基于单效溴化锂吸收式制冷机的汽车余热用除霜与供暖装置

1、第35卷第5期2009年10月兰 州 理 工 大 学 学 报JournalofLanzhouUniversityofTechnologyVol.35No.5Oct.2009 文章编号:1673 5196(2009)05 0056 06基于单效溴化锂吸收式制冷机的汽车余热用除霜与供暖装置刘振全,胡淞城,赵 嫚(兰州理工大学石油化工学院,甘肃兰州 730050)摘要:在汽车空调用单效溴化锂吸收式制冷机的基础上,设计一种同时利用汽车发动机和尾气余热并采用微机控制技术的汽车空调用除霜与供暖装置,该装置一方面能实现冬季发动机低温启动时加快发动机升温速度,使其迅速进入正常工作温度,延长发动机使用寿命,同时

2、也能提升汽车供暖系统的除霜性能,保证驾驶的安全性;另一方面能充分利用汽车余热,实现汽车空调,减少汽车油耗,提高燃料的热能利用率和吸收式制冷机的热力系数.通过对该装置进行热力计算与传热面积计算,结果表明改造后的排汽热交换器和冷却水箱传热面积较小,结构简单紧凑,相对于传统的汽车空调和供暖装置,能耗极少,无环境污染.关键词:汽车空调;吸收式制冷;余热利用;微机控制;除霜中图分类号:TK115 文献标识码:ADefrostingandheatingequipmentutilizingexhaustedheatofcarandsingle effectlithiumbromideabsorptive t

3、yperefrigerationLIUZhen quan,HUSong cheng,ZHAOMan(CollegeofPetrochemicalEngineering,LanzhouUniv.ofTech.,Lanzhou 730050,China)Abstract:Onthebasisofsingle effectlithiumbromideabsorptiverefrigerationofautomobileair condi tioning.Adefrostingandheatingdevicewasdesigned,whichusedtheenginepowerandexhausted

4、heatinthesametimeand,inwhichthemicrocomputercontroltechnologywasemployed,also.Ontheonehand,thisapparatuscouldacceleratetheprocessofwarming upoftheenginewhentheenginewastostartinalowtemperatureinwinter,makingitenterthenormaloperatingtemperaturequickly,thusprolongenginelifeandenhancethedefrostingfunct

5、ionoftheheatingsystemtoensuredrivingsafety.Ontheotherhand,itcouldmakefulluseoftheexhaustedheatofcarstoachievetheirair conditioningandreducetheirfuelconsumption,therebyitcouldimprovetheutilizationrateofthefuelthermalenergyandthermodynamiccoefficientofabsorptiverefrigerator.Thethermodynamiccomputation

6、andheattransfercomputationwereperformedforthisapparatus,Theresultshowedthattheheattransferareasoftheremodeledexhaustheatexchangerandcoolingwatertankwerecomparativelysmallandtheconstructionofthemwassimpleandcompact.Comparedwiththetraditionalautomobileair conditioningandheatingequipment,theenergyconsu

7、mptionofproposedapparatuswasextremelylittlewithoutpollution.Keywords:automobileair conditioning;absorptiverefrigeration;exhaustedheatutilization;microcom putercontroltechnology;defrosting在汽车空调中主要使用蒸汽压缩式空调系统,一般要消耗8%12%的汽车发动机动力,其中压缩机占80%85%,风机占15%20%,这不仅增加了油耗,而且一方面可能引起水箱过热,影响汽车动力性1;另一方面,在寒冷的冬季特别是中国北方,

8、解决汽车乘坐舒适性的主要问题是冬季的取暖问题,寒冷的车内环境造成乘坐舒适性极差,另外挡收稿日期:2008 11 13:( ,男,风玻璃结霜影响驾驶员视野,严重影响驾驶安全性,第5期刘振全等:基于单效溴化锂吸收式制冷机的汽车余热用除霜与供暖装置 57使用寿命.因此,解决舒适性与空调功耗之间的矛盾、克服冬季发动机启动初期温度过低的弊端已成为现代汽车空调研制中的突出问题.汽车发动机的实用效率一般为35%40%,燃料发热量的25%左右被冷却水带走2,35%45%被汽车尾气带走,回收和利用这部分余热来驱动用于汽车空调的制冷及供暖系统是一种很有效的节能方案,也是目前世界各国都在研究的课题.现在的汽车空调系

9、统大致可分为两种情况:用于轿车和中小型客车的,其压缩机由主发动机驱动,增加了油耗和废气排放,减少了汽车的运输能力,而且可能引起水箱过热,影响汽车动力性;用于大客车的,制冷压缩机配备专门的副发动机,空调性能不受汽车行驶工况影响,但这样结构复杂,增加了整车的重量和布置难度,汽车的油耗和排污均增加,环境污染严重.近几年已经有利用冷却水或废气进行制冷方面的研究,如已经有旅游汽车采用了吸收式制冷装置,文献5也提到国外也有类似的相关研究,比如:Chi araBoccaletti和LeoneMartellucci指出吸收式制冷系统适合于小型混合动力汽车;M.Mostafavi和B.Agnew对汽车发动机排气

10、余热驱动的吸收式制冷系统做了理论研究,并得出这一方案是可行的;R.Atan对采用溴化锂吸收式制冷系统回收和利用发动机余热做了研究,但没有做进一步的简化.因为它们都有一个发生器,其结构显得复杂.文献6,7中肖尤明采取了将溴化锂溶液直接注入汽车发动机冷却空腔内,并对该单效溴化锂吸收式制冷系统做了进一步的研究.本文就在此基础上将汽车尾气余热通过一个溶液热交换器引入单效溴化锂吸收式制冷机的发生器中,利用发动机余热和排气余热驱动溴化锂吸收式制冷机,以实现汽车空调、冬季除霜和加快发动机冬季冷启动后的升温速度.43结构大大简化.图1 改造前后直列式内燃机湿式缸套及汽缸盖结构示意图Fig.1 Schemati

11、cdiagramofstraight lineinternalcombustionenginewithwetcylinderlinerandcylindercoverbeforeandafterremodelling由于吸收式制冷机热源的发动机循环冷却水温度较低,一般不超过100 ,再加上与外界的换热、不等温传热以及系统阻力等各种不可逆因素,使得热源参数与吸收式制冷机所要求的额定值往往存在较大的偏差,从而使得吸收式制冷机的热力系数很低,制冷效果较差;另一方面,随着路况和行驶速度的改变,发动机的出力也会改变,制冷机出力变化较为显著,在发动机低速运转的工况下,如果只利用汽车发动机的余热很难保证溴化

12、锂吸收式制冷系统所需的热量,尤其是冬季发动机冷启动时的除霜和供暖.因此考虑利用发动机汽缸余热的同时利用发动机的尾气余热,这样更符合能源的梯级利用思想.所谓能源的梯级利用是指燃料的高品位能量在动力系统用于提供动力;动力系统的排热品位较低,用于提供冷、热等低品位产品,由于实现了能量的梯级利用,能源利用效率大大提高.图2是温度对口、梯级利用原则的一个简要示意图.1 汽车空调用单效溴化锂吸收式冷热水机组结合单效溴化锂吸收式冷热水机组系统中发生器的工作原理和结构特点以及汽车发动机冷水套的工作原理和结构特点,文献6,7对汽车发动机的汽缸体和汽缸盖稍做改造,用改造后的汽车发动机汽缸体、汽缸盖及汽缸套作为吸收

13、式制冷系统中的发生器,见图1,将溴化锂溶液直接注入汽车发动机冷却空腔内,可以高效利用从汽车发动机汽缸体、汽缸套、汽缸盖等处的散热加热吸收器中的溴化锂溶液,驱动溴化锂吸收式制冷系统.这样既可以减少汽,7图2 能源的梯级利用示意图Fig.2 Schematicdiagramofcascadeenergyutilization58 兰州理工大学学报 第35卷同时利用汽车汽缸余热和排气余热的单效溴化锂吸收式制冷系统原理如图3所示.在文献7的基础上用管道将尾气用溶液热交换器与由改造后的直列式内燃机湿式汽缸套、气缸盖所组成的冷却空间(发生器)串联,根据所需冷负荷和热负荷的大小,同时调节截止阀A和B,即可达

14、到冬天供热和夏天制冷以及既不供热又不制冷的要求.在该系统中,蒸发器既用于制冷又用于加热,省去了现有汽车空调采暖系统中的暖风用热交换器.考虑到汽车本身的结构特点,用吸收器和空冷器代替传统汽车发动机的散热器和其空调系统中的冷凝器是可行的,文献57对汽车空调用单效溴化锂吸收式制冷装置以及该装置的传热进行了理论分析和计算.在汽车废气出口处附近安装一个尾气用溶液热交换器,该热交换器造价低廉,可以提高燃料的热能利用率,加快冬季发动机冷启动时的升温速度以及除霜速度,增强驾驶的安全性,使发动机迅速进入正常的工作温度.温水式暖气装置以发动机冷却水为热源,结构简单,运行经济,已在轿车和货车中广泛应用.但由于冬季发

15、动机冷却水温度低、散热量小、升温慢,该供暖装置无法满足大客车需要.排气式暖气装置以发动机排气余热为热源,通过紧接在发动机后的热交换器加热空气,再用风机将热风送入车厢.其优点为热负荷大,运行经济;缺点是结构庞大、复杂;另外若烟气泄漏入车厢则非常危险.由于送入车厢的热风温度很高(80100 ),局部舒适性差且易造成乘客烫伤.因此该供暖方式应用很少.另外,上述2种装置供暖效果受汽车运行情况影响较大.独立式暖气装置供暖快、容易控制,不受行驶条件影响,但造价高、结构复杂、燃料费用高、运行成本高.由以上对比分析可知,温水式供暖装置虽然结构简单、运行成本低、且技术成熟,但由于热负荷小,当发动机低速运转或者乘

16、客较多时满足不了汽车的热需求.而独立式供暖装置由于运行成本问题也很难被汽车使用.如何利用好占汽车总能耗一半以上的发动机以及排气余热,解决好现有排气式供暖装置存在的结构庞大、烟气泄漏危险、出风温度高等缺点,是本文要解决的关键问题.图4为作者设计的同时利用汽车尾气余热的供暖和除霜装置结构原理图(图中设备位置不代表实际安装位置).图3 汽车空调用溴化锂吸收式制冷系统Fig.3 LiBrabsorptiverefrigerationsystemofautomobileair conditioning2 串联的单效溴化锂吸收式冷热水机组供暖装置结构及工作原理为解决汽车冬季供暖与除霜问题,目前国内外已开发

17、了多种车用供暖装置8图4 利用汽车余热的供暖和除霜装置结构原理图Fig.4 Principlediagramofheatinganddefrostingequipmentwithexhaustedheatutilizationofautomobile,按热源及型式的不同大致分为利用发动机排出热的温水式及排气式暖气装置,以及具有特殊燃烧器的独立式暖气装置.各种暖气装置的特点见表1.表1 常用汽车供暖方式对比Tab.1 Comparisonofusualmethodsforautomobileheating装置类型温水式排气式散热量/kW3.04.5520经济性只有风机、水泵能耗适用范围轿车、火车

18、客车发动机排气经过电动烟气调节阀分配,一部分被导入由热管传热元件组成的换热器内,热量被传热元件迅速导到换热器上部,对换热器内循环水加热,再由循环水泵输送到溴化锂吸收式制冷机的发生器.系统采用水为低温端传热工质,由水泵强制循环,使车厢内散热器布置更加灵活方便,车厢内温度更加均匀、温和,感觉更舒适,也避免了万一换热器泄漏,烟气窜入车厢的危险.另外,系统采用尾气用第5期刘振全等:基于单效溴化锂吸收式制冷机的汽车余热用除霜与供暖装置 59热交换器与发动机余热用发生器串联的工作方式,一方面在发动机低温启动后加快发动机升温速度,使其迅速进入正常工作温度;另一方面充分利用尾气和发动机余热,加热发生器中的溴化

19、锂溶液,实现汽车空调.系统的整个工作过程由以单片机为核心的控制系统控制.!停止3个位置.除霜风机与散热器风机采取开关控制.冬季当发动机冷启动后,换热器即开始工作,若循环水温低于40 ,图3中的截止阀A、B关闭,以使水温快速上升,让发动机迅速预热;此时,若除霜设定为!强制,则温水通过图3的电动三通阀进入除霜器,使除霜器工作,否则除霜器不工作.当循环水温高于40 后,若除霜设定为!强制,则截止阀B关闭,截止阀A半开,汽车供暖空调以50%负荷运转,使水温继续快速升高,同时使热量集中除霜;若除霜设定为!正常,则截止阀A全开,车厢内全部散热器风机及除霜器工作,除霜与供热同时进行.当车厢内温度达到15 以

20、上,可根据情况停止除霜器,并通过烟气调节阀调节供热负荷.当水温高于90 时,降低热负荷.另外,由于本系统采用水工质热管作为换热器的换热元件9,因此控制系统同时对换热器内烟气温度进行监控,使其在250 以下工作,保证热管安全.图6为实现以上功能的控制系统工作流程图.3 尾气余热用热管换热器元件的选择科研人员对利用热管换热器进行发动机余热回收已经做了很多研究工作,但一直没有找到一种理想的设计方法9.水 碳钢热管具有良好的热物理性能和制造工艺性,但当工作温度超过250 时,热管内压力超过3.98MPa并急剧上升,极易造成爆管等事故.为解决这一问题,通常做法是降低热管工作温度,使其工作在安全范围内.由

21、于发动机在不同工况下排气温度变化范围很大(200850 ),为保证水工质热管在发动机负荷较大、排气温度较高时的安全性,必然造成低速小负荷时供暖不足,热能利用率降低.科研人员研究发现,导热姆是一种能在高温下工作的热管工质.采用此工质,可将热管安全使用温度提高到350 .但导热姆为联苯与联苯醚共熔点混合有机物,高温下极易分解,难以保证热管使用寿命.由于水工质热管良好的热物理性能、制造性能及经济性,本系统仍选择其为换热器传热元件.同时,通过控制进入换热器的烟气量,使换热器内烟气温度稳定在250 ,保证换热器功率的稳定性.为防止烟气泄漏,热管与隔板间采用CO2双面保护焊,焊后对换热器上下腔体进行4kg

22、保压试验.104 供暖空调控制系统设计控制系统负责对汽车空调的工作过程、不同工况下的冷热负荷分配进行管理,对系统安全性进行监测,同时提供良好的人机操作界面.其结构组成如图5所示.图6 控制系统工作流程图Fig.6 Workflowchartofcontrolsystem图5 控制系统结构原理图Fig.5 Principlediagramofcontrolsystemconfiguration5 改进型溴化锂吸收式冷热水系统设计计算以金龙顶置非独立空调,苏州金龙海格V系列KLQ6796/Q为例,汽车发动机型号:YC112ZLQ,系统中温度设定为旋钮式,T值在1025,有!60 兰州理工大学学报

23、第35卷直列四缸,水冷,增压柴油机,制冷量1.6万kcal11.5.1 计算参数现有汽车空调系统的蒸发压力308.61kPa,蒸发温度0 ,冷凝压力1628kPa,冷凝温度63 ,暖风用热交换器进口空气温度tel=18 ,出口空气温度tc2=33 ,暖风用热交换器内热水的平均温度tj=85 .溴化锂吸收式制冷循环流程焓 浓度曲线如图7所示,已知参数见表2,选定或计算参数见表3.Q0=18.61(kW)3600#1000 单效溴化锂吸收式制冷机的热力系数COP一般为0.650.7012,这里取0.65,则溴化锂吸收式制冷机中发生器所需热负荷为Qg=28.63(kW)COP0.65发动机的最大功率

24、为132kW,其中燃料所放出的能量有30%左右被废气带走,30%左右被冷却水带走,发动机实用功率只有35%40%.当设废气进入热管换热器的温度为250 ,设离开发生器时的温度为100 (该温度与发生器的实际结构及发生器的工作温度有关)13,则可利用的废气余热为Qy1=(N/ c) w1COP(250-100)/250=(132/0.3)#0.3#0.65#(250-100)/250=51.48(kW)式中:N为发动机的功率; c为发动机的有效效率,取 c=0.3; w1为发动机排气所带走的热量占燃料所放热量的比例,取 w1=0.3.冷却水所能提供的余热为Qy2=(N/ c) w2COP=(13

25、2/0.3)#0.3#0.65=85.8(kW)式中: w2为发动机冷却水所带走的热量占燃料所放图7 溴化锂吸收式制冷循环流程焓 浓度曲线Fig.7 EnthalpyvsconcentrationcurveofLiBrabsorptiverefrigerationcycle表2 汽车已知参数值Tab.2 Knownparametersofautomobile参数制冷量/(kcal h-1)车内空气进口温度/ 车内空气出口温度/数值2712参数/ /数值32902501.6#104/热量的比例,取 w2=0.3.显然,发动机废气和冷却水提供的有效余热远远大于溴化锂制冷系统所需的热负荷.5.3 压

26、缩式汽车空调及发动机冷却水系统换热器的面积和吸收式系统换热器的面积比较5.3.1 定性分析由于现有汽车压缩式制冷空调系统要消耗发动机的有效动力,因此冷却系统的散热器不但要带走气缸的热量以保证气缸的冷却,而且压缩式空调系统的冷凝器还要带走压缩机消耗的功及汽车车室内的热量,即有Qr=QeQc1=Wc+Qh(1)(2)表3 各状态点参数Tab.3 Parametersofstatepoints项目蒸发器中冷剂蒸汽蒸发器中冷剂水吸收器出口稀溶液冷凝器中冷剂水冷凝器中的冷剂蒸汽发生器出口浓溶液发生器开始沸腾溶液状态温度点/ 11233455.05.039.542.087.792.083.468.462.

27、048.6压力/kPa0.8720.8720.8678.2608.2608.2608.260-焓值/质量分数/%(kJ kg-1)0057.770061.2557.7757.7761.2559.012930.8415.0275.5595.03079.6381.7360.0335.2318.4290.8式中:Qr为内燃机散热器带走的热量,Qe为内燃机发动机散热,Qc1为压缩式制冷系统中冷凝器带走的热量,Wc为压缩机的输入功,Qh为汽车车室的制冷量.对于吸收式制冷系统,散热所需要带走的热量只有汽车发动机气缸的散热和车室内的热量,即Qa+Qc2=Qe+Qhe.(3)式中:Qa为吸收器带走的热量;Qc

28、2为吸收式系统中溶液热交换器出口稀溶液7溶液热交换器出口浓溶液8吸收器中喷淋溶液95.2 余热计算整个系统制冷量1.6万kcal,则系统蒸发器负荷0第5期刘振全等:基于单效溴化锂吸收式制冷机的汽车余热用除霜与供暖装置 61若假设Qe=Qe,比较式(13)可知Qa+Qc2<Qr+Qc1实际上,Qe%Qe,吸收式制冷系统的吸收器和冷凝器所需带走的热量比现有汽车空调系统中的冷凝器和汽车发动机冷却水系统中的散热器所需带走的热量少,因此,吸收式制冷系统中换热器的面积不但比现有汽车空调系统冷凝器的面积和发动机冷却水系统的散热器的面积之和小,而且还没有加热器和压缩机,结构紧凑,体积较小.5.3.2 定

29、量计算各换热设备及传热面积的计算结果见表4.表4 各换热设备及传热面积的计算结果Tab.4 Calculationresultsofheatexchangingequipmentsandheattransferarea设备名称蒸发器吸收器发生器尾气余热用热管换热器冷凝器溶液热交换器单位热负荷/(kJ kg-1)2335.83367.43516.33516.32484.61050.7热负荷/kW18.6126.8214.0514.0519.798.37传热面积/m225.4037.700.351.60111.800.63相比,本文设计的汽车空调系统只多了一个尾气用余热热交换器,经分析计算该系统同

30、样具有节能、结构简单、环保、运行平稳、无振动、噪声小、操作简单等优点;该汽车空调系统还采用了微机控制技术,通过电动烟气调节阀将部分汽车尾气导入由热管传热元件组成的换热器内,并将该换热器与汽车空调用单效溴化锂吸收式制冷机的发生器相串联,该方案一方面实现了在冬季当发动机低温启动时能加快发动机升温速度,使其迅速进入正常工作温度,并提高汽车供暖系统的除霜性能,而且系统同样可以在30%100%的负荷范围内任意调节,负荷范围大;另一方面能更充分地利用汽车余热,实现汽车空调,减少汽车油耗,从而进一步提高燃料的热能利用率和吸收式制冷机的热力系数.改造后的系统结构简单紧凑,运行成本低,相对于传统的汽车空调和独立式供暖装置,减少了燃油消耗和排放污染,有利于环境保护