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文檔簡介
汽車發(fā)動機余熱運用技術(shù)可行性分析一、背景自20世紀70年代世界性的能源危機發(fā)生以來,能源問題受到世界各國普遍重視,各經(jīng)濟大國都致力搶占能源市場同步,對節(jié)能技術(shù)的重視程度也大大加強。伴隨人們生活水平的提高,汽車保有量越來越大,汽車能源消耗在總能源消耗中所占的比例越來越高,汽車節(jié)能問題越來越受到各國關(guān)注。節(jié)能已經(jīng)成為當今世界汽車工業(yè)發(fā)展的主題之一。汽車消耗的能源重要是石油燃料,而我國是一種石油存儲量相對欠缺的國家,目前己成為世界第二大石油進口國。伴隨我國汽車工業(yè)的迅速發(fā)展,提高汽車燃料有效運用率和減少環(huán)境污染在我國具有更重要的戰(zhàn)略意義。調(diào)查研究表明,汽車燃料燃燒所釋放的能量只有三分之一左右被有效運用,其他能量都被散失或排放到大氣中,導(dǎo)致了能源極大揮霍,也帶來了不良環(huán)境影響。因此將這些汽車廢熱有效運用是實現(xiàn)汽車節(jié)能,減少汽車能源消耗的一種有效途徑。二、汽車余熱運用技術(shù)從目前汽車所用發(fā)動機的熱平衡來看,用于動力輸出的功率一般只占燃油燃燒總熱量的30%-45%(柴油機)或20%-30%(汽油機)。以余熱形式排出車外的能量占燃燒總能量的55%-70%(柴油機)或80%-70%(汽油機),重要包括循環(huán)冷卻水帶走的熱量和尾氣帶走的熱量。表為內(nèi)燃機的熱平衡表從表中可以看出汽車發(fā)動機冷卻介質(zhì)帶走的熱量有較大運用空間,怎樣將其有效運用自然受到人們越來越多的關(guān)注,不少人致力于此方面研究。由于車用發(fā)動機特殊的使用場所,汽車余熱運用品有鮮明的特點和特殊的規(guī)定,可將這些特點簡樸歸結(jié)如下:一是汽車余熱的品位較低,能量回收較困難;二是余熱運用裝置要構(gòu)造簡樸,體積小,重量輕,效率高;三是廢熱運用裝置要抗震動、抗沖擊,適應(yīng)汽車運行環(huán)境;四是要保證汽車使用中的安全;五是要不影響發(fā)動機工作特性,防止減少發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性。由于汽車余熱運用品有上述特點,使得研究的成果雖多,但投入商業(yè)化生產(chǎn)的不多,有待深入的研究開發(fā)。國內(nèi)外汽車余熱運用的技術(shù),從熱源來看,有運用發(fā)動機冷卻水余熱和運用排氣余熱兩種,從用途上來看,有制冷空調(diào)、發(fā)電、采暖、改良燃料、渦輪增壓、室內(nèi)濕度控制和空氣凈化等方式。1、余熱制冷技術(shù)目前,在轎車空調(diào)中,占統(tǒng)治地位的是蒸汽壓縮式空調(diào)系統(tǒng),轎車空調(diào)一般要消耗8~12%的發(fā)動機動力,增長油耗,加大排放;另首先易引起水箱過熱,影響轎車動力性;同步由于蒸汽壓縮式空調(diào)系統(tǒng)采用的制冷工質(zhì)為氟利昂類化合物,導(dǎo)致溫室效應(yīng)加劇。為處理舒適性與制冷功耗之間的矛盾,回收和運用發(fā)動機排氣余熱來驅(qū)動制冷系統(tǒng),實現(xiàn)轎車空調(diào),是理想的節(jié)能方案。目前提出的這方面技術(shù)重要有吸取式和吸附式兩種。吸取式制冷空調(diào)。其原理是以熱能為動力來完畢制冷循環(huán)的,在有關(guān)文獻中,研究最多的是運用循環(huán)冷卻水余熱來實現(xiàn)吸取式制冷,當然也可以運用排氣余熱來實現(xiàn)吸取式循環(huán)。吸取式制冷系統(tǒng)有較大的性能系數(shù)COP(相對于吸附式而言),但構(gòu)造復(fù)雜、體積大、造價高,并且四器(發(fā)生器、冷凝器、吸取器、蒸發(fā)器)需要自由水平面,不太合用于常常處在顛簸、運動狀態(tài)的汽車。吸附式制冷空調(diào)。其原理是運用某些固體物質(zhì)在一定溫度、壓力下能吸附某種氣體或水蒸汽,在另一種溫度、壓力下又能把它釋放出來的特性來實現(xiàn)制冷。吸附式系統(tǒng)構(gòu)造簡樸、造價低,在提高吸附床傳熱傳質(zhì)能力的狀況下,可大大提高系統(tǒng)的性能,是較為理想的系統(tǒng)。但吸附式制冷的COP不高,需要較長預(yù)備時間,單位質(zhì)量的吸附劑產(chǎn)生的制冷功率較小,系統(tǒng)粗笨,廢熱運用率不高,而汽車空調(diào)規(guī)定體積小、制冷量大、性能可靠、操作以便,這限制了它的應(yīng)用和發(fā)展。要到達以上規(guī)定,必須提高系統(tǒng)COP值及單位質(zhì)量吸附劑制冷功率。2、余熱發(fā)電技術(shù)運用廢氣能量發(fā)電常用措施有四種,分別為運用半導(dǎo)體溫差發(fā)電、氟龍透平發(fā)電、廢氣渦輪發(fā)電和斯特林循環(huán)原剪發(fā)電。半導(dǎo)體溫差發(fā)電。熱電轉(zhuǎn)化效率可達3。3%,甚至是7%,吉林大學(xué)的董桂田通過試驗證明用汽車發(fā)動機排氣廢熱溫差發(fā)電可以取代老式的汽車發(fā)電機,且溫差發(fā)電吸熱降溫對汽車整體性能大有稗益。運用發(fā)動機廢熱的氟龍透平發(fā)電。是運用一種在比較低的溫度下能成為高壓氣體的低沸點物質(zhì)(一般為氟利昂)作為工質(zhì),使其在吸取發(fā)動機余熱后由液態(tài)變?yōu)楦邏赫羝麖亩七M透平機發(fā)電。廢氣渦輪發(fā)電。青島大學(xué)的張鐵柱提出了運用廢氣能量驅(qū)動渦輪帶動發(fā)電機發(fā)電的設(shè)想,并設(shè)計了一種新裝置來實現(xiàn),獲得專利一項。日本的吉田佑也曾作過此方面的試驗,證明了運用廢氣能量驅(qū)動渦輪所發(fā)出的電能足以提供汽車運行所需電能,但未做深入研究。此種裝置構(gòu)造簡樸,但有也許對發(fā)動機工作性能產(chǎn)生影響。運用斯特林循環(huán)原剪發(fā)電。工質(zhì)從高溫?zé)嵩?汽車廢氣)吸取熱量,膨脹做功,向低溫?zé)嵩捶艧岵⑹湛s,再次從熱源吸取熱量,循環(huán)上述過程。在每次循環(huán)過程中,工質(zhì)吸取的熱能轉(zhuǎn)化為機械能,而工質(zhì)做功過程中通過活塞的往復(fù)運動帶動直線發(fā)電機深入將機械能轉(zhuǎn)化為電能。3、余熱采暖余熱式暖氣裝置運用汽車發(fā)動機工作剩余熱量供暖,運用發(fā)動機冷卻水的熱量,稱為水暖式,運用發(fā)動機排氣系統(tǒng)的熱量,稱為氣暖式。①水暖式暖風(fēng)裝置廣泛應(yīng)用于汽車采暖系統(tǒng)中,但其發(fā)熱量較小,重要用于非寒冷地區(qū)取暖容量較小的貨車和轎車。在環(huán)境溫度較低時,會使發(fā)動機處在過冷狀態(tài),增長了發(fā)動機不必要的機械磨損,減少了發(fā)動機的功率。②氣暖式暖風(fēng)裝置的發(fā)熱量大,采暖效果很好,受環(huán)境溫度影響小,對發(fā)動機工作影響小,但要注意不要增長排氣背壓,否則將影響到發(fā)動機的工作性能。4、改良燃料運用發(fā)動機排氣余熱加熱燃料,使其在催化劑作用下能分解出氫、一氧化碳等可燃氣體,可提高燃料的燃燒熱值,減輕排放污染和積炭。例如甲醇,改性后的含量可增大20%,可有效減輕污染和積炭。這種措施的缺陷在于只運用了發(fā)動機余熱的一部分,其目的重在改良燃料而非充足運用廢氣能量。以上所述汽車余熱運用熱源來自發(fā)動機和尾氣排放兩個方面,但形式上都是現(xiàn)采現(xiàn)用,輕易出現(xiàn)熱能供應(yīng)與需求失配的矛盾,因此人們考慮怎樣將汽車剩余熱量臨時貯存起來,供需時使用,從而引出蓄能問題。對發(fā)動機余熱運用而言,從熱源來看,余熱量與發(fā)動機運轉(zhuǎn)工況有關(guān),是一種具有分散性和間歇性特點的能源,并且氣候原因、汽車啟停間隔等原因?qū)ζ囉酂崃坑绊懸埠苊黠@。要處理供需矛盾,把這種不穩(wěn)定能源為人們所用,就要把發(fā)動機運轉(zhuǎn)時冷卻液攜帶的熱能臨時貯存起來,以供再次啟動時加熱室內(nèi)空間或儀表盤,寒冷冬天車窗玻璃的除霧除霜、控制室內(nèi)濕度;從節(jié)能和經(jīng)濟角度來看,熱存貯在汽車余熱運用系統(tǒng)中所起的作用比一般的熱運用系統(tǒng)都大得多。因此,汽車余熱蓄熱再運用關(guān)鍵在于處理能量存貯問題,蓄能問題也是汽車余熱應(yīng)用研究中的微弱環(huán)節(jié)。三、余熱運用各技術(shù)可行性分析1、余熱制冷技術(shù)分析吸附式制冷系統(tǒng)使用的工質(zhì)有沸石-水、活性炭-甲醇,活性炭-氨等,對環(huán)境無污染、可直接運用一次能源以及無運動部件等長處,越來越受到人們的重視。吸附式系統(tǒng)運動部件少,可靠性高;其COP與吸取式系統(tǒng)相近。由于使用固體吸附材料,因此可用于振動場所。氨工質(zhì)的制冷量大,在常規(guī)溫度范圍內(nèi),蒸發(fā)和冷凝壓力都是正壓,并且在較高溫度的條件下不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng),尤其是對臭氧層保護和減少溫室效應(yīng)又意義很大,因此在制冰及空調(diào)應(yīng)用中日益受到重視。目前國內(nèi)外對其在吸附式制冷循環(huán)中的性能研究較少,Warwick大學(xué)的R。E。Critoph的研究組美國JPL/NASA的JackA。Jones對活性炭-氨的吸附性能進行了初步的研究和分析。吸附式制冷熱力學(xué)原理圖圖中過程a-b-c-d-a為基本循環(huán)中吸附器的基本熱力過程,左側(cè)a-b-m-n-a為制冷劑熱力過程。吸附器分別在a-b-c過程被加熱解吸和在c-d-a過程降溫吸附,中間需要切換加熱和冷卻,是一種間歇過程,適合于太陽能等不持續(xù)熱源場所。它的循環(huán)周期長,性能系統(tǒng)較低。在此基礎(chǔ)上人們設(shè)計了雙吸附器的持續(xù)循環(huán),可以進行持續(xù)制冷,但性能與基本循環(huán)沒有區(qū)別,只相稱于兩個并聯(lián)工作的基本循環(huán)。如圖所示,假如有兩個吸附器反相工作,兩個吸附器準備切換時,一種處在高溫高壓狀態(tài)c,另一種處在低溫低壓狀態(tài)a,回?zé)峋褪沁\用此時兩吸附器的溫差來對低溫吸附器進行初步加熱并對高溫吸附器初步冷卻,在理想狀態(tài)下可以回?zé)岬絻晌狡鳒囟认嗟鹊臓顟B(tài),即e和e’。由圖中可以發(fā)現(xiàn)外部輸入的加熱過程的熱量可以節(jié)省非常多,因此可以使COP得到較大的改善。COP可以提高30%以上。當兩個吸附器反相工作,兩個吸附器準備切換時,一種處在高溫高壓狀態(tài)c,另一種處在低溫低壓狀態(tài)a,回質(zhì)就是運用此時兩吸附器的壓力差來對低壓吸附器進行升壓,并使高壓吸附器降壓,從而縮短a-b和c-d過程所需要的時間,并增長工質(zhì)的流量,可以使制冷量和COP得到較大的改善。COP可以提高到達50%以上。我們懂得,發(fā)動機工作時,用于動力輸出的功一般只占燃油燃燒總熱量的30%~40%,以廢熱形式排除車外的能量占燃燒總能量的58%~70%,重要包括循環(huán)冷卻水帶走的熱量和尾氣帶走的熱量;排氣余熱的特點是溫度高,排氣閥門處的溫度大概為400~500℃;尾氣帶走的熱量占燃燒總熱量的25%~45%。對于發(fā)動機輸出功率為170kW(228馬力)的大型客車來說,其能量分布為:所有燃燒熱600kW;軸功輸出170kW;輻射、冷卻換熱230kW;廢氣余熱200kW。在余熱回收中可以考慮兩種方式。一種是使用散熱器冷卻水中回收的熱量,另一種是使用發(fā)動機排氣回收的熱量。假如使用從發(fā)動機冷卻水中回收的熱量,則由于水與吸附器的換熱狀況要好于氣體與吸附器的換熱狀況,因此回收熱量過程中的傳熱狀況相對很好,有助于熱量回收。不過熱源溫度相對較低(低于100℃),并且一般在冷卻時用于冷卻吸附器和冷凝器的空氣溫度較高,這樣循環(huán)的溫差比較??;小的溫差對吸附式系統(tǒng)來說會使循環(huán)的吸附解吸量較低,對工作是不利的。假如使用從發(fā)動機排氣中回收的熱量,則氣體的傳熱狀況較差導(dǎo)致回收熱量困難;但從此外的角度來看,發(fā)動機排氣的溫度較高(汽油機500-600℃遠高于冷卻水的溫度),有也許改善熱回收狀況;并且此溫度與冷卻空氣的溫度相差較大,可以使系統(tǒng)循環(huán)溫差較大,從而導(dǎo)致較大的吸附解吸量。2、余熱發(fā)電技術(shù)分析由于汽車的構(gòu)造緊湊、發(fā)動機排氣量小,車用發(fā)動機余熱的運用相對于大型工業(yè)設(shè)備余熱回收來說難度更大。20世紀70年代以來,某些工業(yè)發(fā)達國家的學(xué)者提出了采用溫差發(fā)電器(ThermoelectricGenerator,TEG)來處理上述問題。TEG根據(jù)熱電直接轉(zhuǎn)換原理,具有構(gòu)造簡樸、無運動部件、無噪聲等特點,在低品位熱能運用方面具有獨特的效果;把它安裝在內(nèi)燃機的排氣管上,可以將內(nèi)燃機運行余熱直接轉(zhuǎn)換為電能。溫差發(fā)電的研究包括了熱電器件和發(fā)電器兩個方面,是熱電學(xué)的一種重要領(lǐng)域熱電轉(zhuǎn)換器件是溫差發(fā)電器的基本元件,它的功能是將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能,效率取決于熱電極材料的性能和器件的設(shè)計制造水平。自從20世紀50年代前蘇聯(lián)科學(xué)院的Ioffe院士提出了半導(dǎo)體熱電理論以來,用于溫差發(fā)電的熱電材料都是半導(dǎo)體材料,如用于低溫(300℃如下)熱電材料Bi2Te3及其固溶體合金、中溫(300℃~600℃)熱電材料PbTe-SnTe、高溫(600℃~1000℃)熱電材料SiGe、MnTe、SiRe2、CeS等。衡量熱電材料優(yōu)劣的指標為“優(yōu)值”Z=α2σ/λ(式中α為塞貝克系數(shù),σ為電導(dǎo)率,λ為熱導(dǎo)率,Z的量綱為K-1)。研究中也常使用ZT值(稱為無量綱優(yōu)值,T為絕對溫度)??梢杂糜跍夭畎l(fā)電的材料既要有較高的α、σ值又要有較低的λ值,這是一種十分苛刻且矛盾的條件,以至于室溫下熱電材料ZT的最高值約為1的狀況至今未能突破。因而,尋找高優(yōu)值的熱電材料,一直是熱電學(xué)研究的重要內(nèi)容,這些研究重要包括:(1)熱電新材料的研究,如稀土硫化物、硒化物、富硼固體、方鈷礦型化合物的研究。這些研究表明,通過控制最佳載流子濃度或通過固溶摻雜來處理良電導(dǎo)和熱絕緣的矛盾是有效的。(2)熱電材料新構(gòu)造的研究,包括梯度材料、復(fù)合材料和量子阱構(gòu)造的熱電材料等。熱電材料的梯度構(gòu)造包括材料載流子濃度的梯度化和層疊熱電材料結(jié)合面的梯度化。合理的梯度化構(gòu)造可以使材料適應(yīng)內(nèi)部溫度梯度的變化,使得最佳的材料能運用在最合理的溫度區(qū)域,提高總的轉(zhuǎn)換效率。(3)熱電材料制備新工藝的研究,常用的措施有熔體生長法和粉末冶金法,以及微型半導(dǎo)體熱電器件采用的氣相生長法。制備措施與工藝的完善與否,對材料的性能影響很大。粉末冶金法合用于大規(guī)模生產(chǎn),并且原材料揮霍少,獲得的材料機械性能好,是一種有前途的適合實用普及的工藝措施。單個熱電轉(zhuǎn)換器件的轉(zhuǎn)換功率很小,需要經(jīng)串/并聯(lián)組合制成轉(zhuǎn)換模塊,并實現(xiàn)產(chǎn)品的原則化、系列化。美國Hi-Z企業(yè)為車輛余熱轉(zhuǎn)換研制的一種熱電模塊,由71對碲化鉍熱電偶聯(lián)接起來,固定在一種被稱為“蛋架”的框架上;模塊在溫差200℃時輸出2。38V/19W電流。該企業(yè)已研制了4種不一樣規(guī)格的產(chǎn)品,形成了一種系列,輸出電功率從2。5W至19W。車用溫差發(fā)電器的熱源是發(fā)動機排氣和冷卻水帶走的余熱,前者的溫度可達800℃左右,后者一般在100℃如下。溫差發(fā)電器冷源的形式有空氣自然對流散熱、強迫通風(fēng)散熱、水冷散熱和環(huán)流散熱4種。目前設(shè)計的熱電偶臂長僅為3~10mm,冷熱端間距很小,因此,合適的冷源形式是獲得較大溫差的關(guān)鍵原因之一。近年來,車用發(fā)動機余熱溫差發(fā)電技術(shù)發(fā)展快,國內(nèi)外許多高校、科研機構(gòu)、軍隊、有關(guān)企業(yè)、車企業(yè)均有研究成果的報道。某些試驗裝置經(jīng)進行了試驗室臺架試驗、道路試驗以及耐久性驗,轉(zhuǎn)換規(guī)模在數(shù)百瓦至1500W之間。日本Nissan汽車企業(yè)研究中心研制溫差發(fā)電器,它的外形尺寸為440mm×180mm170mm,接在3000cc汽油機的排氣管中部;所用熱電偶直徑20mm、高度9。2mm,每8對構(gòu)成一種塊,每個模塊輸出1。2W電能,總共72塊模塊敷在內(nèi)通道的矩形外壁上。溫差發(fā)電器的外部采用冷卻,最大溫差為563K。在道路試驗中,當汽車60km/h的速度爬坡時,發(fā)電器可轉(zhuǎn)換排氣中11%的熱量。美國Hi-Z技術(shù)企業(yè)Bass等人1984年刊登了有關(guān)1。5kW溫差發(fā)電器設(shè)計的論文,1990年后來,在美國能源部的持續(xù)資助下進行了載重車柴油機排氣余熱溫差發(fā)電的研究,在康明斯250kW(335Hp)柴油機上進行了臺架和道路試驗。試驗在排氣管上用72塊HZ-14模塊按圓周排列布置,冷端用水冷卻,形成了250℃~270℃溫差。輸出功率重要依賴于發(fā)動機負載的變化,而受轉(zhuǎn)速變化的影響較小。試驗裝置共產(chǎn)生30V/1kW的直流電,成本約為1000美元,回收需要一年半左右的時間。這一裝置的性能處在領(lǐng)先,不過獲得的總功率不算高,到目前還沒有深入實用的匯報國產(chǎn)解放141汽車排氣余熱的溫差發(fā)電做了研究:原車發(fā)電機輸出功率為350W,額定電壓14V,額定電流25A。計算表明,當使用960個碲化鉛熱電偶,高溫?zé)嵩礊?00℃,低溫?zé)嵩礊?00℃時,只要有16610J/s的排氣余熱就能轉(zhuǎn)換得到與發(fā)電機的輸出相等的電量。而臺架試驗測得該車發(fā)動機在最低轉(zhuǎn)速時排氣的溫度和流量已經(jīng)能滿足這些規(guī)定,闡明了排氣余熱的溫差發(fā)電具有實用性。俄羅斯聯(lián)邦科學(xué)中心物理與能源工程研究所(SSCRF-IPPE),進行了高寒區(qū)載重車發(fā)動機的直接發(fā)電和取暖的研究。試驗對象為154kW(210hp)的俄制發(fā)動機,輔助的溫差發(fā)電器有平板式和圓柱式熱電模塊兩種形式,產(chǎn)生600W電能,可以滿足全車用電,尚有余熱供應(yīng)駕駛室取暖。研究表明,溫差發(fā)電系統(tǒng)的溫差越大、熱源溫度越高、材料優(yōu)值越高,發(fā)電器的效率就越高。因此,提高溫差發(fā)電器性能的方向是開發(fā)高優(yōu)值的熱電材料和高效的轉(zhuǎn)換器構(gòu)造。由于近50年來,熱電材料的研究沒有獲得期望的進展,因此,在既有材料的條件下開發(fā)高效溫差發(fā)電器就成為了主攻的方向。在這方面融合了先進設(shè)計措施和多學(xué)科的基礎(chǔ)理論,如:(1)優(yōu)化設(shè)計研究。熱電偶的優(yōu)值除與電極材料有關(guān),也與電極的截面和長度有關(guān),不一樣電阻率和導(dǎo)熱率的電極應(yīng)有不一樣的幾何尺寸,只有符合最優(yōu)尺寸才能獲得最佳的器件優(yōu)值。同步,設(shè)計中還要對溫差發(fā)電器的負載等性能以及構(gòu)造進行綜合考慮,采用優(yōu)化、仿真和CAD等現(xiàn)代設(shè)計措施進行優(yōu)化設(shè)計,是此后研究的重要課題之一。(2)可靠性研究。可靠性較高一直是半導(dǎo)體熱電器件的最重要的長處之一,但受設(shè)計、制造和使用環(huán)境等原因的影響,器件的穩(wěn)定性和使用壽命有明顯的差異。有關(guān)失效機理的分析和試驗表明,半導(dǎo)體熱電器件失效的重要原因是熱電偶接頭處發(fā)生的物質(zhì)遷移,接頭處焊料或?qū)Я髌脑油ㄟ^固體擴散的形式進入到電極材料中,成為額外的摻雜原子,以及材料中摻入的雜質(zhì)原子析出等變化了材料特性等。這些問題尚有待處理。(3)傳熱學(xué)的研究。溫差發(fā)電器在設(shè)計中,需要根據(jù)熱、冷源的形式,研究它的傳熱方式、接觸熱阻、散熱形式,幾何形狀及強化措施等問題。這方面的研究已經(jīng)成為溫差發(fā)電器設(shè)計的基礎(chǔ)之一。(4)多場協(xié)同轉(zhuǎn)換器的研究。華南理工大學(xué)課題組根據(jù)排氣管內(nèi)熱流的換熱形式和熱電偶回路的基本定律,提出了一種全新的溫差發(fā)電器構(gòu)造。研究采用內(nèi)置的軸向網(wǎng)狀熱電轉(zhuǎn)換模塊和多級轉(zhuǎn)換構(gòu)造,冷源為分離式循環(huán)水冷,直接接入發(fā)動機的水冷系統(tǒng)。這樣做可以獲得較大的溫差、較高的熱電偶集成度,并減少對熱電材料λ值的規(guī)定,強化了速度場、流場、溫度場、電場的耦合,充足運用了余熱流的能量。該研究已經(jīng)完畢理論研究和驗證性的試驗。溫差發(fā)電器用于車用發(fā)動機的余熱運用品有廣泛的應(yīng)用前景。從研究成果來看,目前設(shè)計構(gòu)造的溫差不高,熱電偶總數(shù)在1000個如下,存在著效率低、成本高、構(gòu)造不夠緊湊等問題。在熱電材料研究獲得突破之前,采用強化熱電直接轉(zhuǎn)換技術(shù),開發(fā)出大功率/高性能/高經(jīng)濟性的轉(zhuǎn)換器件和轉(zhuǎn)換系統(tǒng),將是發(fā)展趨勢。3、余熱采暖技術(shù)分析1)我們可以把汽車發(fā)動機排氣管改導(dǎo)致熱水互換器,運用熱水互換器將廢氣余熱傳遞給水,水溫升高,沸騰,產(chǎn)生大量蒸氣,再運用蒸氣加熱開水、蒸飯、取暖。汽車發(fā)動機尾氣中蘊藏著大量的熱能,根據(jù)熱傳遞及熱互換原理,運用方式如圖所示。左上是一種水箱,右下是一種熱互換器,兩者用管路連接。排放熱氣從上向下流動,熱量通過管壁傳遞給水,水溫逐漸升高,水熱互換器中上端溫度高,下端溫度低,產(chǎn)生從下向上逆熱氣流動方向的循環(huán)流動。多次往復(fù)循環(huán),就會將水“燒”開,產(chǎn)生蒸氣。因此,汽車廢氣余熱再運用的基本思緒是:在排氣管外圍沿著排氣管方向焊裝一種水套,水套與一種水箱相連。裝置注意事項:及時補水。蒸氣箱內(nèi)之水,伴隨蒸氣的蒸發(fā)會逐漸減少,應(yīng)定期打開備用補水箱閥門,向蒸氣箱內(nèi)補水;及時放水。廢氣余熱運用系統(tǒng)不使用時,應(yīng)將尾氣加熱器內(nèi)的水所有放凈。尤其是冬季,發(fā)動機不起動時,若不將水放凈,會把加熱器凍裂;閥門開關(guān)問題。尾氣加熱器進水、出水管上均有閥門開關(guān)。在使用加熱器時,應(yīng)在發(fā)動機起動前,將進、出水閥門打開,水加熱后,使水可以自由循環(huán)。否則,氣壓升高,無法循環(huán),將會產(chǎn)生高壓爆炸危險。我國北方地區(qū),冬季天氣寒冷,尤其是野外作業(yè)人員如鉆探、施工、部隊野營拉練等,飲水、吃飯、取暖極不以便。因此,若將汽車、工程車等發(fā)動機的尾氣排放系統(tǒng)加以改造,運用廢氣余熱“燒”開水、煮飯、取暖等,將給工作人員的生活、生產(chǎn)帶來極大的便利,并給國家節(jié)省大量的能源。2)車內(nèi)采暖重要應(yīng)用于大客車上客車的采暖系統(tǒng)按驅(qū)動方式分為獨立燃燒式和余熱式兩種。余熱式采暖系統(tǒng)是運用發(fā)動機的余熱(冷卻水或尾氣)采暖,運行成本低、經(jīng)濟性好、加工簡樸、使用以便。但停車時不能供暖,用于大型車輛和寒冷地區(qū)時,對余熱回收元件的性能規(guī)定很高。因此,雖然余熱式采暖系統(tǒng)的出現(xiàn)早于獨立式,不過目前在國內(nèi)尚無成功而廣泛的應(yīng)用。獨立式采暖系統(tǒng)由燃燒器和加熱器兩部分構(gòu)成,燃料(一般為輕柴油)在專門設(shè)計的燃燒器中燃燒,水或空氣被加熱后送到需采暖的空間。獨立式系統(tǒng)可在車輛的多種運行狀態(tài)下工作,提高了舒適性。此外,運用微機控制還可按照設(shè)定的時間開始工作;對發(fā)動機進行預(yù)熱、處理冷起動問題;還可對車廂進行預(yù)熱;同步處理發(fā)動機機油和蓄電池的保溫問題。在我國客車行業(yè)中,由于沒有高性能的非獨立式采暖設(shè)備而大多選用獨立式采暖裝置。但在實際使用(尤其是都市公交)中,由于運行費用太高而常采用系統(tǒng)間歇工作的方式,以減少運行成本,從而導(dǎo)致新風(fēng)供應(yīng)局限性,乘客感覺胸悶、缺氧。在車廂內(nèi)布置采暖加熱盤管和新風(fēng)加熱盤管。前者運用所回收的熱量加熱車廂內(nèi)的循環(huán)空氣;后者將外部的新鮮空氣加熱、補充通風(fēng)換氣,改善車廂內(nèi)的空氣品質(zhì)。復(fù)合式熱互換器與尾氣消聲器并聯(lián),回收尾氣的熱量;為有效回收冷卻液熱量,布置一種冷卻液-采暖水熱互換器。復(fù)合式熱互換器中使用了套管和熱管兩種換熱技術(shù),在保證換熱效率的同步充足減少尾氣的阻力。眾所周知,都市公交車輛的行駛速度變化范圍很大,最高可達80km/h,最低則靠近于怠速。單純使用熱管雖可保證發(fā)動機低工況下的換熱性能,但在高工況下也許會超過熱管的最高容許溫度,使之報廢。兩種換熱方式的結(jié)合,既保證高/低工況下的換熱效能、也可減小體積、減少尾氣側(cè)的阻力,從而保證發(fā)動機的正常出力。在車輛起動時,發(fā)動機整體溫度較低,電磁閥V3啟動,此時車廂內(nèi)沒有采暖。采暖系統(tǒng)中的水將尾氣的熱量回收后、加熱冷卻液;這樣可以縮短發(fā)動機預(yù)熱時間、提高其使用壽命。在車輛正常行駛過程中,電磁閥V1關(guān)閉、V2啟動、V3關(guān)閉。在車廂內(nèi)散熱、溫度減少后的水首先與冷卻液換熱,溫度升高后再在復(fù)合式熱互換器中深入吸熱。4、余熱制氫技術(shù)至今氫燃料在汽車發(fā)動機上的應(yīng)用還沒有得到廣泛推廣,這重要是由于大多數(shù)汽車所采用的氫燃料的添加及儲存措施不完善。近年國內(nèi)某些高校和科研單位針對氫燃料難以直接隨車儲存的特點,以甲醇替代氫氣隨車攜帶,并運用發(fā)動機排氣余熱將甲醇裂解為氫。將裂解的氫與汽油混合作為發(fā)動機燃料,很好地處理了氫燃料在汽車發(fā)動機上的儲存、攜帶,使氫燃料在汽車發(fā)動機上的推廣應(yīng)用成為也許。汽油箱中的汽油通過化油器向發(fā)動機提供,在不使用氫燃料時與老式燃料系相似。附加的氫燃料供應(yīng)系由甲醇容器、氫發(fā)生器、儲氫箱、閥、泵等構(gòu)成,氫發(fā)生器串接在排氣管上。甲醇容器中的甲醇泵入氫發(fā)生器之后,在廢氣余熱和催化劑作用下裂解生成氫并被儲存在儲氫箱里。在發(fā)動機氣缸真空度作用下,儲氫箱里的氫被吸入化油器與霧化的汽油混合,混合燃料的濃度可通過化油器各個閥控制。余熱制氫發(fā)動機不用隨車攜帶氫氣,以隨車攜帶甲醇箱中的少許甲醇就可按需產(chǎn)生氫氣燃料,處理了難于將氫燃料直接在汽車上儲存和安全性問題;甲醇的添加和儲存與老式燃料近似,便于在用車的改裝和供應(yīng)站的設(shè)置;在合適的催化劑條件下,氫發(fā)生器的產(chǎn)氫率高,使燃料成本低廉。國內(nèi)氫發(fā)生器所用的催化劑一般具有鎳、鉑、鈀、鉀、鋁和銅等元素,發(fā)動機排氣管中的廢氣余熱為300℃~780℃。上述反應(yīng)中產(chǎn)生的氫氣除代燃之外,還能協(xié)助混合燃料中的汽油燃燒得更徹底,節(jié)省燃料并改善了發(fā)動機廢氣排放。反應(yīng)中產(chǎn)生的一氧化碳在汽缸中燃燒,生成二氧化碳。因此氫氣燃燒后最終廢氣成分重要為二氧化碳和水。余熱制氫發(fā)動機運用發(fā)動機排氣余熱將甲醇裂解為氫燃料使用,使燃料成本減少,處理了使用氫燃料發(fā)動機的汽車隨車儲氫、添加等方面的問題。余熱制氫發(fā)動機使用氫(或氫與汽油混合)為燃料,使發(fā)動機排氣中有害成分大幅減少,并能減少發(fā)動機排氣對環(huán)境的放熱。甲醇作為可再生能源,能從
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