普通客車尾氣余熱驅動式吸附制冷空調系統設計探索

張寧

（遼寧建筑職業學院 遼寧遼陽 111000）

1 設計方案

1.1 制冷方式及工質的選擇

本文設計出一套利用收集客車尾氣余熱進行驅動的加熱吸附式客車空調系統，該系統以活性炭—甲醇為工質對（不污染環境），以客車尾氣余熱為制冷能量源（不影響動力），利用特定的固體吸附劑，能在低溫環境下吸附氣體［1-2］。

1.2 客車空調通風方式

本設計選擇自然通風作為客車空調通風方式。由于客車空間有限，以及天然冷源的利用受到限制，所以本設計為回風系統。

2 冷負荷計算參數

2.1 客車車型及相關參數

本設計所選用的車型為大型豪華客車，用于北京長途客運，見表1和表2，以下為客車相關參數［3-4］。

表1 客車主要參數

表2 MAN.D2866 型號發動機主要技術參數

2.2 客車室內、外參數

客車在路上行駛的過程中，運行狀態都在不斷地變化，意味著客車空調系統的工作環境也在不斷變化。北方城市的參考參數：夏季溫度35℃，相對濕度60%；冬季溫度-20℃，相對濕度45%?？蛙嚳照{的車內參數對車內溫度的舒適度具有直接影響，根據國內國外的熱舒適性研究成果，以及中國人的冷熱習慣。

3 機動車尾氣廢熱利用的可行性分析

3.1 客車空調冷負荷的計算

客車空調室內總的熱量冷負荷QT為：

式中，QT為總得熱量，單位為W；QB為通過車體圍護結構傳入的熱量，單位為W；QG為通過門窗玻璃傳入的熱量，單位為W；QP為人體散發的熱量，單位為W；QA為室外空氣帶入熱量，單位為W；QE為發動機室傳入熱量，單位為W；QF為通風系統中傳入熱量，單位為W；QS為儀器、設備、照明熱，單位為W。

客車空調制冷量QO可按下式選?。?/p>

式中，QO為客車空調實際選用的制冷量，單位為W；QT為客車空調冷負荷，單位為W；k為修正系數，取k=1.05［5］。

3.1.1 客車維護結構傳熱負荷QB

（1）車外空氣綜合溫度?？蛙囃獠客獗砻鎲挝幻娣e上得到的熱量為：

式中，αo為客車外表面與車外空氣的對流換熱系數，單位為W/（m2·K）；to為室外空氣計算溫度，單位為℃；tw為客車維護結構外表面溫度，單位為℃；ρ為客車維護結構外表面對太陽輻射的吸熱系數；I為客車維護結構外表面接受的總的太陽輻射強度，單位為W/m2。

ΔR值可近似?。?/p>

夏季垂直面ΔR=0。

式中，v為客車與空氣的相對速度，單位為m/s。v一般參考用v=40km/h，則有：

（2）車身傳熱系數K的確定?？照{客車的車體除門窗、玻璃外，一般由外板、隔熱層、內飾板組成，K值計算如下：

式中，K為壁面傳熱系數，單位為W/（m2·K）；F為傳熱面積，單位為m2；△t為室內外傳熱溫差，單位為℃；傳熱系數K由下列公式確定：

式中，αo為客車車體的外表面與車外空氣的對流為車內空氣的對流換熱系數，單位為W/（m2·K）；為構成客車車身各層的導熱熱阻之和（δi為車身各層的厚度，λi為車身各層的導熱系數）［6］。

本客車內空氣流速低于3m/s，αi可近似取為29W/（m2·K）。

在本設計中，車頂、車身的維護結構相同。則有：

（3）通過車身維護結構傳入熱量QB。車身維護結構的各部分都是單獨的區域，各不相同，在具體計算時，需要按區域單獨計算。

式中，K頂、K側、K地為傳熱系數，單位為W/（m2·K）；F頂、F側、F地為車傳熱面積，單位為m2；tZ頂、tZ側、tZ地為車室外綜合空氣系數，單位為℃；ti為車室內的空氣溫度，單位為℃。

①通過車頂傳入熱量Q頂。

②通過車身側面傳入熱量Q側。

式中，F裙部為客車裙部面積，單位為m2。③通過車地板傳入熱量Q地。

式中，ρ取0.5，I取134W/m2，則：

所以，QB=Q頂+Q側+Q地=605.88+596.39+477.7=1679.97W。

3.1.2 通風系統傳入的熱量QF

（1）風管漏入熱QF1。空氣在流通經過風管的過程中，由于車內外溫差的作用，會沿途吸收或放出熱量。

式中，P為風管截面積，單位為m2；L為風管長度，單位為m；t1、t2分別為該段風管前面和后面的空氣溫度，單位為℃；to為風管周圍的空氣溫度，單位為℃；K為風管傳熱系數，單位為W/（m2·K），且：

其中，αo為風管外對流放熱系數，單位為W/（m2·K）；αi為風管內對流放熱系數，單位為W/（m2·K）。

（2）通風機動力熱QF2?？諝馔ㄟ^管道流動造成的流動損失，由風機補償，而通風機運行時所消耗的能量，又將以各種方式最后全部轉化為熱量，引起空氣升溫，因此，通風機動力熱QF2為：

式中，H為通風機全壓，單位為N/m2；V為通風機風量，單位為m3/s；η1為通風機全效率。

由于風管尚未布置，在本設計中，通風系統傳入的熱量QF取車室內的顯熱負荷的5%QT。

3.1.3 發動機室傳入的熱量QE

發動機室傳入的熱量以主發動機室為主，而主發動機室置于車裙后部。發動機罩的左、右壁為鐵絲網結構，并且與車室外的大氣相通。就發動機罩頂壁與車室內的地板相連。因此，發動機室傳入的熱量主要是發動機罩頂壁傳入的熱量。

式中，E1指主發動機，E2指輔助發動機，KE按多層平壁傳熱計算：

由于本設計為吸附式制冷系統，所以無需發動機，所以后項為零，即：

式中，αE為發動機側的壁面對流傳熱系數，單位為W/（m2·K），取51.2W/（m2·K）；αi為車室內壁的對流放熱系數，單位為W/（m2·K）；為發動機室與車室之間的隔熱層導熱熱阻，單位為W/（m2·K）；tE為發動機室的空氣溫度，單位為℃，一般比室外空氣高20℃。

3.1.4 儀器、設備、照明產生的熱量QS

本設計中，儀器、設備、照明產生的熱量QS主要是電視、照明和其他一些電子設備等。由于負荷較小，可估取為：

3.1.5 人體散發的熱量QP

人體散熱的經驗公式為：

式中，Qp 為車室中人體散熱量，單位為W；n為車室內人員數；n′為群體系數，取n′=0.89；116 為成年男子散熱量，單位為W。

3.1.6 室外空氣帶入熱量QA

式中，QA為室外空氣帶入熱，單位為W；QA1為室外新風帶入熱，單位為W；QA2為漏入空氣帶入熱，單位為W。

（1）室外新風帶入熱QA1。

其中，G1為人體衛生標準需要的空氣量，單位為m3/h。

其中，為按人體衛生標準，GO以每人每小時需要的空氣量，單位為m3/h·人，取20m3/h·人［5］；n為乘員數。ρ為空氣密度，單位為kg/m3，取1.2kg/m3；ho為車室外空氣焓值，單位為kJ/kg，查焓濕圖得ho=90.0kJ/kg；hi為車室內空氣焓值，單位為kJ/kg，查焓濕圖得hi=58.0kJ/kg。

（2）漏入空氣帶入熱QA2。漏入空氣量（泄露風量），通過門、車窗等縫隙處流入車體內部。設漏風量為G2，車門縫隙長為S，則泄露風量帶入車內的熱量QA2為：

式中，G2為總漏風量，單位為m3/h，且：

其中，Gn為根據車速變化和縫隙寬度而引起單位長度每小時泄露進入車室內的空氣量，單位為m3/（h·m），取Gn=17m3/h·m；S為車門、車窗縫隙總長，取S=3m。

該客車最后兩側窗為半推拉式，其余為全封閉式夾層玻璃。因此，漏入空氣主要是由車門縫隙漏入的。

因此，客車空調的總得熱量為：

所以QT=23180.1W。

由式（2）得出，本系統所需要的制冷量為：QO=k·QT=23 180.1 × 1.05=24 339.1W ≈24kW。

3.2 客車尾氣余熱的可利用量計算

由表2發動機型號：D2866；功率：310hp；最小比油耗：200g/kW·h；排量：11.97L；排氣溫度：th=400℃。

3.2.1 燃燒1kg燃油所需的理論空氣量

1kg 燃油中C 占87%，H 占13%，還有少量的S、N等由于數量很少略去不計。故此燃燒1kg燃油所需的O2量為：

燃燒1kg燃油所需的空氣量為：

取MAN.D2866 型發動機的過量空氣系數a=1.5，則：

3.2.2 燃燒1kg燃油所產生的排煙的熱量

排煙的主要成分：CO2、H2O、O2、N2。

1kg燃油燃燒后產生的CO2、H2O、O2、N2分別為：

Cp=0.1276×0.85+0.0468×1.863+0.064×0.917+0.768×1.038=1.0515

其中，Cp為定壓比熱容，單位為kJ/（kg·℃）。

270℃下，CO2、H2O、O2、N2的比熱容分別為0.85kJ/（kg·℃），1.863kJ/（kg·℃），0.917kJ/（kg·℃）和1.038kJ/（kg·℃）［6］。

3.2.3 發動機排煙可利用的熱量

D2866 型發動機的功率為310hp，最小比油耗為200g/kW·h，故此該機每小時耗油量為：gt=147g/hp·h×310hp=45.6kg/h。

燃燒1kg燃油所需的空氣量為：Gg=24kJ/kg（39）

MAN.D 2866 型發動機額定工況時每小時產生的排煙為：

因此，MAN.D 2866型發動機額定工況時每小時排煙可利用的熱量為：

所以發動機排煙可利用的熱量為64kW。

綜上所述，所得制冷量24kW＜64kW，即MAN.D 2866 型發動機排煙可利用的熱量可滿足本車的夏季空調制冷量能量的需要。

4 結語

通過對客車發動機尾氣數據的調研、計算，證明了活性炭—甲醇為工質對的吸附式制冷能利用客車尾氣余熱驅動進行制冷。該系統以活性炭—甲醇為工質對（不污染環境），以客車尾氣余熱為制冷能量源（不影響動力），利用特定的固體吸附劑能在低溫環境下吸附氣體，在高溫環境下解吸的特點，實現為客車制冷的目的，從而達到節能環保、經濟效益高、實用性強的效果。