工程机械尾气余热回收制冷探析

2020-09-10袁吉

内燃机与配件 2020年22期

袁吉

摘要：工程机械发动机功率较大，而效率较低，大量的能量以尾气废热排入大气，不仅造成了能量浪费，也带来了热污染。工程机械作业环境比较恶劣，本文以徐工RP603摊铺机为例，考虑利用尾气废热为能源，采用溴化锂吸收制冷，改善工作环境，进一步提高发动机的能源利用率。

关键词：发动机;工程机械;尾气余热;溴化锂吸收制冷;摊铺机

中图分类号：TK115 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2020）22-0063-02

0 引言

大多数工程机械依靠柴油发动机驱动，而且工程机械用柴油机的功率都很大，柴油机中燃油燃烧会放出大量的热量，但在能量转换过程中，只有一部分转换为有效功，其余的能量以热损失和机械损失散失在周围大气中。柴油机的热效率一般为30-40%，产生的大量废热主要以300-600℃的高温尾气形式排入大气[1-3]。这将造成大量的能量浪费，对周围环境也会造成热污染。加强废热利用势在必行。

以RP603沥青混合料路面施工的摊铺机为例，为了保证摊铺质量，沥青混合料的摊铺往往在春末夏初进行，气温大约在30℃，摊铺机作业过程中，沥青混合料的温度大约为170℃，操作室温度受热沥青混合料的影响，可以达到50℃以上[4]。在这种高温环境下作业，作业效率和作业质量容易受到影响，甚至导致作业人员中暑[5]。沥青混合料摊铺机的操作室是开放式的，摊铺好的沥青及沥青蒸汽对操作人员的身体健康有一定影响。因此，通过加装驾驶室并以柴油机尾气废热为能源，采用溴化锂制冷机进行制冷来改善操作人员的工作环境是一个有效的解决方案。

利用溴化锂制冷机，以尾气排放废热作为热源，进行制冷，将有效解决能源浪费和热污染这两个问题。溴化锂制冷机是目前世界上常用的吸收式制冷机种。在接近真空条件下，水的沸点变低（4℃），溴化锂吸收式制冷机以水为制冷剂，溴化锂水溶液为吸收剂，制取0℃以上的低温水，多用于中央空调系统。以75℃以上的热水作为热源，因而在废热、太阳能利用中发挥着重要作用。双效溴化锂制冷机组发生器内溴化锂溶液一般为150-200℃，单效溴化锂制冷机组发生器内溶液温度一般为90-100℃。柴油机尾气温度一般在300-600℃，所以可以作为双效溴化锂制冷机组的热源。可得到65℃的热水和7℃的冷水，使尾气废热得到高效综合利用。

1 国内外研究现状

目前，已有很多学者和工程技术人员在这一方面做了一些研究。李可顺、陆紫生[6]设计、研究并测试了一种新型的集成循环，并给出了在特定条件下的一些最佳工作参数;李永光，王菁，白曾凯等[7]为了将余热回收与温差发电技术结合起来，建立了一套热回收系统，在回收热的同时还可以发电，并应尽量使温差发电片冷热两端温差在大于30℃的工况下运行，此时电量和热量回收效率均较高;李慧君等[8]的研究成果既实现节能降耗，又能减少对环境的熱排放及污染，热泵+热网加热器方案不仅节能，投资回收年限短，经济性好且环保，为有供暖负荷的电厂改造提供了参考;周兴法等[9]提出一个新型太阳能无泵溴化锂吸收式制冷空调系统，具有运行安静、体积小、节能、可回收冷却热等优点，是太阳能吸收式制冷系统小型化的一个重要发展方向。何嘉鹏，方贤德等[10]通过中间压力对双级溴化锂制冷循环热力系数影响的分析，提出最佳中间压力的计算方法，可简化和优化双级溴化锂制冷循环的热力计算，使其获得最高热力系数，并能对运行操作提供一个中间压力的参考值。目前，尚无利用尾气废热，将溴化锂制冷用于工程机械工作环境改善方面的研究成果，因此，本文将以工程机械尾气废热为能源，利用溴化锂制冷机为工程机械操作室制冷（冬季供热）来提高能源利用效率，改善操作人员的作业环境进行研究，为工程机械的人机工程设计提供参考。

2 实施方案

柴油发动机消耗燃料过程中，只有30-40%的能量转换为机械能，还有40%的能量会随着尾气排放到大气中，且排气温度在300-600℃，其余的能量通过散热器散失到空气中。那么以一台RP603摊铺机为例，发动机功率为129kW，可见通过排气管浪费掉的功率也应该在120kW左右。如果能将废热的全部或部分能量转换为对生产生活有用的能量，其社会经济效益将非常可观。譬如用于操作室进行制冷或采暖、发电等。本文拟采用废热作为系统热源，借助溴化锂吸收制冷机为摊铺机的操作室制冷。

溴化锂制冷机以水作为制冷剂，溴化锂作为吸收剂的一种冷水制冷机，用水的蒸发潜热进行制冷，其工作原理如图1所示。

水在密封的蒸发器中，将蒸发器内气压降至6mmHg，这种情况下水的沸点降低为4℃，冷水回水管（管内流动的是冷媒水）经过蒸发器，使蒸发器中温度升高，加快水的蒸发，水在蒸发时从冷水管及管内冷水吸收热量，使管内冷水温度降低，降温后的冷水沿管道循环进入操作室，吸收操作室热量，达到制冷目的。蒸发器中产生的水蒸气进入吸收器。

吸收器中通有冷却水管，水蒸气遇到冷却水管，凝结成小水滴，被吸收器中高浓度的溴化锂溶液（以下简称强溶液[11]）吸收，溴化锂的强溶液吸收水蒸气变为浓度相对较低的稀溶液（以下简称弱溶液[11]），弱溶液被泵送到发生器中。

利用尾气废热对发生器进行加热，使弱溶液中的水被快速蒸发，使弱溶液变成强溶液，重新生成的强溶液经过热交换器与弱溶液（由吸收器流往发生器）进行换热后回到吸收器中，发生器中的水蒸气进入冷凝器中。

通过计算可知，利用尾气废热和溴化锂吸收制冷机为摊铺机操作室进行制冷，其COP较低，其主要原因是废热量较大，而制冷量相比较而言又较小导致的。如果将制冷没有利用的废热进行发电，可进一步提高其COP值。

3 结语

以发动机排气废热为能源，借助溴化锂制冷机为摊铺机的操作室进行制冷，是高效利用废热，改善工人作业环境的有效方案。因为工程机械所用柴油发动机功率都比较大，所以尾气废热的可利用功率也比较大，所以此方案有以下特点：①可用于所有以柴油机驱动的工程机械上;②除了制冷外，还可用于采暖、发电;③为工程机械的人机环境系统设計提供参考。

参考文献：

[1]王娟，王俊.汽车尾气余热回收利用装置探索[J].农机使用与维修，2020（05）：26.

[2]马宗正，张昊明，杨安杰，等.尾气温差发电系统设计及其试验研究[J].机械设计与制造，2017（1）：130-133.

[3]袁正英.柴油机尾气驱动的热管废热溴化锂制冷机获得成功[J].南京化工大学学报（自然科学版），2001（03）：59.

[4]http：//news.21-sun.com/detail/2016/08/2016080209015757.shtml.

[5]http：//sd.dzwww.com/sdnews/201707/t20170725_16205144.

htm？pc.

[6]李可顺，陆紫生.船舶余热驱动制冷-发电系统的设计与性能测试[J].船舶工程，2019，41（S2）：225-228，260.

[7]李永光，王菁，白曾凯.可同时发电的余热回收系统与试验研究[J].热能动力工程，2019，34（04）：135-139.

[8]李慧君，李宇飞.基于排汽余热回用型凝汽器的机组经济性分析[J].汽轮机技术，2019，61（02）：136-138，142.

[9]周兴法，谢应明，谢振兴.太阳能单效溴化锂吸收式制冷空调技术研究现状[J].流体机械，2014，42（07）：58-64.

[10]何嘉鹏，方贤德.双级溴化锂制冷循环的中间压力分析[J].太阳能学报，1997（01）：77-80.