汽车空调研究

研究论文 汽车空调余热溴化锂吸收式制冷装置的研究Ξ 肖尤明 　徐烈 　李志伟 　朱鸿梅 　张洁 (上海交通大学制冷与低温研究所 　上海 　200030) 摘 　要 　为了减少汽车的油耗和提高汽车的动力性 ,根据现有汽车空调制冷系统、采暖系统及汽车发动机冷却水系 统的特点 ,结合单效溴化锂吸收式冷热水机组的性能 ,提出溴化锂吸收式制冷系统中的发生器由汽车发动机气缸 套、气缸体、气缸盖组成 ,将溴化锂溶液直接充注在汽车发动机冷却空腔内 ,从而实现了用一个单效溴化锂吸收式冷 热水机组系统替代现有汽车空调的制冷系统、采暖系统及汽车发动机冷却水系统的方案 ,结构简单。应用热力学、 传热学和流体力学的方法 ,对现有汽车空调系统和单效溴化锂吸收式冷热水机组汽车空调系统进行了理论分析计 算比较 ,得出这一方案是可行的 ,结构非常紧凑 ,对未来汽车空调的开发研究具有很高的参考价值。 关键词 　热工学 ;余热利用 ;汽车空调 ;吸收式 ;发动机 Study on Automobile Air - conditioning Exhaust Heat Absorption Refrigeration System By Xiao Youming☆ , Xu Lie , Li Zhiwei , Zhu Hongmei and Zhang Jie ☆Shanghai Jiaotong University , China Abstract 　In order to reduce the consumption of oil and improve the motivity of the automobile , the authors used the ICE’s engine block , cylinder liners , and cylinder headers as the generator of the absorption refrigeration system, and the lithium bromide solution was charged into the engine cooling cavitie s , which might realize the objective using one single - effect lithium - bromide absorption hot - cold water unit to replace the automobile air conditioning refrigeration and heating system and the automobile engine cooling system. Through the theoretical analysis using thermodynamics , heat transfer , and hydrodynamics , the authors find that it is practical to use this project for it s simple and compact structure. This device is of great value to the future re search and development of the automobile air conditioning sys2 tem. Keywords 　Pyrology ,exhausted heat utilization ,car air - conditioning ,absorption , engine 1 　前言 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 % ,这样大的 功耗不仅增加了油耗 ,而且可能引起水箱过热 ,影响 汽车动力性[1 ] 。因此 ,解决舒适性与制冷功耗之间 的矛盾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 %左 右 ,约占燃料发热量 1Π2 以上的能量被发动机循环 冷却水及排气带走[2 ] 。回收和利用这部分余热来驱 动制冷系统 ,实现汽车空调 ,是理想的最佳节能方 案 ,也是目前世界各国都在研究的课题。吸收式汽 车空调装置正是利用汽车的余热来实现汽车空调制 冷的 ,已经有旅游汽车采用了吸收式制冷装置[3 ] , Chiara Boccaletti 和 Leone Martellucci[4 ] 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[5 ]对于汽车发动机排气余热驱动的吸收式 制冷系统做了理论研究 ,并得出这一方案是可行的。 汽车发动机的循环冷却水带走的热量占燃料发 热量的 25 %～35 %左右[6 ] ,即通过汽车发动机的汽 缸体、汽缸套、汽缸盖等处的散热为 25 %～35 %左 右。如何回收利用这部分热量来驱动吸收式制冷装 置 ,是很有意义的研究课题。通用汽车公司的 Munther Salim[7 ]对采用吸收式制冷系统代替压缩式 制冷系统做了研究 ,并得出采用发动机缸套余热比 采用尾气余热驱动吸收式制冷系统更加具有优势 , 然而对于系统的简化则未见报道。R. Atan[8 ] 对采 用溴化锂吸收式制冷系统来回收和利用了这部分余 热做了研究 ,但没有对系统做进一步的简化。文献 [9、10 ]也采用了溴化锂吸收式制冷系统来驱动汽车 空调系统 ,但它们都有一个发生器 ,因而结构显得复 —22— 《制冷学报》2004 年第 1 期 Ξ 收稿日期 :2003 年 07 月 11 日 杂。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 数字放映机工作原理变压器基本工作原理叉车的结构和工作原理袋收尘器工作原理主动脉球囊反搏护理 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 ,指出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式制冷系统中的发生器 , 将溴化锂溶液直接充注在汽车发动机冷却空腔内 , 从而就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。既可以减少了汽车的油 耗 ,又能够提高了汽车的动力 ,而且系统的整个系统 的结构大大简化。 2 　汽车空调用单效溴化锂吸收式冷热水机组的探讨 2. 1 　溴化锂吸收式冷热水机组的发生器 对于溴化锂吸收式制冷装置中发生器的工作原 理 ,结合图 1 描述如下 :溴化锂稀溶液从稀溶液管进 入发生器 ,被来自热源输入管的热源加热 ,溴化锂稀 溶液中的部分水变成冷剂蒸汽 ,冷剂蒸汽从输出管 流出发生器 ,溴化锂溶液便浓缩成浓溶液 ,浓溶液从 浓溶液管流出发生器 ,热源输入管输入的热源加热 溴化锂溶液后 ,从热源回流管流出发生器。对于直 列式内燃机湿式缸套及汽缸盖示的工作原理 ,如图 2 所示 :冷却液从机体进水管口进入汽缸体水套 ,吸 收汽缸套的热后流入汽缸盖冷却水套 ,吸收汽缸盖 的热后从汽缸盖回水管口流出。可以看出 ,溴化锂 吸收式制冷装置中发生器的工作原理和湿式缸套内 燃机冷却水系统中汽缸体及汽缸盖冷却水套的工作 原理是基本相同的 ,前者是溴化锂溶液流经发生器 后吸收来自热源输入管的热 ,后者是冷却液流经汽 缸体水套及汽缸盖冷却水套后吸收来自缸套和汽缸 图 1 　发生器工作原理示意图 图 2 　一种直列式内燃机湿式缸套及汽缸盖示意图 盖的热 ,不同的是溴化锂溶液在发生器中被加热后 产生了冷剂蒸汽。因此 ,只需将湿式缸套内燃机冷 却水系统中汽缸体 (或者汽缸套 ,或者汽缸体和汽缸 套)及汽缸盖稍做改造 ,如图 3 所示 ,就可以将溴化 锂溶液直接充注在内燃机湿式缸套汽缸体的冷却空 腔及汽缸盖冷却空腔中 ,于是活塞式内燃机湿式气 缸套、气缸体及其相互密合而成的冷却空腔、汽缸盖 及汽缸盖冷却空腔便组成了发生器。该发生器工作 时 ,溴化锂稀溶液从溶液流入管口流入发生器 ,被内 燃机气缸体和汽缸盖散热加热后 ,产生冷剂蒸汽从 冷剂蒸汽管流出发生器 ,溴化锂浓溶液从溶液流出 管口流出发生器。这样 ,既使湿式缸套内燃机的冷 却得到保证 ,又可以利用内燃机燃烧室及汽缸内的 散热直接驱动溴化锂吸收式制冷装置 ,从而使内燃 机的汽缸余热得到充分利用。 图 3 　一种改造后的直列式内燃机湿式缸套及汽缸盖示意图 —32— 《制冷学报》2004 年第 1 期 2. 2 　系统比较 汽车空调用单效溴化锂吸收式冷热水机组的系 统原理简图 (见图 4) 如下 :此方案即可用于汽车空 调供热 ,又可用于汽车空调制冷。根据所需冷负荷 和热负荷的大小 ,同时调节截止阀 F 和 H 各自的开 度 ,即可达到冬天供热和夏天制冷以及既不供热又 不制冷的要求。考虑到汽车本身的结构特点 ,用单 效溴化锂吸收式冷热水机组中的吸收器和空冷器代 替汽车发动机的散热器和其空调系统中的冷凝器是 可行的 ,在这里 ,蒸发器身兼二职 ,既用于加热又用 于制冷 ,省去了现有汽车空调采暖系统中的暖风用 热交换器 ,使汽车空调系统的结构大大简化 ,同时保 证了发动机的冷却。现有汽车空调的制冷系统如图 5 所示 ,由压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器、干燥过 滤器组成。采暖系统如图 6 所示 ,由发动机、热水 阀、暖风用热交换器和水泵组成。汽车发动机的冷 却水系统由图 6 中发动机、散热器用节温器、散热器 和水泵组成。很显然 ,汽车空调用单效溴化锂吸收 式冷热水机组系统是非常简单、紧凑的。 图 4 　汽车空调用单效溴化锂吸收式冷热水机组系统原理简图 图 5 　汽车空调制冷系统工作简图 2. 3 　汽车发动机提供的余热 以夏利轿车为例来说明 ,其发动机的最大功率 是 38kW[11 ] ,假设单效溴化锂吸收式冷热水机组的 热力系数为 0. 60 ,则夏利轿车发动机汽缸能提供的 有效余热为 : Qy = (NΠηe )ηwCOP 图 6 　余热水暖式暖风装置图 式中 :Qy 是有效余热 ;N 是汽车发动机的功率 ; ηe 发动机的有效功率 ;ηw 汽车发动机冷却水所带走 的热量占燃料发热量比例 ;COP 是溴化锂吸收式冷 热水机组的热力系数。则有 Qy = 38 ÷0. 4 ×30 % ×0. 6 = 17. 10kW 而溴化锂吸收式冷热水机组中发生器热负荷的 为 : Qg = Q0ΠCOP 式中 :Qg 是发生器的热负荷 ;Q0 汽车的制冷量。 若取夏利轿车的冷负荷为 4kW[12 ] ,则 Qg = 4 ÷0. 60 = 6. 67kW 显然 ,发动机提供的有效余热足以满足汽车空 调的冷负荷。 2. 4 　压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 2. 4. 1 　工况条件 根据上海市的气象资料确定轿车空调的工况条 件 ,室外温度 t0 = 35 ℃、室内温度 ti = 27 ℃、轿车正常 行驶速度 We = 40kmΠh ,发动机冷却液的温度 th = 120 ℃。 2. 4. 2 　计算参数 2. 4. 2. 1 　现有轿车空调系统 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 tc1 = 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 ℃。 2. 4. 2. 2 　轿车空调用单效溴化锂吸收式冷热水机 组系统 —42— 《制冷学报》2004 年第 1 期 单效溴化锂吸收式制冷循环 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 可用溴化锂溶 液 h -ξ图 (见图 7)来说明 : 7 　h -ξ图上的单效溴化锂吸收式制冷循环 　　将溴化锂溶液 h -ξ图上各状态点的参数值列 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf (见表 1)如下 : 2. 4. 3 　计算结果及比较 以夏利轿车为例 ,估算其制冷量为 Qo = 4kW。 将现有轿车空调系统的传热计算和轿车空调用单效 溴化锂吸收式冷热水机组系统的传热计算的计算结 果列表 (见表 2) 。从表 2 可以看出 ,轿车空调用单 效溴化锂吸收式冷热水机组系统比现有轿车空调系 统的面积略小 ,若再考虑到现有轿车空调系统中的 压缩机 ,则轿车空调用单效溴化锂吸收式冷热水机 组系统的体积比现有轿车空调系统的体积小。 2. 5 　汽车空调用单效溴化锂吸收式冷热水机组具 有如下优点 (1)节能 :现有的汽车空调系统要消耗大量的发 动机功率 ,而用单效溴化锂吸收式冷热水机组作为 汽车空调时 ,它利用发动机汽缸的余热来驱动吸收 式制冷装置 ,不消耗发动机的有效功率 ,在夏天可节 油高达 15 %～20 %[13、14 ] 。 (2)结构简单 :用一个单效溴化锂吸收式冷热水 机组系统可以替代现有汽车空调的采暖系统、制冷 系统及汽车发动机冷却水系统 ,结构简单、紧凑。 表 1 　各状态点参数表 序号 名称 状态 点号 温度 ( ℃) 压力(kPa) [mmHg] 质量分数 ( %) 比焓值 (kJΠkg) 1 蒸发器中冷剂水 1 5 0. 87[6. 54 ] 0 439. 74 2 蒸发器中冷剂蒸汽 1′ 5 0. 87[6. 54 ] 0 2928. 67 3 吸收器出口稀溶液 2 45 0. 8[6. 0 ] 59. 5 273. 79 4 冷凝器中冷剂水 3 48 11. 4[83. 7 ] 0 622. 82 5 冷凝器中冷剂蒸汽 3′ 96 11. 4[83. 7 ] 0 2997. 06 6 发生器出口浓溶液 4 101 11. 4[83. 7 ] 63 405 7 发生器中开始沸腾溶液 5 90. 9 11. 4[83. 7 ] 59. 5 377. 10 8 吸收器进口浓溶液 6 54 0. 8[6 ] 63 9 溶液热交换器出口稀溶液 7 59. 5 360. 01 10 溶液热交换器出口浓溶液 8 60 63 313. 66 11 吸收器中喷淋溶液 9 48. 5 61. 24 293. 61 　　(3)环保 :汽车空调用单效溴化锂吸收式冷热水 机组利用汽车发动机汽缸余热进行驱动 ,节油 ,从而 减少了排放 ,而且该系统以水作为制冷剂 ,无毒、无 臭 ,对环境无污染。 (4)运行安全无振动、运行平稳、噪音低 :机组主 要是热交换器 ,除溶液泵外 ,无其它运转部件 ,故无 振动 ,噪音比现有的汽车空调制冷机小得多。 (5)操作简便 :冷量可在 30 %～100 %的范围内 —52— 《制冷学报》2004 年第 1 期 自动调节 ,运行中需调部件少 ,便于实现自动化运 行。 表 2 　传热计算结果 　(m2 ) 换热器名称 现有轿车空调 系统及发动机 冷却水系统 轿车空调用单效 溴化锂吸收式冷 热水机组系统 冷凝器 8. 18 蒸发器 5. 49 6. 18 暖风用热交换器 3. 42 发动机的散热器 14. 48 空冷器 12. 20 吸收器 10. 54 发生器 溶液热交换器 0. 2987 合计 31. 86 29. 22 3 　结论 综上所述 ,单效溴化锂吸收式冷热水机组在汽 车空调系统中的运用是可行的。它不但可以小型 化[15～17 ] ,而且结合汽车空调本身的结构特点及汽车 发动机冷却水系统的特点 ,可用一个简单的单效溴 化锂吸收式制冷系统代替现有汽车空调系统和发动 机冷却水系统 ,结构简单 ;由于它利用汽车发动机汽 缸余热作为驱动热源 ,从而汽车发动机的耗油量大 大减少 ,提高了汽车的动力性 ,同时 ,汽车发动机排 放降低 ,减少了对环境的污染 ,加之单效溴化锂吸收 式冷热水机组所具有的上述优点 ,应该说 ,开发汽车 空调用单效溴化锂吸收式冷热水机组具有重大的经 济意义和社会效益。 参考文献 1 　刘扬娟. 轿车空调压缩机的选型探讨. 压缩技术 ,1990 (2) :37～42 2 　杨培毅. 汽车余热空调的研究现状.流体工程 ,21(6) :54～59 3 　ANDREW D. 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