普通客车尾气余热驱动式吸附制冷空调系统设计探索

张宁

（辽宁建筑职业学院 辽宁辽阳 111000）

1 设计方案

1.1 制冷方式及工质的选择

本文设计出一套利用收集客车尾气余热进行驱动的加热吸附式客车空调系统，该系统以活性炭—甲醇为工质对（不污染环境），以客车尾气余热为制冷能量源（不影响动力），利用特定的固体吸附剂，能在低温环境下吸附气体［1-2］。

1.2 客车空调通风方式

本设计选择自然通风作为客车空调通风方式。由于客车空间有限，以及天然冷源的利用受到限制，所以本设计为回风系统。

2 冷负荷计算参数

2.1 客车车型及相关参数

本设计所选用的车型为大型豪华客车，用于北京长途客运，见表1和表2，以下为客车相关参数［3-4］。

表1 客车主要参数

表2 MAN.D2866 型号发动机主要技术参数

2.2 客车室内、外参数

客车在路上行驶的过程中，运行状态都在不断地变化，意味着客车空调系统的工作环境也在不断变化。北方城市的参考参数：夏季温度35℃，相对湿度60%；冬季温度-20℃，相对湿度45%。客车空调的车内参数对车内温度的舒适度具有直接影响，根据国内国外的热舒适性研究成果，以及中国人的冷热习惯。

3 机动车尾气废热利用的可行性分析

3.1 客车空调冷负荷的计算

客车空调室内总的热量冷负荷QT为：

式中，QT为总得热量，单位为W；QB为通过车体围护结构传入的热量，单位为W；QG为通过门窗玻璃传入的热量，单位为W；QP为人体散发的热量，单位为W；QA为室外空气带入热量，单位为W；QE为发动机室传入热量，单位为W；QF为通风系统中传入热量，单位为W；QS为仪器、设备、照明热，单位为W。

客车空调制冷量QO可按下式选取：

式中，QO为客车空调实际选用的制冷量，单位为W；QT为客车空调冷负荷，单位为W；k为修正系数，取k=1.05［5］。

3.1.1 客车维护结构传热负荷QB

（1）车外空气综合温度。客车外部外表面单位面积上得到的热量为：

式中，αo为客车外表面与车外空气的对流换热系数，单位为W/（m2·K）；to为室外空气计算温度，单位为℃；tw为客车维护结构外表面温度，单位为℃；ρ为客车维护结构外表面对太阳辐射的吸热系数；I为客车维护结构外表面接受的总的太阳辐射强度，单位为W/m2。

ΔR值可近似取：

夏季垂直面ΔR=0。

式中，v为客车与空气的相对速度，单位为m/s。v一般参考用v=40km/h，则有：

（2）车身传热系数K的确定。空调客车的车体除门窗、玻璃外，一般由外板、隔热层、内饰板组成，K值计算如下：

式中，K为壁面传热系数，单位为W/（m2·K）；F为传热面积，单位为m2；△t为室内外传热温差，单位为℃；传热系数K由下列公式确定：

式中，αo为客车车体的外表面与车外空气的对流为车内空气的对流换热系数，单位为W/（m2·K）；为构成客车车身各层的导热热阻之和（δi为车身各层的厚度，λi为车身各层的导热系数）［6］。

本客车内空气流速低于3m/s，αi可近似取为29W/（m2·K）。

在本设计中，车顶、车身的维护结构相同。则有：

（3）通过车身维护结构传入热量QB。车身维护结构的各部分都是单独的区域，各不相同，在具体计算时，需要按区域单独计算。

式中，K顶、K侧、K地为传热系数，单位为W/（m2·K）；F顶、F侧、F地为车传热面积，单位为m2；tZ顶、tZ侧、tZ地为车室外综合空气系数，单位为℃；ti为车室内的空气温度，单位为℃。

①通过车顶传入热量Q顶。

②通过车身侧面传入热量Q侧。

式中，F裙部为客车裙部面积，单位为m2。③通过车地板传入热量Q地。

式中，ρ取0.5，I取134W/m2，则：

所以，QB=Q顶+Q侧+Q地=605.88+596.39+477.7=1679.97W。

3.1.2 通风系统传入的热量QF

（1）风管漏入热QF1。空气在流通经过风管的过程中，由于车内外温差的作用，会沿途吸收或放出热量。

式中，P为风管截面积，单位为m2；L为风管长度，单位为m；t1、t2分别为该段风管前面和后面的空气温度，单位为℃；to为风管周围的空气温度，单位为℃；K为风管传热系数，单位为W/（m2·K），且：

其中，αo为风管外对流放热系数，单位为W/（m2·K）；αi为风管内对流放热系数，单位为W/（m2·K）。

（2）通风机动力热QF2。空气通过管道流动造成的流动损失，由风机补偿，而通风机运行时所消耗的能量，又将以各种方式最后全部转化为热量，引起空气升温，因此，通风机动力热QF2为：

式中，H为通风机全压，单位为N/m2；V为通风机风量，单位为m3/s；η1为通风机全效率。

由于风管尚未布置，在本设计中，通风系统传入的热量QF取车室内的显热负荷的5%QT。

3.1.3 发动机室传入的热量QE

发动机室传入的热量以主发动机室为主，而主发动机室置于车裙后部。发动机罩的左、右壁为铁丝网结构，并且与车室外的大气相通。就发动机罩顶壁与车室内的地板相连。因此，发动机室传入的热量主要是发动机罩顶壁传入的热量。

式中，E1指主发动机，E2指辅助发动机，KE按多层平壁传热计算：

由于本设计为吸附式制冷系统，所以无需发动机，所以后项为零，即：

式中，αE为发动机侧的壁面对流传热系数，单位为W/（m2·K），取51.2W/（m2·K）；αi为车室内壁的对流放热系数，单位为W/（m2·K）；为发动机室与车室之间的隔热层导热热阻，单位为W/（m2·K）；tE为发动机室的空气温度，单位为℃，一般比室外空气高20℃。

3.1.4 仪器、设备、照明产生的热量QS

本设计中，仪器、设备、照明产生的热量QS主要是电视、照明和其他一些电子设备等。由于负荷较小，可估取为：

3.1.5 人体散发的热量QP

人体散热的经验公式为：

式中，Qp 为车室中人体散热量，单位为W；n为车室内人员数；n′为群体系数，取n′=0.89；116 为成年男子散热量，单位为W。

3.1.6 室外空气带入热量QA

式中，QA为室外空气带入热，单位为W；QA1为室外新风带入热，单位为W；QA2为漏入空气带入热，单位为W。

（1）室外新风带入热QA1。

其中，G1为人体卫生标准需要的空气量，单位为m3/h。

其中，为按人体卫生标准，GO以每人每小时需要的空气量，单位为m3/h·人，取20m3/h·人［5］；n为乘员数。ρ为空气密度，单位为kg/m3，取1.2kg/m3；ho为车室外空气焓值，单位为kJ/kg，查焓湿图得ho=90.0kJ/kg；hi为车室内空气焓值，单位为kJ/kg，查焓湿图得hi=58.0kJ/kg。

（2）漏入空气带入热QA2。漏入空气量（泄露风量），通过门、车窗等缝隙处流入车体内部。设漏风量为G2，车门缝隙长为S，则泄露风量带入车内的热量QA2为：

式中，G2为总漏风量，单位为m3/h，且：

其中，Gn为根据车速变化和缝隙宽度而引起单位长度每小时泄露进入车室内的空气量，单位为m3/（h·m），取Gn=17m3/h·m；S为车门、车窗缝隙总长，取S=3m。

该客车最后两侧窗为半推拉式，其余为全封闭式夹层玻璃。因此，漏入空气主要是由车门缝隙漏入的。

因此，客车空调的总得热量为：

所以QT=23180.1W。

由式（2）得出，本系统所需要的制冷量为：QO=k·QT=23 180.1 × 1.05=24 339.1W ≈24kW。

3.2 客车尾气余热的可利用量计算

由表2发动机型号：D2866；功率：310hp；最小比油耗：200g/kW·h；排量：11.97L；排气温度：th=400℃。

3.2.1 燃烧1kg燃油所需的理论空气量

1kg 燃油中C 占87%，H 占13%，还有少量的S、N等由于数量很少略去不计。故此燃烧1kg燃油所需的O2量为：

燃烧1kg燃油所需的空气量为：

取MAN.D2866 型发动机的过量空气系数a=1.5，则：

3.2.2 燃烧1kg燃油所产生的排烟的热量

排烟的主要成分：CO2、H2O、O2、N2。

1kg燃油燃烧后产生的CO2、H2O、O2、N2分别为：

Cp=0.1276×0.85+0.0468×1.863+0.064×0.917+0.768×1.038=1.0515

其中，Cp为定压比热容，单位为kJ/（kg·℃）。

270℃下，CO2、H2O、O2、N2的比热容分别为0.85kJ/（kg·℃），1.863kJ/（kg·℃），0.917kJ/（kg·℃）和1.038kJ/（kg·℃）［6］。

3.2.3 发动机排烟可利用的热量

D2866 型发动机的功率为310hp，最小比油耗为200g/kW·h，故此该机每小时耗油量为：gt=147g/hp·h×310hp=45.6kg/h。

燃烧1kg燃油所需的空气量为：Gg=24kJ/kg（39）

MAN.D 2866 型发动机额定工况时每小时产生的排烟为：

因此，MAN.D 2866型发动机额定工况时每小时排烟可利用的热量为：

所以发动机排烟可利用的热量为64kW。

综上所述，所得制冷量24kW＜64kW，即MAN.D 2866 型发动机排烟可利用的热量可满足本车的夏季空调制冷量能量的需要。

4 结语

通过对客车发动机尾气数据的调研、计算，证明了活性炭—甲醇为工质对的吸附式制冷能利用客车尾气余热驱动进行制冷。该系统以活性炭—甲醇为工质对（不污染环境），以客车尾气余热为制冷能量源（不影响动力），利用特定的固体吸附剂能在低温环境下吸附气体，在高温环境下解吸的特点，实现为客车制冷的目的，从而达到节能环保、经济效益高、实用性强的效果。