普通客車尾氣余熱驅(qū)動式吸附制冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計探索

張寧

（遼寧建筑職業(yè)學院 遼寧遼陽 111000）

1 設(shè)計方案

1.1 制冷方式及工質(zhì)的選擇

本文設(shè)計出一套利用收集客車尾氣余熱進行驅(qū)動的加熱吸附式客車空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以活性炭—甲醇為工質(zhì)對（不污染環(huán)境），以客車尾氣余熱為制冷能量源（不影響動力），利用特定的固體吸附劑，能在低溫環(huán)境下吸附氣體［1-2］。

1.2 客車空調(diào)通風方式

本設(shè)計選擇自然通風作為客車空調(diào)通風方式。由于客車空間有限，以及天然冷源的利用受到限制，所以本設(shè)計為回風系統(tǒng)。

2 冷負荷計算參數(shù)

2.1 客車車型及相關(guān)參數(shù)

本設(shè)計所選用的車型為大型豪華客車，用于北京長途客運，見表1和表2，以下為客車相關(guān)參數(shù)［3-4］。

表1 客車主要參數(shù)

表2 MAN.D2866 型號發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

2.2 客車室內(nèi)、外參數(shù)

客車在路上行駛的過程中，運行狀態(tài)都在不斷地變化，意味著客車空調(diào)系統(tǒng)的工作環(huán)境也在不斷變化。北方城市的參考參數(shù)：夏季溫度35℃，相對濕度60%；冬季溫度-20℃，相對濕度45%?？蛙嚳照{(diào)的車內(nèi)參數(shù)對車內(nèi)溫度的舒適度具有直接影響，根據(jù)國內(nèi)國外的熱舒適性研究成果，以及中國人的冷熱習慣。

3 機動車尾氣廢熱利用的可行性分析

3.1 客車空調(diào)冷負荷的計算

客車空調(diào)室內(nèi)總的熱量冷負荷QT為：

式中，QT為總得熱量，單位為W；QB為通過車體圍護結(jié)構(gòu)傳入的熱量，單位為W；QG為通過門窗玻璃傳入的熱量，單位為W；QP為人體散發(fā)的熱量，單位為W；QA為室外空氣帶入熱量，單位為W；QE為發(fā)動機室傳入熱量，單位為W；QF為通風系統(tǒng)中傳入熱量，單位為W；QS為儀器、設(shè)備、照明熱，單位為W。

客車空調(diào)制冷量QO可按下式選?。?/p>

式中，QO為客車空調(diào)實際選用的制冷量，單位為W；QT為客車空調(diào)冷負荷，單位為W；k為修正系數(shù)，取k=1.05［5］。

3.1.1 客車維護結(jié)構(gòu)傳熱負荷QB

（1）車外空氣綜合溫度?？蛙囃獠客獗砻鎲挝幻娣e上得到的熱量為：

式中，αo為客車外表面與車外空氣的對流換熱系數(shù)，單位為W/（m2·K）；to為室外空氣計算溫度，單位為℃；tw為客車維護結(jié)構(gòu)外表面溫度，單位為℃；ρ為客車維護結(jié)構(gòu)外表面對太陽輻射的吸熱系數(shù)；I為客車維護結(jié)構(gòu)外表面接受的總的太陽輻射強度，單位為W/m2。

ΔR值可近似?。?/p>

夏季垂直面ΔR=0。

式中，v為客車與空氣的相對速度，單位為m/s。v一般參考用v=40km/h，則有：

（2）車身傳熱系數(shù)K的確定。空調(diào)客車的車體除門窗、玻璃外，一般由外板、隔熱層、內(nèi)飾板組成，K值計算如下：

式中，K為壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，單位為W/（m2·K）；F為傳熱面積，單位為m2；△t為室內(nèi)外傳熱溫差，單位為℃；傳熱系數(shù)K由下列公式確定：

式中，αo為客車車體的外表面與車外空氣的對流為車內(nèi)空氣的對流換熱系數(shù)，單位為W/（m2·K）；為構(gòu)成客車車身各層的導熱熱阻之和（δi為車身各層的厚度，λi為車身各層的導熱系數(shù)）［6］。

本客車內(nèi)空氣流速低于3m/s，αi可近似取為29W/（m2·K）。

在本設(shè)計中，車頂、車身的維護結(jié)構(gòu)相同。則有：

（3）通過車身維護結(jié)構(gòu)傳入熱量QB。車身維護結(jié)構(gòu)的各部分都是單獨的區(qū)域，各不相同，在具體計算時，需要按區(qū)域單獨計算。

式中，K頂、K側(cè)、K地為傳熱系數(shù)，單位為W/（m2·K）；F頂、F側(cè)、F地為車傳熱面積，單位為m2；tZ頂、tZ側(cè)、tZ地為車室外綜合空氣系數(shù)，單位為℃；ti為車室內(nèi)的空氣溫度，單位為℃。

①通過車頂傳入熱量Q頂。

②通過車身側(cè)面?zhèn)魅霟崃縌側(cè)。

式中，F(xiàn)裙部為客車裙部面積，單位為m2。③通過車地板傳入熱量Q地。

式中，ρ取0.5，I取134W/m2，則：

所以，QB=Q頂+Q側(cè)+Q地=605.88+596.39+477.7=1679.97W。

3.1.2 通風系統(tǒng)傳入的熱量QF

（1）風管漏入熱QF1?？諝庠诹魍ń?jīng)過風管的過程中，由于車內(nèi)外溫差的作用，會沿途吸收或放出熱量。

式中，P為風管截面積，單位為m2；L為風管長度，單位為m；t1、t2分別為該段風管前面和后面的空氣溫度，單位為℃；to為風管周圍的空氣溫度，單位為℃；K為風管傳熱系數(shù)，單位為W/（m2·K），且：

其中，αo為風管外對流放熱系數(shù)，單位為W/（m2·K）；αi為風管內(nèi)對流放熱系數(shù)，單位為W/（m2·K）。

（2）通風機動力熱QF2?？諝馔ㄟ^管道流動造成的流動損失，由風機補償，而通風機運行時所消耗的能量，又將以各種方式最后全部轉(zhuǎn)化為熱量，引起空氣升溫，因此，通風機動力熱QF2為：

式中，H為通風機全壓，單位為N/m2；V為通風機風量，單位為m3/s；η1為通風機全效率。

由于風管尚未布置，在本設(shè)計中，通風系統(tǒng)傳入的熱量QF取車室內(nèi)的顯熱負荷的5%QT。

3.1.3 發(fā)動機室傳入的熱量QE

發(fā)動機室傳入的熱量以主發(fā)動機室為主，而主發(fā)動機室置于車裙后部。發(fā)動機罩的左、右壁為鐵絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并且與車室外的大氣相通。就發(fā)動機罩頂壁與車室內(nèi)的地板相連。因此，發(fā)動機室傳入的熱量主要是發(fā)動機罩頂壁傳入的熱量。

式中，E1指主發(fā)動機，E2指輔助發(fā)動機，KE按多層平壁傳熱計算：

由于本設(shè)計為吸附式制冷系統(tǒng)，所以無需發(fā)動機，所以后項為零，即：

式中，αE為發(fā)動機側(cè)的壁面對流傳熱系數(shù)，單位為W/（m2·K），取51.2W/（m2·K）；αi為車室內(nèi)壁的對流放熱系數(shù)，單位為W/（m2·K）；為發(fā)動機室與車室之間的隔熱層導熱熱阻，單位為W/（m2·K）；tE為發(fā)動機室的空氣溫度，單位為℃，一般比室外空氣高20℃。

3.1.4 儀器、設(shè)備、照明產(chǎn)生的熱量QS

本設(shè)計中，儀器、設(shè)備、照明產(chǎn)生的熱量QS主要是電視、照明和其他一些電子設(shè)備等。由于負荷較小，可估取為：

3.1.5 人體散發(fā)的熱量QP

人體散熱的經(jīng)驗公式為：

式中，Qp 為車室中人體散熱量，單位為W；n為車室內(nèi)人員數(shù)；n′為群體系數(shù)，取n′=0.89；116 為成年男子散熱量，單位為W。

3.1.6 室外空氣帶入熱量QA

式中，QA為室外空氣帶入熱，單位為W；QA1為室外新風帶入熱，單位為W；QA2為漏入空氣帶入熱，單位為W。

（1）室外新風帶入熱QA1。

其中，G1為人體衛(wèi)生標準需要的空氣量，單位為m3/h。

其中，為按人體衛(wèi)生標準，GO以每人每小時需要的空氣量，單位為m3/h·人，取20m3/h·人［5］；n為乘員數(shù)。ρ為空氣密度，單位為kg/m3，取1.2kg/m3；ho為車室外空氣焓值，單位為kJ/kg，查焓濕圖得ho=90.0kJ/kg；hi為車室內(nèi)空氣焓值，單位為kJ/kg，查焓濕圖得hi=58.0kJ/kg。

（2）漏入空氣帶入熱QA2。漏入空氣量（泄露風量），通過門、車窗等縫隙處流入車體內(nèi)部。設(shè)漏風量為G2，車門縫隙長為S，則泄露風量帶入車內(nèi)的熱量QA2為：

式中，G2為總漏風量，單位為m3/h，且：

其中，Gn為根據(jù)車速變化和縫隙寬度而引起單位長度每小時泄露進入車室內(nèi)的空氣量，單位為m3/（h·m），取Gn=17m3/h·m；S為車門、車窗縫隙總長，取S=3m。

該客車最后兩側(cè)窗為半推拉式，其余為全封閉式夾層玻璃。因此，漏入空氣主要是由車門縫隙漏入的。

因此，客車空調(diào)的總得熱量為：

所以QT=23180.1W。

由式（2）得出，本系統(tǒng)所需要的制冷量為：QO=k·QT=23 180.1 × 1.05=24 339.1W ≈24kW。

3.2 客車尾氣余熱的可利用量計算

由表2發(fā)動機型號：D2866；功率：310hp；最小比油耗：200g/kW·h；排量：11.97L；排氣溫度：th=400℃。

3.2.1 燃燒1kg燃油所需的理論空氣量

1kg 燃油中C 占87%，H 占13%，還有少量的S、N等由于數(shù)量很少略去不計。故此燃燒1kg燃油所需的O2量為：

燃燒1kg燃油所需的空氣量為：

取MAN.D2866 型發(fā)動機的過量空氣系數(shù)a=1.5，則：

3.2.2 燃燒1kg燃油所產(chǎn)生的排煙的熱量

排煙的主要成分：CO2、H2O、O2、N2。

1kg燃油燃燒后產(chǎn)生的CO2、H2O、O2、N2分別為：

Cp=0.1276×0.85+0.0468×1.863+0.064×0.917+0.768×1.038=1.0515

其中，Cp為定壓比熱容，單位為kJ/（kg·℃）。

270℃下，CO2、H2O、O2、N2的比熱容分別為0.85kJ/（kg·℃），1.863kJ/（kg·℃），0.917kJ/（kg·℃）和1.038kJ/（kg·℃）［6］。

3.2.3 發(fā)動機排煙可利用的熱量

D2866 型發(fā)動機的功率為310hp，最小比油耗為200g/kW·h，故此該機每小時耗油量為：gt=147g/hp·h×310hp=45.6kg/h。

燃燒1kg燃油所需的空氣量為：Gg=24kJ/kg（39）

MAN.D 2866 型發(fā)動機額定工況時每小時產(chǎn)生的排煙為：

因此，MAN.D 2866型發(fā)動機額定工況時每小時排煙可利用的熱量為：

所以發(fā)動機排煙可利用的熱量為64kW。

綜上所述，所得制冷量24kW＜64kW，即MAN.D 2866 型發(fā)動機排煙可利用的熱量可滿足本車的夏季空調(diào)制冷量能量的需要。

4 結(jié)語

通過對客車發(fā)動機尾氣數(shù)據(jù)的調(diào)研、計算，證明了活性炭—甲醇為工質(zhì)對的吸附式制冷能利用客車尾氣余熱驅(qū)動進行制冷。該系統(tǒng)以活性炭—甲醇為工質(zhì)對（不污染環(huán)境），以客車尾氣余熱為制冷能量源（不影響動力），利用特定的固體吸附劑能在低溫環(huán)境下吸附氣體，在高溫環(huán)境下解吸的特點，實現(xiàn)為客車制冷的目的，從而達到節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟效益高、實用性強的效果。