第六届潍柴汽车设计创新大赛参赛作品

第六届潍柴动力汽车
创新设计大赛
参
赛
作
品
作品名称：基于吸附式制冷技术的汽车余热制冷系统研究学校名称：南昌大学
团队成员：郭亚松胡志盛廖滨滨
指导老师：文华
2012年8月16日
一．作品背景
汽车工业进入21世纪后进入了一个高速发展时期，尤其是在我国，年产销量高达1800万。

随之而来的废气排放和环境污染问题也成为了全社会的担忧。

而且现今能源危机日益加剧，油价上涨，在对汽车在汽油的利用率研究上，却仍旧无明显的提高。

汽车发动机燃烧热量用于动力输出的功率只能占到燃油燃烧总量的三分之一左右，而以余热形式排出车外的能量却可以占到燃烧总能量的55%-70%（柴油机）或70%-80%（汽油机），这部分余热包括循环水冷却带走的热量（柴油机：10%~25%，汽油机：25%~30%）和尾气带走的热量（柴油机：30%~40%，汽油机：40%~50%）。

余热中全部能量排放到大气中，不仅会造成污染，大量的能量也就此浪费。

目前很多国家都非常热衷于汽车尾气的余热利用研究，从前文的燃油燃烧能量分布可以看到，汽车尾气会携带大量的余热，若仅仅是将这些能量排放到车外，将会是个巨大的能量浪费。

但是如何有效的将尾气余热回收和利用也是个非常大的挑战。

俄罗斯的两位专家Takanose和Tamakoshi认为将热尾气与发电机相结合可以有效提高能源利用率。

但是目前更多的研究将余热利用的重点放在汽车空调制冷上。

常用制冷方式有蒸汽压缩式制冷，蒸汽吸收式制冷，蒸汽喷射式制冷和吸附式制冷等几种形式。

在比较这些制冷方式的工作原理后，我们发现吸附式制冷，即利用固体吸附剂对某种制冷剂气体具有吸附作用，而且吸附能力随吸附剂温度的改变而不同的性质，通过周期性冷却和加热吸附剂而产生制冷作用。

有以下优点：1.可以充分利用低品位热源；2.几乎不用电，因而不消耗其它能量；3.与吸收式制冷相比，其结构简单，安全性好，可适用于振动，倾颠或旋转等环境；4.无运动部件，因此，无噪声，无磨损，使用寿命长。

最早记录的吸附制冷现象是在1848年，Faraday发现氯化汞吸附氨气可以产生制冷。

此后，又有许许多多的科学家提出不同的工质对吸附制冷系统，如：上世纪20年代科学家提出的硅胶-二氧化硫工质对吸附制冷，1929年出现的活性炭-甲醇工质对吸附制冷，20世纪40年代提出的氯化钙-氨工质对吸附制冷等等。

目前应用广泛、稳定性和可行性比较好的工质对有：活性炭-甲醇，沸石-水，氯化钙-氨，硅胶-水等环境友好型物质。

由上面的简单介绍可以看到，汽车尾气余热能量利用和吸附式制冷法的完美结合可以带给汽车燃油利用率的飞跃性提高。

从理论上讲，这的确是个不错的选择。

但是在实际应用中还存在一些问题比如其产品成本相对较高，效率比较低，体积较大，而且吸附式制冷技术的循环周期较长，单吸附床会使制冷不连续，尾气余热利用率低，工质对的选择和对存放容器的密封性都有要求，制作起来并不容易。

但是，秉着节约能源，走可持续发展的战略思想，这个方法还是非常具有可研究性的。

我们研究它的目的也在于寻找合适的工质对和制作方法，减小循环周期，提高尾气余热利用率。

通过使用多吸附床实现连续作业，电控旋转周期，选择合适材料，提高换热系数，克服上述不足，使大规模应用成为可能。

二.作品方案
1. 制冷方式的选择
常用制冷方式有蒸汽压缩式制冷，蒸汽吸收式制冷，蒸汽喷射式制冷和吸附式制冷四种方式。

蒸汽压缩式制冷已经应用于汽车制冷，但消耗发动机功率，而汽车余热热功转换能力低，不宜用于余热利用；蒸汽喷射式制冷喷射气流需要较高压力，会对排气产生影响，噪声较大，影响汽车舒适性，COP很低；蒸汽吸收式制冷虽然有较高的性能系数，COP可达0.6-0.7，但是溶液发生器和吸收器需要自由水平面，难以与汽车运动颠簸的的驾驶特点相匹配。

以上三种制冷方式各自的缺点限制了其应用，而反观吸附式制冷：工质廉价无污，运动部件少，体积小，可靠性高，使用固体作为吸附材料，可用于振动场合变化。

综合来看，吸附式制冷是利用汽车尾气余热制冷的最佳方式。

2. 工质对的选择
目前应用较为广泛的工质对有：沸石-水，活性炭-甲醇，氯化钙-氨等。

沸石-水工质对要求系统加热再生温度在120℃以上，最佳温度约在200℃-240℃，采用发动机高品位尾气余热比较合适。

活性炭-甲醇工质对的最佳加热再生温度约为70℃-120℃，于尾气温度相差较大，并且甲醇易燃，汽化潜热低。

氨气有毒，并有强烈刺激性气味。

比较之后，选取沸石-水最为工质对。

3.吸附床的设计
根据吸附式制冷系统的原理，为解决传统系统间歇制冷的缺点，用四个吸附床进行系统的循环来实现连续，如图所示。

当其中一个吸附床处于吸附状态时，另外三个处于解吸制冷状态。

为了实现这一效果，中间用隔热材料周期性的转动，克服吸附式制冷间歇工作的缺点，从而达到连续制冷的效果。

图2.1 吸附床纵横截面图
4.循环水路的设计及工质对的选择
当高温的工质从吸附床解析出来后，通过管道输送到客车前的散热器中，在此设置高效率风冷散热器，在客车高速行驶的过车中，得到快速流动的气流，若是考虑到冷却效果，可以辅助水冷。

工质冷凝后可以达到环境温度的水平，由于重力以及排气的正压，和设计的斜向下管路，自然的流向车内的地板内铺设的蒸
发散热装置，在此与室内空气交换热量。

蒸发设备的出口段通过电控阀门，连接处于冷却状态的下的三个分体吸附床，吸附床通过吸附制冷工质，从而使出口段保持一定的负压，这样工质才可以不断发生相变，从而制冷。

图2.2 循环示意图
5．控制电路的设计
设计好控制电路，使各个阀门能够准确的开启和关闭，从而确保实现连续制冷的目的，提供车用空调制冷。

图2.3 整体结构示意图
6. 理论计算
吸附制冷的基本原理是：多孔固体吸附剂对某种制冷剂气体具有吸附作用，吸附能力随吸附剂温度的不同而不同。

周期性的冷却和加热吸附剂，使之交替吸附和解吸。

解吸时，释放出制冷剂气体，并在冷凝器内凝为液体；吸附时，蒸发器中的制冷剂液体蒸发，产生冷量。

图2.4是吸附制冷理想基本循环热力图。

图2.4 吸附制冷理想基本循环热力图
吸附制冷理想基本循环的由四个过程组成：(1)1→2，等容升压；(2)2→3，等压解吸；(3)3→4，等容降压；(4)4→1，等压吸附。

(1)(2)过程需要加热，(3)(4)过程需要冷却，1→2→5→6→1为制冷剂循环过程，当吸附床处于4→1阶段时，系统产生冷量。

目前市场上客车、货车的功率从150 kW-300 kW不等，如陕汽重卡SX4184TM351牵引汽车额定功率206Kw,金龙客车XMQ6120额定功率257kW。

假设某发动机的额定功率是200kw，假设吸附式制冷系统的性能系数系数COP=0.3，则汽车发动机汽缸能提供的有效余热为：=( )γ
式中：是有效余热；W是汽车发动机的功率；发动机的指示热效率，取为0.3；汽车发动机尾气所带走的热量占燃料发热量比例，取为45%；γ为吸附式制冷系统余热回收的热力系数，取为0.1。

则有
=（200÷0.3）*0.45*0.1=30kW
而吸附式制冷系统吸附床的冷负荷为：
=Qo/COP
式中是发生器的热负荷；Qo汽车的制冷量。

若取客车的冷负荷为7.5kW ，则
=4÷0.3=25kW＜30kW
显然，发动机提供的有效余热足以满足汽车空调的冷负荷。

7.预期成果
尾气余热利用率达到10%-20%，可用制冷功率3kW-8kW，能够满足大、中型客车车厢内部的制冷需求。

三.参考文献
1.J. Yang， Potential Applications of Thermoelectric Waste Heat Recovery
in the Automotive Industry, 2005. ICT 2005. 24th International Conference on Thermoelectrics
2.曲卫迎王任，汽车发动机余(废)热驱动的吸附式制冷空调技术初探，中国
科技博览 2011
3.杨培毅程林，汽车余热空调的研究现状，流体工程， 1993年6月
4.李肖斌张文杰雪金勇，吸附式制冷的研究进展，化工装备技术， 2008
5.E. Takanose H. Tamakoshi， The development of thermoelectric generator
for passenger car ，Proc. 12th International Conference on Thermoelectrics ，1993
6.吴业正等编著，制冷与低温技术原理，高等教育出版社 2008年5月版
7.马刚，李戬洪，固体吸附式制冷技术在汽车空调中应用的可行性及前景分析，
制冷，2004年3月
8.刘洪阳刘万钊贺强杨晓光赵力，发动机排气管余热发电研究，长春理工
大学学报(自然科学版)，第30卷第3期 2007年9月。