第六届潍柴汽车设计创新大赛参赛作品.doc

第 六 届 潍 柴 动 力 汽 车 创 新赛 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 团队成员：郭亚松 胡志盛 廖滨滨 指导老师：文华 2012年8月1日 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