一種汽車余熱驅(qū)動的固體吸附空調(diào)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種汽車余熱驅(qū)動的固體吸附空調(diào)系統(tǒng)，包括熱源循環(huán)制備系統(tǒng)、連續(xù)回質(zhì)型固體吸附制冷空調(diào)系統(tǒng)、相變蓄熱換熱系統(tǒng)以及循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。熱源循環(huán)制備系統(tǒng)包括管殼式換熱器、三通閥a及換向器a；連續(xù)回質(zhì)型固體吸附制冷系統(tǒng)包括雙吸附床、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器、換向器b及傳質(zhì)管道；相變蓄熱換熱系統(tǒng)包括依次連接的冷卻水箱a、汽車發(fā)動機、循環(huán)水泵a及相變蓄熱換熱裝置；循環(huán)水冷卻系統(tǒng)包括依次連接的散熱器、冷卻水箱b、循環(huán)水泵b、分水器a、分水器b及三通閥b。本發(fā)明的系統(tǒng)能充分利用汽車發(fā)動機余熱制冷，不增加發(fā)動機能耗，提高汽車能源利用率，延長發(fā)動機壽命，節(jié)能減排效益顯著。
【專利說明】一種汽車余熱驅(qū)動的固體吸附空調(diào)系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種汽車余熱驅(qū)動的固體吸附空調(diào)系統(tǒng)，屬于汽車空調(diào)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)汽車空調(diào)多采用壓縮制冷的方式，以發(fā)動機帶動壓縮機工作從而驅(qū)動壓縮式空調(diào)運轉(zhuǎn)。據(jù)研究，消耗在驅(qū)動汽車制冷壓縮機的功率大約為汽車發(fā)動機額定輸出功率的8%~12%，導(dǎo)致汽車行駛平均油耗增加16%~20%。此外，汽車發(fā)動機消耗的燃料中至多僅有1/3左右的能量被轉(zhuǎn)化為驅(qū)動汽車行駛的動力，另外2/3左右的能量以廢熱的形式排放到環(huán)境中。
[0003]利用汽車廢熱驅(qū)動制冷系統(tǒng)為汽車提供所需的冷量，不僅可減少驅(qū)動制冷壓縮機所消耗的能量，提高汽車的動力，還可降低尾氣排放溫度，提高能源利用效率，同時可以減少汽車發(fā)動機有害氣體的排放，緩解對環(huán)境的污染。[0004]現(xiàn)有的汽車余熱驅(qū)動制冷空調(diào)系統(tǒng)多采用尾氣加熱工質(zhì)(通常為水)，再以工質(zhì)作為熱源驅(qū)動吸收式空調(diào)系統(tǒng)，實現(xiàn)尾氣余熱的再利用，降低發(fā)動機能耗。但是這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且存在吸收劑易泄露，發(fā)動機尾氣排放不穩(wěn)定導(dǎo)致的負(fù)荷不滿足需求，以及在停車時汽車空調(diào)無法運行，不能解決夏季車內(nèi)高溫困擾的缺陷。
[0005]相變蓄熱技術(shù)已經(jīng)廣泛運用各個領(lǐng)域，相變儲能材料能在一定的溫度范圍內(nèi)，利用材料本身相態(tài)或結(jié)構(gòu)變化，向環(huán)境自動吸收或釋放潛熱，達(dá)到儲存能量的目的。在建筑節(jié)能領(lǐng)域，通常在建筑圍護結(jié)構(gòu)中加入相變儲能材料使室外溫度和熱流波動的影響被削弱，把室內(nèi)溫度控制在舒適的范圍內(nèi)，達(dá)到降低建筑空調(diào)能耗的目的。相變儲能材料是繼納米材料后，又一次材料界的革命，該技術(shù)對緩解能源緊張有著重要的應(yīng)用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為提高汽車余熱利用率，降低發(fā)動機能耗，延長發(fā)動機使用壽命，減少高溫尾氣的排放，保護環(huán)境，同時為了解決夏季汽車在室外停車時，車內(nèi)溫度升高帶來的熱舒適性不佳和空調(diào)啟動能耗增加的難題。本發(fā)明提出了一種汽車余熱驅(qū)動的固體吸附空調(diào)系統(tǒng)，利用固體吸附式制冷與相變蓄熱相結(jié)合的技術(shù)手段，充分利用發(fā)動機余熱制冷，提高能源利用率，達(dá)到節(jié)能減排、降低能耗的效果。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0008]一種汽車余熱驅(qū)動的固體吸附空調(diào)系統(tǒng)，包括熱源循環(huán)制備系統(tǒng)、連續(xù)回質(zhì)型固體吸附制冷空調(diào)系統(tǒng)、相變蓄熱換熱系統(tǒng)以及循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，所述熱源循環(huán)制備系統(tǒng)包括管殼式換熱器、三通閥a及換向器a，換向器a由四個電磁閥組成；所述連續(xù)回質(zhì)型固體吸附制冷系統(tǒng)包括吸附床a、吸附床b、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器、換向器b及傳質(zhì)管道，其中，吸附床a、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器、吸附床b及傳質(zhì)管道依次連接，換向器b的兩端分別連接吸附床a和吸附床b，換向器b的另外兩端分別連接蒸發(fā)器和冷凝器；所述相變蓄熱換熱系統(tǒng)包括依次連接的冷卻水箱a、汽車發(fā)動機、循環(huán)水泵a及相變蓄熱換熱裝置；所述循環(huán)水冷卻系統(tǒng)包括依次連接的冷卻水箱b、循環(huán)水泵b、分水器a、分水器b、三通閥b及散熱器，三通閥b的另外兩端分別連接所述吸附床a和吸附床b，分水器a連接到相變蓄熱換熱裝置，分水器b連接到所述管殼式換熱器；所述熱源循環(huán)制備系統(tǒng)中的三通閥a分別連接所述吸附床a和吸附床b,換向器a的兩端分別連接吸附床a和吸附床b,換向器a的另外兩端分別連接管殼式換熱器和循環(huán)水冷卻系統(tǒng)中的散熱器。
[0009]所述連續(xù)回質(zhì)型固體吸附制冷系統(tǒng)采用甲醇和活性炭組成的工質(zhì)對。
[0010]所述相變蓄熱換熱裝置內(nèi)包括多排平行設(shè)置的蛇形盤管、導(dǎo)熱介質(zhì)和相變蓄熱材料，相變蓄熱材料摻雜在導(dǎo)熱介質(zhì)中。
[0011]上述固體吸附空調(diào)系統(tǒng)的運行方法，具體過程如下:當(dāng)汽車正常運行時，發(fā)動機產(chǎn)生高溫尾氣，尾氣經(jīng)管殼式換熱器與冷卻水箱b供應(yīng)的冷水充分換熱產(chǎn)生熱水，作為吸附床a的熱源，吸附床a受熱，其中的吸附質(zhì)溫度升高，產(chǎn)生解吸作用，從吸附質(zhì)中脫附出制冷劑蒸汽，造成制冷劑蒸汽壓力不斷上升達(dá)到飽和壓力值，在冷凝器中凝結(jié)，潛熱被風(fēng)機帶走，凝結(jié)的液體制冷劑貯存在蒸發(fā)器中；與此同時冷卻水箱b在循環(huán)水泵b作用下向吸附床b供應(yīng)冷水，其中的吸附質(zhì)溫度降低，吸附制冷劑蒸汽的能力逐步提高，造成制冷劑蒸汽壓力降低，蒸發(fā)器中的液體制冷劑不斷蒸發(fā)出來，達(dá)到制冷的目的；在吸附床a完全解吸和吸附床b完全吸附后，打開傳質(zhì)通道進行回質(zhì)；回質(zhì)結(jié)束后，通過切換控制閥方向，使兩個吸附床切換工作狀態(tài)，達(dá)到連續(xù)制冷，縮短循環(huán)周期的目的；在汽車正常行駛過程中，冷卻水箱a中的循環(huán)水對發(fā)動機進行冷卻作用，產(chǎn)生的高溫水通過相變蓄熱換熱裝置，使其中的相變蓄熱材料吸熱液化，達(dá)到蓄熱的目的；當(dāng)汽車停止運行時，發(fā)動機不再產(chǎn)生尾氣，熱源循環(huán)制備系統(tǒng)停止運行，冷卻水箱b在循環(huán)水泵b作用下向相變蓄熱換熱裝置提供冷水，使其中的相變蓄熱材料放熱，產(chǎn)生的熱水作為停車時吸附床a的熱源，使固體吸附式空調(diào)系統(tǒng)能在停車時繼續(xù)運行。
[0012]本發(fā)明的有益效果:
[0013]1.節(jié)能減排效果顯著。本設(shè)計充分利用汽車發(fā)動機余熱制冷，不增加發(fā)動機能耗，提高能源利用效率，同時降低尾氣排放溫度，減少有害氣體排放，達(dá)到保護環(huán)境的目的。
[0014]2.適用范圍廣。本設(shè)計對于所有內(nèi)燃機車均可使用。
[0015]3.系統(tǒng)穩(wěn)定，運行安全。本設(shè)計采用吸附式空調(diào)制冷系統(tǒng)，避免了吸收式空調(diào)中吸收劑在汽車運行過程中的泄露問題，使制冷系統(tǒng)工作更加安全可靠。
[0016]4.蓄熱，換熱效果顯著。本設(shè)計采用石蠟微膠囊與導(dǎo)熱油均勻摻混的蓄熱材料，其中石蠟為中常溫相變材料，相變潛熱值達(dá)203KJ/Kg，可儲存較多的熱量。將石蠟制成微膠囊均勻摻混于導(dǎo)熱油介質(zhì)中，可提高整體的換熱性能，有效降低夏季汽車在室外停車后的車內(nèi)溫度。
[0017]5.提高汽車動力，延長發(fā)動機使用壽命。本設(shè)計在汽車運行過程中利用相變材料儲存汽車發(fā)動機循環(huán)冷卻水的熱量，可有效降低冷卻水溫度，有助于冷卻水更好地為發(fā)動機散熱，延長發(fā)動機使用壽命，同時避免散熱水箱過熱，影響汽車動力性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]下面結(jié)合附圖進一步對本發(fā)明加以說明；
[0019]圖1是本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，圖中:1-管殼式換熱器；2-三通閥a ;3_換向器a ；4-吸附床a ；5-冷凝器；6_節(jié)流閥；7_蒸發(fā)器；8_換向器b ；9-傳質(zhì)通道；10-吸附床b ；11-冷卻水箱a ；12-相變蓄熱換熱裝置；13_循環(huán)水泵a ;14_冷卻水箱b ;15_循環(huán)水泵b ；16-分水器a ; 17-分水器b ; 18-三通閥b ;19_散熱器。
[0020]圖2是管殼式換熱器結(jié)構(gòu)圖；
[0021]圖3是吸附床結(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖4是相變蓄熱換熱裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0023]本實施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括熱源循環(huán)制備系統(tǒng)、連續(xù)回質(zhì)型固體吸附制冷空調(diào)系統(tǒng)、相變蓄熱換熱系統(tǒng)以及循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。所述熱源循環(huán)制備系統(tǒng)包括管殼式換熱器1、三通閥a2及換向器a3 ;所述連續(xù)回質(zhì)型固體吸附制冷系統(tǒng)包括吸附床a4、冷凝器5、節(jié)流閥6、蒸發(fā)器7、換向器b8、傳質(zhì)管道9及吸附床blO ;所述吸附床a4、冷凝器5、節(jié)流閥6、蒸發(fā)器7、吸附床blO及傳質(zhì)管道9依次連接，其中換向器8的兩端分別連接吸附床a4和吸附床blO，換向器8的另外兩端分別連接冷凝器5和蒸發(fā)器7 ;所述相變蓄熱換熱系統(tǒng)主要包括冷卻水箱all、相變蓄熱換熱裝置12及循環(huán)水泵al3 ;所述循環(huán)水冷卻系統(tǒng)包括冷卻水箱bl4、循環(huán)水泵bl5、分水器al6、分水器bl7、三通閥bl8及散熱器19。
[0024]其中，連續(xù)回質(zhì)型固體吸附制冷系統(tǒng)采用雙吸附床，以甲醇/活性炭為工質(zhì)對，并引入回質(zhì)過程，兩個吸附床交替處于吸附和解吸狀態(tài)，實現(xiàn)連續(xù)制冷，循環(huán)周期縮短，COP和制冷量提高。熱源循環(huán)制備系統(tǒng)中的管殼式換熱器與排氣管直接接觸；采用耐高溫的柔性微孔硅酸鈣材料，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中進水管20、出水管21和排氣管22。吸附床的吸附材料23采用活性炭-甲醇。相變蓄熱換熱裝置由兩排平行的蛇形換熱盤管24、相變材料25和導(dǎo)熱介質(zhì)26構(gòu)成；相變材料25采用石蠟微膠囊，石蠟微膠囊均勻摻混于高效導(dǎo)熱介質(zhì)26導(dǎo)熱油中。
[0025]當(dāng)汽車正常運行時，發(fā)動機產(chǎn)生尾氣，高溫尾氣在管殼式換熱器I中與冷卻水箱bl4中供應(yīng)的冷水充分換熱制備成熱水，作為吸附床a4的熱源(90°C)。吸附床a4受熱，其中的活性炭溫度升高，產(chǎn)生解吸作用。從活性炭中脫附出甲醇蒸汽，造成甲醇蒸汽壓力不斷上升達(dá)到飽和壓力值，在冷凝器5中凝結(jié)，潛熱被風(fēng)機帶走，凝結(jié)的液體甲醇貯存在蒸發(fā)器中。與此同時冷卻水箱bl4向吸附床blO供應(yīng)冷水(30°C)，其中的活性炭溫度降低，吸附甲醇蒸汽的能力逐步提高，造成甲醇蒸汽壓力降低，蒸發(fā)器中的液體甲醇不斷蒸發(fā)出來，達(dá)到制冷的目的。在床a4完全解吸和blO完全吸附后,打開傳質(zhì)通道9進行回質(zhì)?；刭|(zhì)結(jié)束后，通過切換控制閥方向，使兩個吸附床切換工作狀態(tài)，達(dá)到連續(xù)制冷，縮短循環(huán)周期的目的。
[0026]在汽車正常運行過程中，冷卻水箱all中的循環(huán)水對發(fā)動機進行冷卻作用，產(chǎn)生的高溫水通過相變蓄熱裝置，使微膠囊中的石蠟(4.7Kg)吸熱液化，達(dá)到蓄熱的目的。
[0027]當(dāng)汽車停止運行時，發(fā)動機不再產(chǎn)生尾氣，熱源循環(huán)制備系統(tǒng)停止運行。冷卻水箱bl4(30°C )在循環(huán)水泵bl5作用下向相變蓄熱裝置提供冷水，微膠囊中石蠟?zāi)谭艧?，將冷水制備成熱水，作為停車時吸附床a4的熱源，使固體吸附式空調(diào)系統(tǒng)能在停車時繼續(xù)運行。運行過程與汽車正常運行時相同。
[0028]在熱源循環(huán)制備系統(tǒng)中，管殼式換熱器所制熱水通過吸附床a4后降溫成為溫水直接回到套管換熱器繼續(xù)加熱，以避免用冷水直接制備熱源消耗更多熱量。[0029]在冷卻水箱bl4的循環(huán)水冷卻系統(tǒng)中，回水集中由散熱器19散熱，保證冷卻水箱bl4所能供給的冷水的溫度。
[0030]在實施例中，發(fā)動機最大功率為85kW，在部分負(fù)載51kW下工作，排氣的比熱為Cp=L 06kJ/(kg.K)，排氣閥出口氣體溫度500°C，排出車外溫度為180°C。經(jīng)計算，可利用的發(fā)動機排氣熱量為Q=L 06X0.0642X (500-180) =21.72kff,平均制冷負(fù)荷為Qcool=3.33kW，而本系統(tǒng)所涉及的吸附式制冷系統(tǒng)COP達(dá)0.25完全可以滿足制冷要求。同時，采用余熱驅(qū)動的吸附制冷空調(diào)，每百公里省油0.76升。若以我國民用轎車保有量為7126萬輛，平均每年行駛里程為12000km，假設(shè)只有7、8月份使用空調(diào)制冷，則共可省油(2000/100)Χ0.76X7126=108315萬升。取93號汽油價格為7.5元/升，則每年可節(jié)省燃料費用約81億元，節(jié)能和經(jīng)濟效益明顯。
[0031]最后應(yīng)說明的是:顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述發(fā)明的基礎(chǔ)上還可以作出其它不同形式的變化或變動，由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種汽車余熱驅(qū)動的固體吸附空調(diào)系統(tǒng)，其特征在于，包括熱源循環(huán)制備系統(tǒng)、連續(xù)回質(zhì)型固體吸附制冷空調(diào)系統(tǒng)、相變蓄熱換熱系統(tǒng)以及循環(huán)水冷卻系統(tǒng)， 所述熱源循環(huán)制備系統(tǒng)包括管殼式換熱器、三通閥a及換向器a，換向器a由四個電磁閥組成； 所述連續(xù)回質(zhì)型固體吸附制冷系統(tǒng)包括吸附床a、吸附床b、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器、換向器b及傳質(zhì)管道，其中，吸附床a、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器、吸附床b及傳質(zhì)管道依次連接，換向器b的兩端分別連接吸附床a和吸附床b，換向器b的另外兩端分別連接蒸發(fā)器和冷凝器； 所述相變蓄熱換熱系統(tǒng)包括依次連接的冷卻水箱a、汽車發(fā)動機、循環(huán)水泵a及相變蓄熱換熱裝置； 所述循環(huán)水冷卻系統(tǒng)包括依次連接的冷卻水箱b、循環(huán)水泵b、分水器a、分水器b、三通閥b及散熱器、，三通閥b的另外兩端分別連接所述吸附床a和吸附床b，分水器a連接到相變蓄熱換熱裝置，分水器b連接到所述管殼式換熱器； 所述熱源循環(huán)制備系統(tǒng)中的三通閥a分別連接所述吸附床a和吸附床b，換向器a的兩端分別連接吸附床a和吸附床b，換向器a的另外兩端分別連接管殼式換熱器和循環(huán)水冷卻系統(tǒng)中的散熱器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種汽車余熱驅(qū)動的固體吸附空調(diào)系統(tǒng)，其特征在于，所述連續(xù)回質(zhì)型固體吸附制冷系統(tǒng)采用甲醇和活性炭組成的工質(zhì)對。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種汽車余熱驅(qū)動的固體吸附空調(diào)系統(tǒng)，其特征在于，所述相變蓄熱換熱裝置內(nèi)包括多排平行設(shè)置的蛇形盤管、導(dǎo)熱介質(zhì)和相變蓄熱材料，相變蓄熱材料摻雜在導(dǎo)熱介質(zhì)中。
4.如權(quán)利要求1所述一種汽車余熱驅(qū)動的固體吸附空調(diào)系統(tǒng)的運行方法，其特征在于，具體過程如下:當(dāng)汽車正常運行時，發(fā)動機產(chǎn)生高溫尾氣，尾氣經(jīng)管殼式換熱器與冷卻水箱b供應(yīng)的冷水充分換熱產(chǎn)生熱水，作為吸附床a的熱源，吸附床a受熱，其中的吸附質(zhì)溫度升高，產(chǎn)生解吸作用，從吸附質(zhì)中脫附出制冷劑蒸汽，造成制冷劑蒸汽壓力不斷上升達(dá)到飽和壓力值，在冷凝器中凝結(jié)，潛熱被風(fēng)機帶走，凝結(jié)的液體制冷劑貯存在蒸發(fā)器中；與此同時冷卻水箱b在循環(huán)水泵b作用下向吸附床b供應(yīng)冷水，其中的吸附質(zhì)溫度降低，吸附制冷劑蒸汽的能力逐步提高，造成制冷劑蒸汽壓力降低，蒸發(fā)器中的液體制冷劑不斷蒸發(fā)出來，達(dá)到制冷的目的；在吸附床a完全解吸和吸附床b完全吸附后，打開傳質(zhì)通道進行回質(zhì)；回質(zhì)結(jié)束后，通過切換控制閥方向，使兩個吸附床切換工作狀態(tài)，達(dá)到連續(xù)制冷，縮短循環(huán)周期的目的； 在汽車正常行駛過程中，冷卻水箱a中的循環(huán)水對發(fā)動機進行冷卻作用，產(chǎn)生的高溫水通過相變蓄熱換熱裝置，使其中的相變蓄熱材料吸熱液化，達(dá)到蓄熱的目的； 當(dāng)汽車停止運行時，發(fā)動機不再產(chǎn)生尾氣，熱源循環(huán)制備系統(tǒng)停止運行，冷卻水箱b在循環(huán)水泵b作用下向相變蓄熱換熱裝置提供冷水，使其中的相變蓄熱材料放熱，產(chǎn)生的熱水作為停車時吸附床a的熱源，使固體吸附式空調(diào)系統(tǒng)能在停車時繼續(xù)運行。
【文檔編號】F25B27/02GK103940143SQ201410149630
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月14日
【發(fā)明者】黃婷婷, 郭燕雯, 張志偉, 張凡, 焦睿, 施耀明, 羅倩妮 申請人:南京師范大學(xué)