汽車尾氣熱能回收系統(tǒng)建模仿真分析

徐維錚 張水林 鄭衛(wèi)剛

(武漢理工大學交通學院， 湖北 武漢 430063)

汽車尾氣熱能回收系統(tǒng)建模仿真分析

徐維錚 張水林 鄭衛(wèi)剛

(武漢理工大學交通學院， 湖北 武漢 430063)

介紹了一種汽車尾氣熱能回收系統(tǒng)，利用Solidworks進行了建模仿真分析，并利用 Fluent軟件對汽車尾氣管出口處的速度場、壓力場和溫度場進行了定性的仿真分析。

汽車尾氣； 余熱； 斜盤式斯特林發(fā)動機； Solidworks仿真； Fluent仿真

0 前言

汽車工業(yè)是我國工業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)之一。中國汽車保有量不斷增長，從2009年的6 280萬輛增至2011年的10 578萬輛，消耗的燃油約占國內(nèi)汽油總消耗量的80%以上，占柴油總消耗量的40%以上。到 2020 年中國汽車保有量預計超過2億輛，總?cè)加拖牧扛鼘⑸仙?.2～4億t。隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，高功率、大排量的發(fā)動機層出不窮，車輛油耗不斷上升，節(jié)能減排在發(fā)動機設計中日益受到重視。目前發(fā)動機熱回收技術(shù)主要有廢氣渦輪增壓、后接動力循環(huán)做功、余熱溫差發(fā)電、余熱制冷或取暖等。本文介紹的一種汽車尾氣熱能回收系統(tǒng)對于節(jié)能和環(huán)境保護具有一定的實際意義。

1 汽車燃油能量消耗分布

現(xiàn)有的汽車多采用內(nèi)燃機作動力，其工作時排出的氣體攜帶大量熱能。根據(jù)日產(chǎn)公司技術(shù)人員的研究，汽油燃燒產(chǎn)生的能量中最多僅有30%的能量轉(zhuǎn)化為機械能，其中還有約5%的能量在摩擦和傳動中被消耗，最后只有約25%的能量轉(zhuǎn)化為驅(qū)動汽車行駛的動力。剩下70%的能量通過尾氣排放等形式(30%的能量以散熱方式被消耗，剩下40%的能量隨尾氣排出)散失到大氣之中，詳見圖1。由于汽車發(fā)動機的排氣壓力大，溫度高，排氣溫度可達800 ℃左右，故可以利用尾氣余熱進行發(fā)電，并將電能儲存在車用蓄電池里。這樣既可以為車上照明設備提供電能，還可降低燃油的消耗，減少對環(huán)境的污染。

圖1 汽車燃油能量分布比例表

2 汽車尾氣管出口速度場和壓力場仿真分析

為了簡化分析模型，只計算排氣管尾段排氣管口處排出的氣體在大氣中的流場、壓力場和溫度場分布，為選擇熱管類型和布置熱管組做理論鋪墊。

2.1 模型尺寸

模型尺寸如圖2所示。

圖2 模型尺寸

2.2 網(wǎng)格的劃分

利用GAMBIT軟件建立模型，劃分網(wǎng)格，如圖3所示。由于汽車燃燒以后的尾氣成分和化學反應相當復雜，故不考慮尾氣的各成分。給定入口尾氣的溫度和速度，利用FLUENT軟件進行大氣空間的速度場、壓力場和溫度場的分析。邊界條件設置如下：

(1)入口邊界條件：汽車尾氣排放速度通常為0.15～1.5 m/s,這里取1 m/s,混合氣體初始溫度取為1 000 K。

(2)壁面邊界條件：排氣管尾段壁面速度為0 m/s。

(3)出口邊界條件：出口的壓強為標準大氣壓力(大氣空間的四個邊為邊界)。

圖3 網(wǎng)格劃分及邊界條件設定

圖4 速度場分布云圖

圖5 壓力場(相對壓強)分布云圖

圖6 溫度場分布云圖

分析速度場分布云圖(圖4)發(fā)現(xiàn)，排氣管口噴出尾氣的速度場沿軸線的大部分空間為中速區(qū)，沿徑向速度變化較慢，中心處平均速度約為最外緣速度的2～3倍，說明中間的熱管受到尾氣的沖擊遠大于外圈的熱管。圖5中壓力場沿尾氣管軸向衰減較慢，且中部的相對壓強是邊緣處的3～4倍。圖6中溫度沿軸向衰減較慢，中間大部分區(qū)域的溫度約是外緣溫度的1.5～2倍，所以中間區(qū)域的熱管的溫度較高?？傮w來說，尾氣的速度場、壓力場和溫度場的共同點是：

①沿軸向衰減較慢。

②呈現(xiàn)圓環(huán)形不均勻分布，中間大部分區(qū)域為高值區(qū)。

3 汽車尾氣余熱回收系統(tǒng)建模仿真

汽車尾氣余熱回收系統(tǒng)需解決以下問題：一是汽車尾氣余熱的品位較低，能量回收較困難；二是要求余熱回收裝置結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，效率高；三是余熱利用裝置要抗震動、抗沖擊，適應汽車運行環(huán)境；四是要保證汽車使用安全；五是要不影響發(fā)動機工作特性，避免降低發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性。因此本文采用高效率傳熱的熱管組和結(jié)構(gòu)緊湊的斜盤式斯特林發(fā)動機作為主要的熱能轉(zhuǎn)換裝置。

基于斯特林循環(huán)和熱管原理，提出如下汽車尾氣余熱回收系統(tǒng)，并通過建模仿真模擬回收的具體流程。整個系統(tǒng)可分為集熱系統(tǒng)、斜盤式斯特林發(fā)動機和傳動發(fā)電系統(tǒng)三個子系統(tǒng)。

3.1 余熱回收系統(tǒng)流程圖

余熱回收系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 回收系統(tǒng)流程圖

3.2 建模流程展示

建模流程如圖8～圖12所示。

圖8 排氣管

圖9 集熱系統(tǒng)

圖10 斜盤式斯特林發(fā)動機

圖11 傳動發(fā)電系統(tǒng)

圖12 整個系統(tǒng)圖

3.3 系統(tǒng)介紹

3.3.1 集熱系統(tǒng)

按照熱管管內(nèi)工作溫度區(qū)分，熱管可分為低溫熱管(-273～0 ℃)、常溫熱管(0～250 ℃)、中溫熱管(250～450 ℃)、高溫熱管(450～1 000 ℃)等。根據(jù)尾氣的溫度場分析以及分布規(guī)律研究，熱管采用星型圓環(huán)分布，中間分布的熱管選用高溫熱管，外緣分布的熱管選用中溫熱管，見圖13。

圖13 熱管組

為避免冷卻后尾氣在集熱罩內(nèi)大量聚集，在集熱罩的壁面上開對稱的通孔，讓冷卻后的廢氣及時從孔內(nèi)排出，防止排氣管速度回壓增大。通孔的布置和大小可以通過尾氣流量和壓強實驗測量計算。熱管組的另一端與圓環(huán)形散熱翅片相連，散熱翅片放在集熱箱中，通過熱管的導熱，集熱箱的壁面有保溫材料，見圖14。斜盤式斯特林發(fā)動機的加熱管被環(huán)形的散熱翅片包圍。這樣可以保證有足夠熱量使斜盤式斯特林發(fā)動機循環(huán)工作，見圖15。

圖14 集熱系統(tǒng)

圖15 集熱箱內(nèi)散熱翅片和斯特林連接圖

3.3.2 斜盤式斯特林發(fā)動機

斯特林循環(huán)基于卡諾循環(huán)原理，包含等溫膨脹、等容放熱、等溫壓縮和等容吸熱4個循環(huán)過程。斜盤傳動機構(gòu)在緊湊性、噪聲和傳動效率方面優(yōu)于菱形和曲柄傳動機構(gòu)。

假定理想循環(huán)，回熱器在等容放熱和等容吸熱兩個循環(huán)過程中吸熱與放熱量相等，則斯特林熱機在整個循環(huán)中向外界做功效率為：

(1)

式中：T1——熱腔溫度，℃；

T2——冷腔溫度，℃。

3.3.3 傳動發(fā)電系統(tǒng)

斜盤式斯特林發(fā)動機輸出軸通過聯(lián)軸器和三相交流發(fā)電機連接，輸出軸的旋轉(zhuǎn)帶動發(fā)電機發(fā)電，發(fā)電機和車用蓄電池連接，將電能儲存作為車上的照明用電，如圖16所示。

圖16 傳動發(fā)電系統(tǒng)

4 結(jié)束語

將汽車排氣余熱轉(zhuǎn)換為電能并用于汽車照明，不僅可減少燃油消耗，且在一定程度上節(jié)約能源。通過以上建模仿真分析，初步認為該余熱回收系統(tǒng)具備可行性。然而，該余熱回收系統(tǒng)仍然存在缺陷，如未對熱管組的吸熱效率進行計算，同時由于實驗條件的限制，未對汽車排氣管的流場、壓力場和溫度場進行實際測量研究。但總體來說，該系統(tǒng)可以作為一種汽車尾氣回收余熱的參考方案。

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Modeling-simulation Analysis of Heat Energy Recovery System of Automobile Exhaust Gas

XU Wei-zheng, ZHANG Shui-lin, ZHENG Wei-gang

A heat energy recovery system of automobile exhaust gas was introduced in this paper and the modeling-simulation analysis was performed with Solidworks. The qualitative simulation analysis of velocity field, pressure field and temperature field of automobile exhaust gas outlet was also performed with Fluent software.

automobile gas; exhaust heat; swash plate stirling engine; Solidwords simulation; Fluent simulation

2012-11-28

徐維錚(1991—)，男，江蘇連云港人，本科在讀，主要從事機械傳動的研究。

X734.2

A

1008-5122(2014)01-0046-04