一溶液出口端首先与调节阀相连，然后与所述低温吸收器下部所设的第二循环液出口端汇合；

所述低温吸收器的下部除了所述第二制冷剂入口端和所述第二循环液出口端之外，还设有第二溶液出口端，其中该第二循环溶液出口端首先与所述第一溶液出口端相汇合，然后依次连接第二喷淋泵和风冷冷却器，最后返回至所述低温吸收器上部的分液头；该第二溶液出口端首先连接所述溶液泵，然后连接至所述高温吸收器内部盘管入口，该内部盘管的出口则连接至所述溶液热交换器的另一个稀溶液通道，然后经由此稀溶液通道的出口端连接至所述发生器的入口端。

作为进一步优选地，所述发生器优选由翅片管换热器及配套的尾气加热风道而组成；所述溶液热交换器优选采用套管式热交换器。

作为进一步优选地，对于所述高温吸收器而言，它优选采用填料式吸收器的形式，并且它的内部配备有所述盘管用于将产生的吸收热传递至所述溶液中。

作为进一步优选地，对于所述低温吸收器而言，它优选采用风冷表面微尺度膜液吸收器，并配备有风机用于提供空气对流换热来降低该低温吸收器的出口温度。

作为进一步优选地，所述制冷剂-吸收剂工质对优选采用以下物质中的一种或组合：氨-硫氰酸钠溶液、氨-硝酸锂溶液、水-溴化锂溶液、R22-三甲替甲酰胺，丙烷-矿物油。

作为进一步优选地，所述风冷冷却器和所述风冷冷凝器优选采用平行流式或者翅片管式的热交换器；所述风冷蒸发器优选采用翅片管式蒸发器、层叠式蒸发器或者管带式蒸发器。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、本发明通过紧密结合尾气驱动的车载吸收式空调系统的应用特征，通过对其整个构造布局重新进行设计，同时重点将吸收器分为两级同时对其具体结构及设置方式进行改进，相应通过它们的配合能够有效增大放气范围，优化传统方案中大量吸收热散发到空气中无法利用的问题，同时降低低温吸收器出口温度过高的现象，进而显著提高整个制冷循环的工作性能；

2、本发明还对上述空调系统在运行过程中的制冷剂循环及溶液循环的整个过程及作用机理进行了研究和设计，较多的实际测试表明，本系统能够更好地利用一部分吸收热来加热稀溶液，同时使得相关换热器的热负荷得以降低，并有效克服了现有技术的吸收温度偏高及吸收溶液饱和浓度偏高等问题。

附图说明

图1是按照本发明所构建的基于尾气驱动的车载吸收式空调系统的整体构造示意图。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明所构建的基于尾气驱动的车载吸收式空调系统的整体构造示意图。如图1所示，该可搭载式装置主要包括该车载吸收式空调系统包括发生器1、气液分离器2、溶液热交换器3、第一节流阀4、高温吸收器5、低温吸收器8、溶液泵9、风冷冷凝器12、第二节流阀13以及风冷蒸发器14等组件，下面将对其逐一进行具体解释说明。

如图1所示，发生器1譬如可设计为由翅片管换热器和配套的尾气加热风道组成，它的内部流经有由制冷剂-吸收剂工质对组成的稀溶液，它的外部与输送至此的高温尾气相接触，由此利用高温尾气的热能将稀溶液不断加热，使得其中低沸点的组分蒸发出来且稀溶液逐渐被浓缩为浓溶液，并形成高温气液混合物经由出口端输送至处于图中右侧的气液分离器2。更具体地，在一个优选实施例中，可采用各方面性能较好的氨—硫氰酸钠(NH3—NaSCN)作为制冷剂—吸收剂工质对。相应地，发生器1中高温汽车尾气可将热量通过翅片管换热器传递到管内的稀溶液中，将稀溶液加热至沸腾后不断产生过热氨蒸汽，稀溶液逐渐被浓缩为浓溶液，出口高温的气液混合物进入气液分离器2，在此处分为两路。

同样如图1所示，气液分离器2在其上部具有制冷剂蒸汽出口，它的底部具有溶液出口，高温气液混合物在此分成两路进行循环：对于其中由低沸点的组分蒸发出来的高温气体也即制冷剂的循环而言，它经由该制冷剂蒸汽出口进入到风冷冷凝器12中，并与室外空气换热而成为饱和或过冷制冷剂液体，接着经由节流阀13降压降温后形成制冷剂气液混合物后，进入位于室内侧的所述风冷蒸发器14，由此在风机的作用下吸收室内侧空气的热量以发挥降温作用，同时气化成为制冷剂蒸汽；该制冷剂蒸汽继续分为两条支路进行输送，其中一条支路经由高温吸收器5下部的第一制冷剂入口端进入，并被该高温吸收器5上部配备的喷淋装置所喷淋的吸收剂溶液而吸收，另外一条支路经由低温吸收器8下部的第二制冷剂入口端进入，并被该低温吸收器8液膜管内喷射的吸收剂溶液而吸收；而对于其中被浓缩的高温浓溶液也即吸收剂的循环而言，它经由处于气液分离器2底部的所述溶液出口进入到溶液热交换器3中，然后经由该溶液热交换器的一个热溶液通道出口端通过节流阀4与高温吸收器5上部配备的所述喷淋装置相连接。

仍以氨—硫氰酸钠(NH3—NaSCN)工质对为例，其中过热氨蒸汽从气液分离器2上部的制冷剂蒸汽出口进入风冷冷凝器12，在风机的作用下与室外空气换热而成为饱和或过冷制冷剂液体，制冷剂液体从风冷冷凝器12出口进入节流阀13，经过节流效应降压降温形成具有制冷能力的制冷剂气液混合物，之后进入室内侧的风冷蒸发器14，在风机的作用下吸收室内侧空气中的热量，汽化成为制冷剂蒸汽后分为两路，一条支路通过高温吸收器5下部的制冷剂入口进入高温吸收器5，并被高温吸收器中喷淋的溶液吸收，另一路通过低温吸收器8下部的制冷剂入口进入低温吸收器8，并被低温吸收器中喷射的溶液吸收。以上氨蒸汽在稀溶液中产生、冷凝、节流、蒸发以及被吸收的整个过程形成了制冷剂循环。

需要指出的是，本申请中专门设置了两个吸收器也即高温吸收器和低温吸收器来共同工作，以便有效克服现有技术中通常存在的吸收器出口温度偏高、吸收器热负荷过大尤其是溶液的饱和浓度偏高等多个技术问题。

同样如图1所示，高温吸收器5的下部除了所述第一制冷剂入口端之外，还设有第一循环溶液出口端和第一溶液出口端，其中该第一循环溶液出口端首先与第一喷淋泵6相连，然后连接至高温吸收器5上部配备的所述喷淋装置；该第一溶液出口端首先与调节阀7相连，然后与低温吸收器8下部所设的第二循环液出口端汇合。

类似地，低温吸收器8的下部除了所述第二制冷剂入口端和所述第二循环液出口端之外，还设有第二溶液出口端，其中该第二循环溶液出口端首先与所述第一溶液出口端相汇合，然后依次连接第二喷淋泵10和风冷冷却器11，最后返回至低温吸收器8上部的分液头；该第二溶液出口端首先连接溶液泵9，然后连接至所述高温吸收器5的内部盘管入口，该内部盘管的出口则连接至所述溶液热交换器的另一个稀溶液通道，然后经由此稀溶液通道的出口端连接至所述发生器1的入口端。

更具体进行解释的话，高温浓溶液从气液分离器2底部的制冷剂溶液出口进入溶液热交换器3的浓溶液通道，与另一通道的稀溶液进行热量交换后，浓溶液的温度有所降低，之后进入节流阀4降压后与喷淋泵6送来的中间浓度的溶液混合形成较高浓度的溶液，再通过高温吸收器5上部的喷淋装置在高温吸收器中进行喷淋(第一次吸收)，吸收下部制冷剂入口进入的来自风冷蒸发器14的制冷剂蒸汽，并释放吸收热，吸收过程中温度升高的同时会与内部的盘管中来自低温吸收器8出口的稀溶液进行热交换将部分吸收热释放至稀溶液中，吸收完成后高温吸收器5底部一部分循环溶液通过喷淋泵回到高温吸收器5的入口，与来自溶液热交换器的浓溶液混合再进行喷淋，另一部分中间浓度的溶液从底部的出口与低温吸收器8底部出口的稀溶液混合形成有一定吸收能力的溶液，经过喷淋泵10进入风冷冷却器11，被空气冷却后从低温吸收器8入口的分液头进入吸收器内部的溶液管内吸收来自风冷蒸发器14的制冷剂蒸汽(第二次吸收)，此过程为非绝热吸收过程，在风机的空气强制对流换热条件下，溶液温度升高的同时，产生的部分吸收热通过溶液管外的翅片散至空气中，低温吸收器8中一部分稀溶液从底部的循环溶液出口端流出并与来自高温吸收器5的溶液混合再次进行喷淋，另一个出口的稀溶液通过溶液泵9进行加压后进入高温吸收器5的盘管中，获得一部分高温吸收器中释放的吸收热，稀溶液温度有一定的升高，再进入溶液热交换器3的稀溶液通道，与另一通道的浓溶液进行热量交换，稀溶液的温度进一步升高，最后回到发生器1，高温尾气对发生器1中稀溶液重新进行加热和沸腾，从而不断重复以上的循环。以上稀溶液在发生器沸腾成为浓溶液，在高温和低温吸收器中两次吸收成为稀溶液，再回到发生器的不断重复的过程形成了溶液循环。

下面将对按照本发明的车载吸收式空调系统的具体工作原理进行解释说明。

在传统方案中，大量的吸收热难以耗散会造成吸收器内温度较高，使溶液对应的饱和浓度偏高，造成了吸收器吸收能力下降。本系统通过改造了原有的吸收器，将吸收器一分为二，设置一个高温吸收器和一个低温吸收器，高温吸收器中的溶液吸收制冷剂蒸汽的同时，将吸收热传递至溶液泵送来的稀溶液中，高温吸收器中吸收完毕的溶液再进入低温吸收器进行吸收，由于在高温吸收器中已经进行了一次吸收，低温吸收器释放的吸收热会有所减少，再配合有效的散热方式，可以有效降低低温吸收器出口稀溶液的温度，增大放气范围，有效提高整个制冷循环的工作性能。

此外，在传统方案中，大量吸收热被释放到空气中后，吸收器出口的溶液要再次在溶液交换器中被加热，这造成非绝热吸收器及其循环溶液的冷却器和溶液热交换器的热负荷都较大，而且大量的温度较高的吸收热散发到空气中并未被利用。本系统设置一个高温吸收器和一个低温吸收器，高温吸收器在吸收制冷剂蒸汽的同时释放的吸收热用来加热低温吸收器出口的稀溶液，这部分吸收热可以回到溶液循环系统加以利用，不需要释放到空气中，同时可以使低温吸收器和风冷冷却器的热负荷降低。

也就是说，本系统的工作原理遵循吸收式制冷循环的原理，输入的能量形式为热能，在发生器中加热溶液使其低沸点的组分蒸发出来，送入冷凝器中冷凝为液体，节流降压至蒸发压力后在蒸发器中蒸发制冷，蒸发器出来的蒸汽再进入吸收器被发生过后的溶液吸收，使溶液恢复至原来的浓度，从而完成整个循环。换而言之，在以上系统中，除了两个吸收器的设计之外，还通过多个节流阀和溶液泵的配套设计，相应可提供循环高压和低压的分界点，其中包含两级吸收器和蒸发器的一侧是低压侧，而包含发生器和冷凝器的一侧是高压侧。

在具体制造本系统时，可根据具体需求进行各种适当的变形或调整。例如，高温吸收器5优选采用填料式吸收器，内部设有盘管可将产生的吸收热传递至稀溶液中。低温吸收器8优选采用风冷表面微尺度液膜吸收器，它是一种风冷非绝热吸收器，设置有风机提供空气强制对流换热，可以有效降低吸收器出口温度，提高吸收效率。此外，溶液泵均可采用液压隔膜式计量泵，可线性调节流量，又适用于粘度较大有腐蚀性的溶液。风冷冷却器11、风冷冷凝器12和风冷蒸发器14均可采用翅片管换热器。若采用水冷的话需要添加额外的管路，所以选用风冷方式，利用汽车的行车风和风机加强换热，可以简化系统。

综上，采用上述技术方案不仅可以更富效率地将部分吸收热回收到溶液循环中加以利用，而且有效解决了现有技术中大量吸收热散发到空气中无法利用的问题，同时还缓解了吸收器温度过高及溶液饱和浓度偏高等问题，因而适于在节能环保的新型车载吸收式空调应用场合。

本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于尾气驱动的车载吸收式空调系统，其特征在于，该车载吸收式空调系统包括发生器(1)、气液分离器(2)、溶液热交换器(3)、第一节流阀(4)、高温吸收器(5)、低温吸收器(8)、溶液泵(9)、风冷冷凝器(12)、第二节流阀(13)以及风冷蒸发器(14)，其中：

所述发生器(1)内部流经有由制冷剂-吸收剂工质对组成的稀溶液，所述发生器(1)外部与输送至此的高温尾气相接触，由此利用高温尾气的热能将稀溶液不断加热，使得其中低沸点的组分蒸发出来且稀溶液逐渐被浓缩为浓溶液，并形成高温气液混合物经由出口端输送至所述气液分离器(2)；

所述气液分离器(2)上部具有制冷剂蒸汽出口，所述气液分离器(2)底部具有溶液出口，高温气液混合物在此分成两路进行循环：对于其中由低沸点的组分蒸发出来的高温气体也即制冷剂的循环而言，制冷剂经由该制冷剂蒸汽出口进入到所述风冷冷凝器(12)中，并与室外空气换热而成为饱和或过冷制冷剂液体，接着经由所述第二节流阀(13)降压降温后形成制冷剂气液混合物后，进入位于室内侧的所述风冷蒸发器(14)，由此在风机的作用下吸收室内侧空气的热量以发挥降温作用，同时气化成为制冷剂蒸汽；该制冷剂蒸汽继续分为两条支路进行输送，其中一条支路经由所述高温吸收器(5)下部的第一制冷剂入口端进入，并被该高温吸收器(5)上部配备的喷淋装置所喷淋的吸收剂溶液而吸收，另外一条支路经由所述低温吸收器(8)下部的第二制冷剂入口端进入，并被该低温吸收器(8)液膜管内喷射的吸收剂溶液而吸收；而对于其中被浓缩的高温浓溶液也即吸收剂的循环而言，吸收剂经由处于所述气液分离器(2)底部的所述溶液出口进入到所述溶液热交换器(3)中，然后经由该溶液热交换器的一个热溶液通道出口端通过所述第一节流阀(4)与所述高温吸收器(5)上部配备的所述喷淋装置相连接；

所述高温吸收器(5)的下部除了所述第一制冷剂入口端之外，还设有第一循环溶液出口端和第一溶液出口端，其中该第一循环溶液出口端首先与第一喷淋泵(6)相连，然后连接至所述高温吸收器(5)上部配备的所述喷淋装置；该第一溶液出口端首先与调节阀(7)相连，然后与所述低温吸收器(8)下部所设的第二循环液出口端汇合；

所述低温吸收器(8)的下部除了所述第二制冷剂入口端和所述第二循环液出口端之外，还设有第二溶液出口端，其中该第二循环溶液出口端首先与所述第一溶液出口端相汇合，然后依次连接第二喷淋泵(10)和风冷冷却器(11)，最后返回至所述低温吸收器(8)上部的分液头；该第二溶液出口端首先连接所述溶液泵(9)，然后连接至所述高温吸收器(5)的内部盘管入口，该内部盘管的出口则连接至所述溶液热交换器的另一个稀溶液通道，然后经由此稀溶液通道的出口端连接至所述发生器(1)的入口端。

2.如权利要求1所述的一种基于尾气驱动的车载吸收式空调系统，其特征在于，所述发生器(1)由翅片管换热器及配套的尾气加热风道而组成；所述溶液热交换器(3)采用套管式热交换器。

3.如权利要求1或2所述的一种基于尾气驱动的车载吸收式空调系统，其特征在于，所述高温吸收器(5)采用填料式吸收器的形式，并且其内部配备有所述内部盘管用于将产生的吸收热传递至所述发生器(1)内部的由制冷剂-吸收剂工质对组成的稀溶液中。

4.如权利要求3所述的一种基于尾气驱动的车载吸收式空调系统，其特征在于，所述低温吸收器(8)采用风冷表面微尺度膜液吸收器，并配备有风机用于提供空气对流换热来降低该低温吸收器的出口温度。

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