汽車余熱尾氣溴化鋰吸收式制冷裝置的研究

楊金峰 楊永平

（陜西理工學院機械工程學院）

汽車余熱尾氣溴化鋰吸收式制冷裝置的研究

楊金峰 楊永平

（陜西理工學院機械工程學院）

為了順應(yīng)國際節(jié)能減排的號召，降低汽車油耗值、提高汽車的動力性，以及結(jié)合目前低油耗和電動汽車銷量的大增趨勢，現(xiàn)分析了汽車尾氣排放裝置結(jié)構(gòu)與原理和溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的工作原理，提出把制冷裝置的發(fā)生器設(shè)計在汽車排氣管靠近發(fā)動機排氣門處，實現(xiàn)了替代現(xiàn)有壓縮式制冷系統(tǒng)還降低了汽車油耗。此外，不但降低了尾氣排放的溫度，還延長了三元催化劑的壽命。此結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、壽命長，而且此方案可行，已在部分車輛中使用。

節(jié)能減排；吸收式制冷；尾氣排放；汽車空調(diào)

1 前言

隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，車輛消耗的能源與日俱增，車輛的節(jié)能也越來越倍受關(guān)注。然而，以現(xiàn)有的內(nèi)燃發(fā)動機指標評估，燃油中60%左右的能量沒有得到有效的利用[1]，絕大部分以余熱的形式排放到大氣中，造成了巨大的經(jīng)濟損失和嚴重的環(huán)境污染。若能將這部分余熱二次利用將具有重大的節(jié)能和環(huán)保意義。

如何回收利用這部分熱能來驅(qū)動吸收式制冷裝置，在各方面都是很有意義的研究課題。通用汽車公司的Munther Salim[2]通過改裝發(fā)動機缸套來實現(xiàn)空調(diào)制冷，而且分析得到吸收式制冷系統(tǒng)應(yīng)用在汽車上是可行的；Mostafavi和Agnew則分析與研究了利用發(fā)動機尾氣余熱來驅(qū)動吸收式制冷實現(xiàn)汽車空調(diào)制冷的可行性[3]。

2 發(fā)生器設(shè)計

2.1 水-溴化鋰吸收式制冷機組的工作原理

在發(fā)生器里吸收來自外界提供的熱源熱能，使溴化鋰溶液中沸點相對較低的制冷劑水變成冷劑蒸汽，余下的溴化鋰溶液便濃縮成濃溶液。溴化鋰濃溶液經(jīng)換熱器進入吸收器，吸收來自蒸發(fā)器蒸發(fā)出的冷劑蒸汽。溫度較高的冷劑蒸汽然后進入冷凝器，經(jīng)冷卻后液化成液態(tài)水，接著經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流減壓后進入蒸發(fā)器。在蒸發(fā)器內(nèi)是一個氣壓相對較低的低壓環(huán)境，這給制冷劑提供了易于蒸發(fā)的條件。蒸發(fā)出的制冷劑經(jīng)過管道在吸收器內(nèi)被溴化鋰濃溶液吸收。這樣依次循環(huán)，就得到連續(xù)制冷。

2.2 汽車排氣裝置

接下來我們看看汽車排氣管的結(jié)構(gòu)與溫度場。排氣管的功能正如其名，將發(fā)動機燃燒后的廢氣引導排出氣缸，并加裝改善尾氣的催化結(jié)構(gòu)，以及降低尾氣噪聲的消聲器結(jié)構(gòu)部分。

一般汽車三元催化結(jié)構(gòu)附近的溫度在400～800℃之間，等到了發(fā)動機尾部排氣管的溫度會降到80℃左右。如果發(fā)動機長時間運行的話，溫度可能達到800℃以上。這個溫度數(shù)字足以給溴化鋰吸收式制冷提供熱能。為了充分利用尾氣這部分熱能，我們在設(shè)計發(fā)生器時盡可能靠近發(fā)動機排氣出口。但是，還要考慮排氣裝置在安裝和結(jié)構(gòu)設(shè)計時的方便整潔性。因此，把發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 改裝后排氣管簡圖（UG建模）

2.3 汽車尾氣提供的余熱

現(xiàn)以大眾2000轎車為例來說明，發(fā)動機的最大輸出功率為74kW。假設(shè)單效溴化鋰吸收式制冷機組的熱力系數(shù)為0.5，尾氣所占燃料熱能總值的百分比為30%，則大眾2000轎車尾氣提供的有效余熱為：

式中：Qy——有效余熱；

P——發(fā)動機輸出最大功率；

ηe——發(fā)動機有效功率系數(shù)；

ηw——尾氣所占燃料熱能總值的百分比；

COP——制冷機組熱力系數(shù)。

代入數(shù)值計算得：

再計算溴化鋰吸收式制冷機組中發(fā)生器的熱負荷：

式中：Q0-汽車的制冷量；Qg-發(fā)生器的熱負荷。

由上式可以看出，在有效余熱為27.75kW的情況下允許最大的發(fā)生器熱負荷為13.875kW，而現(xiàn)實中，轎車最大制冷熱負荷也不超過10kW。這個數(shù)字足以說明，發(fā)動機尾氣提供的有效余熱足夠滿足汽車空調(diào)的冷負荷。

3 兩制冷系統(tǒng)優(yōu)缺點比較

（1）從經(jīng)濟性方面比較。有研究曾以長沙地區(qū)為例，對蒸氣壓縮是制冷和溴化鋰吸收式制冷做了經(jīng)濟性比較分析，得出蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)在一次能源利用方面的能效普遍高于溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)。在現(xiàn)如今燃油價格飆升、全球各國都在倡導節(jié)能環(huán)保的年代里，像汽車這類電量不足、熱能又有大部分沒得到充分利用的環(huán)境內(nèi)，應(yīng)用溴化鋰吸收式制冷還是很合適的，不僅節(jié)能還環(huán)保。

（2）在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安裝方面。壓縮式制冷系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)相對較緊湊，制冷系數(shù)較高；但溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的部件少、結(jié)構(gòu)簡單，壽命長，造價低廉、運行可靠，而且環(huán)保節(jié)能。

（3）未來發(fā)展前景。當前世界能源緊缺，人類面臨能源危機日趨嚴重。面對這樣的局勢，節(jié)約能源，提高能源利用率是未來發(fā)展的最終趨勢。有了這樣的前提和背景，溴化鋰吸收式制冷更具發(fā)展前景，而且現(xiàn)在許多國家都在不斷研究，尤其是日本，吸收式制冷機的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，產(chǎn)品技術(shù)也相對成熟。未來的吸收式制冷系統(tǒng)體積會更小，制冷能效系數(shù)更高。

溴化鋰吸收式制冷裝置的不足之處，此制冷系統(tǒng)制冷系數(shù)較低，仍待提高。

4 結(jié)語

綜上可知，利用汽車尾氣余熱溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)在汽車空調(diào)方面的應(yīng)用還是可行的。它不但可以小型化，還結(jié)合了汽車空調(diào)本身的結(jié)構(gòu)特點以及汽車對能源利用、排放流向的動態(tài)，充分利用了汽車尾氣余熱，降低了尾氣的熱污染；沒了壓縮機的耗能，降低了汽車的燃油能耗，節(jié)約了能源。從另一方面講，就是提高了汽車對燃料能源的利用率。

[1]楊培毅.汽車余熱空調(diào)的研究現(xiàn)狀[J].流體工程，21（6）：54～59.

[2]Munther Salim.Technical potential for thermally driven mobile A/C system.[J]SAE（2001-01-0297）.

[3]M.Mostafavi,B.Agnew.Thermodynamic analysis of change air cooling of diesel engine by an exhaust gases-operated absorption refrigeration unit-Turbochanged engine with combined pre-and inter-cooling[J].SAE（971805）.

TB657

A

1004-7344（2016）08-0325-01

陜西理工學院研究生創(chuàng)新基金項目（SLGYCX1531）。

2016-2-22