创新基金总结报告

南京航空航天大学

大学生创新训练计划项目

研究总结报告

项目名称：基于热交换器的大型客车尾气取暖装置

南京航空航天大学教务处

一、项目的研究意义及价值

1.1研究意义

1. 提高出行舒适性：冬季时候（尤其在北方）室外温度偏低，极大降低了出行人群的舒适性。而通过尾气余热供暖装置可以使车厢温度在一个舒适值，驱除人们的寒意达到舒适状态。

2. 节约能源：供暖系统功率较大，原来空调系统动力资源消耗较大，增加发动机负荷，也增加燃料的消耗。应用尾气供暖系统可大大减少能源消耗，热量取自尾气，不仅利用了废气还减少燃料的用量。我国客车数量大，采用此项技术则节约的能源可

引起温室效应，根据《关于破坏臭氧层物质的蒙特利尔协议》已经逐步减少和禁止其使用。其替代产品HFC134a也是一种能导致温室效应气体，且价格比CFC12 贵3〜5倍。减少空调的使用能够十分有效的减少有害工质的排放，从而缓解环境压力。

4. 拓展尾气能量利用：国外关于尾气能量利用方面已取得突破性进展。但遗憾的是，国内目前这方面的研究取得的成果还很有限，在尾气利用的可行性、经济性方面始终没有取得突破性进展。本次研究致力于尾气能量的利用以节省其他能源的消耗，为客车的节能和“变废为宝”开拓道路。

5. 提高客车运输利润：尾气余热供暖系统减少了客车的耗油量，明显地减少了运输成本，从而提高客车运输的利润。

1.2价值

我国人口众多，客车持有量巨大，同时客车生产稳步上升。客运量增长迅速，乘客对客运质量要求高，在低温天气的供暖不可或缺。客车尾气供暖装置很适合于大中型客车，便于安置，功效明显。广泛运用客车尾气余热供暖装置能够可观地减少燃料消耗，不仅有效降低了有害物质和温室气体的排放，而且降低客运成本，创造新的利润增长点。

二、项目研究过程

1. 建立模型，工程问题简化

1.1选取研究对象

查阅资料，从国内外众多的大型长途客车中选取具有典型性的一种，获取其相关参数，包括发动机型号，功率，最高时速，外形参数，各部分散热系数，底盘型号，座位数等。见下表: 客车选取大金龙XMQ6140P，如图1.1，为我们所画的客车的UG模型

图1.1

1.2实际问题建模，选取研究重点

供需要的热量，因此要在该装置基础上加装一个小型的独立燃烧室。第二个阶段为稳态阶段，即客车满速行驶时的阶段。后来听取专家们的意见，第一个阶段可以不用单独分离出去考虑，可以通过客车的提前预热一段时间来解决尾气温度不足的问题，这样简化了问题，节约了成本和空间，因此在这个项目中，我们着重研究的是稳态阶段，其系统图如图1.2:

图1.2

该系统主要由尾气集热器、供暖器、循环泵和控制系统（原先我们还加装了分流器，在指

导老师的提示下，去除了该装置以换取更多的换热量）组成，系统工作原理为：尾气集热器收

集发动机尾气余热，通过导热将热量传递给供暖器，而后通过供暖器给车厢供暖，循环泵主要

是给在管路中流动的导热剂提供动力。控制系统则是整个供暖系统的关键，主要控制供暖系统

的运行，是连接整个供暖系统的电器元件，根据车厢内的温度变化控制尾气经过排气管或者集

热器。

该系统除了为车厢供暖以外还可以取代原车的燃油加热器，尤其在北方地区更为实用，减

少燃油的使用，可以增加车辆的续驶里程，提高了燃油经济性，提高了发动机效率。

对于该装置，我们主要要研究解决它的主要三个问题是：

1. 换热量的大小，其是否有利用价值？是否能够取代或者部分取代车厢供暖空调？

2. 装置加装的位置，对于现代的客车，其底盘的构造相当紧凑，因此任一改动都会“伤筋动

骨”。

3. 装置对客车本身性能的影响，是否影响消声器的工作？是否影响尾气排出的通畅程

度？

1.3必要合理假设

t B车内舒适性温度，一般为16-18 °C（冬季）;

t H ―― 车外空气温度，单位为°C.

对于车身顶部传热系数一般可取K a=8.14 w/（m 2K）,F a=2.5 X l°=25m 2 则Q a=8.14 X25 X32=6512 W

2.2玻璃窗、门耗热量

玻璃窗、门耗热量Q b （单位为W）按下式计算：

其中,玻璃窗、门传热系数K b取为6.4 W/（m 2 K）

玻璃窗、门传热总面积F b可取为32.8m 2

车室内外空气温差取为270C

则Q b =6.4 X32.8 X27=5667.8 W

2.3车内地板耗热量

车内地板耗热量Qc按下式计算：

车内地板的传热系数K c和传热面积F c可近似和车顶取为相同，在计算t c时，车内地

板处以50C计算，则t c可取为170C。则Q计算为4151.5 W

2.4冷空气渗透耗热量

冷空气渗透耗热量Q d按下式计算：

其中新风量和渗透风量G d按照人体卫生标准需要（20-30m3/ （h人））选为25m3, 空气密度取为1.29 kg/m3，空气比热容取为1.006 kj/（kg K），室内外温差t d取为

270C。则Q d 可计算得11875.5 W 。

2.5车室内乘员人体散热量

据资料介绍，车室内乘员人体散热量Q P' （0.25 0.3）Q p , Q p为夏季成员的散热

1）不考虑流体的粘性对换热的影响

2）不考虑振动、压降和热应力对换热器的壁厚设计的影响3）对折流板等结构不予设计

4）忽略热损失

5）忽略折流板对壳程换热系数的影响

2.原始数据

空气进口温度t i=10 °c

空气出口温度t i=40 C

废气进口温度

=500~800 C

t2

废气出口温度

=200 C

t2

空气进口压力P i0.4MPa

废气进口压力P20.3MPa

废气体积流里q20.2m 3/s

理论汽车空调的米暖耗热量为30942.5W

消声器尺寸为：长900mm截面直径300mm

3.流体的物性参数

空气定性温度t i25C

空气密度

4.677 kg /m3

1

空气比热C pi 1.0050kj/(kg K)

空气粘度

1.857 10 5 kg/(m s)

1

空气导热系数

0.02623W/(m K)

1

空气普朗克数

0.713

p1

废气定性温度t2700K