大中小型車尾氣余熱利用技術(shù)的探討★

付 暢， 章伊寧， 吳亦楓

（嘉興學(xué)院， 浙江 嘉興 314001）

引言

目前尾氣余熱的利用有兩大主要方向，即制冷供暖和溫差發(fā)電。

關(guān)于制冷供暖方面，目前國內(nèi)車發(fā)動(dòng)機(jī)大多數(shù)是汽油機(jī)、柴油機(jī)等。發(fā)動(dòng)機(jī)效率低于40%，排放的尾氣含有一大部分未使用的熱能，極大導(dǎo)致能源浪費(fèi)和環(huán)境污染。而隨著人們對(duì)生活環(huán)境品質(zhì)的要求逐漸提高，車輛內(nèi)的熱環(huán)境極大影響人體的舒適程度。同時(shí)利用發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的熱量調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度是一種節(jié)能和環(huán)保的發(fā)展方向。車輛尾氣內(nèi)所含熱能占比大，因此利用尾氣余熱制冷供暖的發(fā)展前景非常好。

在利用尾氣余熱進(jìn)行溫差發(fā)電方面，國內(nèi)開始發(fā)展中低溫溫差發(fā)電，而隨著熱電材料的發(fā)展和進(jìn)步，利用汽車尾氣余熱的溫差發(fā)電技術(shù)的也是勢(shì)不可擋。利用尾氣余熱發(fā)電可用于車輛的用電設(shè)備。國內(nèi)一些高校已經(jīng)出現(xiàn)利用中低溫溫差發(fā)電的實(shí)驗(yàn)裝置，由此可見利用尾氣余熱發(fā)電是一種具有科技性、可行性的發(fā)展方向[1]。

1 小型汽車尾氣余熱利用

1.1 制冷供暖

目前利用汽車尾氣余熱驅(qū)動(dòng)制冷主要有三種[2]。

第一種是吸收式制冷循環(huán)，它利用汽車尾氣作為熱源，如圖1 所示，首先加熱發(fā)生器蒸發(fā)出制冷劑，再由冷凝器冷凝和節(jié)流閥降至蒸發(fā)壓力，再進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行制冷，形成一個(gè)循環(huán)。優(yōu)點(diǎn)是由于吸收劑使用水或氨，不會(huì)污染環(huán)境。而且利用熱原理，沒有原動(dòng)力，機(jī)器結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固、安全性高。但是缺點(diǎn)就是以水為冷媒，無法獲得低溫。由于水結(jié)冰點(diǎn)為0 ℃。因此操作需要謹(jǐn)慎，需要系統(tǒng)能及時(shí)監(jiān)控溫度，調(diào)節(jié)整個(gè)循環(huán)。

圖1 汽車尾氣余熱驅(qū)動(dòng)的吸收式制冷裝置

第二種是噴射式制冷，它是靠液體汽化制冷，過程同制冷循環(huán)相似，先蒸發(fā)制冷劑，然后擴(kuò)壓進(jìn)入冷凝器，一部分冷凝的制冷劑繼續(xù)通過節(jié)流閥，另一部分鎮(zhèn)壓回到加熱器，形成整個(gè)制冷循環(huán)。它的優(yōu)點(diǎn)是以熱能為補(bǔ)償能量形式，并且由于其結(jié)構(gòu)較簡單、使用壽命長，故具有一定的使用價(jià)值。但噴射式制冷設(shè)備較大，而且需要較大壓力，同時(shí)流動(dòng)損失大，因此效率低。而溴化鋰制冷法作為一種最常見的吸收式制冷方法，已經(jīng)開始取代該種噴射式制冷。

第三種是驅(qū)動(dòng)金屬氫化物制冷，利用金屬氫化物化學(xué)性質(zhì)，通過釋放大量氫氣吸收熱量來實(shí)現(xiàn)制冷。金屬氫化物是環(huán)保型材料，而且它的適用溫度范圍廣，既高效又節(jié)能。國外已經(jīng)具有許多實(shí)驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)高效制冷。因此第三種制冷方法前景非常好[2-3]。

在供暖方面，國內(nèi)已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)很多設(shè)備，按熱源及型式的不同大致分為兩種，即溫水式和排氣式暖氣裝置。

溫水式暖氣裝置以發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水為熱源，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)。但冬天升溫很慢，而且受車運(yùn)行情況影響較大。排氣式暖氣裝置以發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱為熱源，其優(yōu)點(diǎn)為熱負(fù)荷大，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)龐大、復(fù)雜，同時(shí)存在煙氣泄漏造成乘客受傷的的風(fēng)險(xiǎn)，因此難以被汽車使用。目前國內(nèi)利用尾氣余熱獨(dú)立制暖方面發(fā)展尚不成熟。

1.2 溫差發(fā)電

目前國內(nèi)利用尾氣余熱溫差發(fā)電的技術(shù)較落后，仍舊需要大力發(fā)展。主要研究成果大多來自于大學(xué)教授和學(xué)生。2007 年，吉林大學(xué)劉洪陽、劉萬釗等，提出了一種集熱器為管狀結(jié)構(gòu)，其壁面為熱電轉(zhuǎn)換器主體，外層設(shè)有低溫冷卻端，內(nèi)壁設(shè)有高溫吸熱端的發(fā)電裝置。2014 年北京交通大學(xué)徐剛對(duì)溫差發(fā)電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，作為后續(xù)仿真研究的基礎(chǔ)。2017 年天津大學(xué)孟林等基于預(yù)熱器回收膨脹后高溫乏汽對(duì)冷工質(zhì)進(jìn)行預(yù)熱，優(yōu)化設(shè)計(jì)了小型車載ORC 余熱發(fā)電系統(tǒng)[4]。2018 年候東光研究了熱源溫度、電壓等條件對(duì)發(fā)電效率的影響，提出散熱扇的最佳工作點(diǎn)[5]。

2 大中型客車尾氣余熱利用

目前，關(guān)于尾氣余熱制冷方面，主要是利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱驅(qū)動(dòng)溴化鋰制冷[6]。

潘瑩等提出了的溴化鋰吸收式制冷裝置，該裝置中，設(shè)備儀器均獨(dú)立安裝在車廂底板下且位于同一平面內(nèi)，合理利用車內(nèi)有限空間，極大縮小了整個(gè)裝置的所占空間。安明華等在發(fā)生器之前增設(shè)了一種燃油液體加熱裝置，來解決當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速又或者在較小工況下工作時(shí)，會(huì)造成尾氣中的余熱不足而無法滿足制冷需求問題[7]。

關(guān)于尾氣余熱采暖方面，分為直熱式和間接換熱式。

第一種是直熱式，直熱式就是直接利用發(fā)熱管或電阻絲加熱，升溫速度較快，但風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)大，容易導(dǎo)致人表面燙傷、發(fā)生氣體泄漏導(dǎo)致中毒等。

第二種是間接換熱式，它多用板式換熱，發(fā)熱效率高且占地面積較小。

近年來逐漸出現(xiàn)了熱管余熱式采暖裝置，提高了換熱效率。目前國內(nèi)利用大中型車的尾氣余熱來供暖的技術(shù)正在逐步發(fā)展。

3 展望

目前，各種廢熱利用技術(shù)尚存在缺點(diǎn)，國內(nèi)提出的尾氣余熱制冷供暖裝置仍不成熟，需完善實(shí)驗(yàn)和改良設(shè)計(jì)。同時(shí)國內(nèi)在獨(dú)立供暖方面仍需繼續(xù)努力發(fā)展，利用尾氣制冷供暖的效率依然較低。

溫差發(fā)電方面，國內(nèi)在高溫差方面技術(shù)突出，但在中低溫方面技術(shù)較落后。應(yīng)需重視熱電模塊的優(yōu)化以及換熱效率提高，通過改變結(jié)構(gòu)和更換熱電材料來提升中低溫溫差發(fā)電技術(shù)，同時(shí)需要對(duì)溫差發(fā)電裝置的使用場合進(jìn)行深入研究，提出適應(yīng)性的設(shè)計(jì)[6]。