机动车尾气废热应用于汽车的可行性分析.doc

机动车尾气废热应用于汽车的可行性分析
华南农业大学 甘厚淼
简介： 本文主要是对以汽车尾气废热为驱动的吸收式及吸附式制冷方式应用于汽车空调做可行性研究。通过对实际厂家的调研，得到各类汽车具体型号发动机的尾气排量及排放温度。通过各类汽车的冷负荷计算，以及可回收的尾气废热量计算，选择出适合用吸收式和吸附式制冷方式做汽车空调的汽车类型，并对两种制冷方式应用于汽车作可行性分析。

关键字：吸收式制冷 吸附式制冷 尾气废热
一、前言
　　我国自1978年实行改革开放政策以后，汽车工业开始快速发展，1985年国家确定把汽车工业作为重点支柱产业。近年来，中国汽车销售特别是轿车销售更是出现了创记录的高速增长，到2000年空调车产量达到88万辆，总保有量为485万量。同时，巨大的汽车尾气排放量意味着巨大的能量浪费，因为汽车排放的尾气温度最高可以达到600℃～700℃，因此排入大气中的尾气废热十分的惊人。如何回收汽车尾气中的巨大能量是一个十分值得研究的课题。
　　目前，汽车的空调都是使用汽车发动机或者辅助发动机作为动力的蒸汽压缩式制冷系统，这种方式存在以下几个方面的问题：
　　1、由于把发动机的部分动力用于空调压缩机，使的油耗平均增加16％～20％。
　　2、由于发动机的部分动力用于了压缩机，使的发动机输出功率减少10％～12％，因而造成动力源的配置方面的一些问题，在一些小排量汽车中尤为明显。
　　3、汽车空调的工质对环境的破坏。早期汽车空调的工质常用CFC12，这种工质不仅会破坏臭氧层，而且能引起温室效应，根据《关于破坏臭氧层物质的蒙特利尔协议》已经逐步减少和禁止其使用。其替代产品HFC134a也是一种能导致温室效应气体，且价格比CFC12贵3～5倍，在全球变暖的威胁下，其使用范围在未来必将受到限制。[1]
　　根据以上分析，如果能利用废热作为动力进行汽车空调制冷，具有十分积极的作用。新型汽车空调的应用不仅可以降低排入大气中的尾气温度，避免现有汽车制冷剂泄露引起的温室效应以及对臭氧层的破坏，对环境起到更有效地保护作用，而且可以大大节约汽车的能耗，避免了小排量汽车由于开汽车空调而出现的动力不足等问题。目前废热回收型的制冷方法一般有吸附式制冷和吸收式制冷两种方法。
　　究竟那些汽车的废热可以满足相应汽车的空调负荷，吸收式制冷与吸附式是否适合应用于汽车，下面作进一步的分析。
二、汽车尾气数据的调查
　　为了解以尾气做驱动的吸收式及吸附式制冷机组能否满足各类不同汽车驾驶室内的冷负荷，笔者主要对国内一些较大的汽车厂及发动机厂的一些主要型号发动机的数据进行调查，得到了其排气温度以及排气量，以便下一步计算。具体汽车厂家如下：
　　1、南京跃进汽车总厂：Sof8140-2、Nj4105QZL、Nj4105Q 、Sofim8140-43型号的发动机
　　2、徐州重型机械厂：康明斯6BT5.9—C152、康明斯6BT5.9—C174型发动机、康明斯6BT5.9—C135型发动机等发动机
　　3、无锡柴油机厂： 6110/225 ZLA等各类发动机
　　调研数据见下表
表2-1 重型机械设备排气温度及排量
工作状况
排汽温度(℃)
排气量(m3/s)
怠速
450
0.1～0.138
满负荷
550～650
0.4～0.55
　　表中的重型设备以徐州重型机械厂康明斯6BT5.9—C174等型号的发动机为依据。
表2-2 重型卡车排气温度及排量
作状况
排汽温度(℃)
排气量(m3/s)
怠速
450
0.065～0.09
满负荷
550
0.25～0.35
　　表中的重型卡车以无锡柴油机厂6110/225 ZLA等发动机为依据。
表2-3 轻中型客车排气温度及排量
工作状况
排汽温度(℃)
排气量(m3/s)
怠速
400
0.017～0.024
满负荷
530～580
0.12～0.15
　　表中轻中型客车以南京跃进汽车总厂Nj4105QZL型等发动机为依据
三、各类机动车尾气废热利用的可行性分析 3.1、汽车驾驶室冷负荷的计算方法
　　和建筑物一样，汽车负荷也可分为汽车维护结构传热负荷、车窗玻璃太阳辐射负荷、新风负荷、人员冷负荷、设备照明负荷以及发动机传热负荷等。
3.1.1 汽车维护结构传热负荷
　　与建筑物相比，汽车结构复杂，属于移动物体，因而汽车空调负荷计算的非确定性因素较多。当车外空气温度、太阳辐射强度以及汽车车速变化的时候，汽车的空调负荷也随之变化。这种汽车空调动态负荷的计算较为复杂。为了简便计算，一般可采用稳定传热方法来计算汽车车厢维护结构传热负荷，稳定传热方法忽略了车体外空气温度变化且没有区分得热量以及冷负荷的概念，因此计算的结果只是近似的。[2]
　　维护结构稳定传热热流量计算公式
　　Q1=KF(tc－tn)
　　式中 K——维护结构的传热系数，W/㎡. ℃
　　　　 F——汽车的表面积，㎡
　　　　 tn——汽车室内温度，℃
　　当用于汽车车顶及侧壁计算时候tc为室外综合空气温度
　　当用于车体玻璃窗传热计算时候tc为计算工况下室外大气温度。
　　车身传热系数K值随车身结构不同及车速不同而变化，一般可以采用经验数据或在一定条件下的实验值。如目前对轿车中普遍采用的外板内衬结构的车壁
　　v=0(km/h)， k=2.0(实验值)， k=2.2(公式值)
　　v=40(km/h)， k=2.9(实验值)， k=3.3(公式值)
　　车窗太阳透射的投射热量为：
　　Q2=Jc×Cb×F
　　式中 Jc——车窗太阳辐射的透射热量，W/㎡. ℃
　　　 　Cb——车窗玻璃的修正系数，当为3㎜厚的标准玻璃时取1
　　　 　F——车窗面积，㎡
3.1.2、新风负荷
　　按照人体卫生要求，每人所需的新风量为20～40 m3/h.人，不过新风量越大意味着空调制冷装置负荷越大，因此新风量可以降低到10 m3/h.人。
　　同时，汽车在行驶时由于车体密闭不严而导致空气由车体外进入车内，大型汽车的漏风量比小型汽车的漏风量大很多，必须对此部分风量加以计算。
　　新风负荷计算如下：
　　Q3=ρN(I2－I1)
　　式中 ρ——空气密度，Kg/m3
　　　　 N——新风量（包括有组织送风和漏风），m3/s
　　　　 I2——室外空气的焓值，Kj/Kg. ℃
　　　　 I1——室内空气的焓值，Kj/Kg. ℃
　　漏风量计算公式为：
　　L=NV
　　式中 N——漏气倍数，次/h，
　　　　 V——车厢容积，m3
　　漏气倍数可以我国机械行业标准(JB2320—1984)选取。
3.1.3、发动机室传热
　　发动机工作时候排出大量的热量，发动机工作室温度高达60℃，与车厢内的温差可达34℃。这一温差传热可按多层传热公式计算。
3.1.4、设备及照明热
　　Q4= (0.6～0.75)QL
　　式中 QL—设备照明得热，W
3.1.5、人员负荷
　　汽车内人员负荷的计算同建筑物内人员负荷计算。
3.1.6、各类汽车的负荷计算
　　以海口，韶关，桂林武汉四个城市(北纬25～30)的平均值为例：
　　取汽车的室内空气状态点为：tn=26℃，＝50﹪，I1=60 kj/kg.℃
　　室外空气状态点为：tw=35℃，＝60﹪，I2=102 kj/kg.℃
　　按表2-1、2-2、2-3的调研数据，分别对调研得到的各类型发动机的汽车做负荷计算，结果见表3-1
表3-1 各类汽车驾驶室的冷负荷
车型
重型货车
重型机械设备
轻型客车
冷负荷（KW）
4.1
4.8
16.1
3.2 不同汽车利用尾气废热进行吸收与吸附式制冷的可行性分析
　　吸收式制冷与吸附式制冷都可以利用汽车尾气废热进行制冷循环，废热的回收利用意味着汽车尾气的温度将从较高的温度降低到较低的温度。下面的计算就是为了知道各类汽车为了满足其室内冷负荷，需要的尾气温度降。通过计算的温度降便可知道各类汽车的尾气废热能否满足室内的冷负荷。
　　△T=Q/[(C·ρ·V)×ε]
　　式中 △T——尾气的温度降，℃
　　　　　Q——汽车的冷负荷，KW
　　　　　ρ——尾气密度，Kg/m3。
　　　　　V——尾气体积流量，m3/s
　　　　　C——汽车尾气比热，KJ/Kg·℃
　　　　　ε——吸收式和吸附式制冷机的COP，取0.3
　　汽车尾气是属于雾状的气体，其成分主要为一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物，另外还有一些其它杂质。在400～500℃时，其密度与室外空气差别不大，因而在估算的情况下，其比热与密度都取空气在常温下的值，计算结果见表3-2。
表3-2 各类汽车尾气的温度降

重型货车(2座)
重型机械设备(2座)
轻中型客车(20座)
驾驶室冷负荷（KW）
4.1
4.8
16.1
怠速下尾气温降（℃）
259
198
2200
满负荷下尾气温降（℃）
65
60
450
　　通过上述计算可以看出：
　　在重型货车以及重型机械设备中利用发动机尾气废热进行吸收式制冷与吸附式制冷是可以满足室内空调负荷的，这是由于重型货车以及重型机械设备的驾驶室较小，发动机的废气排放量大，单单利用废热回收的吸收式或吸附式制冷设备的制冷量便可以满足室内冷负荷的需求。
　　轻中型客车中为满足室内负荷所需要的尾气温度降很大，而在实际客车中不可能达到这么大的温降，因此单单利用发动机尾气废热进行吸收式与吸附式制冷无法满足室内负荷，必须加以辅助设备。这是由于轻中型客车车内人员较多，体积大，车辆的冷负荷相对较大。
　　因此在重型货车以及重型机械设备中进行利用发动机尾气废热进行制冷的吸收和吸附式制冷是有意义的。
四、吸收式制冷和吸附式制冷设备在汽车中的实际应用分析
　　虽然吸收式制冷和吸附式制冷都能利用汽车尾气废热进行制冷，与原有的制冷方式相比也有很多优越性，不过由于两种方式各自存在的一些局限性，如要应用于汽车还需要进行很多改进，以下就两种制冷方式应用于汽车进行可行性分析。
　　吸收式制冷
　　吸收式制冷是利用吸收器中的稀溶液吸收来自蒸发器的制冷剂气体，在发生器中通过高温加热浓溶液，使制冷剂蒸发至冷凝器的一种循环制冷方式。吸收式制冷可以利用废热做发生器的加热源，其单级系统的效率可以达到0.5左右，较吸附式制冷的效率高，同时制冷剂也是环保的。但目前要应用于汽车还需要解决以下一些问题
　　1、由于吸收器与发生器中都是溶液，因此在汽车行驶在颠簸的路面中就容易液面倾斜导致无法正常工作。
　　2、设备体积较大，要想应用于汽车中，必须降低设备体积。
　　由此我们可以看到，吸收式制冷在目前还存在设备复杂，不适合颠簸的道路等众多问题。
　　吸附式制冷
　　吸附式制冷是利用某些固体（吸附剂）能在低温下吸附气体（吸附质），而在高温下能解吸的特点，以热能为动力的制冷装置。与吸收式制冷相比，它适合应用于颠簸的路面上。在理论上固体吸附式制冷是一种很有前途和发展潜力的新型制冷方式，在汽车空调的应用中倍受青睐，其优点有：
　　1、 吸附式系统运动部件少，可靠性高，并且可利用在振动的场合。
　　2、 吸附式系统可以用较高温度的热源加热，因此高温的汽车尾气废热比较适合应用其中。同时吸附式制冷系统采用废热作为动力，可以大大节约费用。
　　3、 吸附式制冷系统一般采用活性碳—甲醇、硅胶—水、金属氢化物—氢等工质对，有利于环保。[3]
　　目前应用于汽车，还存在以下一些问题：
　　1、 由于吸附床的传热效率较低，导致单位吸附剂的制冷功率小，造成初投资大。
　　2、 设备的体积大，要应用于汽车，必须使之微型化。
五、总结
　　通过对各类汽车发动机尾气数据的调研、计算，证明了吸收和吸附式制设备应用于重型卡车及重型设备可以满足其驾驶室的制冷量要求，用于客车还需要辅助制冷设备。
　　吸收和吸附式制冷都能利用汽车尾气余热驱动进行制冷，不降低汽车动力。同时两者的使用工质都不污染环境，符合当前能源、环境协调发展的总趋势，尤其现在国内紧张的能源危机和环保问题，使得两者越来越受到关注。相比之下，吸附式制冷由于其具有系统结构简单、运行费用低、无噪音、无运动部件，可靠性高，适合用于各种颠簸的环境等优点，更加适合应用于汽车空调中。而吸收式制冷由于其中的发生器与吸收器不太适合应用于颠簸的环境，在汽车空调中的使用就受到了一定的限制。只要对目前两者存在的一些问题加以解决，吸收和吸附式制冷设备在汽车中将有广泛的应用前景。
参考文献
　　1.曹磊 .全球十大环境问题.环境科学，1995，16（4）：86～89
　　2.徐湘波 .建筑物及汽车空调负荷. 国防科技大学出版社，1996
　　3.Meunierf, Doussn .Performance of adsorption heat pumps: active carbon-methanol and zeolite-water pairs. ASHRAE Trans, 1990:2，67～74