汽车余热尾气溴化锂吸收式制冷装置的研究

杨金峰 杨永平

（陕西理工学院机械工程学院）

汽车余热尾气溴化锂吸收式制冷装置的研究

杨金峰 杨永平

（陕西理工学院机械工程学院）

为了顺应国际节能减排的号召，降低汽车油耗值、提高汽车的动力性，以及结合目前低油耗和电动汽车销量的大增趋势，现分析了汽车尾气排放装置结构与原理和溴化锂吸收式制冷系统的工作原理，提出把制冷装置的发生器设计在汽车排气管靠近发动机排气门处，实现了替代现有压缩式制冷系统还降低了汽车油耗。此外，不但降低了尾气排放的温度，还延长了三元催化剂的寿命。此结构简单、造价低廉、寿命长，而且此方案可行，已在部分车辆中使用。

节能减排；吸收式制冷；尾气排放；汽车空调

1 前言

随着我国汽车工业的发展，车辆消耗的能源与日俱增，车辆的节能也越来越倍受关注。然而，以现有的内燃发动机指标评估，燃油中60%左右的能量没有得到有效的利用[1]，绝大部分以余热的形式排放到大气中，造成了巨大的经济损失和严重的环境污染。若能将这部分余热二次利用将具有重大的节能和环保意义。

如何回收利用这部分热能来驱动吸收式制冷装置，在各方面都是很有意义的研究课题。通用汽车公司的Munther Salim[2]通过改装发动机缸套来实现空调制冷，而且分析得到吸收式制冷系统应用在汽车上是可行的；Mostafavi和Agnew则分析与研究了利用发动机尾气余热来驱动吸收式制冷实现汽车空调制冷的可行性[3]。

2 发生器设计

2.1 水-溴化锂吸收式制冷机组的工作原理

在发生器里吸收来自外界提供的热源热能，使溴化锂溶液中沸点相对较低的制冷剂水变成冷剂蒸汽，余下的溴化锂溶液便浓缩成浓溶液。溴化锂浓溶液经换热器进入吸收器，吸收来自蒸发器蒸发出的冷剂蒸汽。温度较高的冷剂蒸汽然后进入冷凝器，经冷却后液化成液态水，接着经过节流阀节流减压后进入蒸发器。在蒸发器内是一个气压相对较低的低压环境，这给制冷剂提供了易于蒸发的条件。蒸发出的制冷剂经过管道在吸收器内被溴化锂浓溶液吸收。这样依次循环，就得到连续制冷。

2.2 汽车排气装置

接下来我们看看汽车排气管的结构与温度场。排气管的功能正如其名，将发动机燃烧后的废气引导排出气缸，并加装改善尾气的催化结构，以及降低尾气噪声的消声器结构部分。

一般汽车三元催化结构附近的温度在400～800℃之间，等到了发动机尾部排气管的温度会降到80℃左右。如果发动机长时间运行的话，温度可能达到800℃以上。这个温度数字足以给溴化锂吸收式制冷提供热能。为了充分利用尾气这部分热能，我们在设计发生器时尽可能靠近发动机排气出口。但是，还要考虑排气装置在安装和结构设计时的方便整洁性。因此，把发生器结构设计如图1所示。

图1 改装后排气管简图（UG建模）

2.3 汽车尾气提供的余热

现以大众2000轿车为例来说明，发动机的最大输出功率为74kW。假设单效溴化锂吸收式制冷机组的热力系数为0.5，尾气所占燃料热能总值的百分比为30%，则大众2000轿车尾气提供的有效余热为：

式中：Qy——有效余热；

P——发动机输出最大功率；

ηe——发动机有效功率系数；

ηw——尾气所占燃料热能总值的百分比；

COP——制冷机组热力系数。

代入数值计算得：

再计算溴化锂吸收式制冷机组中发生器的热负荷：

式中：Q0-汽车的制冷量；Qg-发生器的热负荷。

由上式可以看出，在有效余热为27.75kW的情况下允许最大的发生器热负荷为13.875kW，而现实中，轿车最大制冷热负荷也不超过10kW。这个数字足以说明，发动机尾气提供的有效余热足够满足汽车空调的冷负荷。

3 两制冷系统优缺点比较

（1）从经济性方面比较。有研究曾以长沙地区为例，对蒸气压缩是制冷和溴化锂吸收式制冷做了经济性比较分析，得出蒸汽压缩式制冷系统在一次能源利用方面的能效普遍高于溴化锂吸收式制冷系统。在现如今燃油价格飙升、全球各国都在倡导节能环保的年代里，像汽车这类电量不足、热能又有大部分没得到充分利用的环境内，应用溴化锂吸收式制冷还是很合适的，不仅节能还环保。

（2）在系统结构安装方面。压缩式制冷系统虽然结构相对较紧凑，制冷系数较高；但溴化锂吸收式制冷系统运转的部件少、结构简单，寿命长，造价低廉、运行可靠，而且环保节能。

（3）未来发展前景。当前世界能源紧缺，人类面临能源危机日趋严重。面对这样的局势，节约能源，提高能源利用率是未来发展的最终趋势。有了这样的前提和背景，溴化锂吸收式制冷更具发展前景，而且现在许多国家都在不断研究，尤其是日本，吸收式制冷机的应用已经非常广泛，产品技术也相对成熟。未来的吸收式制冷系统体积会更小，制冷能效系数更高。

溴化锂吸收式制冷装置的不足之处，此制冷系统制冷系数较低，仍待提高。

4 结语

综上可知，利用汽车尾气余热溴化锂吸收式制冷系统在汽车空调方面的应用还是可行的。它不但可以小型化，还结合了汽车空调本身的结构特点以及汽车对能源利用、排放流向的动态，充分利用了汽车尾气余热，降低了尾气的热污染；没了压缩机的耗能，降低了汽车的燃油能耗，节约了能源。从另一方面讲，就是提高了汽车对燃料能源的利用率。

[1]杨培毅.汽车余热空调的研究现状[J].流体工程，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

陕西理工学院研究生创新基金项目（SLGYCX1531）。

2016-2-22