专利名称：一种用于卡车空调系统的lng冷能装置及方法
技术领域：
本发明属于汽车温度调节技术领域，涉及一种用于汽车的温度调节装置及方法，具体涉及一种用于卡车空调系统的LNG冷能装置及方法。
背景技术：
随着我国国民经济水平的日益提高及汽车工业的飞速发展，在近几年汽车保有量急剧增加的同时，人们对汽车舒适性的要求也越来越高。汽车空调作为汽车舒适性的一个重要标志，不仅在轿车和客车上得以广泛应用，而且己进入货车、工程车、冷藏车及拖拉机等领域，且装车率在迅速上升。汽车空调系统由制冷系统、取暖系统、送风系统和控制系统四部分组成。其工作过 程为压缩机首先将低温低压气态制冷制压缩至高温高压状态，然后在冷凝器处与冷却发动机的循环水换热变成高温液态制冷剂，干燥过滤后通过膨胀阀变成低压雾状，最后在蒸发器内吸收热量变成气态，蒸发器表面温度随之下降，通过鼓风机将冷风送至车厢内，气态制冷剂又重新被压缩机吸入，反复循环。其中压缩机、冷凝器、蒸发器、送风装置及管路这些主要部件体积大、重量重，增加了整车的重量；又由于压缩机的动力来源于汽车发动机，不但增加了燃料消耗，而且加大了废气排放量，引起水箱过热，影响车辆的动力性能，而且导致汽车空调用制冷压缩机只能采用开启式的结构型式，从而带来了轴封要求高、制冷剂容易泄漏的问题；并且当汽车慢速行驶、处于怠速状态或停车时，由于压缩机靠发动机驱动，所以难以维持稳定的空调工况，甚至无法正常工作。汽车空调，尤其是卡车、工程车的空调器的运行环境恶劣，不仅环境参数波动大，而且常伴随剧烈震荡，以及热交换器易灰堵等问题，因此，与建筑空调器相比，卡车、工程车空调器往往存在着效率低、使用寿命短、维护工作量大、工质泄露严重等缺点。目前，轿车、客车等乘用车基本上都装备了空调器，而卡车、专用车等特种车辆普及率却非常低。目前，我国广泛使用的以中低档次为主的货车、专用车的空调设备装备率仅为5%左右，其中相当一部分还是汽车出厂之后加上去的，远远低于轿车、客车等乘用车的空调装备率。液化天然气(简称LNG)的主要成分是甲烷，其无色、无味、无毒且无腐蚀性，具有热值大、性能高、污染少、储运方便等特点，是一种清洁、高效、方便、安全的能源。将LNG用于汽车产业中，这类天然气汽车的最大特点是“清洁”，尤其是LNG重型卡车，被认为是真正的零排放汽车。LNG的温度为_162°C，而要在发动机中使用天然气，其温度必须为20 50°C，如果将天然气与空气直接进行潜热、显热的交换，换热温差将会达到182 210°C。如此大的传热温差对空气换热器来讲是难以实现的。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种LNG冷能用于卡车空调系统的装置及方法。
本发明通过对LNG卡车燃料气化前的冷量进行回收利用供驾驶室空调使用，其原理是将LNG出气瓶的管线分为两条支路，一条支路直接供燃料驱动卡车运行，另一条支路与空调制冷剂换热，换热后同第一条支路的LNG汇合作为燃料使用，制冷剂冷却后在蒸发器中与空气进行潜热与显热的交换，从而达到实现卡车空调制冷的目的。本发明利用LNG-制冷剂换热器取代原有汽车空调系统中的压缩机和蒸发器，节省了发动机驱动压缩机运转的燃料，保证了卡车在怠速或停车状态时空调供冷的稳定性。由于LNG直接与空气换热存在较大的换热温差，换热设备难以实现换热，所以仍然采用制冷剂，通过制冷剂与LNG换热取冷，进入空调系统中的蒸发器同空气经行潜热与显热的冷量交换完成供冷，制冷剂换热升温后再返回LNG-制冷剂换热器中循环使用。本发明目的通过如下技术方案实现
一种用于卡车空调系统的LNG冷能装置，包括动力区、冷却区及蒸发器区；其中，动力区主要由LNG气瓶I、汽化器3、调压器4和发动机5组成；冷却区主要由LNG-制冷剂换热器2组成；蒸发器区主要由蒸发器6和泵7组成；所述LNG气瓶I的出口分为两条支路，一 条支路与LNG-制冷剂换热器2的冷物流进口通过阀8连接，另一条支路与汽化器3的进口通过阀9连接；
所述汽化器3的出口与调压器4的进口直接相连，调压器4的出口与发动机5的进口通过阀10连接；
所述LNG-制冷剂换热器2的冷物流出口与汽化器3的进口通过阀11连接，LNG-制冷剂换热器2的热物流进口与蒸发器6的制冷剂出口通过阀12连接，LNG-制冷剂换热器2的热物流出口与泵7的进口连接，泵7的出口与蒸发器6的进口通过阀13连接。 所述LNG-制冷剂换热器2的冷物流进口与LNG气瓶I的出口通过保温管线连接；卡车空调系统中进入蒸发器6的制冷剂管线与LNG-制冷剂换热器2的热物流出口经泵7连接，卡车空调系统中出蒸发器6的制冷剂管线与LNG-制冷剂换热器2的热物流进口经阀12连接。本发明还提供所述装置用于卡车空调系统的方法，包括以下步骤
(1)-140 -162°C、0.65 I. 6MPa的LNG自LNG气瓶I流出，分为两条支路，一条支路依次进入动力区的汽化器3和发动机5，作为燃料驱动卡车运行；另一条支路进入冷却区；
(2)在冷却区内，-140 -162°C、0. 65 I. 6MPa 的 LNG 与 20 25°C、0. 3 O. 4MPa的气态制冷剂进行换热，LNG温度回升至-35 _50°C后返回动力区与第一条支路的LNG混合后进入汽化器3 ;换热后的制冷剂温度降至O 8. 5°C，液化成为低温液态，经泵7输送至蒸发器区；
(3)在蒸发器区内，低温液态制冷剂在蒸发器6中与空气换热，温度回升至20 25°C，气化，再返回LNG-制冷剂换热器2中继续循环使用，30 35°C的空气冷却至20 25°C后，由鼓风机吹入驾驶室，达到降温的目的。所述制冷剂为R134a、R22、R23、R123、R502、R417a 或 R404a。本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果
(1)结构简单，设备成本低，投资小本发明用LNG-制冷剂换热器取代空调系统中的压缩机和冷凝器，降低了设备投资成本；
(2)能耗低，节能，成本低廉相对于原有空调系统的压缩机由发动机驱动，本发明取消了压缩机的使用，从而节省了用于驱动压缩机运转的燃料，同时将LNG气化前的冷量回收用于驾驶室空调供冷使用，能量利用率高，起到了节能降耗，降低成本的作用；
(3)工艺简单，安全可靠，易控制本发明在LNG卡车原有设备的基础上增加了一台换热器，取消了压缩机和冷凝器，使得工艺流程更为简单，通过阀门控制即可实现空调供冷，同时也不影响原有设备的正常运行；
(4)易于推广使用本发明利用LNG卡车现有的冷能资源，通过增加一台换热器即可实现空调供冷的目的，易于大面积推广使用，是提高卡车空调覆盖率的有效途径。
图I为本发明的用于卡车空调系统的LNG冷能装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步解释说明，但是本发明要求保护的范围并不局限与此。如图I所示，本发明的一种用于卡车空调系统的LNG冷能装置，包括动力区、冷却区及蒸发器区；其中，动力区主要由LNG气瓶I、汽化器3、调压器4和发动机5组成；冷却区主要由LNG-制冷剂换热器2组成；蒸发器区主要由蒸发器6和泵7组成；
LNG气瓶I的出口分为两条支路，一条支路与LNG-制冷剂换热器2的冷物流进口通过阀8连接，另一条支路与汽化器3的进口通过阀9连接；汽化器3的出口与调压器4的进口直接相连，调压器4的出口与发动机5的进口通过阀10连接；LNG-制冷剂换热器2的冷物流出口与汽化器3的进口通过阀11连接，LNG-制冷剂换热器2的热物流进口与蒸发器6的制冷剂出口通过阀12连接，LNG-制冷剂换热器2的热物流出口与泵7的进口连接，泵7的出口与蒸发器6的进口通过阀13连接。LNG-制冷剂换热器2的冷物流进口与LNG气瓶I的出口通过保温管线连接；卡车空调系统中进蒸发器6的制冷剂管线与LNG-制冷剂换热器2的热物流出口经泵7连接，卡车空调系统中出蒸发器6的制冷剂管线与LNG-制冷剂换热器2的热物流进口经阀12连接。实施例I
气态R134a制冷剂的充装量为14kg，充装压力为O. 3MPa，空气为介质，空气的密度以25°C，Iatm 计，为 I. 17kg/m3。(l)-162°C，0.65MPa的LNG自LNG气瓶I流出，开启阀8、阀12、阀13，调节进入LNG-制冷剂换热器2的LNG流量为4. 2kg/h，在该换热器中与14kg/h、20°C、0. 3MPa的气态制冷剂R134a换热，LNG温度升至-50°C，气化，通过阀11返回并与来自阀9的_162°C，
O.65MPa的LNG混合，最后输送至汽化器3，与冷却发动机的循环水换热至30°C，进入发动机作为燃料驱动卡车运行；
(2)与LNG换热后的制冷剂R134a温度降为0°C，液化，通过泵7输送至蒸发器6与203kg/h、35°C、0. 2MPa空气换热，温度升至20°C后返回至LNG-制冷剂换热器2中，循环使用；
(3)与制冷剂R134a换热后的空气温度降至20°C，通过鼓风机将冷风送至驾驶室内；
(4)当驾驶室不需要空调供冷时，关闭阀8即可。
实施例2
气态R134a制冷剂的充装量为14kg，充装压力为O. 3MPa，空气为介质，空气的密度以25°C，Iatm 计，为 I. 17kg/m3。(1)-140 °C,I. 6MPa的LNG自LNG气瓶I流出，开启阀8、阀12、阀13，调节进入LNG-制冷剂换热器2的LNG流量为4. 6kg/h，在该换热器中与14kg/h、20°C、0. 3MPa的气态制冷剂Rl34a换热，LNG温度升至-35°C，气化，通过阀11返回并与来自阀9的_40°C，I. 6MPa的LNG混合，最后输送至汽化器3，与冷却发动机的循环水换热至30°C，进入发动机作为燃料驱动卡车运行；
(2)与LNG换热后的制冷剂R134a温度降为0°C，液化，通过泵7输送至蒸发器6与203kg/h、35°C、0. 2MPa空气换热，温度升至20°C后返回至LNG-制冷剂换热器2中，循环使用；
(3)与制冷剂R134a换热后的空气温度降至20°C，通过鼓风机将冷风送至驾驶室内；
(4)当驾驶室不需要空调供冷时，关闭阀8即可。实施例3
气态R134a制冷剂的充装量为15kg，充装压力为O. 4MPa，空气为介质，空气的密度以25°C，Iatm 计，为 I. 17kg/m3。(l)-162°C，0.65MPa的LNG自LNG气瓶I流出，开启阀8、阀12、阀13，调节进入LNG-制冷剂换热器2的LNG流量为4. 2kg/h，在该换热器中与15kg/h、19°C、0. 4MPa的气态制冷剂R134a换热，LNG温度升至-50°C，气化，通过阀11返回并与来自阀9的_162°C，
O.65MPa的LNG混合，最后输送至汽化器3，与冷却发动机的循环水换热至30°C，进入发动机作为燃料驱动卡车运行；
(2)与LNG换热后的制冷剂R134a温度降为8.5°C，液化，通过泵7输送至蒸发器6与203kg/h、35°C、0. 2MPa空气换热，温度升至19°C后返回至LNG-制冷剂换热器2中，循环使用；
(3)与制冷剂R134a换热后的空气温度降至20°C，通过鼓风机将冷风送至驾驶室内；
(4)当驾驶室不需要空调供冷时，关闭阀8即可。
权利要求
1.一种用于卡车空调系统的LNG冷能装置，其特征在于，包括动力区、冷却区及蒸发器区；其中，动力区主要由LNG气瓶(I)、汽化器(3)、调压器(4)和发动机(5)组成；冷却区主要由LNG-制冷剂换热器(2)组成；蒸发器区主要由蒸发器(6)和泵(7)组成；所述LNG气瓶(I)的出口分为两条支路，一条支路与LNG-制冷剂换热器(2)的冷物流进口通过阀(8)连接，另一条支路与汽化器(3 )的进口通过阀(9 )连接； 所述汽化器(3)的出口与调压器(4)的进口直接相连，调压器(4)的出口与发动机(5)的进口通过阀(10)连接； 所述LNG-制冷剂换热器(2)的冷物流出口与汽化器(3)的进口通过阀(11)连接，LNG-制冷剂换热器(2 )的热物流进口与蒸发器(6 )的制冷剂出口通过阀(12 )连接，LNG-制冷剂换热器(2 )的热物流出口与泵(7 )的进口连接，泵(7 )的出口与蒸发器(6 )的进口通过阀(13)连接。
2.根据权利要求I所述的LNG冷能装置，其特征在于，所述LNG-制冷剂换热器(2)的冷物流进口与LNG气瓶(I)的出口通过保温管线连接；卡车空调系统中进入蒸发器(6)的制冷剂管线与LNG-制冷剂换热器(2)的热物流出口经泵(7)连接，卡车空调系统中出蒸发器(6)的制冷剂管线与LNG-制冷剂换热器(2)的热物流进口经阀(12)连接。
3.权利要求I和2所述装置用于卡车空调系统的方法，包括以下步骤 (1)-140 -162°C、0.65 I. 6MPa的LNG自LNG气瓶(I)流出，分为两条支路，一条支路依次进入动力区的汽化器(3)和发动机(5)，作为燃料驱动卡车运行；另一条支路进入冷却区； (2)在冷却区内，-140 -162°C、0. 65 I. 6MPa 的 LNG 与 20 25°C、0. 3 O. 4MPa的气态制冷剂进行换热，LNG温度回升至-35 _50°C后返回动力区与第一条支路的LNG混合后进入汽化器(3);换热后的制冷剂温度降至O 8. 5°C，液化成为低温液态，经泵(7)输送至蒸发器区； (3)在蒸发器区内，低温液态制冷剂在蒸发器(6)中与空气换热，温度回升至20 25°C，气化，再返回LNG-制冷剂换热器(2)中继续循环使用，30 35°C的空气冷却至20 25°C后，由鼓风机吹入驾驶室，达到降温的目的。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述制冷剂为R134a、R22、R23、R123、R502、R417a 或 R404a。
全文摘要
本发明公开了一种用于卡车空调系统的LNG冷能装置及方法，该装置主要由LNG气瓶、汽化器、调压器和发动机、LNG-制冷剂换热器、蒸发器和泵组成；LNG分为两条支路，一条进入LNG-制冷剂换热器，另一条依次进入汽化器、调压器和发动机。本发明的方法中，LNG在LNG-制冷剂换热器中将冷能供给气态制冷剂使其降温液化，液态制冷剂通过泵输送至蒸发器与空气换热，气化，再返回换热器中循环利用；LNG换热后升温与进入蒸发器的LNG混合，进入发电机作为燃料。本发明用换热器取代了原有车载空调系统中的压缩机和冷凝器，回收LNG部分冷能供卡车驾驶室使用，充分利用了LNG冷能，流程简单易于控制，设备成本低，高效节能。
文档编号B60H1/32GK102815182SQ20121023598
公开日2012年12月12日 申请日期2012年7月10日 优先权日2012年7月10日
发明者徐文东, 陈敏, 刘宗斌, 陆涵, 赵健聪 申请人:华南理工大学