汽車尾氣余熱利用探索及其數(shù)值分析

蒙雅瑩 周 宇*

（六盤水師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院，貴州 六盤水553004）

1 概述

在現(xiàn)代文明中，汽車已經(jīng)成為人類不可缺少的交通運輸工具。但是，在汽車產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展、汽車產(chǎn)量和保有量不斷增加的同時，汽車也帶來了大氣污染，即汽車尾氣污染。在中國大中型城市，汽車尾氣排放已成為主要的大氣污染源。研究表明，在汽車發(fā)動機(jī)消耗燃料的過程中，汽車排放尾氣溫度一般在300～600 ℃左右，40%的能量都會隨著尾氣被排放到空氣當(dāng)中，圖1 所示為汽車排氣系統(tǒng)各部分溫度[1-4]。可以看出，僅有約25%用于驅(qū)動發(fā)動機(jī)做功，其余大部分則以熱量的形式散失掉，如果對汽車尾氣余熱加回收利用，勢必可以式減少燃料的消耗，在降低駕駛成本的同時，還會給大氣污染防治帶來重要的積極作用。

圖1 汽車排氣系統(tǒng)各部分溫度及汽車燃料能量分配情況示意圖

為減少溫室氣體的排放和緩解大氣污染，世界各地的研究人員嘗試通過回收汽車尾氣余熱的方式減少化石燃料的使用，主要有以下幾種技術(shù)：溫差發(fā)電、朗肯循環(huán)、空調(diào)制冷等。溫差發(fā)電是一種應(yīng)用Seebeck 效應(yīng)將熱電發(fā)生器兩端溫度差轉(zhuǎn)換為電勢差的技術(shù)，將其應(yīng)用在汽車尾氣余熱回收中，可以把無用的熱能轉(zhuǎn)換為可用的電能，從而提高能量的使用效率。研究表明，若可以將汽車尾氣中攜帶能量的6%轉(zhuǎn)化為電能，則可降低大約10%的燃油消耗。目前，國內(nèi)在汽車尾氣余熱溫差發(fā)電領(lǐng)域內(nèi)的研究工作主要側(cè)重于概念試驗和經(jīng)濟(jì)性評估，暫時還未達(dá)到實際裝配應(yīng)用的階段。朗肯循環(huán)是一種簡單的蒸汽動力熱力循環(huán)，主要包括等摘壓縮、等壓加熱、等熵膨脹、和等壓冷凝四個過程，可將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或電能。汽車尾氣具有壓力低，溫度高的特點，很難利用它進(jìn)行膨脹做功，因此，可考慮將朗肯循環(huán)整合到汽車排氣系統(tǒng)中，由尾氣余熱驅(qū)動朗肯循環(huán)，將尾氣中無用的熱能轉(zhuǎn)化為可供汽車運行使用的機(jī)械能或電能。

本文提出通過套管換熱器的形式回收汽車排氣管余熱并對車內(nèi)進(jìn)行供暖，基于熱交換原理，利用溫差形成自循環(huán)水系統(tǒng)，減少汽車尾氣余熱排放，實現(xiàn)部分替代汽車空調(diào)供熱，同時排氣管外壁通過與冷水的換熱，可以降低排煙溫度，進(jìn)而有效的防止溫室效應(yīng)帶來的影響，達(dá)到節(jié)能減排的目的。此外，通過計算流體動力學(xué)的方法對套管換熱器的換熱進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)一步驗證該方案的可行性。

2 汽車尾氣余熱供暖系統(tǒng)

套管式換熱器是由大小不同的直管制成的同心套管，外側(cè)通道稱為殼程，內(nèi)側(cè)通道稱為管程，兩種不同介質(zhì)可在殼程和管程內(nèi)逆向流動（或者同向流動），達(dá)到換熱的效果，適當(dāng)選擇兩管的管徑，兩流體均可得到較高的流速，且兩流體可以為逆流，這樣對傳熱有利。另外，套管式換熱器構(gòu)造較簡單，傳熱面積可根據(jù)需要減，應(yīng)用方便[5]。

圖2 所示為本文所提出的通過套管換熱器的形式回收汽車排氣管余熱并對車內(nèi)進(jìn)行供暖的裝置示意圖，套管加裝于汽車排氣管后段，兩端采用擋板密封，并在左右兩側(cè)分別布置進(jìn)水口和出水口，其中進(jìn)水口靠近汽車尾部，形成一個套管換熱器，套管內(nèi)部水流通過排氣管壁與排氣管中的高溫?zé)煔膺M(jìn)行熱交換，即殼程流體為循環(huán)水，管程流體為汽車尾氣，套管換熱器中流體的流動形式對換熱平均溫差有一定影響，順流和逆流可以看做是兩種極端情況，在相同的進(jìn)出口溫度條件下，逆流平均溫差最大，順流平均溫差最小[6]，因此，在本方案中，煙氣和循環(huán)水的流動方式布置為逆流。汽車后備箱中設(shè)置一個儲水箱，與套管換熱器進(jìn)出水管連接形成封閉的循環(huán)水系統(tǒng)，儲水箱中的冷水經(jīng)過套管換熱器進(jìn)水口進(jìn)入套管，與煙氣進(jìn)行換熱升溫后經(jīng)由出水口送至汽車內(nèi)部換熱管，將所攜帶的熱量傳遞給車內(nèi)空間，最后通過溫差形成的密度差回到儲水箱，形成一個自循環(huán)水系統(tǒng)，如果循環(huán)動力不足可以考慮在管路上加裝一個循環(huán)泵，車內(nèi)布管也是在不改變汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。調(diào)節(jié)閥4 安裝在換熱管上，用于根據(jù)汽車內(nèi)的溫度自動調(diào)節(jié)循環(huán)水的流量。

圖2 汽車排氣余熱供暖裝置示意圖

采用計算流體動力學(xué)的方法，對套管式換熱器部分的傳熱進(jìn)行數(shù)值模擬，汽車排氣管直徑60mm，套管直徑120mm，換熱管直徑15mm，計算區(qū)域網(wǎng)格劃分如圖3 所示，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為109327，網(wǎng)格最低質(zhì)量為0.4，如圖4 所示。進(jìn)出口分別設(shè)置為速度進(jìn)口和壓力出口，壁面邊界為對流換熱條件，由于煙氣流量大，流速快，故流動采用k-epsilon 雙方程湍流模型，煙氣與套管壁面的輻射采用P-1 模型。

圖3 計算區(qū)域非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

圖4 計算區(qū)域網(wǎng)格質(zhì)量檢測

假設(shè)套管換熱器設(shè)置于汽車中部排煙管，該段煙氣溫度為400℃，汽車引擎滿負(fù)荷運行時，尾氣質(zhì)量流量為0.068kg/s[7]，冬季工況設(shè)后備儲水箱中冷水溫度為10℃，通過數(shù)值計算，循環(huán)水出口平均溫度為45.39℃，循環(huán)水溫升平均為35.39℃，換熱器出口截面煙氣平均溫度327.82℃，溫度降低了72.18℃，熱量回收率15.6%。

室內(nèi)供暖系統(tǒng)設(shè)計，基本是按95℃/70℃熱媒參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，實際運行情況表明，合理降低建筑物內(nèi)供暖系統(tǒng)的熱媒參數(shù)，有利于提高散熱器供暖的舒適程度和節(jié)能降耗。近年來，國內(nèi)已開始提倡低溫連續(xù)供熱，出現(xiàn)降低熱媒溫度的趨勢，目前，歐洲已經(jīng)出現(xiàn)60℃以下低溫?zé)崴┡＼噧?nèi)供暖系統(tǒng)類似于建筑物的地暖形式，地暖屬于低溫輻射供暖方式，進(jìn)水溫度最好不要超過60℃，水溫過高對地暖采暖系統(tǒng)損傷較大，嚴(yán)重時甚至?xí)鸬嘏埽虼耍┧疁囟炔粦?yīng)超過60℃，否則對采暖系統(tǒng)會有損傷[8]。本方案中采暖熱水溫度為45.39℃，滿足供暖要求，而且能夠部分替代汽車空調(diào)供熱。

3 結(jié)論

在汽車發(fā)動機(jī)消耗燃料的過程中，汽車排放尾氣溫度一般在300～600 ℃左右，40%的能量都會隨著尾氣被排放到空氣當(dāng)中，本文提出通過套管換熱器的形式回收汽車排氣管余熱并對車內(nèi)進(jìn)行供暖，數(shù)值計算結(jié)果表明，循環(huán)水溫升平均為35.39℃，換熱器出口截面煙氣平均溫度327.82℃，溫度降低了72.18℃，熱量回收率15.6%，采暖熱水溫度為45.39℃，能夠部分替代汽車空調(diào)供熱。