汽车尾气余热利用探索及其数值分析

蒙雅莹 周 宇*

（六盘水师范学院 物理与电气工程学院，贵州 六盘水553004）

1 概述

在现代文明中，汽车已经成为人类不可缺少的交通运输工具。但是，在汽车产业高速发展、汽车产量和保有量不断增加的同时，汽车也带来了大气污染，即汽车尾气污染。在中国大中型城市，汽车尾气排放已成为主要的大气污染源。研究表明，在汽车发动机消耗燃料的过程中，汽车排放尾气温度一般在300～600 ℃左右，40%的能量都会随着尾气被排放到空气当中，图1 所示为汽车排气系统各部分温度[1-4]。可以看出，仅有约25%用于驱动发动机做功，其余大部分则以热量的形式散失掉，如果对汽车尾气余热加回收利用，势必可以式减少燃料的消耗，在降低驾驶成本的同时，还会给大气污染防治带来重要的积极作用。

图1 汽车排气系统各部分温度及汽车燃料能量分配情况示意图

为减少温室气体的排放和缓解大气污染，世界各地的研究人员尝试通过回收汽车尾气余热的方式减少化石燃料的使用，主要有以下几种技术：温差发电、朗肯循环、空调制冷等。温差发电是一种应用Seebeck 效应将热电发生器两端温度差转换为电势差的技术，将其应用在汽车尾气余热回收中，可以把无用的热能转换为可用的电能，从而提高能量的使用效率。研究表明，若可以将汽车尾气中携带能量的6%转化为电能，则可降低大约10%的燃油消耗。目前，国内在汽车尾气余热温差发电领域内的研究工作主要侧重于概念试验和经济性评估，暂时还未达到实际装配应用的阶段。朗肯循环是一种简单的蒸汽动力热力循环，主要包括等摘压缩、等压加热、等熵膨胀、和等压冷凝四个过程，可将热能转化为机械能或电能。汽车尾气具有压力低，温度高的特点，很难利用它进行膨胀做功，因此，可考虑将朗肯循环整合到汽车排气系统中，由尾气余热驱动朗肯循环，将尾气中无用的热能转化为可供汽车运行使用的机械能或电能。

本文提出通过套管换热器的形式回收汽车排气管余热并对车内进行供暖，基于热交换原理，利用温差形成自循环水系统，减少汽车尾气余热排放，实现部分替代汽车空调供热，同时排气管外壁通过与冷水的换热，可以降低排烟温度，进而有效的防止温室效应带来的影响，达到节能减排的目的。此外，通过计算流体动力学的方法对套管换热器的换热进行数值模拟，进一步验证该方案的可行性。

2 汽车尾气余热供暖系统

套管式换热器是由大小不同的直管制成的同心套管，外侧通道称为壳程，内侧通道称为管程，两种不同介质可在壳程和管程内逆向流动（或者同向流动），达到换热的效果，适当选择两管的管径，两流体均可得到较高的流速，且两流体可以为逆流，这样对传热有利。另外，套管式换热器构造较简单，传热面积可根据需要减，应用方便[5]。

图2 所示为本文所提出的通过套管换热器的形式回收汽车排气管余热并对车内进行供暖的装置示意图，套管加装于汽车排气管后段，两端采用挡板密封，并在左右两侧分别布置进水口和出水口，其中进水口靠近汽车尾部，形成一个套管换热器，套管内部水流通过排气管壁与排气管中的高温烟气进行热交换，即壳程流体为循环水，管程流体为汽车尾气，套管换热器中流体的流动形式对换热平均温差有一定影响，顺流和逆流可以看做是两种极端情况，在相同的进出口温度条件下，逆流平均温差最大，顺流平均温差最小[6]，因此，在本方案中，烟气和循环水的流动方式布置为逆流。汽车后备箱中设置一个储水箱，与套管换热器进出水管连接形成封闭的循环水系统，储水箱中的冷水经过套管换热器进水口进入套管，与烟气进行换热升温后经由出水口送至汽车内部换热管，将所携带的热量传递给车内空间，最后通过温差形成的密度差回到储水箱，形成一个自循环水系统，如果循环动力不足可以考虑在管路上加装一个循环泵，车内布管也是在不改变汽车内部结构的基础上进行。调节阀4 安装在换热管上，用于根据汽车内的温度自动调节循环水的流量。

图2 汽车排气余热供暖装置示意图

采用计算流体动力学的方法，对套管式换热器部分的传热进行数值模拟，汽车排气管直径60mm，套管直径120mm，换热管直径15mm，计算区域网格划分如图3 所示，网格结构为非结构化网格，网格数量为109327，网格最低质量为0.4，如图4 所示。进出口分别设置为速度进口和压力出口，壁面边界为对流换热条件，由于烟气流量大，流速快，故流动采用k-epsilon 双方程湍流模型，烟气与套管壁面的辐射采用P-1 模型。

图3 计算区域非结构网格划分

图4 计算区域网格质量检测

假设套管换热器设置于汽车中部排烟管，该段烟气温度为400℃，汽车引擎满负荷运行时，尾气质量流量为0.068kg/s[7]，冬季工况设后备储水箱中冷水温度为10℃，通过数值计算，循环水出口平均温度为45.39℃，循环水温升平均为35.39℃，换热器出口截面烟气平均温度327.82℃，温度降低了72.18℃，热量回收率15.6%。

室内供暖系统设计，基本是按95℃/70℃热媒参数进行设计，实际运行情况表明，合理降低建筑物内供暖系统的热媒参数，有利于提高散热器供暖的舒适程度和节能降耗。近年来，国内已开始提倡低温连续供热，出现降低热媒温度的趋势，目前，欧洲已经出现60℃以下低温热水供暖。车内供暖系统类似于建筑物的地暖形式，地暖属于低温辐射供暖方式，进水温度最好不要超过60℃，水温过高对地暖采暖系统损伤较大，严重时甚至会引起地暖爆管，因此，供水温度不应超过60℃，否则对采暖系统会有损伤[8]。本方案中采暖热水温度为45.39℃，满足供暖要求，而且能够部分替代汽车空调供热。

3 结论

在汽车发动机消耗燃料的过程中，汽车排放尾气温度一般在300～600 ℃左右，40%的能量都会随着尾气被排放到空气当中，本文提出通过套管换热器的形式回收汽车排气管余热并对车内进行供暖，数值计算结果表明，循环水温升平均为35.39℃，换热器出口截面烟气平均温度327.82℃，温度降低了72.18℃，热量回收率15.6%，采暖热水温度为45.39℃，能够部分替代汽车空调供热。