一种汽车余热驱动的固体吸附空调系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种汽车余热驱动的固体吸附空调系统，包括热源循环制备系统、连续回质型固体吸附制冷空调系统、相变蓄热换热系统以及循环水冷却系统。热源循环制备系统包括管壳式换热器、三通阀a及换向器a；连续回质型固体吸附制冷系统包括双吸附床、冷凝器、节流阀、蒸发器、换向器b及传质管道；相变蓄热换热系统包括依次连接的冷却水箱a、汽车发动机、循环水泵a及相变蓄热换热装置；循环水冷却系统包括依次连接的散热器、冷却水箱b、循环水泵b、分水器a、分水器b及三通阀b。本发明的系统能充分利用汽车发动机余热制冷，不增加发动机能耗，提高汽车能源利用率，延长发动机寿命，节能减排效益显著。
【专利说明】一种汽车余热驱动的固体吸附空调系统【技术领域】
[0001]本发明涉及一种汽车余热驱动的固体吸附空调系统，属于汽车空调【技术领域】。
【背景技术】
[0002]传统汽车空调多采用压缩制冷的方式，以发动机带动压缩机工作从而驱动压缩式空调运转。据研究，消耗在驱动汽车制冷压缩机的功率大约为汽车发动机额定输出功率的8%~12%，导致汽车行驶平均油耗增加16%~20%。此外，汽车发动机消耗的燃料中至多仅有1/3左右的能量被转化为驱动汽车行驶的动力，另外2/3左右的能量以废热的形式排放到环境中。
[0003]利用汽车废热驱动制冷系统为汽车提供所需的冷量，不仅可减少驱动制冷压缩机所消耗的能量，提高汽车的动力，还可降低尾气排放温度，提高能源利用效率，同时可以减少汽车发动机有害气体的排放，缓解对环境的污染。[0004]现有的汽车余热驱动制冷空调系统多采用尾气加热工质(通常为水)，再以工质作为热源驱动吸收式空调系统，实现尾气余热的再利用，降低发动机能耗。但是这种系统结构复杂，而且存在吸收剂易泄露，发动机尾气排放不稳定导致的负荷不满足需求，以及在停车时汽车空调无法运行，不能解决夏季车内高温困扰的缺陷。
[0005]相变蓄热技术已经广泛运用各个领域，相变储能材料能在一定的温度范围内，利用材料本身相态或结构变化，向环境自动吸收或释放潜热，达到储存能量的目的。在建筑节能领域，通常在建筑围护结构中加入相变储能材料使室外温度和热流波动的影响被削弱，把室内温度控制在舒适的范围内，达到降低建筑空调能耗的目的。相变储能材料是继纳米材料后，又一次材料界的革命，该技术对缓解能源紧张有着重要的应用价值。
【发明内容】
[0006]为提高汽车余热利用率，降低发动机能耗，延长发动机使用寿命，减少高温尾气的排放，保护环境，同时为了解决夏季汽车在室外停车时，车内温度升高带来的热舒适性不佳和空调启动能耗增加的难题。本发明提出了一种汽车余热驱动的固体吸附空调系统，利用固体吸附式制冷与相变蓄热相结合的技术手段，充分利用发动机余热制冷，提高能源利用率，达到节能减排、降低能耗的效果。
[0007]本发明采用的技术方案为:
[0008]一种汽车余热驱动的固体吸附空调系统，包括热源循环制备系统、连续回质型固体吸附制冷空调系统、相变蓄热换热系统以及循环水冷却系统，所述热源循环制备系统包括管壳式换热器、三通阀a及换向器a，换向器a由四个电磁阀组成；所述连续回质型固体吸附制冷系统包括吸附床a、吸附床b、冷凝器、节流阀、蒸发器、换向器b及传质管道，其中，吸附床a、冷凝器、节流阀、蒸发器、吸附床b及传质管道依次连接，换向器b的两端分别连接吸附床a和吸附床b，换向器b的另外两端分别连接蒸发器和冷凝器；所述相变蓄热换热系统包括依次连接的冷却水箱a、汽车发动机、循环水泵a及相变蓄热换热装置；所述循环水冷却系统包括依次连接的冷却水箱b、循环水泵b、分水器a、分水器b、三通阀b及散热器，三通阀b的另外两端分别连接所述吸附床a和吸附床b，分水器a连接到相变蓄热换热装置，分水器b连接到所述管壳式换热器；所述热源循环制备系统中的三通阀a分别连接所述吸附床a和吸附床b,换向器a的两端分别连接吸附床a和吸附床b,换向器a的另外两端分别连接管壳式换热器和循环水冷却系统中的散热器。
[0009]所述连续回质型固体吸附制冷系统采用甲醇和活性炭组成的工质对。
[0010]所述相变蓄热换热装置内包括多排平行设置的蛇形盘管、导热介质和相变蓄热材料，相变蓄热材料掺杂在导热介质中。
[0011]上述固体吸附空调系统的运行方法，具体过程如下:当汽车正常运行时，发动机产生高温尾气，尾气经管壳式换热器与冷却水箱b供应的冷水充分换热产生热水，作为吸附床a的热源，吸附床a受热，其中的吸附质温度升高，产生解吸作用，从吸附质中脱附出制冷剂蒸汽，造成制冷剂蒸汽压力不断上升达到饱和压力值，在冷凝器中凝结，潜热被风机带走，凝结的液体制冷剂贮存在蒸发器中；与此同时冷却水箱b在循环水泵b作用下向吸附床b供应冷水，其中的吸附质温度降低，吸附制冷剂蒸汽的能力逐步提高，造成制冷剂蒸汽压力降低，蒸发器中的液体制冷剂不断蒸发出来，达到制冷的目的；在吸附床a完全解吸和吸附床b完全吸附后，打开传质通道进行回质；回质结束后，通过切换控制阀方向，使两个吸附床切换工作状态，达到连续制冷，缩短循环周期的目的；在汽车正常行驶过程中，冷却水箱a中的循环水对发动机进行冷却作用，产生的高温水通过相变蓄热换热装置，使其中的相变蓄热材料吸热液化，达到蓄热的目的；当汽车停止运行时，发动机不再产生尾气，热源循环制备系统停止运行，冷却水箱b在循环水泵b作用下向相变蓄热换热装置提供冷水，使其中的相变蓄热材料放热，产生的热水作为停车时吸附床a的热源，使固体吸附式空调系统能在停车时继续运行。
[0012]本发明的有益效果:
[0013]1.节能减排效果显著。本设计充分利用汽车发动机余热制冷，不增加发动机能耗，提高能源利用效率，同时降低尾气排放温度，减少有害气体排放，达到保护环境的目的。
[0014]2.适用范围广。本设计对于所有内燃机车均可使用。
[0015]3.系统稳定，运行安全。本设计采用吸附式空调制冷系统，避免了吸收式空调中吸收剂在汽车运行过程中的泄露问题，使制冷系统工作更加安全可靠。
[0016]4.蓄热，换热效果显著。本设计采用石蜡微胶囊与导热油均匀掺混的蓄热材料，其中石蜡为中常温相变材料，相变潜热值达203KJ/Kg，可储存较多的热量。将石蜡制成微胶囊均匀掺混于导热油介质中，可提高整体的换热性能，有效降低夏季汽车在室外停车后的车内温度。
[0017]5.提高汽车动力，延长发动机使用寿命。本设计在汽车运行过程中利用相变材料储存汽车发动机循环冷却水的热量，可有效降低冷却水温度，有助于冷却水更好地为发动机散热，延长发动机使用寿命，同时避免散热水箱过热，影响汽车动力性。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]下面结合附图进一步对本发明加以说明；
[0019]图1是本发明系统结构示意图，图中:1-管壳式换热器；2-三通阀a ;3_换向器a ；4-吸附床a ；5-冷凝器；6_节流阀；7_蒸发器；8_换向器b ；9-传质通道；10-吸附床b ；11-冷却水箱a ；12-相变蓄热换热装置；13_循环水泵a ;14_冷却水箱b ;15_循环水泵b ；16-分水器a ; 17-分水器b ; 18-三通阀b ;19_散热器。
[0020]图2是管壳式换热器结构图；
[0021]图3是吸附床结构图；
[0022]图4是相变蓄热换热装置的内部结构图。
【具体实施方式】
[0023]本实施例的系统结构如图1所示，包括热源循环制备系统、连续回质型固体吸附制冷空调系统、相变蓄热换热系统以及循环水冷却系统。所述热源循环制备系统包括管壳式换热器1、三通阀a2及换向器a3 ;所述连续回质型固体吸附制冷系统包括吸附床a4、冷凝器5、节流阀6、蒸发器7、换向器b8、传质管道9及吸附床blO ;所述吸附床a4、冷凝器5、节流阀6、蒸发器7、吸附床blO及传质管道9依次连接，其中换向器8的两端分别连接吸附床a4和吸附床blO，换向器8的另外两端分别连接冷凝器5和蒸发器7 ;所述相变蓄热换热系统主要包括冷却水箱all、相变蓄热换热装置12及循环水泵al3 ;所述循环水冷却系统包括冷却水箱bl4、循环水泵bl5、分水器al6、分水器bl7、三通阀bl8及散热器19。
[0024]其中，连续回质型固体吸附制冷系统采用双吸附床，以甲醇/活性炭为工质对，并引入回质过程，两个吸附床交替处于吸附和解吸状态，实现连续制冷，循环周期缩短，COP和制冷量提高。热源循环制备系统中的管壳式换热器与排气管直接接触；采用耐高温的柔性微孔硅酸钙材料，具体结构如图2所示，其中进水管20、出水管21和排气管22。吸附床的吸附材料23采用活性炭-甲醇。相变蓄热换热装置由两排平行的蛇形换热盘管24、相变材料25和导热介质26构成；相变材料25采用石蜡微胶囊，石蜡微胶囊均匀掺混于高效导热介质26导热油中。
[0025]当汽车正常运行时，发动机产生尾气，高温尾气在管壳式换热器I中与冷却水箱bl4中供应的冷水充分换热制备成热水，作为吸附床a4的热源(90°C)。吸附床a4受热，其中的活性炭温度升高，产生解吸作用。从活性炭中脱附出甲醇蒸汽，造成甲醇蒸汽压力不断上升达到饱和压力值，在冷凝器5中凝结，潜热被风机带走，凝结的液体甲醇贮存在蒸发器中。与此同时冷却水箱bl4向吸附床blO供应冷水(30°C)，其中的活性炭温度降低，吸附甲醇蒸汽的能力逐步提高，造成甲醇蒸汽压力降低，蒸发器中的液体甲醇不断蒸发出来，达到制冷的目的。在床a4完全解吸和blO完全吸附后,打开传质通道9进行回质。回质结束后，通过切换控制阀方向，使两个吸附床切换工作状态，达到连续制冷，缩短循环周期的目的。
[0026]在汽车正常运行过程中，冷却水箱all中的循环水对发动机进行冷却作用，产生的高温水通过相变蓄热装置，使微胶囊中的石蜡(4.7Kg)吸热液化，达到蓄热的目的。
[0027]当汽车停止运行时，发动机不再产生尾气，热源循环制备系统停止运行。冷却水箱bl4(30°C )在循环水泵bl5作用下向相变蓄热装置提供冷水，微胶囊中石蜡凝固放热，将冷水制备成热水，作为停车时吸附床a4的热源，使固体吸附式空调系统能在停车时继续运行。运行过程与汽车正常运行时相同。
[0028]在热源循环制备系统中，管壳式换热器所制热水通过吸附床a4后降温成为温水直接回到套管换热器继续加热，以避免用冷水直接制备热源消耗更多热量。[0029]在冷却水箱bl4的循环水冷却系统中，回水集中由散热器19散热，保证冷却水箱bl4所能供给的冷水的温度。
[0030]在实施例中，发动机最大功率为85kW，在部分负载51kW下工作，排气的比热为Cp=L 06kJ/(kg.K)，排气阀出口气体温度500°C，排出车外温度为180°C。经计算，可利用的发动机排气热量为Q=L 06X0.0642X (500-180) =21.72kff,平均制冷负荷为Qcool=3.33kW，而本系统所涉及的吸附式制冷系统COP达0.25完全可以满足制冷要求。同时，采用余热驱动的吸附制冷空调，每百公里省油0.76升。若以我国民用轿车保有量为7126万辆，平均每年行驶里程为12000km，假设只有7、8月份使用空调制冷，则共可省油(2000/100)Χ0.76X7126=108315万升。取93号汽油价格为7.5元/升，则每年可节省燃料费用约81亿元，节能和经济效益明显。
[0031]最后应说明的是:显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述发明的基础上还可以作出其它不同形式的变化或变动，由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种汽车余热驱动的固体吸附空调系统，其特征在于，包括热源循环制备系统、连续回质型固体吸附制冷空调系统、相变蓄热换热系统以及循环水冷却系统， 所述热源循环制备系统包括管壳式换热器、三通阀a及换向器a，换向器a由四个电磁阀组成； 所述连续回质型固体吸附制冷系统包括吸附床a、吸附床b、冷凝器、节流阀、蒸发器、换向器b及传质管道，其中，吸附床a、冷凝器、节流阀、蒸发器、吸附床b及传质管道依次连接，换向器b的两端分别连接吸附床a和吸附床b，换向器b的另外两端分别连接蒸发器和冷凝器； 所述相变蓄热换热系统包括依次连接的冷却水箱a、汽车发动机、循环水泵a及相变蓄热换热装置； 所述循环水冷却系统包括依次连接的冷却水箱b、循环水泵b、分水器a、分水器b、三通阀b及散热器、，三通阀b的另外两端分别连接所述吸附床a和吸附床b，分水器a连接到相变蓄热换热装置，分水器b连接到所述管壳式换热器； 所述热源循环制备系统中的三通阀a分别连接所述吸附床a和吸附床b，换向器a的两端分别连接吸附床a和吸附床b，换向器a的另外两端分别连接管壳式换热器和循环水冷却系统中的散热器。
2.根据权利要求1所述的一种汽车余热驱动的固体吸附空调系统，其特征在于，所述连续回质型固体吸附制冷系统采用甲醇和活性炭组成的工质对。
3.根据权利要求1或2所述的一种汽车余热驱动的固体吸附空调系统，其特征在于，所述相变蓄热换热装置内包括多排平行设置的蛇形盘管、导热介质和相变蓄热材料，相变蓄热材料掺杂在导热介质中。
4.如权利要求1所述一种汽车余热驱动的固体吸附空调系统的运行方法，其特征在于，具体过程如下:当汽车正常运行时，发动机产生高温尾气，尾气经管壳式换热器与冷却水箱b供应的冷水充分换热产生热水，作为吸附床a的热源，吸附床a受热，其中的吸附质温度升高，产生解吸作用，从吸附质中脱附出制冷剂蒸汽，造成制冷剂蒸汽压力不断上升达到饱和压力值，在冷凝器中凝结，潜热被风机带走，凝结的液体制冷剂贮存在蒸发器中；与此同时冷却水箱b在循环水泵b作用下向吸附床b供应冷水，其中的吸附质温度降低，吸附制冷剂蒸汽的能力逐步提高，造成制冷剂蒸汽压力降低，蒸发器中的液体制冷剂不断蒸发出来，达到制冷的目的；在吸附床a完全解吸和吸附床b完全吸附后，打开传质通道进行回质；回质结束后，通过切换控制阀方向，使两个吸附床切换工作状态，达到连续制冷，缩短循环周期的目的； 在汽车正常行驶过程中，冷却水箱a中的循环水对发动机进行冷却作用，产生的高温水通过相变蓄热换热装置，使其中的相变蓄热材料吸热液化，达到蓄热的目的； 当汽车停止运行时，发动机不再产生尾气，热源循环制备系统停止运行，冷却水箱b在循环水泵b作用下向相变蓄热换热装置提供冷水，使其中的相变蓄热材料放热，产生的热水作为停车时吸附床a的热源，使固体吸附式空调系统能在停车时继续运行。
【文档编号】F25B27/02GK103940143SQ201410149630
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月14日 优先权日:2014年4月14日
【发明者】黄婷婷, 郭燕雯, 张志伟, 张凡, 焦睿, 施耀明, 罗倩妮 申请人:南京师范大学