CN110525164B - Lng冷能利用空调系统与控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种LNG冷能利用空调系统，包括：LNG罐通过管路连接第一汽化器的LNG入口，第一汽化器的LNG出口用于通向发动机；参数输入模块用于向ECU输入控制所需的参数；ECU分别连接并控制冷媒循环泵与电控三通阀；冷媒循环泵通过管路连接电控三通阀的第一端，电控三通阀的第二端通过管路连接第一汽化器的冷媒入口，第一汽化器的冷媒出口通过管路连接蓄冷器入口；电控三通阀的第三端通过管路连接蓄冷器入口或第一汽化器与蓄冷器间的管路；蓄冷器出口通过管路连接空调换热器的冷媒入口，空调换热器的冷媒出口通过管路连接冷媒循环泵；在空调换热器冷媒入口处的管路上设置冷媒温度传感器；本发明提高了LNG冷能的利用效率。

Description

LNG冷能利用空调系统与控制方法
技术领域
本发明涉及车用制冷控制领域，尤其是一种LNG冷能利用空调系统。
背景技术
天然气作为一种清洁、高效的能源，其利用对我国大气污染防治具有重要意义。近年来，我国天然气消费量快速增长，LNG作为天然气的液态形式，是天然气经过净化处理、降温至-162℃以下时形成的液体，其存在增加了天然气储运和利用的灵活性，扩大了天然气的应用范围。与传统的汽柴油相比，天然气具有价格低、密度小和热值高等优点，使得天然气汽车得到了充分发展。
LNG在气化过程中会释放大量的冷能，其值约为830-860kJ/kg，在一般情况下，这部分冷能通常在汽化器中由冷却水带走，造成了大量的能源浪费。回收这部分冷能，不仅有效利用了能源，而且减少了空调压缩机制冷的大量能量消耗，具有可观的经济与社会效益。
在汽车领域，LNG冷能利用多数用于制冷系统，通过取代原本的汽车空调，不仅减少了安装空调的成本，还消除了传统压缩机产生的噪声，具有节能和环保的双重意义。据计算，LNG气化过程中释放的冷能足够代替满足空调的使用需求，因此，为重型卡车配备LNG冷能利用空调系统，具有显著的现实意义和广阔的市场前景。
在冷能利用的空调系统中，若冷媒（乙二醇水溶液）流量过低，会导致冷媒在管路中温度下降太大，导致冷媒结冰，影响空调正常运行。若冷媒流量过大，则在冷媒在空调换热器中将冷能传递给空气时，温差过小，冷能不能够得到充分利用，浪费能源。因此，如何根据发动机LNG供气量合理地分配冷能以及调控冷媒的循环流量，从而保证冷能得到充分且高效的利用，是本领域技术人员目前迫切需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种LNG冷能利用空调系统，以及相应的控制方法，确保冷媒在管路中不结冰的前提下，最大效力地利用LNG的冷能。本发明采用的技术方案是：
一种LNG冷能利用空调系统，包括：LNG罐、第一汽化器、冷媒循环泵、电控三通阀、蓄冷器、冷媒温度传感器、鼓风机、空调换热器、ECU、参数输入模块；
LNG罐通过管路连接第一汽化器的LNG入口，第一汽化器的LNG出口用于通向发动机；
参数输入模块用于向ECU输入控制所需的参数；
ECU分别连接并控制冷媒循环泵与电控三通阀；
冷媒循环泵通过管路连接电控三通阀的第一端，电控三通阀的第二端通过管路连接第一汽化器的冷媒入口，第一汽化器的冷媒出口通过管路连接蓄冷器入口；电控三通阀的第三端通过管路连接蓄冷器入口或第一汽化器与蓄冷器间的管路；
蓄冷器出口通过管路连接空调换热器的冷媒入口，空调换热器的冷媒出口通过管路连接冷媒循环泵；
在空调换热器冷媒入口处的管路上设置冷媒温度传感器；
通过对电控三通阀的切换，能够形成两条冷媒流通路线；
第一冷媒流通路线为：冷媒循环泵->电控三通阀->第一汽化器->蓄冷器->空调换热器->冷媒循环泵；
第二冷媒流通路线为：冷媒循环泵->电控三通阀->蓄冷器->空调换热器->冷媒循环泵；
鼓风机、空调换热器和驾驶室形成一条空气回路；
ECU根据获得的参数，输出控制结果即冷媒循环泵转速和电控三通阀的状态。
进一步地，冷媒温度传感器采用热电偶。
进一步地，在第一汽化器与发动机之间的管路上还设有第二汽化器。
进一步地，参数包括：空调换热器入口温度Tch、空气流量Qair、空气入口温度Tair、LNG流量Qlng、LNG最大流量Qlngm。
进一步地，所述空调系统包括启动模式和正常控制模式；
（a）在启动模式，先根据空调换热器入口温度Tch确定电控三通阀的状态以及冷媒流通路线；若Tch小于第二最低温度阈值则选择第二冷媒流通路线，否则选择第一冷媒流通路线；
在启动模式，冷媒流量控制在一个设定的大流量值；
最后给出转化为正常控制模式的条件；
（b）在空调进入正常控制模式时，先根据空调换热器入口温度Tch确定电控三通阀的状态以及冷媒流通路线；若Tch小于最低温度阈值则选择第二冷媒流通路线，否则选择第一冷媒流通路线；
当选择第二冷媒流通路线时，冷媒流量控制在一个设定的适中值；
当选择第一冷媒流通路线时，冷媒流量通过获得的参数进行综合控制，并限定在冷媒流量最小值与最大值之间；
冷媒流量最小值<冷媒流量适中值<冷媒流量大流量值<冷媒流量最大值；
最后，ECU根据得到的冷媒流量及冷媒流量与冷媒循环泵转速相关关系确定循环泵转速，以及此时的电控三通阀状态，进行输出控制。
一种LNG冷能利用空调系统的控制方法，包括启动模式和正常控制模式；
（a）在启动模式，先根据空调换热器入口温度Tch确定电控三通阀的状态以及冷媒流通路线；若Tch小于第二最低温度阈值则选择第二冷媒流通路线，否则选择第一冷媒流通路线；
在启动模式，冷媒流量控制在一个设定的大流量值；
最后给出转化为正常控制模式的条件；
（b）在空调进入正常控制模式时，先根据空调换热器入口温度Tch确定电控三通阀的状态以及冷媒流通路线；若Tch小于最低温度阈值则选择第二冷媒流通路线，否则选择第一冷媒流通路线；
当选择第二冷媒流通路线时，冷媒流量控制在一个设定的适中值；
当选择第一冷媒流通路线时，冷媒流量通过获得的参数进行综合控制，并限定在冷媒流量最小值与最大值之间；
冷媒流量最小值<冷媒流量适中值<冷媒流量大流量值<冷媒流量最大值；
最后，ECU根据得到的冷媒流量及冷媒流量与冷媒循环泵转速相关关系确定循环泵转速，以及此时的电控三通阀状态，进行输出控制。
进一步地，参数包括：空调换热器入口温度Tch、空气流量Qair、空气入口温度Tair、LNG流量Qlng、LNG最大流量Qlngm；
（a）当空调系统刚启动，且Tch＞13oC，调整电控三通阀，并使冷媒流通采用第一冷媒流通路线，冷媒流量Qwgl为：
Qwgl=3.5Qlngm
经过一段时间，冷媒温度降低，当Tch≤10oC时，切换进入正常控制模式；
当空调系统刚启动，且-20oC≤Tch≤13oC时，调整电控三通阀，并使冷媒流通采用第一冷媒流通路线，冷媒流量Qwgl为：
Qwgl=3.5Qlngm
经过一段时间，冷媒温度Tch温差下降2oC时，切换进入正常控制模式；
当空调系统刚启动，且Tch<-20oC时，调整电控三通阀，并使冷媒流通采用第二冷媒流通路线，冷媒流量Qwgl为：
Qwgl=3.5Qlngm
经过一段时间，冷媒温度Tch温差上升2oC时，切换进入正常控制模式；
（b）在空调进入正常控制模式时，
（b1）当Tch<-25oC，调整电控三通阀，并使冷媒流通采用第二冷媒流通路线，冷媒流量Qwgl（kg/h）为：
Qwgl =2.2Qlngm
（b2）当Tch≥-25oC，调整电控三通阀，并使冷媒流通采用第一冷媒流通路线，冷媒流量Qwgl（kg/h）为：
Qwgl =1016.722-15.271 Qair +0.001 Qair 2-0.011 Tair 2+0.03 Qlng 2+0.05 Qair *Tair
此时，若当Qwgl<1.8 Qlngm，则令：
Qwgl=1.8 Qlngm
若当 Qwgl h≥5.2Qlngm，则令：
Qwgl=5.2Qlngm
（c）参数输出：（1）根据得到的冷媒流量Qwgl，及冷媒流量与冷媒循环泵转速相关关系确定循环泵转速；（2）电控三通阀状态。
本发明的优点在于：
1）本发明解决了不同负荷时，LNG冷能利用空调系统冷媒管路结冰的问题，保证了空调系统的正常运行。
2）本发明提高了LNG冷能的利用效率，相比于传统的控制方案，采用本控制方法的冷能利用效率提高了30%以上。
3）本发明选用冷媒循环泵转速和电控三通阀来控制冷媒流量和路线，将其与LNG流量、空气温度和空气流量建立数学模型，对冷媒流量进行定量的实时控制，一方面较传统的根据经验调控更加合理，减少了因经验不足引起控制不当的情况，另一方面，实时的自动调控节省了人力劳动。
附图说明
图1为本发明的结构组成示意图。
图2为本发明的控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明提出的一种LNG冷能利用空调系统，包括LNG罐1、第一汽化器4、冷媒循环泵5、电控三通阀6、蓄冷器7、冷媒温度传感器8、鼓风机9、空调换热器10、ECU12、参数输入模块13；
LNG罐1通过管路连接第一汽化器4的LNG入口，第一汽化器4的LNG出口用于通向发动机3；在第一汽化器4与发动机3之间的管路上还可以进一步设置第二汽化器2；
参数输入模块13用于向ECU12输入控制所需的参数；这些参数可采用读取发动机CAN及通过相关传感器测量得到；这些参数包括：空调换热器入口温度Tch、空气流量Qair、空气入口温度Tair、LNG流量Qlng、LNG最大流量Qlngm；
ECU12分别连接并控制冷媒循环泵5与电控三通阀6；
冷媒循环泵5通过管路连接电控三通阀6的第一端，电控三通阀6的第二端通过管路连接第一汽化器4的冷媒入口，第一汽化器4的冷媒出口通过管路连接蓄冷器7入口；电控三通阀6的第三端通过管路连接蓄冷器7入口或第一汽化器4与蓄冷器7间的管路；
蓄冷器7出口通过管路连接空调换热器10的冷媒入口，空调换热器10的冷媒出口通过管路连接冷媒循环泵5；
在空调换热器8冷媒入口处的管路上设置冷媒温度传感器8；
通过对电控三通阀6的切换，可形成两条冷媒流通路线；
第一冷媒流通路线为：冷媒循环泵5->电控三通阀6->第一汽化器4->蓄冷器7->空调换热器10->冷媒循环泵5；
第二冷媒流通路线为：冷媒循环泵5->电控三通阀6->蓄冷器7->空调换热器10->冷媒循环泵5；
其中，冷媒温度传感器8采用热电偶；
冷媒（50%乙二醇水溶液）在第一汽化器4中与LNG换热后获得冷能，再在空调换热器10中与热空气换热，温度降低，经过冷媒循环泵5流回第一汽化器4中，实现冷媒在系统中的循环；
当冷媒温度传感器8检测到冷媒温度过低时，ECU可控制电控三通阀6短路第一汽化器4，形成冷媒循环泵5->电控三通阀6->蓄冷器7->空调换热器10->冷媒循环泵5的第二冷媒流通路线；
鼓风机9、空调换热器10和驾驶室11形成一条空气回路；热空气流经空调换热器10与冷媒发生热交换，温度适度降低，再进入驾驶室中，完成空调制冷的功能。
ECU12根据获得的参数：空调换热器入口温度Tch、空气流量Qair、空气入口温度Tair、LNG流量Qlng、LNG最大流量Qlngm，输出控制结果即冷媒循环泵转速和电控三通阀的状态；
本发明提出的LNG冷能利用空调系统的控制方法，包括启动模式和正常控制模式；
（a）在启动模式，先根据空调换热器入口温度Tch确定电控三通阀的状态以及冷媒流通路线；若Tch小于第二最低温度阈值（例如-20oC）则选择第二冷媒流通路线，否则选择第一冷媒流通路线；
在启动模式，冷媒流量控制在一个设定的大流量值；主要是由于当空调启动时，第一汽化器4表面温度很低，需采用大流量冷媒流过第一汽化器换热管，用来融化第一汽化器内部管路表面的冰层，提高第一汽化器整体的换热能力，快速降低第一汽化器和蓄冷器7中冷媒的温度，提高LNG冷能空调的反应灵敏度；如果流量过小，会引起表面冰层加厚，造成管路堵塞；也可能会导致冷媒在第一汽化器中温度下降过大从而在管路中结冰；
最后给出转化为正常控制模式的条件；
（b）在空调进入正常控制模式时，先根据空调换热器入口温度Tch确定电控三通阀的状态以及冷媒流通路线；若Tch小于最低温度阈值（例如-25oC）则选择第二冷媒流通路线，否则选择第一冷媒流通路线；
当选择第二冷媒流通路线时，冷媒流量控制在一个设定的适中值；
当选择第一冷媒流通路线时，冷媒流量通过获得的参数进行综合控制，并限定在冷媒流量最小值与最大值之间；
冷媒流量最小值<冷媒流量适中值<冷媒流量大流量值<冷媒流量最大值；
在正常控制模式时，主要考虑若冷媒流量过小，冷媒在第一汽化器与LNG换热温度下降过大，也会导致在管路中结冰，导致空调系统不能正常运行，因此本发明的控制方法设定了冷媒的最小流量；当冷媒流量过大时，冷媒与LNG换热的温度降过小，导致冷媒在空调换热器中与空气换热不充分，LNG冷能没有得到充分利用，因此本发明的控制方法设定了冷媒的最大流量；
最后，ECU根据得到的冷媒流量及冷媒流量与冷媒循环泵转速相关关系确定循环泵转速，以及此时的电控三通阀状态，进行输出控制；
具体地，
（a）当空调系统刚启动，且Tch＞13oC，调整电控三通阀，并使冷媒流通采用第一冷媒流通路线，冷媒流量Qwgl（kg/h）为：
Qwgl=3.5Qlngm
经过一段时间，冷媒温度降低，当Tch≤10oC时，切换进入正常控制模式；
当空调系统刚启动，且-20oC≤Tch≤13oC时，调整电控三通阀，并使冷媒流通采用第一冷媒流通路线，冷媒流量Qwgl（kg/h）为：
Qwgl=3.5Qlngm
经过一段时间，冷媒温度Tch温差下降2oC时，切换进入正常控制模式；
当空调系统刚启动，且Tch<-20oC时，调整电控三通阀，并使冷媒流通采用第二冷媒流通路线，冷媒流量Qwgl（kg/h）为：
Qwgl=3.5Qlngm
经过一段时间，冷媒温度Tch温差上升2oC时，切换进入正常控制模式；
（b）在空调进入正常控制模式时，
（b1）当Tch<-25oC，调整电控三通阀，并使冷媒流通采用第二冷媒流通路线，冷媒流量Qwgl（kg/h）为：
Qwgl =2.2Qlngm
（b2）当Tch≥-25oC，调整电控三通阀，并使冷媒流通采用第一冷媒流通路线，冷媒流量Qwgl（kg/h）为：
Qwgl =1016.722-15.271 Qair +0.001 Qair 2-0.011 Tair 2+0.03 Qlng 2+0.05 Qair *Tair
此时，为保证管路中冷媒温度不会低于凝固点流量，当Qwgl<1.8 Qlngm，则令：
Qwgl=1.8 Qlngm
为保证不因冷媒流量过大，冷媒与空气进行换热时温差过小，冷能利用反而受到抑制，当 Qwgl h≥5.2Qlngm，则令：
Qwgl=5.2Qlngm
（c）参数输出：（1）根据得到的冷媒流量Qwgl，及冷媒流量与冷媒循环泵转速相关关系确定循环泵转速；（2）电控三通阀状态。
本发明确定了冷媒流量与空气流量、空气入口温度和LNG流量的数学模型，并给出最大流量和最小流量的限制。试验结果表明，本发明的控制方法有效地解决了管路中冷媒结冰的问题，并将LNG的冷能利用效率提高了30%以上，具有节能和环保的双重重大意义。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种LNG冷能利用空调系统的控制方法，所述LNG冷能利用空调系统包括：LNG罐(1)、第一汽化器(4)、冷媒循环泵(5)、电控三通阀(6)、蓄冷器(7)、冷媒温度传感器(8)、鼓风机(9)、空调换热器(10)、ECU(12)、参数输入模块(13)；
LNG罐(1)通过管路连接第一汽化器(4)的LNG入口，第一汽化器(4)的LNG出口用于通向发动机(3)；
参数输入模块(13)用于向ECU(12)输入控制所需的参数；
ECU(12)分别连接并控制冷媒循环泵(5)与电控三通阀(6)；
冷媒循环泵(5)通过管路连接电控三通阀(6)的第一端，电控三通阀(6)的第二端通过管路连接第一汽化器(4)的冷媒入口，第一汽化器(4)的冷媒出口通过管路连接蓄冷器(7)入口；电控三通阀(6)的第三端通过管路连接蓄冷器(7)入口或第一汽化器(4)与蓄冷器(7)间的管路；
蓄冷器(7)出口通过管路连接空调换热器(10)的冷媒入口，空调换热器(10)的冷媒出口通过管路连接冷媒循环泵(5)；
在空调换热器(8)冷媒入口处的管路上设置冷媒温度传感器(8)；
通过对电控三通阀(6)的切换，能够形成两条冷媒流通路线；
第一冷媒流通路线为：冷媒循环泵(5)->电控三通阀(6)->第一汽化器(4)->蓄冷器(7)->空调换热器(10)->冷媒循环泵(5)；
第二冷媒流通路线为：冷媒循环泵(5)->电控三通阀(6)->蓄冷器(7)->空调换热器(10)->冷媒循环泵(5)；
鼓风机(9)、空调换热器(10)和驾驶室(11)形成一条空气回路；
ECU12根据获得的参数，输出控制结果即冷媒循环泵转速和电控三通阀的状态；
其特征在于，包括启动模式和正常控制模式；
（a）在启动模式，先根据空调换热器入口温度Tch确定电控三通阀的状态以及冷媒流通路线；若Tch小于第二最低温度阈值则选择第二冷媒流通路线，否则选择第一冷媒流通路线；
在启动模式，冷媒流量控制在一个设定的大流量值；
最后给出转化为正常控制模式的条件；
（b）在空调进入正常控制模式时，先根据空调换热器入口温度Tch确定电控三通阀的状态以及冷媒流通路线；若Tch小于最低温度阈值则选择第二冷媒流通路线，否则选择第一冷媒流通路线；
当选择第二冷媒流通路线时，冷媒流量控制在一个设定的适中值；
当选择第一冷媒流通路线时，冷媒流量通过获得的参数进行综合控制，并限定在冷媒流量最小值与最大值之间；
冷媒流量最小值<冷媒流量适中值<冷媒流量大流量值<冷媒流量最大值；
最后，ECU根据得到的冷媒流量及冷媒流量与冷媒循环泵转速相关关系确定循环泵转速，以及此时的电控三通阀状态，进行输出控制；
参数包括：空调换热器入口温度Tch、空气流量Qair、空气入口温度Tair、LNG流量Qlng、LNG最大流量Qlngm；
（a）当空调系统刚启动，且Tch＞13oC，调整电控三通阀，并使冷媒流通采用第一冷媒流通路线，冷媒流量Qwgl为：
Qwgl=3.5Qlngm
经过一段时间，冷媒温度降低，当Tch≤10oC时，切换进入正常控制模式；
当空调系统刚启动，且-20oC≤Tch≤13oC时，调整电控三通阀，并使冷媒流通采用第一冷媒流通路线，冷媒流量Qwgl为：
Qwgl=3.5Qlngm
经过一段时间，冷媒温度Tch温差下降2oC时，切换进入正常控制模式；
当空调系统刚启动，且Tch<-20oC时，调整电控三通阀，并使冷媒流通采用第二冷媒流通路线，冷媒流量Qwgl为：
Qwgl=3.5Qlngm
经过一段时间，冷媒温度Tch温差上升2oC时，切换进入正常控制模式；
（b）在空调进入正常控制模式时，
（b1）当Tch<-25oC，调整电控三通阀，并使冷媒流通采用第二冷媒流通路线，冷媒流量Qwgl（kg/h）为：
Qwgl =2.2Qlngm
（b2）当Tch≥-25oC，调整电控三通阀，并使冷媒流通采用第一冷媒流通路线，冷媒流量Qwgl（kg/h）为：
Qwgl =1016.722-15.271 Qair +0.001 Qair 2-0.011 Tair 2+0.03 Qlng 2+0.05 Qair * Tair
此时，若当Qwgl<1.8 Qlngm，则令：
Qwgl=1.8 Qlngm
若当 Qwgl h≥5.2Qlngm，则令：
Qwgl=5.2Qlngm
（c）参数输出：（1）根据得到的冷媒流量Qwgl，及冷媒流量与冷媒循环泵转速相关关系确定循环泵转速；（2）电控三通阀状态。
2.如权利要求1所述的LNG冷能利用空调系统的控制方法，其特征在于，
冷媒温度传感器(8)采用热电偶。
3.如权利要求1所述的LNG冷能利用空调系统的控制方法，其特征在于，
在第一汽化器(4)与发动机(3)之间的管路上还设有第二汽化器(2)。
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