大中小型車尾氣余熱利用技術的探討★

付 暢， 章伊寧， 吳亦楓

（嘉興學院， 浙江 嘉興 314001）

引言

目前尾氣余熱的利用有兩大主要方向，即制冷供暖和溫差發電。

關于制冷供暖方面，目前國內車發動機大多數是汽油機、柴油機等。發動機效率低于40%，排放的尾氣含有一大部分未使用的熱能，極大導致能源浪費和環境污染。而隨著人們對生活環境品質的要求逐漸提高，車輛內的熱環境極大影響人體的舒適程度。同時利用發動機尾氣的熱量調節車內溫度是一種節能和環保的發展方向。車輛尾氣內所含熱能占比大，因此利用尾氣余熱制冷供暖的發展前景非常好。

在利用尾氣余熱進行溫差發電方面，國內開始發展中低溫溫差發電，而隨著熱電材料的發展和進步，利用汽車尾氣余熱的溫差發電技術的也是勢不可擋。利用尾氣余熱發電可用于車輛的用電設備。國內一些高校已經出現利用中低溫溫差發電的實驗裝置，由此可見利用尾氣余熱發電是一種具有科技性、可行性的發展方向[1]。

1 小型汽車尾氣余熱利用

1.1 制冷供暖

目前利用汽車尾氣余熱驅動制冷主要有三種[2]。

第一種是吸收式制冷循環，它利用汽車尾氣作為熱源，如圖1 所示，首先加熱發生器蒸發出制冷劑，再由冷凝器冷凝和節流閥降至蒸發壓力，再進入蒸發器進行制冷，形成一個循環。優點是由于吸收劑使用水或氨，不會污染環境。而且利用熱原理，沒有原動力，機器結構簡單、堅固、安全性高。但是缺點就是以水為冷媒，無法獲得低溫。由于水結冰點為0 ℃。因此操作需要謹慎，需要系統能及時監控溫度，調節整個循環。

圖1 汽車尾氣余熱驅動的吸收式制冷裝置

第二種是噴射式制冷，它是靠液體汽化制冷，過程同制冷循環相似，先蒸發制冷劑，然后擴壓進入冷凝器，一部分冷凝的制冷劑繼續通過節流閥，另一部分鎮壓回到加熱器，形成整個制冷循環。它的優點是以熱能為補償能量形式，并且由于其結構較簡單、使用壽命長，故具有一定的使用價值。但噴射式制冷設備較大，而且需要較大壓力，同時流動損失大，因此效率低。而溴化鋰制冷法作為一種最常見的吸收式制冷方法，已經開始取代該種噴射式制冷。

第三種是驅動金屬氫化物制冷，利用金屬氫化物化學性質，通過釋放大量氫氣吸收熱量來實現制冷。金屬氫化物是環保型材料，而且它的適用溫度范圍廣，既高效又節能。國外已經具有許多實驗裝置可以實現高效制冷。因此第三種制冷方法前景非常好[2-3]。

在供暖方面，國內已經陸續出現很多設備，按熱源及型式的不同大致分為兩種，即溫水式和排氣式暖氣裝置。

溫水式暖氣裝置以發動機冷卻水為熱源，運行經濟。但冬天升溫很慢，而且受車運行情況影響較大。排氣式暖氣裝置以發動機排氣余熱為熱源，其優點為熱負荷大，運行經濟。缺點是結構龐大、復雜，同時存在煙氣泄漏造成乘客受傷的的風險，因此難以被汽車使用。目前國內利用尾氣余熱獨立制暖方面發展尚不成熟。

1.2 溫差發電

目前國內利用尾氣余熱溫差發電的技術較落后，仍舊需要大力發展。主要研究成果大多來自于大學教授和學生。2007 年，吉林大學劉洪陽、劉萬釗等，提出了一種集熱器為管狀結構，其壁面為熱電轉換器主體，外層設有低溫冷卻端，內壁設有高溫吸熱端的發電裝置。2014 年北京交通大學徐剛對溫差發電系統總體結構進行了設計，作為后續仿真研究的基礎。2017 年天津大學孟林等基于預熱器回收膨脹后高溫乏汽對冷工質進行預熱，優化設計了小型車載ORC 余熱發電系統[4]。2018 年候東光研究了熱源溫度、電壓等條件對發電效率的影響，提出散熱扇的最佳工作點[5]。

2 大中型客車尾氣余熱利用

目前，關于尾氣余熱制冷方面，主要是利用發動機余熱驅動溴化鋰制冷[6]。

潘瑩等提出了的溴化鋰吸收式制冷裝置，該裝置中，設備儀器均獨立安裝在車廂底板下且位于同一平面內，合理利用車內有限空間，極大縮小了整個裝置的所占空間。安明華等在發生器之前增設了一種燃油液體加熱裝置，來解決當發動機怠速又或者在較小工況下工作時，會造成尾氣中的余熱不足而無法滿足制冷需求問題[7]。

關于尾氣余熱采暖方面，分為直熱式和間接換熱式。

第一種是直熱式，直熱式就是直接利用發熱管或電阻絲加熱，升溫速度較快，但風險系數大，容易導致人表面燙傷、發生氣體泄漏導致中毒等。

第二種是間接換熱式，它多用板式換熱，發熱效率高且占地面積較小。

近年來逐漸出現了熱管余熱式采暖裝置，提高了換熱效率。目前國內利用大中型車的尾氣余熱來供暖的技術正在逐步發展。

3 展望

目前，各種廢熱利用技術尚存在缺點，國內提出的尾氣余熱制冷供暖裝置仍不成熟，需完善實驗和改良設計。同時國內在獨立供暖方面仍需繼續努力發展，利用尾氣制冷供暖的效率依然較低。

溫差發電方面，國內在高溫差方面技術突出，但在中低溫方面技術較落后。應需重視熱電模塊的優化以及換熱效率提高，通過改變結構和更換熱電材料來提升中低溫溫差發電技術，同時需要對溫差發電裝置的使用場合進行深入研究，提出適應性的設計[6]。