汽車尾氣余熱利用的新原理空調(diào)裝置研究

李林桃 張強(qiáng) 李斌 等

摘 要：文章所研究裝置是一套回收利用汽車尾氣余熱進(jìn)行制冷的新原理空調(diào)裝置，該裝置采用以分子篩-水為工質(zhì)對的雙床吸附式制冷原理利用尾氣余熱驅(qū)動汽車空調(diào)進(jìn)行連續(xù)制冷。該系統(tǒng)不使用壓縮機(jī)，因而不會大幅度使用汽車高品位電能或機(jī)械能，從而大幅度降低了汽車制冷耗油量，此外系統(tǒng)以水為制冷劑，對汽車設(shè)備沒有任何危害，符合當(dāng)前能源、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的總趨勢。吸附式制冷空調(diào)結(jié)構(gòu)簡單，較壓縮機(jī)式汽車空調(diào)，減少了機(jī)械噪聲和機(jī)械振動，延長了制冷系統(tǒng)的使用壽命，降低了汽車的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用，有望大規(guī)模推廣。文章所研究的小型吸收式制冷示范裝置可實(shí)現(xiàn)約500 W的制冷量，制冷溫度約為15 ℃，取得了良好的預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：尾氣余熱；空調(diào)制冷；吸附式制冷；節(jié)能

中圖分類號：TB61 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）20-0003-02

1 裝置研制背景及意義

北京的夏日原本已經(jīng)酷熱難耐，而且我們還常會遇到這樣的情況：在炎炎夏日乘坐公交時(shí)，每當(dāng)遇到紅綠燈停車時(shí)，大量的汽車擁堵到一塊，這時(shí)你就會感覺一股熱浪向你涌來。這股熱流不僅僅是因?yàn)橄奶斓母邷卦?，主要是由汽車排放出來的高溫尾氣所?dǎo)致的。本文我們試想是否能夠?qū)⑴欧诺奈矚馑鶖y帶的熱量加以利用。

研究表明，2010年我國的汽車尾氣排放總量高達(dá)5 226.8萬t，汽車排放廢氣的同時(shí)也帶走大量的余壓余熱，以現(xiàn)有的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)指標(biāo)評估，燃油中60%的能量沒有得到有效利用，絕大部分以余熱的形式排放到大氣中，這不僅造成了巨大的能源浪費(fèi)，而且嚴(yán)重污染了環(huán)境（熱污染），若能將其二次利用，不僅可以節(jié)約能源，還具有重大的環(huán)保意義和社會效益。

2 裝置研制可行性分析

2.1 運(yùn)作條件分析

基本思路為：根據(jù)文獻(xiàn)查閱發(fā)動機(jī)排放尾氣的基本參數(shù)，利用發(fā)動機(jī)的排氣量及排氣溫度，估算出其所能產(chǎn)生的制冷量，結(jié)合不同車型的冷負(fù)荷，分析利用發(fā)動機(jī)尾氣余熱進(jìn)行吸附式制冷的可行性。

按查閱的相應(yīng)數(shù)據(jù)，分別對查詢得到的各類型發(fā)動機(jī)的汽車做負(fù)荷計(jì)算及200 K溫降時(shí)的理論制冷功率計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

通過以上結(jié)果可以看出：

在重型貨車以及重型機(jī)械設(shè)備中利用發(fā)動機(jī)尾氣廢熱進(jìn)行吸附式制冷即使在怠速的狀態(tài)下也是完全可以滿足駕駛室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷的，而在滿負(fù)荷狀態(tài)下則更容易獲得更多制冷量，滿足制冷需求，初步證明采用發(fā)動機(jī)尾氣余熱制冷是可行的。故該作品裝置的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和潛在的經(jīng)濟(jì)效益是巨大的，有望大規(guī)模地推廣應(yīng)用。

2.2 基本原理分析

假定實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，1床為解吸床，2床為吸附床，利用尾氣余熱加熱床1。此時(shí)，閥門V1、V4開啟，V2、V3關(guān)閉。床1中的水（制冷劑）被尾氣加熱成為高溫高壓氣體進(jìn)入冷凝器，在冷凝器中被冷卻介質(zhì)（空氣）冷卻成常溫高壓液態(tài)水并儲存在儲液器中，儲液器中的液態(tài)水經(jīng)節(jié)流閥到達(dá)蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)吸熱過程，從而達(dá)到制冷效果。而解吸的同時(shí)風(fēng)機(jī)開啟，對床2進(jìn)行冷卻。床2中的常溫分子篩對蒸發(fā)器中的氣態(tài)水進(jìn)行壓差吸附，從而使得水蒸氣進(jìn)入床2而變成液態(tài)水。一段時(shí)間后，床1解析完畢，同時(shí)床2吸附達(dá)到飽和，再將尾氣對床2進(jìn)行加熱，即閥門V2、V3開啟，V1、V4關(guān)閉，再次進(jìn)行上述過程。通過這兩臺吸附/解吸床的交替循環(huán)工作即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)性制冷。

3 工質(zhì)對及分子篩的選擇

3.1 對工業(yè)上吸附工質(zhì)對進(jìn)行優(yōu)劣比較

①活性炭-甲醇。甲醇不適于高溫，當(dāng)溫度高于150 ℃時(shí)甲醇會發(fā)生分解，生成二甲醚，這對系統(tǒng)來說非常不利，其次甲醇有毒。

②硅膠-水。該工質(zhì)對僅適用于在120 ℃以下的溫度工作，高于120 ℃時(shí)硅膠會被燒毀，失去吸附能力。

③金屬氫化物-氫。由于金屬氫化物吸附劑包含很多稀有金屬，價(jià)格高，不經(jīng)濟(jì)，且氫氣屬于易燃易爆氣體，汽車在顛簸狀況下會發(fā)生爆炸等安全事故。

④氯化鈣-氨，氯化鍶-氨。氨氣有毒，對環(huán)境造成一定的污染，而且該工質(zhì)對對系統(tǒng)真空度及密封性要求很高。存在微孔燒結(jié)現(xiàn)象、汽體滲透性能差、熱量傳遞性能有限等。

⑤分子篩-水。該吸附工質(zhì)對所需的解吸溫度較寬（70～350 ℃），吸收熱（3 200～4 200 kJ/kg）、蒸發(fā)潛熱（2 400～2 600 kJ/kg）均較大，該工質(zhì)對性質(zhì)穩(wěn)定，在高溫下不起反應(yīng)，且經(jīng)過多次吸附解吸后吸附性能不變，對外界環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，而且對系統(tǒng)和環(huán)境沒有任何污染等。

3.2 常見的工質(zhì)對及分子篩性能對比

常見的工質(zhì)對及分子篩性能對比如表1所示。

3.3 分子篩性能對比

分子篩性能對比如表2所示。

由以上工質(zhì)對的性能及相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析比較，同時(shí)根據(jù)對汽車尾氣的溫度、經(jīng)濟(jì)性以及其對環(huán)境的污染程度等因素的綜合分析，在汽車尾氣吸附式制冷空調(diào)裝置的工質(zhì)對選擇上，分子篩-水工質(zhì)對是最優(yōu)化的選擇。同時(shí)從制冷量考慮， NaY型分子篩制冷效果最好，故選擇該種型號的分子篩做本作品裝置工作吸附分子篩。

4 裝置制作結(jié)果分析

該測試實(shí)驗(yàn)在室溫為26 ℃的外界環(huán)境下進(jìn)行的，經(jīng)過加熱解吸、冷凝、吸附、蒸發(fā)制冷等過程，最終得到在蒸發(fā)器上獲得15 ℃的制冷效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在未進(jìn)行系統(tǒng)保溫及優(yōu)化的情況下制冷溫度降達(dá)到了近11 ℃，完全達(dá)到預(yù)期實(shí)驗(yàn)效果（情況說明：汽車尾氣溫度高達(dá)500 ℃，考慮到競賽條件和安全性，本實(shí)驗(yàn)采用萬用加熱爐進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，因其使用溫度可在500 ℃左右，所以基本可以使用萬用加熱爐代替發(fā)動機(jī)高溫尾氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)）。

5 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)方案利用了雙床吸附式制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過回收汽車尾氣余熱進(jìn)行制冷，與傳統(tǒng)的蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)相比，吸附式制冷系統(tǒng)在不降低汽車動力的前提下，回收了尾氣廢熱，提高了能量的利用效率，符合當(dāng)前工業(yè)發(fā)展與環(huán)境協(xié)調(diào)的總趨勢。系統(tǒng)裝置沒有使用壓縮機(jī)，因而不會大幅度消耗汽車高品位電能或機(jī)械能，從而大幅度降低了汽車制冷耗油量且減少了機(jī)械噪聲和機(jī)械振動，延長了制冷系統(tǒng)的使用壽命，降低了燃油的消耗量，更具有經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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