汽車余熱尾氣溴化鋰吸收式制冷裝置的研究

楊金峰 楊永平

（陜西理工學院機械工程學院）

汽車余熱尾氣溴化鋰吸收式制冷裝置的研究

楊金峰 楊永平

（陜西理工學院機械工程學院）

為了順應國際節能減排的號召，降低汽車油耗值、提高汽車的動力性，以及結合目前低油耗和電動汽車銷量的大增趨勢，現分析了汽車尾氣排放裝置結構與原理和溴化鋰吸收式制冷系統的工作原理，提出把制冷裝置的發生器設計在汽車排氣管靠近發動機排氣門處，實現了替代現有壓縮式制冷系統還降低了汽車油耗。此外，不但降低了尾氣排放的溫度，還延長了三元催化劑的壽命。此結構簡單、造價低廉、壽命長，而且此方案可行，已在部分車輛中使用。

節能減排；吸收式制冷；尾氣排放；汽車空調

1 前言

隨著我國汽車工業的發展，車輛消耗的能源與日俱增，車輛的節能也越來越倍受關注。然而，以現有的內燃發動機指標評估，燃油中60%左右的能量沒有得到有效的利用[1]，絕大部分以余熱的形式排放到大氣中，造成了巨大的經濟損失和嚴重的環境污染。若能將這部分余熱二次利用將具有重大的節能和環保意義。

如何回收利用這部分熱能來驅動吸收式制冷裝置，在各方面都是很有意義的研究課題。通用汽車公司的Munther Salim[2]通過改裝發動機缸套來實現空調制冷，而且分析得到吸收式制冷系統應用在汽車上是可行的；Mostafavi和Agnew則分析與研究了利用發動機尾氣余熱來驅動吸收式制冷實現汽車空調制冷的可行性[3]。

2 發生器設計

2.1 水-溴化鋰吸收式制冷機組的工作原理

在發生器里吸收來自外界提供的熱源熱能，使溴化鋰溶液中沸點相對較低的制冷劑水變成冷劑蒸汽，余下的溴化鋰溶液便濃縮成濃溶液。溴化鋰濃溶液經換熱器進入吸收器，吸收來自蒸發器蒸發出的冷劑蒸汽。溫度較高的冷劑蒸汽然后進入冷凝器，經冷卻后液化成液態水，接著經過節流閥節流減壓后進入蒸發器。在蒸發器內是一個氣壓相對較低的低壓環境，這給制冷劑提供了易于蒸發的條件。蒸發出的制冷劑經過管道在吸收器內被溴化鋰濃溶液吸收。這樣依次循環，就得到連續制冷。

2.2 汽車排氣裝置

接下來我們看看汽車排氣管的結構與溫度場。排氣管的功能正如其名，將發動機燃燒后的廢氣引導排出氣缸，并加裝改善尾氣的催化結構，以及降低尾氣噪聲的消聲器結構部分。

一般汽車三元催化結構附近的溫度在400～800℃之間，等到了發動機尾部排氣管的溫度會降到80℃左右。如果發動機長時間運行的話，溫度可能達到800℃以上。這個溫度數字足以給溴化鋰吸收式制冷提供熱能。為了充分利用尾氣這部分熱能，我們在設計發生器時盡可能靠近發動機排氣出口。但是，還要考慮排氣裝置在安裝和結構設計時的方便整潔性。因此，把發生器結構設計如圖1所示。

圖1 改裝后排氣管簡圖（UG建模）

2.3 汽車尾氣提供的余熱

現以大眾2000轎車為例來說明，發動機的最大輸出功率為74kW。假設單效溴化鋰吸收式制冷機組的熱力系數為0.5，尾氣所占燃料熱能總值的百分比為30%，則大眾2000轎車尾氣提供的有效余熱為：

式中：Qy——有效余熱；

P——發動機輸出最大功率；

ηe——發動機有效功率系數；

ηw——尾氣所占燃料熱能總值的百分比；

COP——制冷機組熱力系數。

代入數值計算得：

再計算溴化鋰吸收式制冷機組中發生器的熱負荷：

式中：Q0-汽車的制冷量；Qg-發生器的熱負荷。

由上式可以看出，在有效余熱為27.75kW的情況下允許最大的發生器熱負荷為13.875kW，而現實中，轎車最大制冷熱負荷也不超過10kW。這個數字足以說明，發動機尾氣提供的有效余熱足夠滿足汽車空調的冷負荷。

3 兩制冷系統優缺點比較

（1）從經濟性方面比較。有研究曾以長沙地區為例，對蒸氣壓縮是制冷和溴化鋰吸收式制冷做了經濟性比較分析，得出蒸汽壓縮式制冷系統在一次能源利用方面的能效普遍高于溴化鋰吸收式制冷系統。在現如今燃油價格飆升、全球各國都在倡導節能環保的年代里，像汽車這類電量不足、熱能又有大部分沒得到充分利用的環境內，應用溴化鋰吸收式制冷還是很合適的，不僅節能還環保。

（2）在系統結構安裝方面。壓縮式制冷系統雖然結構相對較緊湊，制冷系數較高；但溴化鋰吸收式制冷系統運轉的部件少、結構簡單，壽命長，造價低廉、運行可靠，而且環保節能。

（3）未來發展前景。當前世界能源緊缺，人類面臨能源危機日趨嚴重。面對這樣的局勢，節約能源，提高能源利用率是未來發展的最終趨勢。有了這樣的前提和背景，溴化鋰吸收式制冷更具發展前景，而且現在許多國家都在不斷研究，尤其是日本，吸收式制冷機的應用已經非常廣泛，產品技術也相對成熟。未來的吸收式制冷系統體積會更小，制冷能效系數更高。

溴化鋰吸收式制冷裝置的不足之處，此制冷系統制冷系數較低，仍待提高。

4 結語

綜上可知，利用汽車尾氣余熱溴化鋰吸收式制冷系統在汽車空調方面的應用還是可行的。它不但可以小型化，還結合了汽車空調本身的結構特點以及汽車對能源利用、排放流向的動態，充分利用了汽車尾氣余熱，降低了尾氣的熱污染；沒了壓縮機的耗能，降低了汽車的燃油能耗，節約了能源。從另一方面講，就是提高了汽車對燃料能源的利用率。

[1]楊培毅.汽車余熱空調的研究現狀[J].流體工程，21（6）：54～59.

[2]Munther Salim.Technical potential for thermally driven mobile A/C system.[J]SAE（2001-01-0297）.

[3]M.Mostafavi,B.Agnew.Thermodynamic analysis of change air cooling of diesel engine by an exhaust gases-operated absorption refrigeration unit-Turbochanged engine with combined pre-and inter-cooling[J].SAE（971805）.

TB657

A

1004-7344（2016）08-0325-01

陜西理工學院研究生創新基金項目（SLGYCX1531）。

2016-2-22