發(fā)動機冷卻循環(huán)水熱能回收利用說明書

北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文畢業(yè)設計報告(論文)報告(論文)題目：發(fā)動機冷卻循環(huán)水熱能回收利用作者所在系部：機電工程學院作者所在專業(yè)：車輛工程作者所在班級：B13142作者姓名：曾偉作者學號：201322422指導教師姓名：孟立新完成時間：2017.05北華航天工業(yè)學院教務處制III第1章緒論1.1課題背景1.1.1課題應用情況通過查閱資料得知發(fā)動機冷卻循環(huán)水所攜帶的熱能在冬季汽車取暖上有所應用。冷卻系統(tǒng)結構示意圖如下：圖1-1節(jié)溫器是用來控制冷卻循環(huán)水路是進行小循環(huán)還是大循環(huán)的一個裝置。節(jié)溫器可以感知冷卻循環(huán)水的溫度。當冷卻循環(huán)水的溫度不足以進入大循環(huán)時，旁通閥關閉，這時冷卻循環(huán)水不進入散熱器，直接在發(fā)動機水套內進行小循環(huán)，這樣一來冷卻循環(huán)水避免了不必要的冷卻，溫度將會迅速的升高。當冷卻循環(huán)水溫度過高時，旁通閥打開，冷卻循環(huán)水進入散熱器進行大循環(huán)，升溫的冷卻循環(huán)水經風扇產生的空氣流冷卻，散失部分熱量。冷卻循環(huán)水進行大循環(huán)時，部分熱能直接散失在空氣中，而這部分熱能在汽車取暖方面有所應用。冬天天氣寒冷時，我們會打開汽車的暖氣，使車廂內溫度處于一個適宜的環(huán)境。汽車的暖氣系統(tǒng)就是將發(fā)動機冷卻循環(huán)系統(tǒng)的高溫冷卻循環(huán)水導入暖氣系統(tǒng)的暖風散熱器內進行循環(huán)。汽車暖氣系統(tǒng)的風扇將空氣流吹過暖風散熱器進行加熱，再經過管道進入車廂內，從而使車廂內的環(huán)境溫度適宜。1.1.2課題意義現如今能源資源越來越緊張，節(jié)能減排，能量回收利用已然成為一個世界性研究的課題。我國是一個社會主義國家，一直堅持走可持續(xù)發(fā)展的道路，在節(jié)能環(huán)保方面也是大力倡導，并且制定了一系列基本國策和政策方針。因此，對廢棄能源進行回收后二次利用，不僅符合我國的基本政策，還可以減少廢棄物的排放，為保護環(huán)境作出一份貢獻。本課題研究的是對發(fā)動機冷卻循環(huán)水的熱能進行回收利用，一方面減少了發(fā)動機排放在空氣中的熱量，另一方面提高了能量利用率，使發(fā)動機的燃油經濟性得到提升。我國一直跟隨世界的腳步，響應‘節(jié)能減排’這個世界口號的號召，對廢棄能源的回收技術也一直在進行研究。但有些廢棄的熱能還沒有被充分利用，有些熱能的回收利用中還存在者許多問題。而本課題將對發(fā)動機冷卻循環(huán)水的熱能進行回收利用，節(jié)省能源，提高能量利用率，從而提高發(fā)動機的燃油經濟性。1.2冷卻循環(huán)水熱能回收利用的途徑冷卻循環(huán)水熱能回收利用的途徑多種多樣，人們也一直在研究怎樣更簡便、高效的回收熱能，提高廢棄能源的回收率。雖然回收的途徑多種多樣，但方式卻只有兩種‘同級’和‘升級’。1.2.1同級利用

何謂同級利用，同級利用就是不提高廢棄能源的的品級，將廢棄能源的能量直接傳遞給別的載體來進行回收利用。比如在熱能回收當中，我們知道，由于溫差的緣故，熱量會從高溫處傳遞到低溫處，在生活中將高溫廢熱傳遞給生活用水，使人們有熱水可用。這就是能量回收的同級利用。1.2.2升級利用

所謂升級利用就是將低溫余熱、廢熱等通過一定方式轉化為可以直接利用的高、中位能源。比如將風能、熱能轉化為便于儲存，可隨時利用的高品級的電能。在時代高速發(fā)展的今天，科技的突飛猛進，對于低溫余熱的回收利用技術的發(fā)展也有巨大的增益，低溫余熱的回收利用技術將會越來越多。1.3冷卻循環(huán)水低溫余熱回收利用的技術1.3.1利用朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電郎肯循環(huán)就是利用低沸點有機工質的蒸發(fā)膨脹來來推動透平做工。冷卻循環(huán)水將熱能通過換熱器傳遞給有機工質，使有機工質在透平內膨脹作工，從而將冷卻循環(huán)水的熱能轉化為機械能。有機工質蒸汽膨脹作工后會進入冷凝器冷卻液化，如此往復不斷的循環(huán)就能發(fā)電或者產生動力。1.3.2

熱泵余熱回收利用技術

根據熵增原理我們知道，在自然狀態(tài)下熱量只能從高溫處傳遞到低溫處，而不能沿相反的方向進行傳遞。而熱泵就是通過機械功，將此傳遞進行逆轉，使低溫處的能量傳遞到高溫處。熱泵采用的是逆卡諾循環(huán)的方式，將低溫熱能轉移到高溫熱能，從而進行回收利用。1.3.3熱管換熱器余熱回收利用技術

熱管換熱器是一種導熱率特別高的傳熱元件，它的內部也是通過工質循環(huán)來傳遞熱量。它以導熱性能高而著稱，它的內部由多根熱管排列組成。由于它的導熱率高，導熱性能好，因此，將它用于低溫熱能回收可以有效的提高回收率，減少熱散失。1.3.4變熱器余熱回收利用技術

變熱器回收廢能的原理用廢能驅動變熱器將廢能轉化為兩部分，一部分轉化為高品級能量進行回收利用，另一部分轉化為更低品級能量排棄。這樣就能對廢棄能源進行部分回收。我國已將變熱器技術列入重點研究項目，未來變熱器技術在節(jié)能減排，能量回收利用方面將起著越來越大的作用。

1.4本章小結1.現如今全世界都在倡導可持續(xù)發(fā)展，然而能源需求的缺口卻日益增大，我國的能源供需矛盾也十分突出。2.發(fā)動機的能量轉換率還有待提高，大部分熱能隨煙氣和冷卻循環(huán)水排放到了大氣中，因此余熱回收利用空間較大，對冷卻循環(huán)水熱能的回收利用能有效的提高燃油經濟性，并且起到節(jié)能減排、保護環(huán)境的作用。

第2章發(fā)動機余熱利用國內外的研究背景與現狀2.1發(fā)動機余熱利用概述發(fā)動機在不同的工況下運轉時，燃料燃燒做功大部分轉化為機械能驅動汽車行駛，但仍有很大一部分能量隨汽車尾氣與冷卻循環(huán)水散發(fā)到空氣中。發(fā)動機熱能的表現形式不同，大致分為四個部分，一是驅動曲軸轉動，轉化為機械能，二是被冷卻循環(huán)水帶走的熱量，三是被發(fā)動機排氣帶走的熱量，四是其他輻射、摩擦等。根據能量守恒定律研究得其熱平衡方程如下：(2-1)—為燃料完全燃燒單位時間內放出的總熱量?！獮檗D化為有效功（機械能）的熱量?！獮槔鋮s循環(huán)水帶走的熱量。一般QS/Qb的值：汽油機為15％-35％，柴油機為12％-27％?！獮榘l(fā)動機排氣帶走的熱量。一般QT/Qb的值：汽油機為30％-50％，柴油機為25％-45％?！獮槠渌臒崃繐p失。除有效功、尾氣余熱、冷卻循環(huán)系統(tǒng)余熱以外熱量損失均在此項損失內，比如輻射所造成的熱損失、燃料燃燒不充分造成的損失和其他沒有計入的熱損失等。表2-1發(fā)動機的熱平衡熱平衡方程各項組成汽油機（％）柴油機（％）轉化有效功熱量25-3030-40尾氣帶走熱量30-5025-45冷卻系統(tǒng)帶走熱量15-3512-27其他熱量損失2-102-10由表中的數據可以得出，冷卻系統(tǒng)帶走了燃料燃燒產生的相當大的一部分熱量，如今想要提高發(fā)動機的功率相當困難。但是，如果對冷卻循環(huán)水熱能進行回收，也未嘗不是一種變相性提高發(fā)動機功率的方式。而且從數據來看，余熱回收的空間較大，發(fā)展前景廣闊。2.2發(fā)動機余熱利用采暖系統(tǒng)2.2.1作用在天氣變冷的時候，汽車的暖風系統(tǒng)可以給汽車內部供暖，使車內人員可以處在一個溫度適宜環(huán)境中。而且汽車內開了暖風，造成汽車內外溫度不同，汽車的擋風玻璃會因為溫差的原因而起霜霧，影響駕駛者的視線，給安全駕駛帶來隱患。這時暖風系統(tǒng)可以將暖風通過暖風管送到擋風玻璃進行除霧，以保證安全駕駛。2.2.2分類1）水暖式暖風系統(tǒng)水暖式暖風系統(tǒng)就是將發(fā)動機高溫冷卻循環(huán)水作為汽車暖氣系統(tǒng)的熱源，如圖2-1所示，通過熱水調節(jié)閥，將發(fā)動機冷卻循環(huán)水導入到汽車暖氣系統(tǒng)的加熱器中，在鼓風機的作用下，冷空氣流經加熱器的表面吸收熱量變成暖風再由風口吹到駕駛室中，供駕駛室取暖。圖2-1汽車水暖式采暖系統(tǒng)結構示意圖

2）氣暖式暖風系統(tǒng)氣暖式暖風系統(tǒng)的熱源來自發(fā)動機排氣系統(tǒng)的尾氣余熱。發(fā)動機排氣進入到換熱器中，新鮮空氣吹過換熱器表面進行加熱，然后再送入汽車車廂內。使車廂內的溫度上升，通過調節(jié)空氣的進入量，來調節(jié)車廂內的溫度。圖2-2汽車氣暖式采暖系統(tǒng)結構示意圖2.3溫差發(fā)電系統(tǒng)溫差發(fā)電的研究包括兩個方面，一是熱電元器件，二是發(fā)電器。對溫差發(fā)電的研究已經成為熱電學的一個重要領域。2.3.1溫差發(fā)電的基本理論熱力學研究發(fā)現當一根金屬導體棒的兩端存在溫差時，導體棒熱端的電子會朝著冷端移動，從而形成電磁場產生電勢差。19世紀20年代，塞貝克研究發(fā)現，兩種不同導體組成的回路，當兩接頭有溫差時，回路中就會產生電流。如圖2-3所示。實驗表明，熱電動勢的大小與兩個觸點之間的溫度差成正比，塞貝克系數定義為兩點之間的電壓差。其數值為（2-2）單位為V/K但通常由于這個數值非常小，所以更常用的單位是/K。圖2-3塞貝克效應示意圖賽貝克效應是第一熱電效應是將熱能直接轉化為電能的途徑，是溫差發(fā)電的核心理論。2.3.2溫差發(fā)電的典型系統(tǒng)與實例溫差發(fā)電系統(tǒng)通常由熱電模塊，廢熱通道和冷卻水箱三部分組成。典型的熱電發(fā)電系統(tǒng)如圖2-4所示。熱電模塊平鋪在廢熱通道上，冷端為冷卻水，熱端為發(fā)動機排氣。該裝置結構簡單，安裝方便，夾緊容易。缺點是在廢熱通道中，廢氣的分布存在空隙，部分廢氣熱量得不到充分利用。圖2-4典型的溫差發(fā)電系統(tǒng)我國很多遠洋船只的發(fā)動機上安裝了余熱發(fā)電裝置，利用溫差發(fā)電原理對柴油機的排氣余熱進行回收。經查閱資料得知，回收的能量大約占柴油機所產生總熱量的O.77％。雖然回收率不高，但從節(jié)約能量的角度來說，這些熱量本來就是廢熱，能夠進行回收利用對節(jié)能減排，提高能量利用率是相當可觀的。2.4本章小結1．本章對發(fā)動機熱能的去向，以及分布進行了簡單的分析，分析表明發(fā)動機冷卻循環(huán)水帶走的熱量是相當可觀的，而對這部分熱量進行回收是有意義，有價值的事情。2.對現如今發(fā)動機冷卻循環(huán)水的熱能回收利用情況進行了簡單的介紹，目前對發(fā)動機冷卻循環(huán)水的熱能回收利用還僅是用于汽車在冬季的時候取暖使用。3.本章還對溫差發(fā)電原理進行了簡單的介紹，并且還對它在遠洋船舶發(fā)動機煙氣余熱回收的實際應用進行了介紹。這表明利用溫差發(fā)電的理論，來對發(fā)動機冷卻循環(huán)水進行回收利用是可行的。第3章發(fā)動機冷卻循環(huán)水熱能回收3.1回收原理采用溫差發(fā)電原理對發(fā)動機冷卻循環(huán)水進行回收，以冷卻循環(huán)水的熱能為熱源，通過對冷源、熱源以及發(fā)電模塊的設計，將冷卻循環(huán)水的熱能直接轉化為電能。溫差發(fā)電原理是基于塞貝克效應，將熱能直接轉化為電能。當一對溫差電偶的兩個接頭處于不同溫度時，電偶兩端就有一定電動勢。要得到較大的功率輸出，通常把若干對溫差電偶串(或并)聯成為溫差電堆。溫差發(fā)電原理如圖3-1所示，該裝置可利用溫差直接產生電力。將P型半導體和N型半導體在熱端連接，則在冷端可得到一個電壓，一個PN連結所能產生的電動勢有限，將很多個這樣的PN連結串聯起來就可得到足夠的電壓，成為一個溫差發(fā)電機。圖3-1溫差發(fā)電原理圖

3.2對冷卻循環(huán)水熱能回收利用裝置的設計對溫差發(fā)電裝置的冷端、熱端、發(fā)電模塊進行設計，將發(fā)動機冷卻循環(huán)水的熱能進行收集并作用于溫差發(fā)電裝置的熱端，并對冷端散熱進行設計，使裝置的冷熱端具有一定溫差。將發(fā)電模塊置于兩端之間即可產生電能。3.2.1熱源集熱裝置的設計圖3-2冷卻循環(huán)水集熱器1.冷卻循環(huán)水管路2.吸熱翅板3.集熱器耳朵如圖3-2所示，圖中1為冷卻循環(huán)水路的進出口，發(fā)動機管路中的冷卻循環(huán)水從集熱器的一側進入流經整個集熱器，將攜帶的熱量傳遞給集熱器后再由另一側排出回到發(fā)動機冷卻循環(huán)管路中去。圖中2為吸熱翅板，為的是增加冷卻循環(huán)水與集熱器的接觸面積，能更好的將冷卻循環(huán)水的熱量進行回收，之所以將集熱器內部水路設計成曲折型，增加了冷卻循環(huán)水在集熱器中停留的時間，目的也是如此。圖中3是集熱器耳朵，用來與發(fā)電裝置的冷端進行聯接固定。集熱器的下表面與溫差發(fā)電模塊的上表面相接觸，將熱量傳遞給發(fā)電模塊的上表面。3.2.2溫差發(fā)電模塊的設計圖3-3溫差發(fā)電模塊4.溫差發(fā)電片5.散熱器耳朵6.散熱器主散熱片如圖所示，圖3-3中的方塊為溫差發(fā)電片，它的上表面與集熱器的下表面相接觸，作為溫差發(fā)電器的熱端，它的下表面與主散熱片的上表面相接觸，作為溫差發(fā)電器的冷端。每個溫差發(fā)電片的之間的空隙用隔熱墊進行隔熱，并且在隔熱墊中嵌入導線，將所有溫差發(fā)電片串聯成一個整體，從而成為一個溫差發(fā)電器。溫差發(fā)電片的發(fā)電原理：塞貝克效應（兩種不同導體組成的回路，當兩接頭有溫差時，回路中就會產生電流）。圖3-4溫差發(fā)電原理圖：電勢差，與溫差成正比：塞貝克系數：熱端溫度：冷端溫度:外接電阻：內阻如圖3-4所示將N型和P型半導體串聯起來形成回路，一端連接熱源，另一端連接冷源，就形成了簡易的溫差電池（溫差電偶），這就是溫差發(fā)電的原理。而溫差發(fā)電片的內部就是將若干個這樣的溫差電偶進行串并聯，來提高電壓和電流，其內部結構如圖3-5所示圖3-5(a)溫差發(fā)電片內部結構圖3-5(b)溫差發(fā)電片

3.2.3冷源散熱器的設計由于熱源采用的是發(fā)動機冷卻循環(huán)水的熱能，最高溫度只有九十多度，對冷源降溫的要求并不高，因此將溫差發(fā)電裝置的冷源將直接設計為散熱片的形式，利用風冷降低溫度，作為溫差發(fā)電裝置的冷源。圖3-6散熱器4.溫差發(fā)電片5.散熱器耳朵6.散熱器主散熱片7.散熱器副散熱片如圖3-6所示，散熱器為一個整體，主散熱片的上表面與溫差發(fā)電片的下表面相貼合，下方的副散熱片與主散熱片垂直。散熱器為風冷形式，當空氣流經散熱片的表面，會帶走整個散熱器的熱量，從而持續(xù)給溫差發(fā)電片的下表面降溫。主散熱片的邊緣設計有耳朵，用于與集熱器進行螺栓聯接。3.3冷卻循環(huán)水溫差發(fā)電裝置的整體結構與要求3.3.1整體結構該裝置的設計靈活性強，結構簡單，可依據不同車型進行量身設計。如圖3-7所示，該裝置主要分為三個部分，一是熱源回收裝置（集熱器）；二是溫差發(fā)電模塊，由多個溫差發(fā)電片通過導線聯接而成；三是冷源散熱裝置（散熱器）。集熱器和散熱器通過螺栓聯接，而溫差發(fā)電模塊置于集熱器下表面和散熱器上表面之間，在螺栓的作用下被加緊。溫差發(fā)電模塊之間的間隙由隔熱墊填充，并且溫差發(fā)電模塊相連接的導線鑲嵌在隔熱墊里邊以保護導線。圖3-7溫差發(fā)電裝置整體結構8.螺栓9.隔熱墊汽車正常運行時，發(fā)動機的冷卻循環(huán)水通過循環(huán)水管道進入集熱器，給溫差發(fā)電裝置提供熱源，之后再由另一側流出回到發(fā)動機冷卻循環(huán)系統(tǒng)。與此同時，空氣流對散熱片進行冷卻，熱源和冷源的獲得，產生溫差效應，這時發(fā)電模塊產生電壓，該電壓經升壓整流后供用電器使用。3.3.2裝置要求1.集熱器和散熱器的材料要求導熱率高，導熱速率快，在經受溫度變化時的變形率低。2.集熱器的下表面和散熱器的上表面平面度要求較高，要能與溫差發(fā)電模塊的上下表面完全貼合。

3.4本章小結1.本章對溫差發(fā)電原理進行了介紹，并且將此原理運用到了發(fā)動機冷卻循環(huán)水熱能回收利用當中，利用溫差發(fā)電原理發(fā)動機冷卻循環(huán)水的熱能轉換為電能，從而實現對發(fā)動機冷卻循環(huán)水余熱的回收利用2.本章還對發(fā)動機冷卻循環(huán)水熱能回收利用的裝置進行了結構設計，該設計簡單、靈活、方便、實用?？梢葬槍Σ煌能囆瓦M行結構設計，切實能夠對發(fā)動機冷卻循環(huán)水的熱能進行回收利用。

結論經過這段時間的畢業(yè)論文創(chuàng)作，可以說過程非常的不容易。從一開始看到題目的茫然，不知該怎么去做，到后來通過查閱大量資料，以及和老師互相討論才有了想法和方向。我的題目是‘發(fā)動機冷卻循環(huán)水熱能回收利用’，通過查閱資料發(fā)現冷卻循環(huán)水余熱回收的方法有很多，但是卻都不太適合用于發(fā)動機的冷卻水熱能回收。最后我采用的是溫差發(fā)電原理來對發(fā)動機冷卻循環(huán)水熱能進行回收利用，并且對熱能回收裝置進行了結構設計。利用溫差發(fā)電原理來對發(fā)動機冷卻循環(huán)水熱能進行回收是最切實可行的辦法。該回收裝置就是一個溫差發(fā)電器，利用發(fā)動機冷卻循環(huán)水的熱能作為溫差發(fā)電器的熱源，采用風冷散熱器作為溫差發(fā)電器的冷源。再根據塞貝克效應，在熱源和冷源之間加入溫差發(fā)電模塊。這樣就制成了一個簡易的溫差發(fā)電器。從而達到對發(fā)動機冷卻循環(huán)水熱能回收利用的目的。

致謝首先感謝我的導師孟立新副教授，有你的指導我才能完成這次畢業(yè)論文。大學四年即將結束，在這里我十分感謝在這四年里遇到的每一位老師和每一位同學，是你們陪伴我度過了這美好的四年。在這四年里，我經歷了許多，也成長了許多。是你們傳授我知識，是你們教會我責任，是你們帶給我勇氣，也是因為你們，我這四年才活的精彩。謝謝！我的大學--北華航天工業(yè)學院，是您培育了我四年，不僅豐富了我的知識，還教會了我如何做一個有責任心，勇于擔當，認真做事，踏實做人的人，謝謝您！我將謹記您的教誨--‘進德修業(yè)，精