大中小型车尾气余热利用技术的探讨★

付 畅， 章伊宁， 吴亦枫

（嘉兴学院， 浙江 嘉兴 314001）

引言

目前尾气余热的利用有两大主要方向，即制冷供暖和温差发电。

关于制冷供暖方面，目前国内车发动机大多数是汽油机、柴油机等。发动机效率低于40%，排放的尾气含有一大部分未使用的热能，极大导致能源浪费和环境污染。而随着人们对生活环境品质的要求逐渐提高，车辆内的热环境极大影响人体的舒适程度。同时利用发动机尾气的热量调节车内温度是一种节能和环保的发展方向。车辆尾气内所含热能占比大，因此利用尾气余热制冷供暖的发展前景非常好。

在利用尾气余热进行温差发电方面，国内开始发展中低温温差发电，而随着热电材料的发展和进步，利用汽车尾气余热的温差发电技术的也是势不可挡。利用尾气余热发电可用于车辆的用电设备。国内一些高校已经出现利用中低温温差发电的实验装置，由此可见利用尾气余热发电是一种具有科技性、可行性的发展方向[1]。

1 小型汽车尾气余热利用

1.1 制冷供暖

目前利用汽车尾气余热驱动制冷主要有三种[2]。

第一种是吸收式制冷循环，它利用汽车尾气作为热源，如图1 所示，首先加热发生器蒸发出制冷剂，再由冷凝器冷凝和节流阀降至蒸发压力，再进入蒸发器进行制冷，形成一个循环。优点是由于吸收剂使用水或氨，不会污染环境。而且利用热原理，没有原动力，机器结构简单、坚固、安全性高。但是缺点就是以水为冷媒，无法获得低温。由于水结冰点为0 ℃。因此操作需要谨慎，需要系统能及时监控温度，调节整个循环。

图1 汽车尾气余热驱动的吸收式制冷装置

第二种是喷射式制冷，它是靠液体汽化制冷，过程同制冷循环相似，先蒸发制冷剂，然后扩压进入冷凝器，一部分冷凝的制冷剂继续通过节流阀，另一部分镇压回到加热器，形成整个制冷循环。它的优点是以热能为补偿能量形式，并且由于其结构较简单、使用寿命长，故具有一定的使用价值。但喷射式制冷设备较大，而且需要较大压力，同时流动损失大，因此效率低。而溴化锂制冷法作为一种最常见的吸收式制冷方法，已经开始取代该种喷射式制冷。

第三种是驱动金属氢化物制冷，利用金属氢化物化学性质，通过释放大量氢气吸收热量来实现制冷。金属氢化物是环保型材料，而且它的适用温度范围广，既高效又节能。国外已经具有许多实验装置可以实现高效制冷。因此第三种制冷方法前景非常好[2-3]。

在供暖方面，国内已经陆续出现很多设备，按热源及型式的不同大致分为两种，即温水式和排气式暖气装置。

温水式暖气装置以发动机冷却水为热源，运行经济。但冬天升温很慢，而且受车运行情况影响较大。排气式暖气装置以发动机排气余热为热源，其优点为热负荷大，运行经济。缺点是结构庞大、复杂，同时存在烟气泄漏造成乘客受伤的的风险，因此难以被汽车使用。目前国内利用尾气余热独立制暖方面发展尚不成熟。

1.2 温差发电

目前国内利用尾气余热温差发电的技术较落后，仍旧需要大力发展。主要研究成果大多来自于大学教授和学生。2007 年，吉林大学刘洪阳、刘万钊等，提出了一种集热器为管状结构，其壁面为热电转换器主体，外层设有低温冷却端，内壁设有高温吸热端的发电装置。2014 年北京交通大学徐刚对温差发电系统总体结构进行了设计，作为后续仿真研究的基础。2017 年天津大学孟林等基于预热器回收膨胀后高温乏汽对冷工质进行预热，优化设计了小型车载ORC 余热发电系统[4]。2018 年候东光研究了热源温度、电压等条件对发电效率的影响，提出散热扇的最佳工作点[5]。

2 大中型客车尾气余热利用

目前，关于尾气余热制冷方面，主要是利用发动机余热驱动溴化锂制冷[6]。

潘莹等提出了的溴化锂吸收式制冷装置，该装置中，设备仪器均独立安装在车厢底板下且位于同一平面内，合理利用车内有限空间，极大缩小了整个装置的所占空间。安明华等在发生器之前增设了一种燃油液体加热装置，来解决当发动机怠速又或者在较小工况下工作时，会造成尾气中的余热不足而无法满足制冷需求问题[7]。

关于尾气余热采暖方面，分为直热式和间接换热式。

第一种是直热式，直热式就是直接利用发热管或电阻丝加热，升温速度较快，但风险系数大，容易导致人表面烫伤、发生气体泄漏导致中毒等。

第二种是间接换热式，它多用板式换热，发热效率高且占地面积较小。

近年来逐渐出现了热管余热式采暖装置，提高了换热效率。目前国内利用大中型车的尾气余热来供暖的技术正在逐步发展。

3 展望

目前，各种废热利用技术尚存在缺点，国内提出的尾气余热制冷供暖装置仍不成熟，需完善实验和改良设计。同时国内在独立供暖方面仍需继续努力发展，利用尾气制冷供暖的效率依然较低。

温差发电方面，国内在高温差方面技术突出，但在中低温方面技术较落后。应需重视热电模块的优化以及换热效率提高，通过改变结构和更换热电材料来提升中低温温差发电技术，同时需要对温差发电装置的使用场合进行深入研究，提出适应性的设计[6]。