毕业设计（论文）-发动机冷却循环水热能回收利用（全套图纸）.pdf

毕业设计报告(论文) 报告(论文)题目：发动机冷却循环水热能回 收利用 作者所在系部： 机电工程学院 作者所在专业： 车辆工程 作者所在班级： B13142 作 者 姓 名 ： 作 者 学 号 ： 指导教师姓名： 完 成 时 间 ： 2017.05 北华航天工业学院教务处制 北华航天工业学院毕业论文 I 摘要 汽车行业和人类生活息息相关，如今我们的生活已经和汽车密不可分，它在 我们生活的交通运输中承担着无比重要的作用。众所周知，汽车长时间行驶后发 动机会过热， 这时冷却循环水会在发动机的冷却循环水路内循环， 给发动机降温， 使汽车能够正常运行。然而冷却循环水带走的热量直接散发到空气中，造成热量 流失，从而造成发动机燃油经济性降低。为了提高经济效益，支持国家节能环保 的政策方针，本文将对汽车发动机冷却循环系统进行分析，并对发动机冷却循环 水的热能进行二次利用，提高能量利用率，从而提高发动机燃油经济性。 关键词：发动机 热量 回收利用 经济性 北华航天工业学院毕业论文 II Abstract The automobile industry is closely related to human life Nowadays， our life is closely related to the automobile It plays a very important role in the transportation of our life As we all know， the car will overheat after a long period of driving， when the cooling water cycle in the engine cooling cycle water, cooling the engine， so that the car can run properly However, the cooling away water carries away the heat directly distributed into the air， causing heat loss， resulting in lower fuel economy of the engine In order to improve economic efficiency， energy saving and environmental protection in support of national policy， this paper will analyze the cooling system of the engine， and the heat of the engine cooling water used for the two time， improve energy efficiency， thereby improving engine fuel economy Keywords: Engine heat recovery utilization economy 北华航天工业学院毕业论文 1 目录 摘要. I Abstract. II 第 1 章 绪论. 3 1.1 课题背景 . 3 1.1.1 课题应用情况. 3 1.1.2 课题意义. 4 1.2 冷却循环水热能回收利用的途径 . 4 1.2.1 同级利用 . 4 1.2.2 升级利用 . 4 1.3 冷却循环水低温余热回收利用的技术 . 5 1.3.1 利用朗肯循环低温余热发电. 5 1.3.2 热泵余热回收利用技术 . 5 1.3.3 热管换热器余热回收利用技术 . 5 1.3.4 变热器余热回收利用技术 . 5 1.4 本章小结 . 6 第 2 章 发动机余热利用国内外的研究背景与现状. 7 2.1 发动机余热利用概述 . 7 2.2 发动机余热利用采暖系统 . 8 2.2.1 作用. 8 2.2.2 分类. 8 2.3 温差发电系统 . 9 2.3.1 温差发电的基本理论. 9 2.3.2 温差发电的典型系统与实例. 10 2.4 本章小结 . 11 第 3 章 发动机冷却循环水热能回收. 12 3.1 回收原理 . 12 3.2 对冷却循环水热能回收利用装置的设计 . 13 3.2.3 冷源散热器的设计. 17 北华航天工业学院毕业论文 2 3.3 冷却循环水温差发电装置的整体结构与要求 . 17 3.3.1 整体结构. 17 3.3.2 装置要求. 18 3.4 本章小结 . 20 结论 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 北华航天工业学院毕业论文 3 第 1 章 绪论 1.1 课题背景 1.1.1 课题应用情况 通过查阅资料得知发动机冷却循环水所携带的热能在冬季汽车取暖上有所 应用。冷却系统结构示意图如下： 图 1-1 节温器是用来控制冷却循环水路是进行小循环还是大循环的一个装置。 节温 器可以感知冷却循环水的温度。当冷却循环水的温度不足以进入大循环时，旁通 阀关闭，这时冷却循环水不进入散热器，直接在发动机水套内进行小循环，这样 一来冷却循环水避免了不必要的冷却，温度将会迅速的升高。当冷却循环水温度 过高时，旁通阀打开，冷却循环水进入散热器进行大循环，升温的冷却循环水经 风扇产生的空气流冷却，散失部分热量。 冷却循环水进行大循环时，部分热能直接散失在空气中，而这部分热能在汽 车取暖方面有所应用。冬天天气寒冷时，我们会打开汽车的暖气，使车厢内温度 处于一个适宜的环境。 汽车的暖气系统就是将发动机冷却循环系统的高温冷却循 环水导入暖气系统的暖风散热器内进行循环。 汽车暖气系统的风扇将空气流吹过 北华航天工业学院毕业论文 4 暖风散热器进行加热，再经过管道进入车厢内，从而使车厢内的环境温度适宜。 1.1.2 课题意义 现如今能源资源越来越紧张，节能减排，能量回收利用已然成为一个世界性 研究的课题。我国是一个社会主义国家，一直坚持走可持续发展的道路，在节能 环保方面也是大力倡导，并且制定了一系列基本国策和政策方针。因此，对废弃 能源进行回收后二次利用， 不仅符合我国的基本政策， 还可以减少废弃物的排放， 为保护环境作出一份贡献。 本课题研究的是对发动机冷却循环水的热能进行回收 利用，一方面减少了发动机排放在空气中的热量，另一方面提高了能量利用率， 使发动机的燃油经济性得到提升。我国一直跟随世界的脚步，响应节能减排 这个世界口号的号召，对废弃能源的回收技术也一直在进行研究。但有些废弃的 热能还没有被充分利用，有些热能的回收利用中还存在者许多问题。而本课题将 对发动机冷却循环水的热能进行回收利用，节省能源，提高能量利用率，从而提 高发动机的燃油经济性。 1.2 冷却循环水热能回收利用的途径 冷却循环水热能回收利用的途径多种多样，人们也一直在研究怎样更简便、 高效的回收热能，提高废弃能源的回收率。虽然回收的途径多种多样，但方式却 只有两种同级和升级。 1.2.1 同级利用 何谓同级利用，同级利用就是不提高废弃能源的的品级，将废弃能源的能量 直接传递给别的载体来进行回收利用。比如在热能回收当中，我们知道，由于温 差的缘故， 热量会从高温处传递到低温处， 在生活中将高温废热传递给生活用水， 使人们有热水可用。这就是能量回收的同级利用。 1.2.2 升级利用 所谓升级利用就是将低温余热、 废热等通过一定方式转化为可以直接利用的 高、 中位能源。 比如将风能、 热能转化为便于储存， 可随时利用的高品级的电能。 在时代高速发展的今天，科技的突飞猛进，对于低温余热的回收利用技术的发展 北华航天工业学院毕业论文 5 也有巨大的增益，低温余热的回收利用技术将会越来越多。 1.3 冷却循环水低温余热回收利用的技术 1.3.1 利用朗肯循环低温余热发电 郎肯循环就是利用低沸点有机工质的蒸发膨胀来来推动透平做工。 冷却循环 水将热能通过换热器传递给有机工质，使有机工质在透平内膨胀作工，从而将冷 却循环水的热能转化为机械能。有机工质蒸汽膨胀作工后会进入冷凝器冷却液 化，如此往复不断的循环就能发电或者产生动力。 1.3.2 热泵余热回收利用技术 根据熵增原理我们知道，在自然状态下热量只能从高温处传递到低温处，而 不能沿相反的方向进行传递。而热泵就是通过机械功，将此传递进行逆转，使低 温处的能量传递到高温处。热泵采用的是逆卡诺循环的方式，将低温热能转移到 高温热能，从而进行回收利用。 1.3.3 热管换热器余热回收利用技术 热管换热器是一种导热率特别高的传热元件， 它的内部也是通过工质循环来 传递热量。它以导热性能高而著称，它的内部由多根热管排列组成。由于它的导 热率高，导热性能好，因此，将它用于低温热能回收可以有效的提高回收率，减 少热散失。 1.3.4 变热器余热回收利用技术 变热器回收废能的原理用废能驱动变热器将废能转化为两部分， 一部分转化 为高品级能量进行回收利用，另一部分转化为更低品级能量排弃。这样就能对废 弃能源进行部分回收。 我国已将变热器技术列入重点研究项目，未来变热器技术在节能减排，能量 回收利用方面将起着越来越大的作用。 北华航天工业学院毕业论文 6 1.4 本章小结 1.现如今全世界都在倡导可持续发展，然而能源需求的缺口却日益增大，我 国的能源供需矛盾也十分突出。 2.发动机的能量转换率还有待提高， 大部分热能随烟气和冷却循环水排放到 了大气中，因此余热回收利用空间较大，对冷却循环水热能的回收利用能有效的 提高燃油经济性，并且起到节能减排、保护环境的作用。 北华航天工业学院毕业论文 7 第 2 章 发动机余热利用国内外的研究背景与现状 2.1 发动机余热利用概述 发动机在不同的工况下运转时， 燃料燃烧做功大部分转化为机械能驱动汽车 行驶， 但仍有很大一部分能量随汽车尾气与冷却循环水散发到空气中。发动机热 能的表现形式不同，大致分为四个部分，一是驱动曲轴转动，转化为机械能，二 是被冷却循环水带走的热量，三是被发动机排气带走的热量，四是其他辐射、摩 擦等 。根据能量守恒定律研究得其热平衡方程如下： bESTL QQQQQ=+ (2-1) b Q 为燃料完全燃烧单位时间内放出的总热量。 E Q 为转化为有效功（机械能）的热量。 S Q 为冷却循环水带走的热量。一般QS/Qb的值：汽油机为15-35，柴油机 为12-27。 T Q 为发动机排气带走的热量。一般QT/Qb的值：汽油机为30-50，柴油机 为25-45。 L Q 为其他的热量损失。除有效功、尾气余热、冷却循环系统余热以外热量损 失均在此项损失内，比如辐射所造成的热损失、燃料燃烧不充分造成的损失和其 他没有计入的热损失等。 表2-1发动机的热平衡 热平衡方程各项组成 汽油机（） 柴油机（） 转化有效功热量 E Q 25-30 30-40 尾气带走热量 T Q 30-50 25-45 冷却系统带走热量 S Q 15-35 12-27 其他热量损失 L Q 2-10 2-10 由表中的数据可以得出， 冷却系统带走了燃料燃烧产生的相当大的一部分热 北华航天工业学院毕业论文 量，如今想要提高发动机的功率相当困难 收，也未尝不是一种变相性提高发动机功率的方式 的空间较大，发展前景广阔。 2.2 发动机余热利用采暖 2.2.1 作用 在天气变冷的时候，汽车的暖风系统可以给汽车内部供暖 处在一个温度适宜环境中。而且汽车内开了暖风 的挡风玻璃会因为温差的原因而起霜雾 患。 这时暖风系统可以将暖风通过暖风管送到挡风玻璃进行除雾 驶。 2.2.2 分类 1）水暖式暖风系统 水暖式暖风系统就是将发动机高温冷却循环水作为汽车暖气系统的热源 图 2-1 所示，通过热水调节阀 器中， 在鼓风机的作用下， 冷空气流经加热器的表面吸收热量变成暖风再由风口 吹到驾驶室中，供驾驶室取暖 图 2- 北华航天工业学院毕业论文 8 如今想要提高发动机的功率相当困难。但是，如果对冷却循环水热能进行回 也未尝不是一种变相性提高发动机功率的方式。而且从数据来看，余热回收 发动机余热利用采暖系统 汽车的暖风系统可以给汽车内部供暖，使车内人员可以 而且汽车内开了暖风，造成汽车内外温度不同 的挡风玻璃会因为温差的原因而起霜雾，影响驾驶者的视线，给安全驾驶带来隐 这时暖风系统可以将暖风通过暖风管送到挡风玻璃进行除雾，以保证安全驾 水暖式暖风系统就是将发动机高温冷却循环水作为汽车暖气系统的热源 通过热水调节阀，将发动机冷却循环水导入到汽车暖气系统的加热 冷空气流经加热器的表面吸收热量变成暖风再由风口 供驾驶室取暖。 -1 汽车水暖式采暖系统结构示意图 如果对冷却循环水热能进行回 余热回收 使车内人员可以 造成汽车内外温度不同，汽车 给安全驾驶带来隐 以保证安全驾 水暖式暖风系统就是将发动机高温冷却循环水作为汽车暖气系统的热源， 如 将发动机冷却循环水导入到汽车暖气系统的加热 冷空气流经加热器的表面吸收热量变成暖风再由风口 北华航天工业学院毕业论文 2）气暖式暖风系统 气暖式暖风系统的热源来自发动机排气系统 换热器中，新鲜空气吹过换热器表面进行加热 内的温度上升，通过调节空气的进入量 图 2- 2.3 温差发电系统 温差发电的研究包括两个方面 的研究已经成为热电学的一个重要领域 2.3.1 温差发电的基本理论 热力学研究发现当一根金属导体棒的两端存在温差时 朝着冷端移动，从而形成电磁场产生电势差 19 世纪 20 年代，塞贝克研究发现 温差时，回路中就会产生电流 如图2-3所示。 实验表明， 塞贝克系数定义为两点之间的电压差 lim ab T = 北华航天工业学院毕业论文 9 热源来自发动机排气系统的尾气余热。 发动机排气进入到 新鲜空气吹过换热器表面进行加热，然后再送入汽车车厢内。 通过调节空气的进入量，来调节车厢内的温度。 -2 汽车气暖式采暖系统结构示意图 温差发电的研究包括两个方面，一是热电元器件，二是发电器。对温差发电 的研究已经成为热电学的一个重要领域。 温差发电的基本理论 热力学研究发现当一根金属导体棒的两端存在温差时， 导体棒热端的电子会 从而形成电磁场产生电势差。 塞贝克研究发现，两种不同导体组成的回路，当两接头有 回路中就会产生电流。 ， 热电动势的大小与两个触点之间的温度差成正比 塞贝克系数定义为两点之间的电压差。其数值为 0 lim T UdU TdT = （2-2） 发动机排气进入到 使车厢 对温差发电 导体棒热端的电子会 当两接头有 热电动势的大小与两个触点之间的温度差成正比， 北华航天工业学院毕业论文 10 单位为V/K但通常由于这个数值非常小，所以更常用的单位是V/K。 图2-3 塞贝克效应示意图 赛贝克效应是第一热电效应是将热能直接转化为电能的途径， 是温差发电的 核心理论。 2.3.2 温差发电的典型系统与实例 温差发电系统通常由热电模块，废热通道和冷却水箱三部分组成。典型的热电发 电系统如图2-4所示。 热电模块平铺在废热通道上，冷端为冷却水，热端为发动 机排气。该装置结构简单，安装方便，夹紧容易。缺点是在废热通道中，废气的 分布存在空隙，部分废气热量得不到充分利用。 图2-4 典型的温差发电系统 我国很多远洋船只的发动机上安装了余热发电装置， 利用温差发电原理对柴 油机的排气余热进行回收。经查阅资料得知，回收的能量大约占柴油机所产生总 北华航天工业学院毕业论文 11 热量的O.77。虽然回收率不高，但从节约能量的角度来说，这些热量本来就是 废热，能够进行回收利用对节能减排，提高能量利用率是相当可观的。 2.4 本章小结 1本章对发动机热能的去向，以及分布进行了简单的分析，分析表明发动 机冷却循环水带走的热量是相当可观的，而对这部分热量进行回收是有意义，有 价值的事情。 2. 对现如今发动机冷却循环水的热能回收利用情况进行了简单的介绍，目 前对发动机冷却循环水的热能回收利用还仅是用于汽车在冬季的时候取暖使用。 3. 本章还对温差发电原理进行了简单的介绍，并且还对它在远洋船舶发动 机烟气余热回收的实际应用进行了介绍。这表明利用温差发电的理论，来对发动 机冷却循环水进行回收利用是可行的。 北华航天工业学院毕业论文 第 3 章 发动机冷却循环水热能回收 3.1 回收原理 采用温差发电原理对发动机冷却循环水进行回收 源，通过对冷源、热源以及发电模块的设计 能。 温差发电原理是基于塞贝克效应 的两个接头处于不同温度时， 电偶两端就有一定电动势 通常把若干对温差电偶串(或并 该装置可利用温差直接产生电力 冷端可得到一个电压，一个 PN 连结串联起来就可得到足够的电压 北华航天工业学院毕业论文 12 发动机冷却循环水热能回收 采用温差发电原理对发动机冷却循环水进行回收， 以冷却循环水的热能为热 热源以及发电模块的设计，将冷却循环水的热能直接转化为电 温差发电原理是基于塞贝克效应，将热能直接转化为电能。当一对温差电偶 电偶两端就有一定电动势。 要得到较大的功率输出 或并)联成为温差电堆。温差发电原理如图 3-1 该装置可利用温差直接产生电力。将 P 型半导体和 N 型半导体在热端连接 PN 连结所能产生的电动势有限，将很多个这样的 就可得到足够的电压，成为一个温差发电机。 图 3-1 温差发电原理图 以冷却循环水的热能为热 将冷却循环水的热能直接转化为电 当一对温差电偶 要得到较大的功率输出， 1 所示， 型半导体在热端连接，则在 将很多个这样的 PN 北华航天工业学院毕业论文 3.2 对冷却循环水热能回收利用装置的设计 对温差发电装置的冷端、 热能进行收集并作用于温差发电装置的热端 冷热端具有一定温差。将发电模块置于两端之间即可产生电能 3.2.1 热源集热装置的设计 图 1.冷却循环水管路 如图 3-2 所示，图中 1 为冷却循环水路的进出口 水从集热器的一侧进入流经整个集热器 侧排出回到发动机冷却循环管路中去 北华航天工业学院毕业论文 13 对冷却循环水热能回收利用装置的设计 热端、发电模块进行设计，将发动机冷却循环水的 热能进行收集并作用于温差发电装置的热端，并对冷端散热进行设计，使装置的 将发电模块置于两端之间即可产生电能。 热源集热装置的设计 图 3-2 冷却循环水集热器 冷却循环水管路 2.吸热翅板 3.集热器耳朵 为冷却循环水路的进出口，发动机管路中的冷却循环 水从集热器的一侧进入流经整个集热器， 将携带的热量传递给集热器后再由另一 侧排出回到发动机冷却循环管路中去。图中 2 为吸热翅板，为的是增加冷却循环 将发动机冷却循环水的 使装置的 发动机管路中的冷却循环 将携带的热量传递给集热器后再由另一 为的是增加冷却循环 北华航天工业学院毕业论文 水与集热器的接触面积，能更好的将冷却循环水的热量进行回收 器内部水路设计成曲折型，增加了冷却循环水在集热器中停留的时间 如此。图中 3 是集热器耳朵， 集热器的下表面与温差发电模块的上表面相接触 上表面。 3.2.2 温差发电模块的设计 4.温差发电片 如图所示，图 3-3 中的方块为温差发电片 接触，作为温差发电器的热端 差发电器的冷端。每个温差发电片的之间的空隙用隔热垫进行隔热 垫中嵌入导线，将所有温差发电片串联成一个整体 温差发电片的发电原理： 有温差时，回路中就会产生电流 北华航天工业学院毕业论文 14 能更好的将冷却循环水的热量进行回收，之所以将集热 增加了冷却循环水在集热器中停留的时间，目的也是 用来与发电装置的冷端进行联接固定。 集热器的下表面与温差发电模块的上表面相接触， 将热量传递给发电模块的 的设计 图 3-3 温差发电模块 温差发电片 5.散热器耳朵 6.散热器主散热片 中的方块为温差发电片，它的上表面与集热器的下表面相 作为温差发电器的热端，它的下表面与主散热片的上表面相接触， 每个温差发电片的之间的空隙用隔热垫进行隔热，并且在隔热 将所有温差发电片串联成一个整体，从而成为一个温差发电器 塞贝克效应（两种不同导体组成的回路，当两接头 回路中就会产生电流）。 之所以将集热 目的也是 将热量传递给发电模块的 它的上表面与集热器的下表面相 作为温 并且在隔热 从而成为一个温差发电器。 当两接头 北华航天工业学院毕业论文 15 图 3-4 温差发电原理图 () ch - TT = () rL ch RR T + = ：电势差，与温差成正比 ：塞贝克系数 h T ：热端温度 c T ：冷端温度 L R : 外接电阻 r R ：内阻 如图 3-4 所示将 N 型和 P 型半导体串联起来形成回路，一端连接热源，另一 端连接冷源，就形成了简易的温差电池（温差电偶），这就是温差发电的原理。 而温差发电片的内部就是将若干个这样的温差电偶进行串并联， 来提高电压和电 流，其内部结构如图 3-5 所示 北华航天工业学院毕业论文 16 图 3-5 (a) 温差发电片内部结构 图 3-5 (b) 温差发电片 北华航天工业学院毕业论文 3.2.3 冷源散热器的设计 由于热源采用的是发动机冷却循环水的热能 源降温的要求并不高，因此将温差发电装置的冷源将直接设计为散热片的形式 利用风冷降低温度，作为温差发电装置的冷源 4.温差发电片 5.散热器耳朵 如图 3-6 所示，散热器为一个整体 面相贴合，下方的副散热片与主散热片垂直 热片的表面，会带走整个散热器的热量 主散热片的边缘设计有耳朵， 3.3 冷却循环水温差发电装置的整体结构与要求 3.3.1 整体结构 该装置的设计灵活性强， 北华航天工业学院毕业论文 17 冷源散热器的设计 由于热源采用的是发动机冷却循环水的热能，最高温度只有九十多度 因此将温差发电装置的冷源将直接设计为散热片的形式 作为温差发电装置的冷源。 图 3-6 散热器 散热器耳朵 6.散热器主散热片 7.散热器副散热片 散热器为一个整体，主散热片的上表面与温差发电片的下表 下方的副散热片与主散热片垂直。散热器为风冷形式，当空气流经散 会带走整个散热器的热量，从而持续给温差发电片的下表面降温 用于与集热器进行螺栓联接。 冷却循环水温差发电装置的整体结构与要求 结构简单，可依据不同车型进行量身设计。 最高温度只有九十多度，对冷 因此将温差