汽油機余熱回收的蒸發(fā)器設(shè)計

張 偉，李廣華

（常熟理工學(xué)院 汽車工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

現(xiàn)代汽車在給我們的生活提供極大便利的同時，也在飛速消耗地球上億萬年來儲存的石油能源.如果以目前的速度使用石油，地球上已探測到的石油只夠支持36～40年，所以能源問題迫在眉睫.內(nèi)燃機所消耗的石油總量大約占了我國消耗石油總量的60%，所以提高內(nèi)燃機的熱效率對我國節(jié)約石油具有重大意義［1］.經(jīng)研究，被廢氣帶走所浪費掉的能量占汽油機燃燒產(chǎn)生總能量的40%～45%［2-3］，所以對發(fā)動機尾氣進行余熱回收對提高內(nèi)燃機熱效率很有意義.基于朗肯循環(huán)運作的發(fā)動機尾氣余熱回收系統(tǒng)是目前尾氣余熱回收研究熱點之一，該系統(tǒng)主要包括4個重要部分——蒸發(fā)器、膨脹機、冷凝器、工質(zhì)泵［3］.其工作過程為：尾氣從發(fā)動機排出，進入蒸發(fā)器，將余熱傳遞給蒸發(fā)器內(nèi)的高壓工質(zhì)，使其蒸發(fā)形成高壓蒸汽，高壓蒸汽進入膨脹機做功，膨脹機將高壓蒸汽的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動能而后用于發(fā)電或其他用途.在膨脹機做功后的蒸汽壓力和溫度都已大大降低，此時將其加入水箱，使之冷凝為液態(tài)，再通過工質(zhì)泵加壓形成高壓工質(zhì)，用以參與下一循環(huán).蒸發(fā)器是該系統(tǒng)的發(fā)動機尾氣熱量回收的關(guān)鍵部件之一，基于此，本文依據(jù)朗肯循環(huán)的尾氣余熱回收系統(tǒng)工作原理及工作條件對蒸發(fā)器進行設(shè)計開發(fā).

1 蒸發(fā)器設(shè)計

本設(shè)計主要對2.0DCVVT發(fā)動機尾氣余熱進行計算，設(shè)計得到管殼式尾氣余熱回收蒸發(fā)器，使其滿足能將定壓3 MPa下的水從80 ℃加熱到534.44 ℃成為過熱蒸汽的要求.

1.1 熱平衡計算

汽油機以額定轉(zhuǎn)速6 300 r/min工作時，尾氣排出溫度為630 ℃，設(shè)定在蒸發(fā)器出口尾氣溫度為400 ℃時，蒸發(fā)器內(nèi)吸熱量經(jīng)計算為Q=33 455 W，這些熱量足夠?qū)①|(zhì)量流量為M=10.4 g/s的水加熱到滿足要求.因為水在成為過熱蒸汽過程中存在相變，所以換熱過程可分為3段：預(yù)熱段、蒸發(fā)段和過熱段，這3段水和尾氣的起止溫度如表1所示，平均溫差應(yīng)分為3段計算，結(jié)果見表2.

1.2 結(jié)構(gòu)計算

確定水進出口溫度以及質(zhì)量流量之后，可以著手蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，蒸發(fā)器所需傳熱面積F為

其中K為初始傳熱系數(shù)，單位W/（m2·℃），K的估選應(yīng)與蒸發(fā)器的種類、冷熱工質(zhì)的種類相關(guān)，初選K=370；△tm為平均溫差.

（1）管程設(shè)計

表3 管束布置參數(shù)

為了使管子足夠穩(wěn)定安全且便于清洗，所以選擇如圖1所示的橫向4排，縱向3排的正方形排列.

圖 1 管束與管板排列

（2）殼程設(shè)計

表4 折流板參數(shù)

2 蒸發(fā)器阻力校核

2.1 管程阻力計算

管殼式換熱器管程的總阻力包括3部分阻力：回彎阻力、進出口連接管的阻力和沿程阻力，計算結(jié)果見表5.

表5 管程阻力計算（Pa）

總阻力△pt＜50000 Pa，管程阻力符合要求.

2.2 殼程阻力計算

殼程阻力包括理想管束錯流段阻力和理想管束缺口處阻力，計算結(jié)果見表6.

表 6 殼程阻力計算（Pa）

總阻力△ps＜50000 Pa，殼程阻力符合要求.

3 結(jié)論

目前，世界各國對換熱器技術(shù)的研究愈加成熟，使得蒸發(fā)器的工作效率越來越高，應(yīng)用范圍也囊括多個領(lǐng)域.本文設(shè)計的蒸發(fā)器通過校核，能滿足實際工作需求，對工程應(yīng)用具有一定的現(xiàn)實意義.