汽车尾气余热利用的新原理空调装置研究

李林桃 张强 李斌 等

摘 要：文章所研究装置是一套回收利用汽车尾气余热进行制冷的新原理空调装置，该装置采用以分子筛-水为工质对的双床吸附式制冷原理利用尾气余热驱动汽车空调进行连续制冷。该系统不使用压缩机，因而不会大幅度使用汽车高品位电能或机械能，从而大幅度降低了汽车制冷耗油量，此外系统以水为制冷剂，对汽车设备没有任何危害，符合当前能源、环境协调发展的总趋势。吸附式制冷空调结构简单，较压缩机式汽车空调，减少了机械噪声和机械振动，延长了制冷系统的使用寿命，降低了汽车的运行和维护费用，有望大规模推广。文章所研究的小型吸收式制冷示范装置可实现约500 W的制冷量，制冷温度约为15 ℃，取得了良好的预期效果。

关键词：尾气余热；空调制冷；吸附式制冷；节能

中图分类号：TB61 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）20-0003-02

1 装置研制背景及意义

北京的夏日原本已经酷热难耐，而且我们还常会遇到这样的情况：在炎炎夏日乘坐公交时，每当遇到红绿灯停车时，大量的汽车拥堵到一块，这时你就会感觉一股热浪向你涌来。这股热流不仅仅是因为夏天的高温原因，主要是由汽车排放出来的高温尾气所导致的。本文我们试想是否能够将排放的尾气所携带的热量加以利用。

研究表明，2010年我国的汽车尾气排放总量高达5 226.8万t，汽车排放废气的同时也带走大量的余压余热，以现有的内燃发动机指标评估，燃油中60%的能量没有得到有效利用，绝大部分以余热的形式排放到大气中，这不仅造成了巨大的能源浪费，而且严重污染了环境（热污染），若能将其二次利用，不仅可以节约能源，还具有重大的环保意义和社会效益。

2 装置研制可行性分析

2.1 运作条件分析

基本思路为：根据文献查阅发动机排放尾气的基本参数，利用发动机的排气量及排气温度，估算出其所能产生的制冷量，结合不同车型的冷负荷，分析利用发动机尾气余热进行吸附式制冷的可行性。

按查阅的相应数据，分别对查询得到的各类型发动机的汽车做负荷计算及200 K温降时的理论制冷功率计算结果如图1所示。

通过以上结果可以看出：

在重型货车以及重型机械设备中利用发动机尾气废热进行吸附式制冷即使在怠速的状态下也是完全可以满足驾驶室内空调负荷的，而在满负荷状态下则更容易获得更多制冷量，满足制冷需求，初步证明采用发动机尾气余热制冷是可行的。故该作品装置的实际应用价值和潜在的经济效益是巨大的，有望大规模地推广应用。

2.2 基本原理分析

假定实验开始时，1床为解吸床，2床为吸附床，利用尾气余热加热床1。此时，阀门V1、V4开启，V2、V3关闭。床1中的水（制冷剂）被尾气加热成为高温高压气体进入冷凝器，在冷凝器中被冷却介质（空气）冷却成常温高压液态水并储存在储液器中，储液器中的液态水经节流阀到达蒸发器实现蒸发吸热过程，从而达到制冷效果。而解吸的同时风机开启，对床2进行冷却。床2中的常温分子筛对蒸发器中的气态水进行压差吸附，从而使得水蒸气进入床2而变成液态水。一段时间后，床1解析完毕，同时床2吸附达到饱和，再将尾气对床2进行加热，即阀门V2、V3开启，V1、V4关闭，再次进行上述过程。通过这两台吸附/解吸床的交替循环工作即可实现连续性制冷。

3 工质对及分子筛的选择

3.1 对工业上吸附工质对进行优劣比较

①活性炭-甲醇。甲醇不适于高温，当温度高于150 ℃时甲醇会发生分解，生成二甲醚，这对系统来说非常不利，其次甲醇有毒。

②硅胶-水。该工质对仅适用于在120 ℃以下的温度工作，高于120 ℃时硅胶会被烧毁，失去吸附能力。

③金属氢化物-氢。由于金属氢化物吸附剂包含很多稀有金属，价格高，不经济，且氢气属于易燃易爆气体，汽车在颠簸状况下会发生爆炸等安全事故。

④氯化钙-氨，氯化锶-氨。氨气有毒，对环境造成一定的污染，而且该工质对对系统真空度及密封性要求很高。存在微孔烧结现象、汽体渗透性能差、热量传递性能有限等。

⑤分子筛-水。该吸附工质对所需的解吸温度较宽（70～350 ℃），吸收热（3 200～4 200 kJ/kg）、蒸发潜热（2 400～2 600 kJ/kg）均较大，该工质对性质稳定，在高温下不起反应，且经过多次吸附解吸后吸附性能不变，对外界环境适应能力强，而且对系统和环境没有任何污染等。

3.2 常见的工质对及分子筛性能对比

常见的工质对及分子筛性能对比如表1所示。

3.3 分子筛性能对比

分子筛性能对比如表2所示。

由以上工质对的性能及相应的数据分析比较，同时根据对汽车尾气的温度、经济性以及其对环境的污染程度等因素的综合分析，在汽车尾气吸附式制冷空调装置的工质对选择上，分子筛-水工质对是最优化的选择。同时从制冷量考虑， NaY型分子筛制冷效果最好，故选择该种型号的分子筛做本作品装置工作吸附分子筛。

4 装置制作结果分析

该测试实验在室温为26 ℃的外界环境下进行的，经过加热解吸、冷凝、吸附、蒸发制冷等过程，最终得到在蒸发器上获得15 ℃的制冷效果，实验结果表明，在未进行系统保温及优化的情况下制冷温度降达到了近11 ℃，完全达到预期实验效果（情况说明：汽车尾气温度高达500 ℃，考虑到竞赛条件和安全性，本实验采用万用加热炉进行模拟实验，因其使用温度可在500 ℃左右，所以基本可以使用万用加热炉代替发动机高温尾气进行实验）。

5 结 语

本设计方案利用了双床吸附式制冷系统，该系统通过回收汽车尾气余热进行制冷，与传统的蒸汽压缩式制冷系统相比，吸附式制冷系统在不降低汽车动力的前提下，回收了尾气废热，提高了能量的利用效率，符合当前工业发展与环境协调的总趋势。系统装置没有使用压缩机，因而不会大幅度消耗汽车高品位电能或机械能，从而大幅度降低了汽车制冷耗油量且减少了机械噪声和机械振动，延长了制冷系统的使用寿命，降低了燃油的消耗量，更具有经济效益和社会效益。

参考文献：

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