用于存储热能以作为车辆中辅助能源的系统和方法

文档序号:5198011
专利名称:用于存储热能以作为车辆中辅助能源的系统和方法
用于存储热能以作为车辆中辅助能源的系统和方法
相关申请
本申请要求2010年4月I日提交的名称为“用于存储热能以作为车辆中辅助能源 的系统和方法”的美国临时专利申请序列号No. 61/329,923的优先权。技术领域
本发明总体上涉及能量存储,更具体地,涉及用于存储热能以作为车辆中辅助能 源的系统和方法。
背景技术
使用内燃机的常规车辆,诸如运输卡车,在冬季需要来自运转发动机的热量为车 辆加热系统提供能源,以制热;而在夏季需要由运转发动机产生机械能来转动压缩机,为空 调系统提供能源以制冷。卡车驾驶员通常在卡车停车时长时间保持其发动机运转,以在休 息或整晚睡眠时提供制热或制冷。由于卡车通常具有柴油发动机,这种长时间空转导致大 量的污染物释放进大气中。此外,很多管辖区域实行反空转(ant1-1dling)法,其禁止卡车 保持空转,使得驾驶员在驾驶室内休息时无法进行制热或制冷。
需要一种用于捕获并存储热能作为车辆中辅助能源的系统和方法,其解决常规系 统的至少部分缺陷。发明内容
本发明的一方面提供一种用于从机动车发动机排气放出的热捕获能量并存储所 捕获能量的系统。该系统包括发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器。发生器从发动机排气捕获 热,并可构造为用于循环第一溶液,该第一溶液具有能够由发生器捕获的热汽化的溶质。冷 凝器可与发生器连接,用于接收汽化溶质并将该汽化溶质冷凝为液体。蒸发器可与冷凝器 连接,并具有位于冷凝器和蒸发器之间的孔,蒸发器具有用于流通溶质的第一流体通道和 用于流通第二溶液的第二流体通道。第一流体通道和第二流体通道可构造为,由从行进通 过第二流体通道的第二溶液吸收的热,使得行进通过第一流体通道的溶质汽化,从而冷却 第二溶液。吸收器可结合至蒸发器和发生器。吸收器可构造为,通过使溶质和由发生器所 供应的第一溶液的溶剂混合,使溶质重返溶液,并且,用于使第一溶液重返发生器,以完成 系统的循环。
本发明的另一方面提供一种用于在冷存储模式下使系统操作的方法,该系统用于 从机动车发动机排气放出的热捕获能量并存储所捕获的能量。该方法包括将来自发动机 排气的热吸收到溶液中,并汽化溶液的溶质,留下溶液的溶剂;使溶质冷却并冷凝变回液 态;将液体溶质注入蒸发器,允许溶质吸收热能,从而冷却流经蒸发器的第二溶液;以及进 一步将溶质重新吸收到至溶剂以重建溶液,用于在吸收步骤中进一步使用。
本发明的又一方面提供一种用于在热存储模式下使系统操作的方法,该系统用于 从机动车发动机排气放出的热捕获能量并存储所捕获的能量。该方法包括将来自发动机排气的热吸收到溶液中,并使溶液的溶质汽化,留下溶液的溶剂;使溶质循环经过蒸发器, 以使溶质能够散发热能,从而加热流经蒸发器的第二溶液;以及将溶质重新吸收到溶剂中, 并重建溶液,用于在吸收步骤中进一步使用。
本发明的另一方面提供一种用于对系统进行控制的控制器,该系统用于从机动车 发动机排气放出的热捕获能量并存储所捕获的能量。该控制器具有与存储器联结的至少一 个处理器,该存储器用于将由至少一个处理器以及多个输入装置和多个输出装置所执行的 指令存储在该存储器中。该控制器构造成执行存储于存储器中的指令,并因此接收一个或 多个输入装置处的信号,以及生成一个或多个输出装置的信号,用于对系统的各构件进行 控制,以从机动车发动机排气放出的热捕获能量,并存储所捕获的能量。
本发明的另一方面提供一种在系统中使用的热交换器,该系统用于从机动车发动 机排气放出的热捕获能量并存储所捕获的能量。该热交换器可具有外管和内管。该热交换 器从穿过内管行进的发动机排气中捕获热,并将该热传递至流通经过外管的溶液,随着溶 液吸热,溶液中的溶质汽化。


现在参照示出本发明的示例、实施例的附图,其中
图1以方块图形式示出根据本说明书一方面的热辅助能源单元;
图2a (图2A)以方块图形式示出根据本说明书一方面在冷存储模式下操作的热辅 助能源单元;
图2b (图2B)以流程图形式示出根据本说明书一方面在冷存储模式下操作的热辅 助能源单元的过程;
图3a (图3A)以方块图形式示出根据本说明书一方面在热存储模式下操作的热辅 助能源单元;
图3b (图3B)以流程图形式示出根据本说明书一方面在热存储模式下操作的热辅 助能源单元的过程;
图4以方块图形式示出根据本说明书一方面由热辅助能源单元的控制器执行的 过程;以及
图5示出与根据本说明书一方面的热辅助能源单元一起使用的发生器的正视图 和相关截面图。
具体实施方式
将热辅助能源单元系统描述为当主发动机停转时,以可控模式存储和释放热能, 以使车辆诸如卡车能够继续向乘员室和/或车辆内其他系统提供制热和制冷。因此,这种 系统降低了燃油消耗、排放物、并使驾驶员更容易遵守现行和/或即将出台的反空转法。在 冬季,可从发动机排气和/或发动机冷却系统捕获热,并且可将其存储在隔热箱中以备日 后使用。在夏季,可使用来自车辆排气系统的热来驱动吸收式制冷单元,该吸收式制冷单元 冷却液体和/或制冰,将液体和/或冰存储起来。这些系统运作的一些方面与发电厂中使 用的联合循环相似,但被适当更改并应用于机动车。之后冰会融化,释放其潜热以提供冷 源。在上述任一种情况下都不需要使用大量额外燃料来产生热或冷存储,因此,对于希望在车辆没有驱动时通常需要保持发动机空转的时候能够使用制热或制冷的操作者来说,降低 了燃油。因此通过捕获底循环(bottoming cycle)中的废热并将其存储在吸收循环中,该 系统可利用内燃机排放的废热。
本文中使用的术语“底循环”指从排气热捕获能量的过程,以及,本文中使用术语 “吸收循环”来描述制冷模式,其为热过程而并非机械处理。例如,吸收式制冷机(吸收式冷 冻机)为利用热源来提供驱动冷却系统所需能量的制冷机。
根据本发明的系统包括隔离存储容器,其能够存储多达例如IOkWh的热能;吸收 式制冷单元;电池,其存储足够电力用于泵送、空气循环和控制的目的;以及热交换器,在 能量管理控制器的控制下通过吸收循环获取并分配热能。这种系统的一种形式可包括光伏 阵列,其在白天产生电力用于存储在电池中。这种系统的另一形式可以简单地利用高输出 的机械耦合交流发电机,其在车辆使用期间为电池充电。
根据本发明的系统优于常规卡车的制热、通风和空调(HVAC)系统,在驱动期间 HVAC系统使用一些燃油来为制冷或制热系统提供能源,并且在主发动机停机期间也在直接 燃烧式加热器中使用燃油。其他系统使用小型辅助发动机并存在噪音和振动、维护的问题, 而且也使用燃油并产生额外排出物。根据本发明的系统还可提供通过使用而降低成本的 效果(a life cycle cost),其直接使用并存储热能,而很少或没有针对车辆操作的操作处 罚。这种系统可使用很少量燃油或不使用燃油,以及,在一些实施例中,甚至可以降低驱动 时的燃油消耗。在长途货运汽车中,由于减少空转而减少燃油消耗,系统可在短至两年中收 回成本。系统自身可为零排放并在操作中不产生噪音或几乎没有噪音。
现在参照图1,其为示出根据本说明书一方面的热辅助能源单元或系统100的方 块图。系统100大致包括排气分流阀102、发生器104、阀106、冷凝器108、蒸发器预冷器 或热交换器110、喷孔112、蒸发器114、吸收器116、吸收器预冷器或热交换器118、热储箱 120、热箱输入盘管和管路122、热箱输出盘管和管路126、控制器128、以及阀130。
排气分流阀102可耦接于车辆排气管和发生器104,并且通过调整流向发生器104 的排气流量,阀102可确保来自发动机排气的热能适用于系统100。在图1中,从发动机到 达系统100的排气由箭头103示出,以及,经过发生器104后离开系统100的排气由箭头 105示出。由阀102可控的旁路由箭头107示出。在一个示例中,阀102可为三通二位型 阀,并能够将排气完全分流至发生器104或远离发生器104、或在发生器104与旁路107之 间混合,以获得通过发生器104的适当热载。可选地,阀102可省略,但这样会牺牲不同驱 动循环的性能。
发生器104可包括热交换器,该热交换器接收来自发动机的热排气并捕获从机动 车发动机排气排出的热,并将该能量传递至循环通过发生器104的溶液(例如水/氨(H2O/ NH3))。可将溶液加热至溶质(例如氨)沸腾出水(从水中蒸出)的温度点,在高压高温下通过 管路将氨送出至系统中的下一个构件(例如,在制冷模式下送至冷凝器108,或在制热模式 下送至蒸发器114)。在一个示例中,发生器104的热交换器构件可以为液体对气体型,并 且可捕获来自机动车发动机排气的热。然而,液体对液体型热交换器也可执行相同任务,并 可回收自发动机其他热源诸如发动机制冷管路的热能。虽然发生器104在全文中被称为发 生器,同等地可使用术语“热交换器”,并且发生器104可准确地称为热交换器。发生器104 在下文结合图5进行更具体地描述。
通过改变经过系统100的流体流动路径,阀106使系统100具有在制热模式和制 冷模式之间切换的能力。例如,阀106可为三通二位型,并在需要制冷时,可引导氨在到达 喷孔112和蒸发器114之前流过冷凝器108,并且系统100可运行为使用吸收循环。如果需 要制热,阀106可构造成引导氨流过旁路绕过冷凝器108和喷孔112的第二管路,其越过系 统100的制冷部分并将热氨直接送至蒸发器114。系统100的制热和制冷模式将在下文结 合图2和图3进行更详细地描述。
冷凝器108可包括热交换器,当系统100在制冷模式下操作时,热交换器通过将氨 冷却至低于氨沸点而将热氨气冷凝成为高压液态。在一个实施例中,冷凝器108的热交换 器部分可以为液体对气体型,并可从氨去除热能并将热能释放至周围环境。还可以将冷凝 器108实施为液体对液体型,并将别处多余的热能排放至液体,然而这会降低冷凝器108的 性能系数。冷凝器108可选地具有风扇(未示出),该风扇构造成传送空气通过冷凝器108, 从而提高冷凝器108的效率。
蒸发器预冷器110可包括热交换器,并以提高系统100的性能系数为目标,从而允 许其他构件更有效地操作。在一个实施例中,蒸发器预冷器110的热交换器部分为液体对 液体型,并在从冷凝器108至蒸发器114的流体通道与在蒸发器114和吸收器116之间的 流体通道之间传递热能。在一个示例中,流体通道可实施为使用位于蒸发器预冷器110的 交换器部分内的流体盘管。也可从系统100省略蒸发器预冷器110,但系统性能会降低。
喷孔112可包括设置在制冷管路的流动通道中的限制装置。当氨离开蒸发器预冷 器110且到达蒸发器114之前时,孔112使高压氨喷射进蒸发器114中相对低压腔室内,导 致氨汽化。氨压力的损失也使得氨温度降低。
蒸发器114包括热交换器,该热交换器用于在含有氨的吸收系统和将热能传递至 热储箱120的管路之间传递热能。在一个实施例中,蒸发器114的热交换器部分为气体对液 体型,氨流经蒸发器114的第一流体通道(例如,流体盘管),以及,溶液(例如,乙二醇/水) 流经蒸发器114的第二流体通道(例如,流体盘管)。
吸收器116包括热交换器,该热交换器将两种流体冷却至适当温度,在该温度处 允许氨溶质溶解重返水溶剂中。吸收器116在其下端可包括喷管。通过喷管将氨喂入,由 于氨比水轻,氨冒泡通过水到达上部并且大量吸收于水中。在一个实施例中,吸收器116的 热交换器部分为液体对气体型。也可以以较低的总系统性能,在吸收器116中使用液体对 液体型热交换器。
吸收器预冷器118可包括用于提高系统100性能系数的热交换器,并因此允许其 他构件更有效地操作。在一个实施例中,吸收器预冷器118的热交换器部分为液体对液体 型,并在连接于吸收器116和发生器104之间的氨/水流体通道与从发生器102重返吸收 器116的回水流体通道之间传递热能;然而,也可以建立没有预冷器118以较低性能系数操 作的系统。
热储箱120可以为例如密封的存储容器,其容纳并隔离热存储流体,以及,流体热 能一直存储直至日后需要将能量传递至别处。在一个示例中,热存储流体可以为水/乙二 醇混合物。热储箱120可包括输入流体通道122 (例如,流体盘管和管路)和输出流体通道 124 (例如,流体盘管和管路)。
输入流体通道122可形成热交换器的一部分,并可具有相应的流体管路和泵,以用于将来自蒸发器114的热能传递至热储箱120,或反之亦然。在一个示例中,输入流体通 道122的热交换器部分可为液体对液体型,例如,用作流体通道122中流体的乙二醇/水混 合物从蒸发器114至热储箱120来回流动。热储箱120可具有存在于热储箱120中的流体, 其中,输入流体通道122被浸没。在一个示例中,流体通道122的流体和热储箱120的流体 具有不同的浓度,以获得不同的效果。然而,可采用水中任意乙二醇浓度以满足特定应用的 设计标准。
热箱输出流体通道124可形成热交换器的一部分,并且流体通道124可由泵驱动, 并可用于将热能从热储箱120传递至车辆的HVAC单元126。在一个示例中,具有输出流体 通道124和输入流体通道122的热箱的热交换器部分可为液体对液体型,例如乙二醇/水 混合物既是流体通道124中的流体、也是热箱120中存在的热存储流体,在热箱120中,热 箱流体通道124被浸没。在一个示例中,热箱输出流体通道124中的流体和热储箱120中 的流体具有不同浓度,以获得不同效果。然而,可采用水中任意乙二醇浓度以满足特定应用 的设计标准。
在一个示例中,阀130可以为三通三位双管路型阀,并且可在车辆HVAC 126、机动 车发动机、和热储箱120之间引导溶液(例如乙二醇/水)流动。例如,如果由于在寒冷环境 诸如冬季时车辆当前处于运转状态而使热储箱120中的溶液较热,阀130可控制三种可能 的操作模式。第一,例如,当车辆移动并且当前不需要来自热储箱的热源,同时系统100正 对热储箱120中的溶液进行加热以备日后使用,此时,阀130可关闭,将发动机连接至HVAC 单元126。第二,诸如,在车辆停车时发动机停转且系统100的用户希望加热车辆驾驶室时, 阀可在第一打开位置,在该位置允许来自热储箱120的溶液流至HVAC单元126,从而允许 HVAC 126使用存储的热。第三,阀可位于第二打开位置,引导溶液流向机动车发动机。这在 寒冷条件下发动机冷起动期间是有益的,允许系统100的用户在启动发动机之前预热发动 机,从而在冷起动期间减少发动机磨损和发动机的排放物,并且使得用户能够在启动发动 机之后立即使用车辆制热系统。
系统100进一步包括用合适代码编程的控制器128,用于对系统100的整体操作 进行控制。控制器128大致包括与存储器结合的处理器,用于存储和/或执行存储在存储 器中的程序代码、以及与系统100各部分通信的若干输入装置和输出装置。虽然在图1中 详细示出了系统100的各构件与控制器128之间的互相连接,控制器128的输出装置可电 连接于系统100中由控制器128控制的任意部分,以及,控制器128的输入装置电连接至任 何合适或所需的传感器、反馈回路、或系统100中负责向控制器128供应输入信号的其他构 件。
泵也可使用于系统100中需要帮助气体或流体在特定方向流动的位置处,例如压 力梯度不会自动使流体在所需方向流动的位置。根据特定应用的设计标准,可将泵适当地 布置在任意位置。作为示例,示出泵128a辅助水/乙二醇混合物在输出流体通道124中的 流动,示出泵128b辅助水/乙二醇混合物在输入流体通道122中的流动,以及,示出泵128c 辅助水/氨混合物从吸收器116向系统100的高压部分的流动,吸收器预冷器118和发生 器104位于该高压部分中。
系统100也可以具有电池(未示出),以存储足够电力用于泵送、空气循环(例如风 扇)和/或控制的目的。可选地,系统100可具有光伏阵列,其在白天产生电力以存储在电池中。
现在参照图2a和图2b,统称为图2,图2a以方块图形式示出根据本说明书一方面 在冷存储模式中操作的热辅助能源单元或系统100。在图2a中,从阀106至蒸发器114的 管路灰底示出(grayed out),当系统100在冷存储模式操作时不使用该路径。图2b以流程 图形式示出根据本说明书一方面在冷存储模式操作的热辅助能源单元的过程200。在第一 方块202中,来自机动车发动机的排气流经发生器104,如箭头103和105所示,并且发生器 从排气吸收热,并将该热传递至溶液,例如带有溶解氨的水,该溶液循环通过发生器104的 热交换器部分。结果,溶质(例如氨)沸腾出溶液并汽化,并且氨气通过阀106前进,当系统 100在冷存储模式下操作时,阀106构造成朝冷凝器108引导氨气。溶液的溶剂(例如水)留 在发生器104中。作为示例,分割线130示出系统100中氨/水溶液循环的部分(例如,通 过吸收器116、吸收器预冷器118、和发生器104)与系统100中实质上仅氨循环的部分(阀 106、冷凝器108、蒸发器预冷器110、孔112、和蒸发器114)之间的分割。
此外,通过示例测试的结果,提供对在冷却模式操作时于过程200各阶段和系统 100中会观察到的温度和压力的大概指示。例如,假设分流阀102没有通过旁路107分流 排气,来自柴油动力卡车的典型排气会以大约400摄氏度的温度进入发生器104,并且会以 大约300至380摄氏度的温度离开发生器104。在发生器104的热交换器部分中的压力可 达到大约120至250磅/平方英寸(psig),导致氨气以大约125至250磅/平方英寸的压 力以及大约130摄氏度的温度向冷凝器108行进。虽然此处及说明书中进一步提供了所观 察温度和/或压力的具体实施例和/或范围,这些温度和压力取决于系统100的具体设计 和操作模式,并且会根据系统100的所需设计标准和操作模式而有很大不同。换句话说,提 供在系统100中所观察压力和温度的示例仅作为示例,并不意于构成限制。此外,虽然提供 氨/水溶液作为适合用于使系统100操作的溶剂/溶质的示例,但取决于特定应用的设计 标准,可使用任何合适的溶剂/溶质组合。
接着,在方块204处,到达冷凝器108的氨冷却并凝结成液体,以放出由氨气携带 的一部分热。在系统100的冷却模式中,作为蒸发器114处能量源的可以是所需氨气压力, 然而由氨可能产生的高温是不需要的,因此在到达蒸发器114之前将氨冷却。例如,通过使 用盘管和风扇设计的液体对气体热交换器,将热传递至周围空气,冷凝器108可将氨冷却 至大约50至60摄氏度。氨在离开冷凝器108并向蒸发器预冷器110行进时可保持120至 250磅/平方英寸。
接着,在方块206处,例如,在蒸发器预冷器110处的第一流体通道(例如,液体盘 管)中,进一步冷却液氨(ammonia liquid)。蒸发器预冷器110的热交换器部分可为液体 对液体型,并在从冷凝器108至蒸发器114行进的第一流体通道(例如,第一盘管)和蒸发器 114与吸收器116之间的流体通道(例如,第二盘管)之间传递热能。离开蒸发器预冷器110 第一盘管的氨会比进入蒸发器预冷器110第二盘管的液氨温度更低。例如,离开蒸发器预 冷器110的第一盘管的液氨可具有大约50摄氏度的温度和大约120至250磅/平方英寸 的压力。
接着,在方块208处,氨气穿过喷孔112并进入或注射入蒸发器114。孔112在系 统100的高压侧和系统100的低压侧之间建立边界,由线132示出。随着氨穿过孔112进 入蒸发器114的腔室(例如,通过蒸发器114的第一流体通道),由于氨遭遇低压区而使氨汽化,这也使氨的温度大幅降低。在汽化过程中,穿过蒸发器114的热交换器部分,氨从循环 通过蒸发器114中第二流体通道(例如流体盘管)的水/乙二醇混合物吸收热能,从而冷却 水/乙二醇混合物,该混合物向前朝热箱输入流体通道(例如,盘管和管路)122行进。在经 过孔112之后进入蒸发器114的氨可具有大约-10至-5摄氏度的温度和大约O至5磅/ 平方英寸的压力。离开蒸发器114并行进回到蒸发器预冷器110的氨气可具有例如_5至 O摄氏度之间的温度和大约40至55磅/平方英寸的压力。
接着,在方块210处,氨气再次通过蒸发器预冷器110,这次通过第二流体通道,并 吸收在方块206处由第一流体通道放出的热。氨气可以以比进入蒸发器预冷器110第二流 体通道时高约10度的温度离开蒸发器预冷器110的第二盘管,并且氨气向前经过系统100 的低压侧朝吸收器116行进。由于过程200的方块206和210利用蒸发器预冷器110,并为 可选的用以提高系统100的性能,方块206和210彼此共同作用。
接着,在方块212处,将氨重新吸收到水中。吸收氨的水可为在方块202处当氨沸 腾出氨/水溶液时得到的几乎不含有氨的水。氨气行进穿过吸收器116,吸收器116包括 热交换器,该热交换器通过将两种流体冷却至合适温度而允许氨气溶解回到水中。吸收器 116在其下端可包括喷管,通过喷管喂入氨,氨冒泡至上部并大量吸收于水。可将水/氨溶 液泵送达到更高压力和温度(例如,通过泵128c而跨过线132),然后到达吸收器预冷器118 处。
接着,在方块214处,水/氨溶液经过吸收器预冷器118。使用吸收器预冷器118 的方块214可为过程200中的可选步骤,其以提高系统100的效率为目标,以及,吸收器预 冷器118可为系统100的可选特征。因此,方块214和吸收器预冷器118对于系统100的 运行来说不是必需的。在使用预冷器118的实施例中,水/氨溶液通过预冷器118中第一 流体通道(例如第一盘管)朝发生器104行进,水/氨溶液吸热,同时将通过预冷器118中第 二流体通道(例如第二盘管)从发生器104行进至吸收器116的水(例如氨已从溶液沸腾离 开的水)冷却,以使水温接近于在吸收器116处可发生再次吸收氨的温度。到达发生器104 的水/氨溶液完成过程200的循环,并且过程200返回方块202。
现在参照图3a和图3b,统称为图3,图3a以方块图形式示出根据本说明书一方面 在热存储模式操作的热辅助能源单元或系统100。在图3a中,从阀106到冷凝器108、到预 冷器110、到蒸发器114的路径由灰底示出,当系统100在热存储模式操作时不使用该路径。 图3b以流程图形式示出根据本说明书一方面在热存储模式操作的热辅助能力单元或系统 100的过程300。
在第一方块302处,来自机动车发动机的排气流过发生器104,如箭头103和105 所示,以及,发生器从排气吸收热,并将该热传递至循环经过发生器104中热交换器部分的 氨/水溶液。结果,氨汽化并从溶液沸腾而出,氨气流经阀106,阀106在本示例中构造成当 系统100在热存储模式操作时直接朝蒸发器114引导氨气。作为示例,分割线130图示系 统100中循环氨/水溶液的部分(例如,通过吸收器116、吸收器预冷器118、和发生器104) 与系统100中大致只循环氨的部分(例如,通过阀106和蒸发器114)之间的分割。留下水 溶剂并朝吸收器预冷器118引导该水溶剂。在与作为吸收循环操作相反的热存储模式下操 作时,由于系统100中存在相对小的压差,应该忽略图3a示出的低压/高压分割线132。
通过示例测试的结果,提供对可在过程300各阶段和系统100中观察到的温度和压力的大概指示。例如,假设分流阀102没有通过旁路107分流排气,来自柴油动力卡车的 典型排气会以大约400摄氏度的温度进入发生器104,以及,会以大约300至380摄氏度的 温度离开发生器104。在发生器104的热交换器部分中的压力可达到约120至150磅/平 方英寸,导致氨气以约120至150磅/平方英寸的压力和大概100摄氏度的温度朝蒸发器 114行进。虽然此处及说明书中进一步提供了所观察温度和/或压力的具体示例和/或范 围,这些温度和压力取决于系统100的设计和操作模式,并且,会根据系统100的特定设计 标准和操作模式而不同。换句话说,在系统100中所观察到的压力和温度的示例仅作为示 例提供,并不意于构成限制。
接着,在方块304处,氨气流入例如蒸发器114中热交换器的第一流体通道(例如 第一盘管),在此处气体放出热能并冷却。在冷却过程中,经过蒸发器114的热交换器部分, 氨向循环经过蒸发器114中第二流体通道(例如第二盘管)的水/乙二醇混合物放出热能, 因此加热水/乙二醇混合物,此混合物向前朝热箱输入盘管和管路122行进。进入蒸发器 114的氨可具有大约100摄氏度的温度和大约120至250磅/平方英寸的压力。
接着,在方块306处,氨气经过蒸发器预冷器110。在热存储模式中,在氨流向蒸发 器114的途中,氨的流动不仅会旁路绕过孔112,而且会旁路绕过预冷器110,因此在此点几 乎没有发生热传递。在过程300中,蒸发器预冷器110可用作液体对气体热交换器,仅提供 使氨气冷却以排出多余热的功能。氨可以以比进入蒸发器预冷器110时的温度低大约10度 的温度离开蒸发器预冷器110,并且氨气向前经过系统100朝吸收器116行进。过程300中 的方块306是可选地,如图4中示出的氨经过蒸发器预冷器的方向。可选择地,当系统100 在热存储模式操作时,氨可直接从蒸发器114前进至吸收器116。
接着,在方块308处,将氨重新吸收到氨/水溶液的水中。吸收氨的水可以为方块 302处当氨从氨/水溶液中汽化时生成的几乎不含氨的水。氨气行进穿过包括热交换器的 吸收器116,热交换器通过将两种流体(例如,氨和水)冷却到合适温度而允许氨气溶解回水 中。吸收器116在其下端可包括喷管,通过喷管将氨喂入,氨冒泡通过水到达上端并大量吸 收进水中。
接着,在方块310处,水/氨溶液穿过吸收器预冷器118。使用吸收器预冷器118 的方块310在过程300中为可选步骤,其以提高系统100的效率为目标,并且吸收器预冷器 118可为系统100的可选特征。所以,方块310和吸收器预冷器118对于系统100的运行不 是必需的。在使用预冷器118的实施例中,水/氨溶液通过预冷器118中第一流体通道(例 如第一盘管)朝发生器104行进,水/氨溶液吸热,同时将通过预冷器118中第二流体通道 (例如第二盘管)从发生器104行进至吸收器116的水(例如氨汽化离开溶液的水)冷却,以 使水温接近于在吸收器116处可更好地达到再次吸收氨的温度。到达发生器104的水/氨 溶液完成过程300的循环,并且过程300返回方块302。
接着参照图4,图4以流程图形式示出由控制器128在对系统100进行控制时执行 的过程400。在一个示例中,控制器128可实施为设计成利于系统100理想操作的电控模块 (E⑶),也称为混合辅助能源单元(HAPU),通过对系统100的各种方面进行监测和控制以实 现提供车辆制热和/或制冷的功能,以及,通过捕获和再利用车辆排气中将作为热排出的 能量损失,从而减少车辆的总碳足迹。控制器128可与系统100整体构成,并可使系统100 能够根据预期应用的设计标准运行。如第一方块402中所示,控制器可监测和/或收集与系统100和/或安装有系统100的车辆的操作参数有关的数据,该数据包括但不限于压力、 温度、电压、液位、流量、和/或车辆操作者的输入。使用从这些输入装置收集的数据并使用 控制逻辑处理信息,控制器128指令系统100的各构件动作,以保持系统100适当运行。系 统100中由控制器128监测或控制的构件包括但不限于阀、风扇、致动器、继电器、接触器、 充电控制器、泵、和/或输出装置。输出装置的一种可能用途可以为向使用者示出系统操作 的多个方面。
在一个示例中,控制器128监测系统100操作的多个方面并允许热循环(例如在图 2和图3示出的)和电力系统协同作用,以向车辆诸如卡车的驾驶室提供经调节的空气。控 制器128可用于对系统100的数个主要功能进行控制,如下文所述。一般来说,如方块403 示出的,控制器128对系统100中结合至控制器128输出装置的多个构件进行控制,以提供 系统100的适当运行。
控制器128可电结合至排气分流阀102,该阀为由控制器128构造的三通二位阀, 以确保自排气传递至发生器104的热能适用于系统100,并在系统100变得过热或即将变得 过热时,使排气分流离开发生器104。如方块404中所示,根据从例如系统100中的传感器 接收的相关输入,控制器128控制排气分流阀102的位置。在一个示例中,阀102可完全将 排气分流至发生器104或远离发生器104,或在发生器104和旁路107之间混合排气流,以 实现将适当的热传递至发生器104。在一个示例中,控制器128从传感器检测用于指示系统 100中各位置处温度和/或压力的电信号,并根据存储在控制器128中的控制逻辑,基于这 些信号生成判定,以及,通过将控制器128从一个或多个输入传感器接收的信号与编程进 控制逻辑的具体目标进行比较,确定是增加还是减少传递至发生器104的热能的量。控制 器相应地产生用于分流阀102的输出信号,并相应操作分流阀102。如果控制器128基于一 个或多个输入信号检测到错误,控制器128可产生输出信号以关闭分流阀102,强制所有热 能远离发生器104并经过作为安全停机顺序一部分的旁路107。
控制器128可进一步电结合至阀106,阀106可为三通二位阀,用于使系统100能 够在制热和制冷模式之间切换。如方块406所示,控制器128对阀106的位置进行控制,从 而基于相关输入选择系统100的操作模式。当需要制冷时,阀106引导氨流过冷凝器108, 并且系统100作用为吸收循环,如上文结合图2所述。如果需要制热,阀106引导氨流过设 置于冷凝器108和喷孔112旁路的第二管路,其跨过了系统100中的制冷部分,并将热氨送 至蒸发器114,如上文结合图3所述。在一个示例中,例如通过接收由手动输入(其结合于 控制器128输入)例如用户按下按钮而生成的信号,控制器128生成关于哪种模式适当的判 定。在另一示例中,通过自动感测温度,例如通过接收来自位于驾驶室和/或车辆外部的电 温度传感器(其结合于控制器128输入)的信号,控制器128生成关于哪种模式适当的判定。 控制器128可读取由结合于输入的温度传感器所生成的信号,并基于存储在控制器128中 的控制逻辑预测适合于维持用户舒适的动作,并且控制器128可生成用于阀106的输出信 号,使阀106移至所需位置,以将系统100设置于冷存储模式或热存储模式。
控制器128可进一步电结合于图1中示出的任意泵(例如,泵128a、128b、和/或 128c)。例如,控制器128可电结合至泵128c,该泵可为氨/水溶液泵,用于在图2和图3所 描述过程200和300的最后阶段产生从吸收器116至发生器104的水/氨溶液的回流。如 方块408示出的,控制器128控制用于维持系统100运行的泵。在一个示例中,控制器128可控制泵是开启还是关闭、以及泵运转速度。在一个示例中,控制器128控制泵的运转,例 如通过生成合适的输出信号以控制结合至泵128c的继电器,从而,通过从系统100各部分 处的各种感测器或传感器、和/或液位指示器收集信息,来维持压力容器(例如吸收器116 和发生器104)中的合适液位,这些感测器或传感器提供的信号指示例如在系统100各阶段 的流体流量、在系统100各部分的温度、在系统100各部分的压力。控制器128可使用这些 输入中的一个或多个,以将控制器128从感测器或传感器获得的读数与编程进控制器128 控制逻辑中的具体目标进行比较,并产生合适的输出信号以对泵128c进行控制,从而满足 由控制逻辑指令的输出条件。
控制器128可进一步电结合于泵128a和/或泵128b,该泵可用于在两个或更多个 热交换器之间循环溶液(例如水/乙二醇),以将来自一个构件的热能传递至系统100中的 下一构件。在一个示例中,控制器128监测由结合至热交换器(例如,蒸发器114和/或热 储箱流体通道122、124)的温度传感器提供的温度信号,并通过存储在控制器128中的程序 逻辑,将由温度传感器指示的温度与编码中存储的目标进行比较,来确定热能的传递是否 合适,从而满足系统100的最终热目标。然后,控制器128相应使泵运转。
控制器128可进一步电结合至多个冷却风扇(未示出)。系统100中装有热交换器 的任意构件例如冷凝器108可选地包括冷却风扇。风扇将空气吹过冷凝器108,可用于允许 这种液体对气体热交换器更有效地作用,并允许使其中流体介质(例如在冷凝器108的情 况下为氨)冷却的周围环境排出适当的热载。如方块410所示,基于由控制器128接收的相 关输入信号,控制器128控制安装在系统100中的任意冷却风扇。在一个示例中,通过监测 由温度传感器产生的输入信号并将这些输入与控制器128的控制逻辑中编码的目标进行 比较,控制器128可控制风扇的运转,以维持热交换器诸如冷凝器108的期望冷却效果。可 相应调节风扇运转。例如,风扇可完全开启或关闭,以及,当开启时可相应设定风扇速度。在 一个示例中,当系统100处于冷存储模式时,可使结合至冷凝器108的风扇运转,但由于在 热存储模式中不使用冷凝器108,当系统100处于热存储模式时风扇不运转。此外,在一个 示例中,可由控制器128适当控制风扇速度,以获得经过热交换器的流体的期望冷却速率。
控制器128可进一步结合至阀130,阀130控制流经热箱输出流体通道124的溶 液的流量。如方块412所示,控制器128基于相关输入对阀130的位置进行控制,阀130控 制存储在热储箱122中的能量的使用。阀130可为三通三位双管路型,并且可以引导溶液 (例如乙二醇/水)在车辆HVAC126、机动车发动机、和热储箱120之间的流动。在一个示例 中,通过接收例如用户使用指示系统100期望操作模式的按钮进行手动输入而产生的输入 信号,控制器128判定哪个流动路径合适。控制器可进一步接收来自指示前述任意构件温 度的温度传感器的输入,然后控制器128可确定最合适实现系统100目标的动作,并将合适 的输出信号送至阀130。如前文在系统100于热存储模式下操作的示例内容中所讨论的, 阀130可具有三个可能位置。阀130可关闭,例如当车辆移动并且当前不需要来自热储箱 的热源,同时系统100正在加热热储箱120中的溶液,以存储热能备日后使用,并因此恢复 从发动机至HVAC 126的常规制热输入。第二,诸如当车辆停车时发动机停机而系统100的 用户希望为车辆驾驶室制热时,阀可位于第一打开位置,允许溶液行至HVAC单元126,因此 允许HVAC126使用存储热。第三,阀可位于引导溶液向机动车发动机流动的第二打开位置。 这在寒冷条件下对于发动机的冷起动是有益的,允许系统100的用户在启动发动机之前预热发动机,从而减少发动机在冷起动期间的排放物,并使得用户能够在启动发动机后立刻 使用车辆制热系统。
控制器128可进一步结合至一个或多个提供电荷控制功能的充电控制器。充电 控制器用于但不限于调整流进系统100电池(未示出)或从中流出的电流,电池包括在系统 100的多个可选构件中,充电控制器为诸如能量存储系统、插入式电池充电器、光伏阵列、和 /或车辆或车辆构件的总线。在一个示例中,控制器128监测进出系统100的电压并调整 电流,同时考虑很多不同参数,例如在一天中的时刻、电池充电状态(S0C)、车辆运转、以及 可用于捕获的功率。控制器128接收指示此信息一部分或全部的信号,并基于编程进控制 器128的程序逻辑确定用于充电控制器的动作过程。如方块414所示,控制器128基于相 关输入控制一个或多个充电控制器(未不出)。
虽然将过程或方法400示出为以特定顺序进行,但由于对系统100的运行来说方 块顺序并非关键,方块402、404、406、408、410、412、和414中任意方块可重新布置。此外,本 领域技术人员可以理解,由控制器128执行时,方法400为循环的和/或反复的,典型地,控 制器128每秒执行过程400若干次。此外,由方块402、404、406、408、410、412、和414示出 的功能用于示例,并且取决于特定应用的设计标准,这些方块中的一个或多个可为可选的。 此外,方法400意于示出系统100的一些主要控制方面。本领域技术人员可以理解控制器 128能够执行比方法400所示出更多的功能。
下面参照图5,其示出与根据本说明书的热辅助能源单元一起使用的发生器104 的仰视图和相应截面图。图5不出适于与系统100 —起使用的发生器104的一个不例,但 并不受限于此。根据特定应用的设计标准可使用任意发生器。发生器104 —般包括外管或 壳502、端板504和506、内管508、排气通道509、环圈510、分离环512、分离区514、和氨出 口管路516。
发生器104的外壳502部分含有加压且加热的流体,例如氨和水溶液。在一个不 例中,溶液的浓度可在从百分之几重量份数氨至高达20%重量份数氨的范围之间变化。在 一个示例中,发生器104设计为压力容器,以在发生器的使用权限内适当编码。发生器104 的内部压力可从静止状态的50磅/平方英寸升至运转时的250磅/平方英寸。发生器的 温度范围可在从非工作时的-40摄氏度至正常运转期间的130摄氏度或更高的温度范围中 变化。在过热条件下,外壳502可达到250摄氏度。压力容器边界包括如图5所示的外管 502和两个端板504、506,端板504、506形成为使得端板504、506用作外管502与同轴内管 508之间的关闭件。外壳502可由碳钢诸如无缝管制成,其具有适用于所含流体的状态和组 成的特性,诸如但不限于ASTM A516,在一些应用中可使用等级为诸如SS 304的不锈钢。
内管508可形成从发动机至大气的排气通道509的一部分。内管的功能可以是 为热排气提供通道,热排气提供由系统100收获的能量;以及,在内管508外侧还经受在吸 收管路中由加压工作流体(例如溶液)产生的高压。内管508在环圈510的辅助下可将来自 流动排气的热传导至溶液,下文将对此进行描述。在一个示例中,内管508可由碳钢诸如无 缝管制成,其具有适用于所含流体的状态和组成的特性,诸如但不限于ASTM A516,在一些 应用中可使用等级为诸如SS304的不锈钢。
这些环圈510环绕于内管508的周围,并且,通过增加可用于热传递的表面积的 量,并帮助升高溶液的温度和压力、从而提高发生器104的效率及更好地使溶质从溶液汽化的能力,这些环圈510用于增加从流经内管508的热排气进入流经外管502的溶液的传 导热量。在一个示例中,环510与内管508具有紧密配合,但相对于外管502具有径向间隙, 允许在车辆移动时抵抗剧烈冒泡和晃动而稳定流体柱的同时,进行溶液分馏。环510可由 与内管508与外管502能相容的材料构成。在一个示例中,发生器104的所有金属构件可 由易于制造的相同材料制成。
分离环512作用为使下方空间(例如,如图5所示的分离环512左侧)与上方空间 (例如,如图5所示的分离环512右侧)分离,该下方空间为流体加热和沸腾区,因而携带有 来自分离区的一些水的湿气(例如氨)从溶液(例如水和氨)逸出,在上方空间中大量液滴 移除,留下最干燥的气体(例如氨)离开容器。在一个示例中,环512可与内管508和外管 502都具有紧密配合,并且,为易于装配可焊接至内管508。环512可由与如前文所述的管 502和508能相容的材料制成。环512可包括穿有一系列孔的环形板,在一个示例中,这些 孔的直径可以是环形间隙直径的大约25%。板中由孔产生的开口面积可以为总环形面积的 10-20%,但并不受限于此。
分离区514具有一定容积。在一个示例中,该容积可填充有由能结合液滴的材料 (诸如不锈钢棉或其他提供很高表面积的类似材料)。溶液液滴(例如液态水)形成在这些表 面上,并排出回到分离环512下方的液体空间。通过顶部处的氨出口管路516离开容器的 气体(例如汽化氨)几乎全部都为氨气(例如具有非常少量水蒸气例如1%水蒸气的高达99% 的氨气)。
上述本发明的各实施例仅为示例。本领域技术人员可对具体实施例进行替代、变 化、及更改而不偏离本发明的范围。特别地,的是,从上述实施例的一个或多个中选择的特 征可结合起来,以产生没有明确描述的可替代实施例,适于该结合的特征对于本领域技术 人员来说是容易理解的。在本文权利要求中描述的主题涵盖并包含所有适当的技术变化。
权利要求
1.一种用于从机动车发动机排气放出的热捕获能量并存储所捕获能量的系统,所述系统包括发生器,用于从所述发动机排气捕获热,所述发生器构造为用于循环第一溶液,该第一溶液具有能够由所述发生器所捕获的热汽化的溶质;冷凝器,其与所述发生器连接,用于接收汽化溶质并将所述汽化溶质冷凝成液体;蒸发器,其与所述冷凝器连接,并具有位于所述冷凝器和所述蒸发器之间的孔,所述蒸发器具有第一流体通道,用于循环所述溶质;以及第二流体通道,用于循环第二溶液;所述第一流体通道和所述第二流体通道构造为,由从行进通过所述第二流体通道的所述第二溶液所吸收的热,使行进通过所述第一流体通道的溶质汽化,从而冷却所述第二溶液;以及吸收器,其与所述蒸发器和所述发生器连接,所述吸收器构造为,通过使所述溶质和由所述发生器供应的所述第一溶液的溶剂混合,使所述溶质重返溶液,以及,用于使所述第一溶液重返所述发生器以完成所述系统的循环。
2.根据权利要求1所述的系统,进一步包括位于所述冷凝器和所述蒸发器之间的热交换器,用于从所述冷凝器流向所述蒸发器的溶质第一流体和从所述蒸发器流向所述吸收器的溶质第二流体之间的热交换。
3.根据权利要求1所述的系统,进一步包括位于所述吸收器和所述发生器之间的热交换器,用于从所述发生器流向所述吸收器的溶剂第一流体和从所述吸收器流向所述发生器的第一溶液的第二流体之间热交换。
4.根据权利要求1所述的系统,其中,所述溶剂包括水(H2O),所述溶质包括氨(NH3),以及,所述第一溶液包括溶解在水中的氨。
5.根据权利要求1所述的系统,其中,所述系统从所述发动机底循环排气捕获热,以驱动所述系统中用于使存储在热储箱中的所述第二溶液冷却的吸收循环,以备日后用于使所述机动车的驾驶室变凉。
6.根据权利要求1所述的系统,进一步包括位于所述发生器和所述冷凝器之间的旁通阀,该旁通阀进一步与所述蒸发器连接,所述旁通阀构造成将所述溶质直接分流至所述蒸发器,并选择方式构成用于在热存储模式操作的系统。
7.根据权利要求1所述的系统,进一步包括热储箱,其构造为容纳用于存储热能的第三溶液,所述热储箱具有流体通道,该流体通道构造为至少部分浸入所述第三溶液中,并与所述蒸发器的所述第二流体通道连接,用于使所述第二溶液流通通过所述热储箱的所述流体通道。
8.根据权利要求7所述的系统,其中,所述第三溶液和所述第二溶液中至少一个包括至少水和乙二醇之一。
9.根据权利要求7所述的系统,其中,所述热储箱具有第二流体通道,该第二流体通道构造为浸入所述第三溶液中,用于与安装有所述系统的机动车的制热和制冷单元连接。
10.一种用于在冷存储模式下使系统操作的方法,该系统用于从机动车发动机排气放出的热捕获能量并存储所捕获的能量,所述方法包括将来自所述发动机排气的热吸收到溶液中,并汽化所述溶液的溶质,留下所述溶液的溶剂;使所述溶质冷却并冷凝变回液态;将所述液体溶质注入蒸发器,允许所述溶质吸收热能,从而冷却流经所述蒸发器的第二溶液;以及进一步将所述溶质重新吸收于所述溶剂中以重建所述溶液,用于在所述吸收步骤中进一步使用。
11.根据权利要求10所述的方法,进一步包括将所述溶质冷凝变回液态之后,通过使所述溶质循环经过热交换器而进一步冷却所述溶质;以及将所述蒸发器中的溶质汽化之后,通过使所述溶质流通经过所述热交换器而进一步加热所述溶质。
12.根据权利要求10所述的方法,进一步包括汽化所述溶质并留下所述溶剂之后,通过所述溶剂流通经过热交换器而冷却所述溶剂;以及重建所述溶液之后,通过所述溶液流通经过所述热交换器而加热所述溶液。
13.根据权利要求10所述的方法,其中,所述溶剂包括水(H2O),所述溶质包括氨(NH3), 以及,所述溶液包括溶解在水中的氨。
14.根据权利要求10所述的方法,其中,所述方法从所述发动机底循环排气捕获热,以驱动所述系统中用于使存储在热储箱中的所述第二溶液冷却的吸收循环,以备日后用于使所述机动车的驾驶室变凉。
15.一种用于在热存储模式下使系统操作的方法,该系统用于从机动车发动机排气放出的热捕获能量并存储所捕获的能量,所述方法包括将来自所述发动机排气的热吸收到溶液中,并汽化所述溶液的溶质,留下所述溶液的溶剂;使所述溶质流通经过蒸发器,以使所述溶质能够散发热能,从而加热流经所述蒸发器的第二溶液;以及将所述溶质重新吸收到所述溶剂中,并重建所述溶液,用于在所述吸收步骤中进一步使用。
16.根据权利要求15所述的方法,进一步包括在使所述溶质流通经过所述蒸发器之后,通过所述溶质流通经过热交换器而进一步冷却所述溶质。
17.根据权利要求15所述的方法,进一步包括汽化所述溶质并留下所述溶剂之后,通过使所述溶剂流通经过热交换器而冷却所述溶剂;以及重建所述溶液之后,通过使所述溶液流通经过所述热交换器而加热所述溶液。
18.—种用于对系统进行控制的控制器,该系统用于从机动车发动机排气放出的热捕获能量并存储所捕获的能量,所述控制器具有与存储器联结的至少一个处理器,该存储器用于将由所述至少一个处理器、多个输入装置和多个输出装置能够执行的指令存储在该存储器中,所述控制器构造成执行存储于所述存储器中的指令,从而接收在一个或多个所述输入装置的信号;以及在一个或多个所述输出装置生成信号,用于控制所述系统的构件,以从所述机动车发动机排气放出的热捕获能量,并存储所捕获的能量。
19.根据权利要求18所述的控制器,其中,由所述控制器控制的构件包括一个或多个排气分流阀,操作模式控制阀,流体泵,冷却风扇,以及充电控制器。
20.一种在系统中使用的热交换器,该系统用于从机动车发动机排气放出的热捕获能量并存储所捕获的能量,所述热交换器具有外管和内管,所述热交换器从经所述内管行进的所述发动机排气中捕获热,并将该热传递至流通经过所述外管的溶液,当所述溶液吸热时所述溶液中的溶质汽化。
全文摘要
本发明提供一种系统,该系统用于从机动车发动机排气放出的热捕获能量并存储所捕获的能量。该系统包括发生器、冷凝器、蒸发器、和吸收器。发生器捕获来自发动机排气的热,并可构造为用于循环第一溶液,该第一溶液的溶质由发生器捕获的热而汽化。冷凝器可与发生器连接,用于接收汽化的溶质并将汽化溶质冷凝成液体。蒸发器与冷凝器连接,并具有位于冷凝器和蒸发器之间的孔。蒸发器可具有用于循环溶质的第一流体通道和用于循环第二溶液的第二流体通道。第一流体通道和第二流体通道可构造为,由从行进通过第二流体通道的第二溶液所吸收的热,使得行进通过第一流体通道的溶质汽化,从而冷却第二溶液。吸收器可与蒸发器和发生器连接。吸收器可构造为,通过使溶质和由发生器供应的第一溶液的溶剂混合,使溶质重返溶液,并且用于使第一溶液重返发生器,以完成系统的循环。
文档编号F02G5/02GK103026149SQ201180024006
公开日2013年4月3日 申请日期2011年3月30日 优先权日2010年4月1日
发明者约翰·汉密尔顿·斯坦纳德, 大卫·罗伯特·伊布斯, 克里斯托弗·巴沙洛 申请人:埃内尔谋申公司
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