汽車尾氣余熱利用換熱器連接裝置的設計探索

張雪

摘 要：隨著科技進步和人民生活水平的提高，我國的汽車保有量超過4億輛，而尾氣中含有大量余熱，造成了極大浪費，因此有必要對這部分熱量加以回收利用。諸多學者為提高汽車尾氣余熱利用換熱器的換熱效率做出了不懈努力，主要涉及改進換熱器的結構以及選用高效換熱的相變材料。現有的汽車尾氣余熱利用換熱器仍存在與汽車尾氣排氣管道連接不緊密的問題，造成尾氣泄露，使換熱器效率低下。針對這一問題，本文研究設計了一種用于汽車尾氣余熱利用換熱器和汽車尾氣排氣管之間的連接裝置，本裝置可以實現兩者快速、緊密對接。

關鍵詞：汽車尾氣 余熱利用 連接裝置

1 引言

能源是人類賴以生存的保障，隨著科技的進步，人類對能源的需求不斷增長。在人類利用能源不斷實現科技進步的同時，也對環境造成了破壞，能源短缺和環境惡化成為全球面臨的重大難題。2020年9月22日，國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會上宣布，中國力爭2030年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和目標。碳減排的要求無疑對環保提出了更高的要求。隨著人民生活水平的提高，私家車得到普及。據公安部最新統計，截至2022年3月底，全國機動車保有量達4.02億輛，在中國，每100戶家庭中就有33輛汽車，城鎮居民每10戶家庭就有4家有車[1]。目前，常規發動機的熱效率一般為20%～40%，燃料燃燒的大部分熱量通過排氣、冷卻介質和機體輻射等以余熱的形式散失在大氣中，如圖1所示。其中，尾氣中的廢熱量達到了燃燒總熱量的1/3[2]，不同型號的汽車尾氣溫度有所不同，一般為400-600℃[3]。通過汽車尾氣散失的熱量不僅讓發動機的效率降低，將這些熱量直接排放到空氣中還會造成熱污染。如果對這部分能量進行回收利用，將會提高汽車發動機的能量利用效率，節省燃料。在“雙碳”背景下，汽車發動機尾氣余熱回收利用更是有著極高的價值。

國內外已經發展的多種發動機尾氣余熱利用技術，通常分為直接利用和間接利用兩種。在國內，北京工業大學楊凱等[4]設計了一套有機朗肯循環余熱回收系統，實現了最大系統效率11%的提升；吉林大學高青等[5]設計了一種結構緊湊的余熱蓄熱器，可實現對發動機尾氣余熱的回收；在國外，RamThakur等[6]設計了一種逆流管殼式換熱器，用尾氣余熱加熱進氣，發動機能量轉換效率得到提高；K.P.Venkitaraj等[7]研究了在相變材料季戊四醇中添加不同比例的Al2O3納米流體對相變儲能廢熱回收系統性能的影響。

諸多學者為提高汽車尾氣余熱利用換熱器的換熱效率做出了不懈努力，主要涉及改進換熱器的結構以及選用高效換熱的相變材料。然而，現有的汽車尾氣余熱利用換熱器仍存在與汽車尾氣排氣管道連接不緊密的問題，容易造成尾氣泄露，其中的熱量散失，從而使換熱器效率低下。本文從汽車尾氣排氣管與換熱器的連接問題出發，研究設計了一種可以實現兩者快速、緊密對接的連接裝置。

2 連接裝置的結構設計

為了解決汽車尾氣排氣管與換熱器的連接問題，設計了一種汽車尾氣余熱利用換熱器連接裝置。該連接裝置的結構如圖2-4所示，換熱器體的進氣口提高螺栓安裝有第一空心塊，第一空心塊的內部固定套接有圓環柱，圓環柱的內部固定套接有圓環塊，圓環塊的正表面粘接連接有圓環密封墊，第一空心塊的兩側之間固定有第二空心塊，第二空心塊的兩側均螺紋貫穿有螺栓桿，兩個螺栓桿的相對一端均通過軸承轉動連接有連接塊，兩個連接塊的相對一側均固定有三個第一矩形塊，六個第一矩形塊共分為兩組，每組第一矩形塊的同一側之間均固定有弧形塊，兩個弧形塊的弧面均粘接連接有弧形防滑墊。圓環密封墊的正表面與兩個弧形防滑墊的后表面均相接觸；兩組第一矩形塊的相對一側均活動貫穿圓環柱的外壁；螺栓桿的底部均固定有第二矩形塊；第二矩形塊的相背一側均螺紋貫穿有手擰螺絲；兩個手擰螺絲的相對一端均粘接連接有防滑塊。本裝置通過在第一空心塊、圓環柱、圓環塊、圓環密封墊、第二空心塊、螺栓桿、連接塊、第一矩形塊、弧形塊和弧形防滑墊的配合下，可以將汽車尾氣排氣管與換熱器本體的進氣口進行快速的對接連接，即有效地提高換熱器本體的使用效率，提高發動機尾氣余熱的回收利用，在環形密封墊的作用下，可以保證發動機尾氣排氣管排出來的尾氣全部進入換熱器本體的內部。

圖例說明：1--換熱器體；2--第一空心塊；3--圓環柱；4--圓環塊；5--圓環密封墊；6--第二空心塊；7--螺栓桿；8--連接塊；9--第一矩形塊；10--弧形塊；11--弧形防滑墊；12--第二矩形塊；13--手擰螺絲；14-防滑塊

3 連接結構的工作原理及使用方法

為了能夠更清楚地理解連接裝置的上述目的、特征和優點，下面結合附圖和實施例對本連接裝置做出進一步的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節以便于充分理解本連接裝置，但是，本連接裝置還可以采用不同于在此描述的其他方式來實施，因此，本連接裝置并不限于下面公開說明書的具體實施例的限制。

如圖2-4所示，當需要將發動機尾氣排氣管快速地與換熱器體進行對接連接時，首先將換熱器體移動到所需的位置，接著將先將兩個手擰螺絲相反的方向進行螺紋移動，這時移動的兩個手擰螺絲會分別帶動兩個防滑塊進行移動，當兩個防滑塊均移動到合適的位置時，此時直接將兩個螺栓桿進行相反方向螺紋移動，當兩個螺栓桿發生移動時，移動的兩個螺栓桿會分別帶動兩個第二矩形塊、兩個手擰螺絲和兩個防滑塊進行移動，同時移動的兩個螺栓桿會通過兩個連接塊和兩組第一矩形塊的配合，將兩個弧形塊進行相反方向移動，而移動的兩個弧形塊會分別帶動兩個弧形防滑墊進行移動，當兩個弧形防滑墊移動到合適的位置時，停止兩個螺栓桿的螺紋移動，這時將發動機尾氣排氣管移動到圓環柱的內部，同時將排氣管放置在兩個弧形防滑墊的內壁之間，接著繼續將排氣管向圓環柱的內部進行移動，直至排氣管的出氣口一側與圓環密封墊的正表面相接觸，之后再將兩個螺栓桿進行相向移動復位，這時螺紋移動的兩個螺栓會分別通過連接塊、兩組第一矩形塊和兩個弧形塊的配合，將兩個弧形防滑墊進行復位移動，當兩個弧形防滑墊不能發生移動時，即排氣管被緊緊的固定在圓環柱的內部，即實現換熱器體的進氣口與排氣管的出氣口相連通，當為了防止有人誤碰到螺栓桿，造成螺栓桿發生螺紋移動時，此時再兩個螺栓桿不能發生移動時，直接將兩個手擰螺絲進行相向螺紋移動，而移動的兩個手擰螺絲會直接帶動兩個防滑塊進行移動，當兩個防滑塊移動到不能移動時，停止兩個手擰螺絲的螺紋移動，這時在手擰螺絲、第二矩形塊和防滑塊的配合下，即可以防止人誤碰螺栓桿，造成螺栓桿發生螺紋移動的情況。

4 連接裝置的優勢

第一，該連接裝置可與換熱器體可分離，可適配于不同類型的汽車尾氣余熱利用換熱器，當換熱器體出現故障后，可實現快速拆卸，方便檢修；

第二，在連接裝置各部件的配合下，可以將發動機尾氣排氣管與換熱器體的進氣口進行快速的對接連接，減少操作人員的工作量；

第三，在環形密封墊的作用下，可以保證發動機尾氣排氣管排出來的尾氣全部進入換熱器體的內部，有效減少尾氣的泄露量，提高換熱器體的使用效率，實現對發動機尾氣余熱的回收利用；

第四，本連接裝置中，在手擰螺絲、第二矩形塊以及防滑塊的配合下，可以有效防止螺栓桿帶動連接塊發生移動，可以有效防止操作人員誤觸或者汽車行駛過程中因為顛簸導致的連接松動，為操作安全和行車安全提供保障。

5 連接裝置實際應用的設想

圖5所示為一種汽車尾氣余熱利用系統簡圖。所用換熱器為管殼式換熱器，汽車尾氣作為熱流體在管側流動，水作為冷流體在殼側流動。流體在換熱器內的流動方式對整個設計的合理性有很大影響，因而對流動方式的選擇，因予以充分注意。綜合考慮在減少傳熱面積的同時獲得比較大的平均溫差，盡可能使流體的溫度變化值大，使流體的熱量得到充分的利用。在所有的流動方式中，逆流布置方法可以實現溫差最大，逆流可以減小所需的傳熱面，或是在傳熱面相同的情況下，逆流可以傳遞較多的熱量[8]。所以換熱器內采用逆流布置方式。汽車尾氣經排氣管、連接裝置進入換熱器的管側，同時冷水由水箱流出進入換熱器的殼側，兩者在換熱器內部進行換熱，經過一次換熱后，熱流體的溫度降低，排入空氣中，冷流體的溫度升高，經過熱水管進入水箱中，之后水進入換熱器中與汽車尾氣再次進行換熱，如此循環往復，可以加熱水箱內的水。將水箱內的水加熱到一定溫度后，就可以利用熱水實現煮飯、淋浴，取暖等功能。例如，在水箱上方設置一個蒸煮鍋，就可以通過蒸煮實現加熱食物的目的；在水箱接一個調溫器和淋雨噴頭就可以實現淋浴；將熱水管進行加長后，鋪設在車廂內，可實現供暖。

6 結語

基于汽車尾氣余熱利用換熱器裝置與汽車尾氣排氣管的連接不緊密問題，本文提出了一種汽車尾氣余熱利用換熱器的連接裝置，并對其具體結構、工作原理及使用方法進行了闡述，并提出了一種連接裝置的實際應用的設想。本裝置在各機械結構的配合下，可實現快速對接的同時保證尾氣全部進入換熱器中，在理論上可在一定程度上提高換熱器的效率，實現對汽車尾氣的有效回收利用。在本文中僅提出連接裝置的一種使用方法，不排除有其他的使用方式，本裝置可以為所有的有連接需求的設備提供實現快速緊密連接的思路。

參考文獻：

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