汽車尾氣余熱利用換熱器連接裝置的設(shè)計(jì)探索

張雪

摘 要：隨著科技進(jìn)步和人民生活水平的提高，我國(guó)的汽車保有量超過4億輛，而尾氣中含有大量余熱，造成了極大浪費(fèi)，因此有必要對(duì)這部分熱量加以回收利用。諸多學(xué)者為提高汽車尾氣余熱利用換熱器的換熱效率做出了不懈努力，主要涉及改進(jìn)換熱器的結(jié)構(gòu)以及選用高效換熱的相變材料?，F(xiàn)有的汽車尾氣余熱利用換熱器仍存在與汽車尾氣排氣管道連接不緊密的問題，造成尾氣泄露，使換熱器效率低下。針對(duì)這一問題，本文研究設(shè)計(jì)了一種用于汽車尾氣余熱利用換熱器和汽車尾氣排氣管之間的連接裝置，本裝置可以實(shí)現(xiàn)兩者快速、緊密對(duì)接。

關(guān)鍵詞：汽車尾氣 余熱利用 連接裝置

1 引言

能源是人類賴以生存的保障，隨著科技的進(jìn)步，人類對(duì)能源的需求不斷增長(zhǎng)。在人類利用能源不斷實(shí)現(xiàn)科技進(jìn)步的同時(shí)，也對(duì)環(huán)境造成了破壞，能源短缺和環(huán)境惡化成為全球面臨的重大難題。2020年9月22日，國(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上宣布，中國(guó)力爭(zhēng)2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。碳減排的要求無疑對(duì)環(huán)保提出了更高的要求。隨著人民生活水平的提高，私家車得到普及。據(jù)公安部最新統(tǒng)計(jì)，截至2022年3月底，全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)4.02億輛，在中國(guó)，每100戶家庭中就有33輛汽車，城鎮(zhèn)居民每10戶家庭就有4家有車[1]。目前，常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率一般為20%～40%，燃料燃燒的大部分熱量通過排氣、冷卻介質(zhì)和機(jī)體輻射等以余熱的形式散失在大氣中，如圖1所示。其中，尾氣中的廢熱量達(dá)到了燃燒總熱量的1/3[2]，不同型號(hào)的汽車尾氣溫度有所不同，一般為400-600℃[3]。通過汽車尾氣散失的熱量不僅讓發(fā)動(dòng)機(jī)的效率降低，將這些熱量直接排放到空氣中還會(huì)造成熱污染。如果對(duì)這部分能量進(jìn)行回收利用，將會(huì)提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的能量利用效率，節(jié)省燃料。在“雙碳”背景下，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣余熱回收利用更是有著極高的價(jià)值。

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)發(fā)展的多種發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣余熱利用技術(shù)，通常分為直接利用和間接利用兩種。在國(guó)內(nèi)，北京工業(yè)大學(xué)楊凱等[4]設(shè)計(jì)了一套有機(jī)朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了最大系統(tǒng)效率11%的提升；吉林大學(xué)高青等[5]設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)緊湊的余熱蓄熱器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣余熱的回收；在國(guó)外，RamThakur等[6]設(shè)計(jì)了一種逆流管殼式換熱器，用尾氣余熱加熱進(jìn)氣，發(fā)動(dòng)機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率得到提高；K.P.Venkitaraj等[7]研究了在相變材料季戊四醇中添加不同比例的Al2O3納米流體對(duì)相變儲(chǔ)能廢熱回收系統(tǒng)性能的影響。

諸多學(xué)者為提高汽車尾氣余熱利用換熱器的換熱效率做出了不懈努力，主要涉及改進(jìn)換熱器的結(jié)構(gòu)以及選用高效換熱的相變材料。然而，現(xiàn)有的汽車尾氣余熱利用換熱器仍存在與汽車尾氣排氣管道連接不緊密的問題，容易造成尾氣泄露，其中的熱量散失，從而使換熱器效率低下。本文從汽車尾氣排氣管與換熱器的連接問題出發(fā)，研究設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)現(xiàn)兩者快速、緊密對(duì)接的連接裝置。

2 連接裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了解決汽車尾氣排氣管與換熱器的連接問題，設(shè)計(jì)了一種汽車尾氣余熱利用換熱器連接裝置。該連接裝置的結(jié)構(gòu)如圖2-4所示，換熱器體的進(jìn)氣口提高螺栓安裝有第一空心塊，第一空心塊的內(nèi)部固定套接有圓環(huán)柱，圓環(huán)柱的內(nèi)部固定套接有圓環(huán)塊，圓環(huán)塊的正表面粘接連接有圓環(huán)密封墊，第一空心塊的兩側(cè)之間固定有第二空心塊，第二空心塊的兩側(cè)均螺紋貫穿有螺栓桿，兩個(gè)螺栓桿的相對(duì)一端均通過軸承轉(zhuǎn)動(dòng)連接有連接塊，兩個(gè)連接塊的相對(duì)一側(cè)均固定有三個(gè)第一矩形塊，六個(gè)第一矩形塊共分為兩組，每組第一矩形塊的同一側(cè)之間均固定有弧形塊，兩個(gè)弧形塊的弧面均粘接連接有弧形防滑墊。圓環(huán)密封墊的正表面與兩個(gè)弧形防滑墊的后表面均相接觸；兩組第一矩形塊的相對(duì)一側(cè)均活動(dòng)貫穿圓環(huán)柱的外壁；螺栓桿的底部均固定有第二矩形塊；第二矩形塊的相背一側(cè)均螺紋貫穿有手?jǐn)Q螺絲；兩個(gè)手?jǐn)Q螺絲的相對(duì)一端均粘接連接有防滑塊。本裝置通過在第一空心塊、圓環(huán)柱、圓環(huán)塊、圓環(huán)密封墊、第二空心塊、螺栓桿、連接塊、第一矩形塊、弧形塊和弧形防滑墊的配合下，可以將汽車尾氣排氣管與換熱器本體的進(jìn)氣口進(jìn)行快速的對(duì)接連接，即有效地提高換熱器本體的使用效率，提高發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣余熱的回收利用，在環(huán)形密封墊的作用下，可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排氣管排出來的尾氣全部進(jìn)入換熱器本體的內(nèi)部。

圖例說明：1--換熱器體；2--第一空心塊；3--圓環(huán)柱；4--圓環(huán)塊；5--圓環(huán)密封墊；6--第二空心塊；7--螺栓桿；8--連接塊；9--第一矩形塊；10--弧形塊；11--弧形防滑墊；12--第二矩形塊；13--手?jǐn)Q螺絲；14-防滑塊

3 連接結(jié)構(gòu)的工作原理及使用方法

為了能夠更清楚地理解連接裝置的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本連接裝置做出進(jìn)一步的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本連接裝置，但是，本連接裝置還可以采用不同于在此描述的其他方式來實(shí)施，因此，本連接裝置并不限于下面公開說明書的具體實(shí)施例的限制。

如圖2-4所示，當(dāng)需要將發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排氣管快速地與換熱器體進(jìn)行對(duì)接連接時(shí)，首先將換熱器體移動(dòng)到所需的位置，接著將先將兩個(gè)手?jǐn)Q螺絲相反的方向進(jìn)行螺紋移動(dòng)，這時(shí)移動(dòng)的兩個(gè)手?jǐn)Q螺絲會(huì)分別帶動(dòng)兩個(gè)防滑塊進(jìn)行移動(dòng)，當(dāng)兩個(gè)防滑塊均移動(dòng)到合適的位置時(shí)，此時(shí)直接將兩個(gè)螺栓桿進(jìn)行相反方向螺紋移動(dòng)，當(dāng)兩個(gè)螺栓桿發(fā)生移動(dòng)時(shí)，移動(dòng)的兩個(gè)螺栓桿會(huì)分別帶動(dòng)兩個(gè)第二矩形塊、兩個(gè)手?jǐn)Q螺絲和兩個(gè)防滑塊進(jìn)行移動(dòng)，同時(shí)移動(dòng)的兩個(gè)螺栓桿會(huì)通過兩個(gè)連接塊和兩組第一矩形塊的配合，將兩個(gè)弧形塊進(jìn)行相反方向移動(dòng)，而移動(dòng)的兩個(gè)弧形塊會(huì)分別帶動(dòng)兩個(gè)弧形防滑墊進(jìn)行移動(dòng)，當(dāng)兩個(gè)弧形防滑墊移動(dòng)到合適的位置時(shí)，停止兩個(gè)螺栓桿的螺紋移動(dòng)，這時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排氣管移動(dòng)到圓環(huán)柱的內(nèi)部，同時(shí)將排氣管放置在兩個(gè)弧形防滑墊的內(nèi)壁之間，接著繼續(xù)將排氣管向圓環(huán)柱的內(nèi)部進(jìn)行移動(dòng)，直至排氣管的出氣口一側(cè)與圓環(huán)密封墊的正表面相接觸，之后再將兩個(gè)螺栓桿進(jìn)行相向移動(dòng)復(fù)位，這時(shí)螺紋移動(dòng)的兩個(gè)螺栓會(huì)分別通過連接塊、兩組第一矩形塊和兩個(gè)弧形塊的配合，將兩個(gè)弧形防滑墊進(jìn)行復(fù)位移動(dòng)，當(dāng)兩個(gè)弧形防滑墊不能發(fā)生移動(dòng)時(shí)，即排氣管被緊緊的固定在圓環(huán)柱的內(nèi)部，即實(shí)現(xiàn)換熱器體的進(jìn)氣口與排氣管的出氣口相連通，當(dāng)為了防止有人誤碰到螺栓桿，造成螺栓桿發(fā)生螺紋移動(dòng)時(shí)，此時(shí)再兩個(gè)螺栓桿不能發(fā)生移動(dòng)時(shí)，直接將兩個(gè)手?jǐn)Q螺絲進(jìn)行相向螺紋移動(dòng)，而移動(dòng)的兩個(gè)手?jǐn)Q螺絲會(huì)直接帶動(dòng)兩個(gè)防滑塊進(jìn)行移動(dòng)，當(dāng)兩個(gè)防滑塊移動(dòng)到不能移動(dòng)時(shí)，停止兩個(gè)手?jǐn)Q螺絲的螺紋移動(dòng)，這時(shí)在手?jǐn)Q螺絲、第二矩形塊和防滑塊的配合下，即可以防止人誤碰螺栓桿，造成螺栓桿發(fā)生螺紋移動(dòng)的情況。

4 連接裝置的優(yōu)勢(shì)

第一，該連接裝置可與換熱器體可分離，可適配于不同類型的汽車尾氣余熱利用換熱器，當(dāng)換熱器體出現(xiàn)故障后，可實(shí)現(xiàn)快速拆卸，方便檢修；

第二，在連接裝置各部件的配合下，可以將發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排氣管與換熱器體的進(jìn)氣口進(jìn)行快速的對(duì)接連接，減少操作人員的工作量；

第三，在環(huán)形密封墊的作用下，可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排氣管排出來的尾氣全部進(jìn)入換熱器體的內(nèi)部，有效減少尾氣的泄露量，提高換熱器體的使用效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣余熱的回收利用；

第四，本連接裝置中，在手?jǐn)Q螺絲、第二矩形塊以及防滑塊的配合下，可以有效防止螺栓桿帶動(dòng)連接塊發(fā)生移動(dòng)，可以有效防止操作人員誤觸或者汽車行駛過程中因?yàn)轭嶔?dǎo)致的連接松動(dòng)，為操作安全和行車安全提供保障。

5 連接裝置實(shí)際應(yīng)用的設(shè)想

圖5所示為一種汽車尾氣余熱利用系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。所用換熱器為管殼式換熱器，汽車尾氣作為熱流體在管側(cè)流動(dòng)，水作為冷流體在殼側(cè)流動(dòng)。流體在換熱器內(nèi)的流動(dòng)方式對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)的合理性有很大影響，因而對(duì)流動(dòng)方式的選擇，因予以充分注意。綜合考慮在減少傳熱面積的同時(shí)獲得比較大的平均溫差，盡可能使流體的溫度變化值大，使流體的熱量得到充分的利用。在所有的流動(dòng)方式中，逆流布置方法可以實(shí)現(xiàn)溫差最大，逆流可以減小所需的傳熱面，或是在傳熱面相同的情況下，逆流可以傳遞較多的熱量[8]。所以換熱器內(nèi)采用逆流布置方式。汽車尾氣經(jīng)排氣管、連接裝置進(jìn)入換熱器的管側(cè)，同時(shí)冷水由水箱流出進(jìn)入換熱器的殼側(cè)，兩者在換熱器內(nèi)部進(jìn)行換熱，經(jīng)過一次換熱后，熱流體的溫度降低，排入空氣中，冷流體的溫度升高，經(jīng)過熱水管進(jìn)入水箱中，之后水進(jìn)入換熱器中與汽車尾氣再次進(jìn)行換熱，如此循環(huán)往復(fù)，可以加熱水箱內(nèi)的水。將水箱內(nèi)的水加熱到一定溫度后，就可以利用熱水實(shí)現(xiàn)煮飯、淋浴，取暖等功能。例如，在水箱上方設(shè)置一個(gè)蒸煮鍋，就可以通過蒸煮實(shí)現(xiàn)加熱食物的目的；在水箱接一個(gè)調(diào)溫器和淋雨噴頭就可以實(shí)現(xiàn)淋?。粚崴苓M(jìn)行加長(zhǎng)后，鋪設(shè)在車廂內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)供暖。

6 結(jié)語

基于汽車尾氣余熱利用換熱器裝置與汽車尾氣排氣管的連接不緊密問題，本文提出了一種汽車尾氣余熱利用換熱器的連接裝置，并對(duì)其具體結(jié)構(gòu)、工作原理及使用方法進(jìn)行了闡述，并提出了一種連接裝置的實(shí)際應(yīng)用的設(shè)想。本裝置在各機(jī)械結(jié)構(gòu)的配合下，可實(shí)現(xiàn)快速對(duì)接的同時(shí)保證尾氣全部進(jìn)入換熱器中，在理論上可在一定程度上提高換熱器的效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車尾氣的有效回收利用。在本文中僅提出連接裝置的一種使用方法，不排除有其他的使用方式，本裝置可以為所有的有連接需求的設(shè)備提供實(shí)現(xiàn)快速緊密連接的思路。

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