CN112629068A - 一种用于冷藏运输的压缩协助再生的吸附制冷系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于冷藏运输的压缩协助再生的吸附制冷系统，包括压缩机(6)、冷凝器(2)、膨胀阀(3)、和蒸发器(4)，两个相同的吸附床：吸附床a(101)和吸附床b(102)，冷却器(5)和四通阀(7)；所述的吸附床a(101)、吸附床b(102)、冷却器(5)、蒸发器(4)分别与四通阀(7)相连接，冷却器(5)出口依次连接压缩机(6)、冷凝器(2)、膨胀阀(3)和蒸发器(4)。与现有技术相比，本发明通过回收发动机缸套水余热可高效满足冷藏车冷量需要，降低压缩机的功耗，显著提高能效，最终降低冷藏运输成本和环境污染，实现节能减排。
Description
技术领域
本发明涉及制冷技术领域，尤其是设计一种用于冷藏运输的压缩协助再生的 吸附制冷系统。
背景技术
随着科学与技术的发展和国民生活水平日益提高，在食品保鲜和冷藏环节的要求也更高，而冷藏车对蔬菜的保存和带动蔬菜销售至关重要，人们对冷藏车需求旺 盛。目前冷藏车采用的是发动机驱动的蒸气压缩式制冷系统。
发动机驱动的蒸气压缩制冷。作为一种利用液态制冷剂气化吸热的制冷技术， 被广泛应用于各类制冷系统中。蒸气压缩式制冷系统包括蒸发器、压缩机、冷凝器、 膨胀阀装置。针对蒸气压缩制冷，存在的不足主要有两点：
(a)高环境温度和低制冷温度时，压缩机压比高，耗功大，能效(制冷量/ 压缩机耗功)低；
(b)发动机的燃烧热只有30％-40％能够转化成有效轴功输出，剩余的燃烧热 通过发动机缸套水和发动机尾气的形式直接排放到环境中。为满足冷藏车厢制冷需 求，传统制冷系统势必会增加发动机耗油量及尾气排放量，造成大气污染。
余热驱动的吸附制冷系统。作为一种可以利用低品位热能驱动的制冷方式，吸 附式制冷因绿色环保型的技术，受到广泛重视和研究。
经查阅相关文献发现，高鹏等人公开号为CN104896787A的一种利用发动机 尾气余热驱动的两级吸附制冷装置，装置通过高温盐吸附床和中温盐吸附床的共同 配合，降低加热解吸温度，以便使系统能够发动机低负荷尾气温度低时运行，最终 导致该装置只能间歇制冷，同时尾气温度不稳定，从200℃变化到500℃，制冷量 不稳定，不能稳定地满足冷藏车冷量需求。另外相比于液体，气体导热性能差，传 热系数小，最终需要更多的换热面积才能满足相同的传热速率，所以装置结构需要 占据较大空间。
经查阅相关文献发现，赖艳华等人公开号为CN102141322A的一种吸附-机械 压缩耦合制冷及蓄冷系统，其原理是多个吸附床并联，进行蒸发制冷-吸附过程与 解吸-压缩-冷凝过程，制冷过程不连续，易受环境影响，导致效率降低，所产生的 制冷量不能稳定满足冷藏车厢冷量需求。
另外，吸附式制冷虽然环保节能，但其对驱动热源温度有苛刻的要求，需要有 较高的热源温度才能保证高效稳定的吸附剂解吸反应，低温制冷时(蒸发温度小于 -10℃)，驱动热源温度应不低于100℃，而发动机缸套水余热温度为80-90℃。因 此发动机缸套水余热驱动的吸附制冷系统不能满足冷藏车厢所需制冷温度(0℃至 -18℃)。另外冷藏车在行驶过程中，会有剧烈的震动和颠簸，传统的吸附制冷系统 也不能满足。
发明内容
本发明提供一种用于冷藏运输的压缩协助再生的吸附制冷系统，以解决现有发动机余热驱动的吸附制冷系统制冷过程不连续、制冷温度高，所产生的制冷量不能 稳定满足冷藏车厢冷量需求的问题；并解决传统蒸气压缩制冷系统能效低的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于冷藏运输的压缩协助再生的吸附制冷系统，包括压缩机、冷凝器、膨胀阀、和蒸发器，两个相同的吸附床： 吸附床a和吸附床b，冷却器和四通阀；所述的吸附床a、吸附床b、冷却器、蒸 发器分别与四通阀相连接，冷却器出口依次连接压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器。
所述的蒸发器与冷却器之间设有直接连通的管道，并在该管道上设有阀门a。
所述的系统有两种运行模式；冷藏车正常工作模式和冷藏车怠速工作模式。
冷藏车正常工作模式时，利用发动机缸套水对系统中的吸附床a加热升压，待 制冷剂解吸出来后再进入压缩机压缩，然后高温高压的制冷剂流向冷凝器冷凝，冷 凝液经膨胀阀节流进入蒸发器蒸发吸热产生制冷量，最后制冷剂被吸附床b中的吸 附剂吸附，吸附床b被冷却水冷却；当吸附床b中的吸附剂吸附饱和以后，发动机 缸套水加热吸附床b，冷却水冷却吸附床a，同时切换四通阀，吸附床b解吸出来 的制冷剂进入压缩机压缩，然后高温高压的制冷剂流向冷凝器冷凝，冷凝液经膨胀 阀节流进入蒸发器蒸发吸热产生制冷量，最后制冷剂被吸附床a中的吸附剂吸附。
冷藏车怠速工作模式时，发动机缸套水余热不足，关闭冷却器与蒸发器之间的 阀门a，压缩机不工作，优先采用吸附床吸附制冷剂满足冷藏车厢冷量需求，当吸 附饱和时打开阀门a，启动压缩机，采用蒸气压缩制冷系统满足冷藏车厢冷量需求。
冷却器对进入压缩机吸入的蒸气去过热，降低压缩机排气温度，以便采用常规 常温压缩机就可满足实际需要，降低系统初投资。压缩机在冷藏车稳定运行时，压 缩制冷剂蒸气协助吸附剂再生，降低吸附剂加热解吸温度。
所述的四通阀分别与吸附床a、吸附床b，冷却器和蒸发器连接。
所述的吸附床由若干单元管组成，各单元管中心设有中心管，单元管为外表面 设有多个均匀分布孔的多孔管，中心管与多孔管之间填充有吸附剂，各单元管的中 心管依次串联构成管程，两端分别为进水口和出水口；所述的若干单元管固定在一 密闭壳体内，壳体上还设有制冷剂进出口。本发明吸附床用于回收发动机缸套水余 热，水的传热系统高，吸附床可以做的很紧凑，吸附床重量显著降低。
所述的吸附床的进水口和出水口分别连接冷藏运输车辆发动机缸套水或外部 冷却水。
所述制冷剂为氨。
所述的吸附床内填充的吸附剂为混合吸附剂，该混合吸附剂包括氯化锶与膨胀石墨比例为10:1到1：1混合。克拉伯龙方程可以用来描述金属氯化物与氨反应平 衡线，用下式(1)表示：
公式中ΔHr和ΔSr是化学反应过程的焓变和熵变；Tsor是吸附剂温度；R是气 体常数。氯化钙和氯化锶是相对常用的吸附剂。依据克拉伯龙方程，相比于氯化钙， 氯化锶在相同的热源温度下，解吸压力更高，从而导致压缩机压比小，功耗小，能 效高。另外氯化锶的摩尔吸附量是氯化钙的3.5倍，则所需吸附剂质量有效减少。 因此，氯化锶是最优的选择。
相比于氯化钙，氯化锶的摩尔吸附量是氯化钙的3.5倍，另外采用氯化锶作为 吸附剂，在相同工况下，压缩机压比小，功耗小，能效高。
与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：
(1)相对于冷藏车目前使用的蒸气压缩制冷循环，本发明将蒸气压缩式制冷 系统和吸附制冷系统进行了耦合，采取压缩协助再生的吸附制冷、吸附制冷、蒸气 压缩制冷等运行模式组合，满足冷藏车处于正常行驶、怠速等工况下的冷量需要。 新型制冷系统充分利用吸附式和压缩式制冷的特点，降低冷藏运输成本和环境污 染，实现节能减排。
(2)相对于汽车尾气余热驱动的两级吸附制冷循环，引入压缩过程可显著降 低吸附制冷循环对驱动热源温度的苛刻要求，加热解吸温度下降，保证吸附制冷循 环在驱动热源温度低时依然可实现高效稳定制冷，系统运行可靠性显著增加；另外 加热解吸温度可以通过调整压缩机转速等实现灵活地调节，可调节到60-90℃，这 就可以采用发动机缸套水加热吸附床进行解吸。而且发动机缸套水余热，比汽车尾 气热量更加稳定，热源温度波动范围较小，利用发动机缸套水余热与吸附床换热的 新型制冷循环系统运行过程连续，能效高，结构紧凑。
(3)相对于传统冷藏车采用的蒸气压缩制冷系统，新型制冷系统在蒸发器和 压缩机之间安装了吸附床，这可显著提高压缩机吸气压力，降低压缩机压比和功耗， 能效显著提高，也就是降低发动机油耗和冷藏运输成本。如在冷凝温度和蒸发温度 分别为50℃和-25℃时，传统蒸气压缩制冷系统的压缩机压比(氨作为制冷剂)高 达9.2，而本发明的压缩机压比仅为2.5。
(4)本发明采用的两个吸附床是完全相同的结构，方便批量生产，而且吸附 床采用单元管结构，吸附剂被填装在多根单元管内，一方面可以抗颠簸，另一方面 多根中心管串联结构使其内流动的缸套水或冷却水有足够的流程，可以充分进行热 交换，提高了吸附剂吸附、解吸能力，从而提高了制冷效果。
附图说明
图1为本发明吸附-压缩系统制冷系统示意图：吸附床a发生解吸反应，吸附 床b发生吸附反应；
图2为本发明吸附-压缩系统制冷系统示意图：吸附床a发生吸附反应，吸附 床b发生解吸反应；
图3a为本发明的具体实例中抗颠簸的吸附床的结构示意图；
图3b为本发明的具体实例中抗颠簸的吸附床的剖视图；
图4为本发明的具体实例中加热解吸温度降低示意图；
图5为本发明的具体实例中压缩机吸气压力升高示意图；
图6为本发明的具体实例中不同蒸发温度下的压缩机压比(热水温度95℃)；
图7为本发明的具体实例中，新型制冷系统的能效(COP)(热水温度95℃)。
附图标记说明：
吸附床a101、吸附床b102，冷凝器2、膨胀阀3、蒸发器4、冷却器5、压缩 机6、四通阀7、阀门a8、阀门b9、单元管11、中心管12，吸附剂13、进水口14、 出水口15、制冷剂进出口16。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的一种用于冷藏运输的压缩协助再生的吸附制冷 系统进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人 员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应 当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，对于采用的吸附剂，表示的是本发明的优 选实例吸附剂，而并不作为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，对于抗颠簸吸附床的设计，表示的是本发 明的优选实例吸附床结构，而并不作为对本发明的限制。
实施例
如图1-2所示，本发明提出一种用于冷藏运输的压缩协助再生的吸附制冷系 统，包括压缩机6、冷凝器2、膨胀阀3、蒸发器4，还包括两个相同的吸附床：吸 附床a101和吸附床b102，冷却器5和四通阀7；所述的吸附床a101通过四通阀7 与冷却器5连接，冷却器5依次连接压缩机6、冷凝器2、膨胀阀3和蒸发器4， 蒸发器4通过四通阀7连接吸附床b102。所述的蒸发器4与冷却器5之间设有直 接连通的管道，并在该管道上设有阀门a8。所述的冷却器5与冷凝器2之间设有 直接连通的管道，并在该管道上设有阀门b9。所述的四通阀7分别与吸附床a101、 吸附床b102，冷却器5和蒸发器4连接。
为提高系统的抗颠簸能力，满足冷藏车使用要求，吸附床由若干根单元管组成，如图3a-3b所示，所述的吸附床由若干单元管11组成，各单元管中心设有中心管 12，单元管11外表面设有多个均匀孔，为多孔管，中心管12与多孔管之间填充有 吸附剂13，各单元管的中心管12依次串联构成管程，两端分别为进水口14和出 水口15；若干单元管11固定在一密闭不锈钢壳体17内，壳体上还设有制冷剂进 出口16。
所述的吸附床a101的进水口和出水口分别连接冷藏运输车辆发动机的缸套水 或外部冷却水，在加热解吸时利用发动机缸套水加热，在冷却吸附时利用外部冷却 水冷却；所述的吸附床b102的进水口和出水口也是类似的连接方式；通过阀门切 换实现吸附床加热解吸和冷却吸附模式的转换；制冷剂为氨。
蒸发器4可采用铝管铝翅片换热器，冷凝器2可采用平行流换热器，压缩机6 采用涡旋压缩机。
在本实施例中，为强化吸附剂传热传质性能，所述吸附剂采用固化混合吸附剂，包括金属氯化物与基质，所述基质选为硫化膨胀石墨或者膨胀石墨等。
优选地，吸附床填充氯化锶/硫化膨胀石墨混合吸附剂，制冷剂为氨，氯化锶/ 硫化膨胀石墨混合吸附剂与氨制冷剂的反应机理如下述方程所示：
其中ΔHr为化学反应焓，J/mol。
本申请的上述系统有两种运行模式；冷藏车正常工作模式和冷藏车怠速工作模式。
冷藏车正常工作模式时，具体如图1所示，开启阀门a8、关闭阀门b9，调整 四通阀7，使吸附床a101通过四通阀7与冷却器5进口相接，冷却器5出口与压 缩机6进口相接，压缩机6出口与冷凝器2进口相接，冷凝器2出口与膨胀阀3 进口相接，膨胀阀3出口与蒸发器4进口相接，蒸发器4出口与吸附床b相接，吸 附床a101在发动机缸套水余热加热下，发生解吸反应，吸附床b102被冷却水冷却 发生吸附反应；吸附床a101解吸出来的制冷剂通过四通阀7，进入冷却器5冷却， 去过热后进入压缩机6，被压缩到冷凝压力pc，然后高温高压的制冷剂流向冷凝器 2冷凝，冷凝液经膨胀阀3节流变成低温Te低压pe的液态制冷剂，低温低压液态 制冷剂进入蒸发器4，蒸发吸热产生制冷量，蒸发器4流出的气态制冷剂被吸附床 b102中的吸附剂吸附。
当吸附床b102中的吸附剂达到吸附饱和后，如图2所示，切换四通阀7，蒸 发器4通过四通阀7连接吸附床a101，吸附床b102通过四通阀7连通冷却器5， 吸附床b102被发动机缸套水余热加热发生解吸反应，解吸出来的制冷剂通过四通 阀7，进入冷却器5冷却，去过热后进入压缩机6，被压缩到冷凝压力pc，然后高 温高压的制冷剂流向冷凝器2冷凝，冷凝液经膨胀阀3节流变成低温Te低压pe的 液态制冷剂，低温低压液态制冷剂进入蒸发器4，蒸发吸热产生制冷量，蒸发器4 流出的气态制冷剂被吸附床a101中的吸附剂吸附，继续进行下一次的制冷循环。
冷藏车怠速工作模式时，发动机缸套水余热不足，通过调整阀门开关，优先采 用吸附制冷满足冷藏车厢冷量需求，当吸附饱和时再次切换阀门，采用蒸气压缩制 冷系统满足冷藏车厢冷量需求，具体操作如下，首先关闭阀门a8，压缩机不工作， 优先采用吸附床吸附制冷剂满足冷藏车厢冷量需求(此时需要判断哪个吸附床具有 吸附能力，比如吸附床b102没有吸附饱和，蒸发器蒸发出来的制冷剂蒸气通过四 通阀7接入吸附床b102)；当吸附饱和时打开阀门a8，启动压缩机，蒸发器蒸发出 来的制冷剂蒸气经过冷却器直接进入压缩机，采用蒸气压缩制冷系统满足冷藏车厢 冷量需求。
在本实施例中，为了提高系统稳定性，在压缩机6进气端采用冷却器5对压缩 机进气进行充分冷却，大幅度降低压缩机5吸气过热度，从而降低压缩机5排气温 度，这可以采用常规常温压缩机满足实际使用需求，降低系统初投资。
在本实施例中，新型制冷系统的性能规律如下：
(a)相比于传统的吸附制冷系统，压缩机压缩过程的引入可显著降低吸附制 冷系统对驱动热源温度苛刻的要求，加热解吸温度从Tdes降到Tdes＇，如图4所示。 图4中2-3为制冷剂氨饱和线，1-4为吸附剂氯化锶与制冷剂氨的反应平衡线。对 于传统的吸附制冷系统，在冷凝压力为pc时，吸附剂对应的加热解吸温度为Tdes。 如在冷凝温度Tc为50℃时，吸附剂氯化锶对应的加热解吸温度约为110℃。而对 于本实施例采用的新型的制冷系统，由于引入压缩过程，加热解吸温度可以通过调 整压缩机转速等实现灵活地调节，可调节到60-80℃，这就可以采用发动机缸套水 加热吸附床进行解吸，缸套水温度为80-90℃。
(b)相比于传统的蒸气压缩制冷系统，本实施例系统显著提高压缩机吸气压 力，吸气压力从pe提高到pdes＇，如图5所示。图4中2-3为制冷剂氨饱和线，1-4 为吸附剂氯化锶与制冷剂氨的反应平衡线。对于传统的蒸气压缩系统，压缩机需要 把制冷剂从蒸发压力pe压缩到冷凝压力pc，压缩机压比为pc/pe，而对于本实施例 新型系统，压缩机只需要把制冷剂从吸附剂解吸压力pdes＇压缩到冷凝压力pc，压 缩机压比为pc/pdes＇，压缩机压比显著降低，压缩机功耗降低，能效显著提高。在 发动机缸套水温度和冷凝温度分别是90℃和50℃时，新型制冷系统的压缩机压比 与蒸发温度无关，始终稳定在2.5，相比之下，传统蒸气压缩制冷系统蒸发温度从 0℃降低至-25℃时，压缩机压比从3.8升高到9.2，如图6所示；
(c)在发动机缸套水温度和冷凝温度分别是90℃和50℃时，新型制冷系统的 能效(COP)与蒸发温度无关，始终维持在5.0，而传统蒸气压缩制冷系统蒸发温 度从0℃降低至-25℃时，能效(COP)从2.6下降至1.3，变化幅度较大，如图7 所示。
综上，在本实施例中，提出的一种用于冷藏运输的压缩协助再生的吸附制冷系统，满足冷藏车厢冷量需求，显著降低冷藏运输成本和环境污染，此外，新型制冷 系统结构紧凑、抗颠簸。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所 属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技 术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术 方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于冷藏运输的压缩协助再生的吸附制冷系统，包括压缩机(6)、冷凝器(2)、膨胀阀(3)和蒸发器(4)，其特征在于，还包括两个相同的吸附床：吸附床a(101)和吸附床b(102)，冷却器(5)和四通阀(7)；所述的吸附床a(101)与冷却器(5)连接，冷却器(5)依次连接压缩机(6)、冷凝器(2)、膨胀阀(3)和蒸发器(4)，蒸发器(4)通过四通阀(7)连接吸附床b(102)。
2.根据权利要求1所述的一种用于冷藏运输的压缩协助再生的吸附制冷系统，其特征在于，所述的压缩机(6)与吸附床之间设有冷却器(5)。
3.根据权利要求1所述的一种用于冷藏运输的压缩协助再生的吸附制冷系统，其特征在于，所述的四通阀(7)分别与吸附床a(101)、吸附床b(102)，冷却器(5)和蒸发器(4)连接。
4.根据权利要求1所述的一种用于冷藏运输的压缩协助再生的吸附制冷系统，其特征在于，所述的吸附床由若干单元管(11)组成，各单元管中心设有中心管(12)，单元管(11)为外表面设有多个均匀分布孔的多孔管，中心管(12)与多孔管之间填充有吸附剂(13)，各单元管的中心管(12)依次串联构成管程，两端分别为进水口(14)和出水口(15)。
5.根据权利要求1所述的一种用于冷藏运输的压缩协助再生的吸附制冷系统，其特征在于，所述的若干单元管(11)固定在一密闭壳体内，壳体上还设有制冷剂进出口(16)。
6.根据权利要求5所述的一种用于冷藏运输的压缩协助再生的吸附制冷系统，其特征在于，所述的吸附床的进水口和出水口分别连接冷藏运输车辆发动机的缸套水或外部冷却水。
7.根据权利要求1所述的一种用于冷藏运输的压缩协助再生的吸附制冷系统，其特征在于，所述的吸附床内填充的吸附剂为混合吸附剂，该混合吸附剂包括氯化锶与硫化膨胀石墨的质量比为10:1到1:1；制冷剂为氨。
8.根据权利要求1所述的一种用于冷藏运输的压缩协助再生的吸附制冷系统，其特征在于，所述的系统有两种运行模式；冷藏车正常工作模式和冷藏车怠速工作模式。
9.根据权利要求8所述的一种用于冷藏运输的压缩协助再生的吸附制冷系统，其特征在于，冷藏车正常工作模式时：首先利用发动机缸套水对系统中的吸附床a(101)加热升压，待制冷剂解吸出来后再进入压缩机(6)压缩，然后高温高压的制冷剂流向冷凝器(2)冷凝，冷凝液经膨胀阀(3)节流进入蒸发器(4)蒸发吸热产生制冷量，最后制冷剂被吸附床b(102)中的吸附剂吸附，吸附床b(102)被冷却水冷却；当吸附床b(102)中的吸附剂吸附饱和以后，发动机缸套水加热吸附床b(102)，冷却水冷却吸附床a(101)，同时切换四通阀(7)，吸附床b(102)解吸出来的制冷剂进入压缩机(6)压缩，然后高温高压的制冷剂流向冷凝器(2)冷凝，冷凝液经膨胀阀(3)节流进入蒸发器(4)蒸发吸热产生制冷量，最后制冷剂被吸附床a(101)中的吸附剂吸附。
10.根据权利要求8所述的一种用于冷藏运输的压缩协助再生的吸附制冷系统，其特征在于，冷藏车怠速工作模式时，发动机缸套水余热不足，压缩机不工作，优先采用吸附床吸附制冷剂满足冷藏车厢冷量需求，当吸附饱和时启动压缩机，采用蒸气压缩制冷系统满足冷藏车厢冷量需求，即蒸发器蒸发出来的制冷剂直接进入压缩机压缩，不进入吸附床。
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