挑战杯终审稿—汽车尾气余热回收利用及其系统装置研究

-序号： 编码： 第九届“挑战杯”湖南省大学生课外学术科技作品竞赛作品申报书 作品名称：车尾气余热的利用系统及装置研究 学校全称：湖南城市学院 申报者姓名 （集体名称）：叶雄锋 类别：自然科学类学术论文 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文 科技发明制作A类 科技发明制作B类 竞赛组委会制 年 月说 明1.申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。2.申报者在填写申报作品情况时，需根据个人项目或集体项目情况填写A1或A2表，根据作品类别（自然科学类学术论文、哲学社会科学类社会调查报告和学术论文、科技发明制作）分别填写B1、B2或B3表。所有申报者可根据情况填写C表。3.表内项目填写时一律用钢笔或打印，字迹要端正、清楚，此申报书可复制。4.序号、编码由第八届“挑战杯”湖南省大学生课外学术科技作品竞赛组委会办公室负责填写。5.学术论文、社会调查报告及所附的有关材料必须是中文（若是外文，请附中文本），请以4号楷体打印在A4纸上，附于申报书后，字数在8000字左右（文章版面尺寸14.522cm）。6.参赛作品（一式四份）须由各高校按要求于2010年2月28日前统一寄送至湖南省第八届“挑战杯”竞赛组委会办公室（设中南大学团委）。同时须在“挑战杯”网站完成网上申报（网址另行通知）。7.其他参赛事宜请向本校竞赛组织协调机构咨询。联 系 人：联系电话：传 真：邮政编码：410083A2申报者情况（集体项目）说明：1必须由申报者本人按要求填写；2申报者代表必须是作者中学历最高者，其余作者按学历高低排列；3本表中的学籍管理部门签章视为申报者情况的确认。申报者代表情况姓名叶雄锋性别男出生年月1990.06.06学校湖南城市学院系别、专业、年级城市建设系、建筑环境与设备工程专业、三年级学历本科学制 4年入学时间2008.10作品名称汽车尾气余热的利用系统及装置研究通讯地址湖南省益阳市湖南城市学院（朝阳校区）邮政编码413000办公电话其他作者情况姓 名性别年龄学历所在单位李文强男20本科湖南城市学院城市建设系吴文俊男20本科湖南城市学院城市建设系资 格 认定学校学籍管理部门意 见以上作者是否为2009年7月1日前正式注册在校的全日制非成人教育、非在职的各类高等院校中国籍学生（含专科生、本科生和研究生）。是 否若是，其学号为： （部门盖章） 年 月 日学校组织协调机构意 见本作品是否为课外学术科技或社会实践活动成果 是 否 负责人签名： （学校团委代章） 年 月 日 B2申报作品情况（哲学社会科学类社会调查报告和学术论文）说明：必须由申报者本人填写。作品全称汽车尾气余热的利用系统及装置研究作品所属领 域（C）A哲学 B经济 C社会 D法律 E教育 F管理作品撰写的目的和基本思路一、研究的主要目的近年来，中国汽车销售特别是轿车销售出现了创记录的高速增长，到2010年中国再次稳坐全球销量第一的位置。与此同时，巨大的汽车尾气排放量意味着巨大的能量浪费，因为汽车排放的尾气温度最高可以达到600700，排入大气中的尾气废热十分的惊人。如何回收汽车尾气中的巨大能量是一个十分值得研究的课题研究项目。因此我们所研究的主要方向是充分利用汽车尾气的余热，为车厢供热，以降低燃油的消耗，减少对环境热污染。二、作品研究的基本思路目前，绝大部分汽车都使用前非独立式空调。汽车采暖需要单独的发热供热系统，即非独立式空调：直接利用汽车的行驶动力（发动机）来运转的空调系统。非独立式空调由主发动机带动压缩机运转，并由电磁离合器进行控制。接通电源时，离合器断开，压缩机停机，从而调节温度的供给，达到控制车厢内温度的目的。其优点是结构简单、便于安装布置、噪音小。但是，由于需要消耗主发动机10%-15%的动力，直接影响汽车的加速性能和爬坡能力。同时其供热量受汽车行驶速度影响，如果汽车停止运行，其空调系统也停止运行。这种非独立式空调需要增加部分加热、传热设备，而汽车自身尾气的高温热量却白白排放掉了。所以，本项目着重于研究一项产品，将汽车尾气余热充分利用起来，节省能源的消耗。总之我们的项目值得深入研究。作品的科学性、先进性及独特之处一、研究的创新之处1、余热利用，不另外增加加热或热源装置即可为汽车车厢供热，减少冬季空调燃料耗量，充分利用汽车尾气余热。2、可根据需要的放热温度和介质汽化温度进行介质选配，使二者温度相近，通过选用不同的汽化温度介质达到理想供热温度。3、提高汽油燃烧能量利用率，节省能源。4、尾气余热利用装置简洁、方便，适合广大汽车使用。二、模拟实验的目的1、锻炼自身的实际动手操作能力；2、加深对相关专业课程的认识；3、全面提高自身创新能力和综合能力素质；4、完成相关课题研究的实验模拟。作品的实际应用价值和现实指导意义目前，绝大部分汽车都使用前非独立式空调。汽车采暖需要单独的发热供热系统，即非独立式空调：直接利用汽车的行驶动力（发动机）来运转的空调系统。非独立式空调由主发动机带动压缩机运转，并由电磁离合器进行控制。接通电源时，离合器断开，压缩机停机，从而调节温度的供给，达到控制车厢内温度的目的。其优点是结构简单、便于安装布置、噪音小。但是，由于需要消耗主发动机10%-15%的动力，直接影响汽车的加速性能和爬坡能力。同时其供热量受汽车行驶速度影响，如果汽车停止运行，其空调系统也停止运行。这种非独立式空调需要增加部分加热、传热设备，而汽车自身尾气的高温热量却白白排放掉了。所以，本项目着重于研究一项产品，将汽车尾气余热充分利用起来，节省能源的消耗。总之我们的项目值得深入研究。本项目研究的是汽车尾气余热在空调中的循环利用，旨在提高能源利用效率，减少对环境的污染。针对汽车空调存在的能源浪费，将余热回收利用于制冷、制热。通过实践，得出相关数据，设计或改进出一件项目产品，为更多汽车产商提供思路。作品摘要1、查阅资料：通过查阅流体力学和工程热力学获得相关知识，获得尾气焓值为h。2、设计原理：本研究是关于汽车尾气余热的回收和利用，其核心即为换热（将尾气余热换到汽车车内供暖），因实验室条件有限，故将原设计原理比例性缩小，选择燃气式热水器工作时液化汽产生的高温气体，使其通过直通式热交换盘管与玻璃罩内低温空气进行热交换，达到控制控制玻璃罩内温度调节的目的，来模拟汽车尾气余热回收及其利用实验。3、实验设计原理图热水器直通式热交换盘管湿式流量计测流量q热电偶测温t1热电偶测温t2图1： 汽车尾气余热回收利用模拟实验热水器的尾气按照红箭头所示，通过弯管进入直通式热交换盘管，同时在高温气进口处用热电偶测温t1，进过热交换盘管后，尾气余热进入汽车车厢内供暖，回气温度同样进行热电偶测温t2,进入湿式流量计，测得其流量q,最后排出。4、相关计算公式：盘管换热分为辐射换热和对流换热两部分，分别算出两部分的换热量即可，最后可用比热公式进行对比。对流换热基本公式：Q1=Aht1 h可由公式Nu=hl 得到，其中A盘管换热面积；Nu鲁歇尔数；l散热管管长；空气导热系数；t1=tw - tf （tw红外线测温仪测得的盘管表面温度，tf空气温度）辐射换热: 基本公式：Q2=ACb (tw100)4(tf100)4 其中发射率； Cb比热总换热量：基本公式：Q= Q1+ Q2=mCt2其中t2实际测得进出口温度差；m气体质量；C比热作品在何时、何地、何种机构举行的会议或报刊上发表登载、所获奖励及评定结果湖南城市学院大学生“创新性”项目立项请提供对于理解、审查、评价所申报作品，具有参考价值的现有对比数据及作品中资料来源的检索目录参考文献如下：传热学第五版 中国建筑工业出版社 热质交换原与设备第二版 中国建筑工业出版社工程热力学第四版 高等教育出版社CFCs制冷剂的回收与再利用 机械工业出版社制冷与空调自动控制 上海交通大学出版社供热工程第三版 中国建筑工业出版社汽车尾气余热利用技术及应用 华南理工大学分离式热管换热器回收汽车尾气余热的试验研究 C.当前国内外同类课题研究水平概述 说明：1.申报者可根据作品类别和情况填写； 2.填写此栏有助于评审。国外关于汽车尾气的研究已捷足先登，比如：Heat2Power公司的创始人，费雷德里克特维诺这位发动机工程师选择了热能利用，但他放弃了复杂的高性能液体(水和乙醇)转换系统，改用压缩空气！他所设计的系统由一台单气缸引擎(通过离合器连接主发动机)、两个气体回路(一个冷回路，另一个热回路)，以及两个交换器构成。是一个比较成熟的尾气利用研究项目，但是该装置复杂，投入批量生产难度大。市场需要简便而低廉的尾气利用装置。现有的汽车多采用内燃机作动力，它在工作时会排出气体含有大量热能，根据日产公司技术人员的研究，汽油燃烧产生的能量中最多只有30%的能量转化为机械能，其中还有一些由于齿轮、轮胎的机械摩擦、蓄电池工作等原因而被消耗掉，最后只有20%左右转化为驱动行驶的动力。70%通过尾气排放等形式散失到大气之中，汽车排放的尾气温度最高可以达到600700, 怠速时400。比很多人想象中要高很多。所以，利用尾气余热为车厢供热旨在提供一种能够充分利用汽车排放的高温尾气的热能和动能驱动汽车空调系统，以降低燃油的消耗，减少对环境热污染。我们力争在新的工艺方面进行对比探讨及研究。D.推荐者情况及对作品的说明说明：1由推荐者本人填写； 2推荐者必须具有高级专业技术职称，并且是与申报作品 相同或相关领域的专家学者或专业技术人员（教研组 集体推荐亦可）； 3推荐者填写此部分，即视为同意推荐； 4推荐者所在单位签章仅被视为对推荐者身份的确认。推荐者情况姓 名性别年龄职称工作单位通讯地址邮政编码单位电话住宅电话推荐者所在单位签章 （签章） 年 月 日请对申报者申报情况的真实性作出阐述请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景作出评价其它说明推荐者情况姓 名性别年龄职称工作单位通讯地址邮政编码单位电话住宅电话推荐者所在单位签章 （签章） 年 月 日 请对申报者申报情况的真实性作出阐述 请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景作出评价其它说明学校组织协调机构确认并盖章 （团委代章） 年 月 日 学校党委意见（盖章） 年 月 日E全省组织委员会秘书处资格和形式审查意见组委会秘书处资格审查意见 审查人（签名） 年 月 日组委会秘书处形式审查意见 审查人（签名） 年 月 日组委会秘书处审查结果合格 不合格 负责人（签名） 年 月 日F参赛作品打印处汽车尾气余热的利用系统及装置研究叶雄锋、李文强、吴文骏（湖南城市学院 城市建设系 湖南 益阳 413000）摘要 本文主要是对以汽车尾气余热利用系统回收装置应用于汽车空调，对利用尾气余热为车厢供热做可行性研究。通过对实际厂家的调研，得到各类汽车具体型号发动机的尾气排量及排放温度。通过各类汽车的冷负荷计算，以及可回收的尾气废热量计算，利用尾气余热为车厢供热旨在提供一种能够充分利用汽车排放的高温尾气的热能和动能驱动汽车空调系统，以降低燃油的消耗，减少对环境热污染，并对汽车尾气余热回收应用于汽车车厢供热作可行性分析。关键词 汽车 尾气 供热 可行性Abstract This paper is the use of automobile exhaust heat recovery system used in automotive air-conditioning, the use of exhaust heat to do a feasibility study for the heating compartment. Research on the actual manufacturers, specific models are various types of car exhaust emissions and emissions of the engine temperature. Through various types of car cooling load calculation, and calculation of recoverable gas waste heat, the use of exhaust heat for the heating to provide a car to take full advantage of the high temperature exhaust gas emissions from vehicles, heat and kinetic energy-driven automotive air conditioning systems to reduce fuel consumption, reducing thermal pollution on the environment, and used in automotive vehicle exhaust heat recovery heat inside for feasibility analysis. Key words Automotive Exhaust Heating Feasibility0 前言现有的汽车多采用内燃机作动力，它在工作时会排出气体含有大量热能，根据日产公司技术人员的研究，汽油燃烧产生的能量中最多只有30%的能量转化为机械能，其中还有一些由于齿轮、轮胎的机械摩擦、蓄电池工作等原因而被消耗掉，最后只有20%左右转化为驱动行驶的动力。70%通过尾气排放等形式散失到大气之中，汽车排放的尾气温度最高可以达到600700, 怠速时400。比很多人想象中要高很多。所以，利用尾气余热为车厢供热旨在提供一种能够充分利用汽车排放的高温尾气的热能和动能驱动汽车空调系统，以降低燃油的消耗，减少对环境热污染，我们力争在新的工艺方面进行对比探讨及研究。1 系统装置整体设计思路本项目主要研究将汽车运行中产生的高温尾气在通过热交换盘管时与车厢内低温气体进行热交换，为车厢供热，以达到控制车厢内温度的平衡调节。通过模拟实验，并结合实际数据，提出设计方案将尾气余热回收利用装置置于汽车底座，把汽车运行产生的高温尾气引入设计装置中为车厢供热。因为汽车排放的尾气温度最高可以达到600700，存在很多的能量损失、浪费。所以我们将进一步实验研究，实地调研，回收余热将供热温度达到车厢所需温度，使供暖方式调整得更经济、更实用，在不对汽车进行大的改造的情况下与汽车兼容给司机和乘客提供了尾气余热取暖装置，解决了司机和乘客冬天取暖的问题，大大减少了事故发生率。性价比高，并且能达到预期的效果。2 项目研究的可行性分析2.1 设计原理本课题主要研究是关于汽车尾气余热的回收和利用，其核心即为换热（将尾气余热换到汽车车内供暖），将通过汽车尾气管的高温尾气在通过热交换盘管与汽车车厢内低温气体进行热交换，加热车厢低温气体，以达到控制车厢内温度的平衡调节。现结合实验室现有装置利用燃气式热水器工作时产生的高温尾气，并通过直通式散热器进行模拟实验，论证实验的可行性。热水器直通式热交换盘管湿式流量计测流量q热电偶测温t1热电偶测温t2图1： 汽车尾气余热回收利用模拟实验热水器的尾气按照红箭头所示，通过弯管进入直通式热交换盘管，同时在高温气进口处用热电偶测温t1，进过热交换盘管后，尾气余热进入汽车车厢内供暖，回气温度同样进行热电偶测温t2，进入湿式流量计，测得其流量q,最后排出。2.2 相关计算公式及原理设烟气进口温度为t1出口温度为t2 时间t=60秒为一个测量周期，一个周期内通过的烟气体积v约为0.3m3 ，得出平均流量Q约为0.005 m3s ，烟气比热约为C=1.1kJ（kg ），密度=1.1 kgm3 。 节能率=qq3 =（q1 q2）q3=c1m(t2 t1) q3= c1v(t2 t1) q3= c1Q t (t2 t1) q3热交换盘管传热率q 盘管吸热量q1烟气进口所含热量q2烟气出口所含热量q3模拟车厢需热量（指体积为4.5m3的密闭模拟车厢气体温度由18上升至25所需热量）m体积为0.3m3的烟气质量c1烟气平均比热q3=c3mt= c33vt=57 kJ查表可知：理想空气的比热c3=1.40kJ/（kg） 理想空气的密度3=1.297kg/m3 3 实验装置解析3.1 尾气余热回收利用装置模型通过查阅资料，认真分析实验原理，利用现有实验仪器，并且在指导老师的指导帮助下，不断完善实验设计，对实验的可行性、有效性、安全性、价值性进行设计计算，并且成功搭建起模拟实验装置台，进行了初步的模拟实验。现将初步实验装置介绍如下： 汽车尾气余热回收利用模拟试验台3.2 其他余热回收利用装置解析A 燃气式热水器：用于工作时，顶部排烟管产生高温气体（模拟汽车尾气），循环于整个装置系统。B 直通式热交换盘管：余热回收利用系统装置主要的热传导原件，采用直通式散热，散热面积大，安全性能好，传热效率高，节能效果显著。精选资料C 热电偶测温元件（数显温度计）：检测直通式热交换盘管进、出口温度t1、t2。用于计算直通式热交换盘管热交换率。D 湿式流量计： 测量气体流出系统出温度t3，与t2比较计算热损失。 控制通入整个系统装置的气体流量Q。 测量通入系统装置的气体压强P。F 小型引风机：消除管道弯头及盘管对气体的阻力影响，保证气体在系统内的流速。E 红外线测温仪：检测直通式热交换盘管辐射散热和对流散热时的表面温度。G 密闭型玻璃罩：比例性缩小的模拟车厢(体积3m1.5m1m=4.5m3)，便于换热效果的显著观察。4 实验数据处理4.1 实验数据记录进口温度t1（）117112108104103110出口温度t2（）104.398.695.492.489.797.6体积V （m3）0.3流量Q （m3s ）0.005进口热能q1（kJ）42.47140.65639.20437.75237.38939.93出口热能q2（kJ）37.860935.791834.630233.541232.561135.4288模拟车厢需热能q3（kJ）57直通式热交换盘管传热率（%）8085（取80%作为计算值）节能率（%）6.47036.82696.41945.90996.77606.31754.2实验数据修正处理4.2.1 查阅资料：通过查阅传热学和工程热力学等相关书籍获得尾气焓值为h。烟气焓值表烟气（空气）温度（)理论烟气的焓理论空气的焓飞灰的焓CO2N2H2O空气飞灰100766.813676.10420.9223170130151132812001552.4691362.45243.65273582603052661693002360.7662064.16668.19125593924634032644003195.2992776.12492.9887725276265423605004049.6273503.448118.30149946647956844586004927.3024251.26144.906312258049698305617005829.9935009.316171.2529146294811499786638006749.0875782.738198.374417051094133411297689007683.6646566.404225.7542195212421526128287410008633.6817360.314254.167222041392172314379844.2.2汽车尾气数据的调查表4.2.2-1 重型机械设备排气温度及排量工作状况排汽温度()排气量(m3/s)怠速4500.10.138满负荷5506500.40.55表中的重型设备以徐州重型机械厂康明斯6BT5.9C174等型号的发动机为依据表4.2.2-2 重型卡车排气温度及排量工作状况排汽温度()排气量(m3/s)怠速4500.0650.09满负荷5500.250.35表中的重型卡车以无锡柴油机厂6110/225 ZLA等发动机为依据表4.2.2-3 轻中型客车排气温度及排量工作状况排汽温度()排气量(m3/s)怠速4000.0170.024满负荷5305800.120.15表中轻中型客车以南京跃进汽车总厂Nj4105QZL型等发动机为依据4.2.3 经分析可知盘管换热分为辐射换热和对流换热两部分，分别算出两部分的换热量即可，最后可用比热公式进行对比。对流换热基本公式：Q1=Aht1 h可由公式Nu=hl 得到，其中A盘管换热面积；Nu鲁歇尔数；l散热管管长；空气导热系数；t1=tw - tf （tw红外线测温仪测得的盘管表面温度；tf空气温度）辐射换热: 基本公式：Q2=ACb (tw100)4(tf100)4 其中发射率；Cb比热总换热量：基本公式：Q= Q1+ Q2=mCt2其中t2实际测得进出口温度差；m气体质量；C比热4.2.4 数据分析通过对比，我们发现当热交换盘管效率在80%时，节能率大概在6.4个百分点左右，且两种方法计算结果相近，说明该装置能很好的达到节能的效果。如果对热交换盘管材质进行改造，节能率还能提高。5 项目研究市场前景本项目研究的是汽车尾气余热在空调中的循环利用，旨在提高能源利用效率，减少对环境的污染。针对汽车空调存在的能源浪费，将余热回收利用于供热。1、余热利用，不另外增加加热或热源装置即可为汽车车厢供热，减少冬季空调燃料耗量，充分利用汽车尾气余热。2、可将需要的放热温度根据人们所需要的舒适温度进行调度，使二者温度相近，达到理想供热温度。3、提高汽油燃烧能量利用率，节省能源。4、尾气余热利用装置简洁、方便，更适合广大汽车使用。近年来，中国汽车销售特别是轿车销售出现了创记录的高速增长，到2000年空调车产量达到88万辆，总保有量为485万量。同时，巨大的汽车尾气排放量意味着巨大的能量浪费