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????? 模擬多種發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣熱源的吸附制冷試驗(yàn)臺(tái)研究

????? 作者：王魯峰，李輝，萬(wàn)小利，丁紅軍，金志剛

????? 關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣熱源吸附制冷摘　要：研究建立了一個(gè)模擬多種發(fā)動(dòng)
機(jī)尾氣熱源的試驗(yàn)臺(tái)。通過(guò)理論和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法確定了試驗(yàn)臺(tái)的熱流量、
出口溫度及壓力等參數(shù)。試驗(yàn)臺(tái)的熱源由燃油燃燒提供，能夠模擬出和實(shí)際發(fā)動(dòng)
機(jī)工作時(shí)尾氣特性（溫度、壓力、流量）相似的熱煙氣。模擬的發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣熱源
和吸附制冷系統(tǒng)相結(jié)合，可以降低試驗(yàn)成本，并使試驗(yàn)的可信度更高，為給定熱
源條件下設(shè)計(jì)吸附發(fā)生器提供一定的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

????? 關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)；尾氣熱源；吸附制冷

????? Abstract：In the paper， an experimental bench which simulating
multiengine tail gas heat source is researched and built. Based on the
combination of theory and empirica l data ， defined the thermal flux ，
exit temperature and pressure of the experimen tal bench， and so on.
Combustion supplies the experimental bench heat sources ， w hich could
simulate the similar characteristics of tail gas of real engine （temperature，
pressure， flux ）。 The harmony of simulating heat source of engine tail
gas and adsorption refrigeration system could reduce the cost ， and upgrade
the de gree of belief ， provide certain theory and test reference for
adsorption generat or design under the specified heat source terms.

????? Keywords：engine； tail gas ； heat source； adsorption refrigerat
ion

????? 0 引言吸附式制冷能有效利用太陽(yáng)能和工業(yè)廢熱等低品位能源而沒(méi)有環(huán)境
破壞性，這種新的制冷技術(shù)受到越來(lái)越多的重視。吸附式制冷不用氟里昂作制冷
劑，是一種環(huán)境友好的制冷技術(shù)。吸附式制冷系統(tǒng)可以直接由太陽(yáng)能、工業(yè)廢熱
等低品位能源驅(qū)動(dòng)，是節(jié)能和開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能等新能源的有效工具，該系統(tǒng)具有
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、無(wú)噪聲、抗振性好、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在船舶制冷、
汽車(chē)制冷、宇航制冷中有相當(dāng)好的應(yīng)用前景。如將它用在發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣驅(qū)動(dòng)的空調(diào)
系統(tǒng)，能夠滿足車(chē)輛的制冷需求［1 ，2 ］。在各種客車(chē)、轎車(chē)中應(yīng)用吸附制冷
冰箱，可以做到停車(chē)后繼續(xù)制冷12h 以上。以解放牌CA15型貨運(yùn)車(chē)為例，在部分
負(fù)載60kW下工作時(shí)，可利用的尾氣熱量為18.28kW 左右，在COP 為0.2 ～0.3 的
情況下（目前吸附式制冷系統(tǒng)完全可以達(dá)到此目標(biāo)），可制得的冷量為3.66～5.48kW，
而駕駛室內(nèi)所需的制冷量一般為3.5kW 左右，可見(jiàn)制得的冷量能滿足需求。如能
成功地將利用余熱的吸附式制冷技術(shù)用于各類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)空調(diào)和冰箱系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)成功
性能良好、造價(jià)低、體積小、基本無(wú)運(yùn)行費(fèi)用的發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣余熱利用吸附式制冷
系統(tǒng)，必將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

????? 分析汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和熱平衡可知［3 ，4 ］，燃油燃燒的總熱量只有
30% ～48% 用于汽車(chē)的動(dòng)力輸出（見(jiàn)表1 ），一半以上的熱量以廢熱的形式排出
車(chē)外，包括循環(huán)冷卻水帶走的熱量和尾氣帶走的熱量。其中尾氣帶走的熱量占燃
燒總熱量的比例，柴油機(jī)為25% ～45% ，汽油機(jī)30 %～40%.排氣閥門(mén)處的溫度為
400 ～600 ℃?？紤]到廢氣中酸性氧化物的露點(diǎn)腐蝕問(wèn)題，最終排出汽車(chē)體外的
尾氣溫度不應(yīng)低于180 ℃，一般可以利用的廢熱量為燃燒總熱量的15% ～ 20%，
能夠利用的排氣余熱是很可觀的。

????? 由上述分析可見(jiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的溫度較高，廢熱量較大，是吸附式制冷系
統(tǒng)較理想的驅(qū)動(dòng)熱源。如果直接用發(fā)動(dòng)機(jī)做吸附制冷試驗(yàn)研究，試驗(yàn)本身只能利
用30% 左右的發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣熱量，其余70% 左右的能量將白白浪費(fèi)，且發(fā)動(dòng)機(jī)提供
的流量和溫度基本上不變，對(duì)試驗(yàn)研究也有很大的局限。為此，我們考慮建立可
模擬多種熱源的試驗(yàn)臺(tái)，輸出的熱量由燃油燃燒。此臺(tái)架在研究不同發(fā)動(dòng)機(jī)熱源
以及發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下對(duì)吸附發(fā)生器性能的影響時(shí)都可應(yīng)用。

????? 1 多種發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣熱源吸附制冷模擬試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)簡(jiǎn)介模擬多種發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣
熱源吸附制冷試驗(yàn)臺(tái)（見(jiàn)圖1 ）具有以下特點(diǎn)：（1 ）采用兩級(jí)送風(fēng)，燃燒器風(fēng)
機(jī)進(jìn)口風(fēng)道和主風(fēng)機(jī)出口相連接，避免了燃燒器風(fēng)機(jī)直接從大氣抽取空氣，導(dǎo)致
燃燒器內(nèi)部積炭而燃燒不完全，影響整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的正常工作。

????? （2 ）主風(fēng)機(jī)在給燃燒器提供燃燒所需的一次空氣和二次空氣的同時(shí)，還
提供大量的冷風(fēng)，保證試驗(yàn)臺(tái)的排氣溫度在可控范圍內(nèi)。

????? （3 ）在燃燒器出口處采用一段圓形的后燃管，其內(nèi)徑與燃燒室相同，這
樣有助于形成射流。

????? （4 ）利用燃燒器出口射流引射冷卻風(fēng)，以提高燃燒煙氣的出口壓力，彌
補(bǔ)主風(fēng)機(jī)風(fēng)壓不足的缺點(diǎn)。

????? （5 ）試驗(yàn)臺(tái)輸出煙氣的參數(shù)調(diào)節(jié)采用了以下措施：在主風(fēng)機(jī)進(jìn)口處加可
調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)；利用變頻器調(diào)節(jié)主風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；調(diào)節(jié)燃燒器供油泵的壓力來(lái)調(diào)節(jié)試驗(yàn)
臺(tái)的燃油量。

????? （6 ）采用兩組發(fā)生器交替進(jìn)行制冷，使得系統(tǒng)得到連續(xù)的制冷效果。

????? 2 試驗(yàn)臺(tái)的調(diào)試本試驗(yàn)臺(tái)輸出煙氣的參數(shù)（流量、溫度、壓力）是可以調(diào)
節(jié)的，即模擬的熱源是可以改變的。風(fēng)量和燃油量決定試驗(yàn)臺(tái)煙氣的出口溫度和
模擬的熱流量，煙氣的溫度及流量又影響出口壓力。通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)開(kāi)度、改變主
風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)燃燒器的燃油量，可實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)出口煙氣參數(shù)溫度、壓力、質(zhì)
量流量的調(diào)節(jié)。

????? 在開(kāi)機(jī)前，測(cè)得大氣壓力、溫度、濕度等參數(shù)。啟動(dòng)主風(fēng)機(jī)，檢查整個(gè)系
統(tǒng)的密封性；調(diào)節(jié)變頻器頻率或風(fēng)門(mén)開(kāi)度，使進(jìn)口流量計(jì)處的壓力達(dá)到要求值。
然后啟動(dòng)燃燒器風(fēng)機(jī)，打開(kāi)燃燒器輸油泵后，啟動(dòng)電動(dòng)點(diǎn)火使燃油燃燒產(chǎn)生熱量，
調(diào)節(jié)供油管內(nèi)的壓力使其達(dá)到燃油量的要求。由于出口壓力升高，流量計(jì)處的壓
差就會(huì)降低，需要重新調(diào)節(jié)變頻器頻率及風(fēng)門(mén)開(kāi)度使流量達(dá)到設(shè)定值。輸入流量
和溫度一定時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)的出口煙氣壓力基本上保持不變。

????? 3 試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)計(jì)算［3 ～8 ］在模擬試驗(yàn)臺(tái)中主要是模擬熱源的溫度和質(zhì)
量流量?jī)蓚€(gè)參數(shù)。試驗(yàn)臺(tái)所消耗的燃油量是直接決定試驗(yàn)臺(tái)煙氣的輸出熱量，它
同時(shí)也是決定輸出溫度的一個(gè)重要參數(shù)。由于煙氣在發(fā)生器中存在壓力損耗，故
輸出壓力也是設(shè)計(jì)模擬試驗(yàn)臺(tái)的一個(gè)重要參數(shù)，它主要是和發(fā)生器的結(jié)構(gòu)有關(guān)。
模擬多種發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣熱源吸附制冷試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)中的4 個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)為：溫度t 、質(zhì)
量流量Qm、燃油量Qb和壓力P.發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣流量為：Qm=Nege （L0αj+1 ）式中
：Ne——發(fā)動(dòng)機(jī)軸功率；ge——發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況下的油耗比；L0——燃燒1kg 油
所需理論空氣量；α——過(guò)量空氣系數(shù)；j ——掃氣系數(shù)。尾氣所含熱量為：
Q=QmCp（t-t0）式中：Cp——尾氣的定壓比熱；t ——排氣溫度；t0——外界
環(huán)境溫度，取20℃。本模擬試驗(yàn)臺(tái)正常運(yùn)行時(shí)的參數(shù)為：煙氣流量100 ～1500
m3/h；出口煙氣溫度180 ～600 ℃；燃油消耗量2 ～20kg/h；出口煙氣壓力1200
～2000Pa. 試驗(yàn)臺(tái)的熱源由主風(fēng)機(jī)和燃燒器提供，出口煙氣熱流量通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)
的轉(zhuǎn)速、風(fēng)門(mén)開(kāi)度及燃油量來(lái)改變。煙氣流量采用節(jié)流降壓法測(cè)定，溫度采用溫
度傳感器測(cè)定。

????? 4 試驗(yàn)結(jié)果模擬3 種同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣熱源進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，以考察不
同熱源對(duì)吸附床的脫附影響。三種熱源性能見(jiàn)表2 ，三種熱源針對(duì)同一種吸附床
的脫附氨率變化見(jiàn)圖2.可以看出，熱源1 由于溫度低、流量小，與吸附床的換熱
較慢，導(dǎo)致吸附床的氨脫附率高峰出現(xiàn)在8 ～21min ，最高峰在第14min ；熱源
2 加熱吸附床后，吸附床的氨脫附率高峰出現(xiàn)在4 ～18min ，最高峰在第8min；
熱源3 加熱吸附床后，吸附床的氨脫附率的高峰出現(xiàn)在2 ～16min ，最高峰在第
8min. 

????? 由于在脫附氨的高峰期過(guò)后，吸附床脫附的氨量降低很多，如果還繼續(xù)加
熱吸附床，所得到的氨量已經(jīng)不夠經(jīng)濟(jì)。所以在熱源與吸附床的匹配中，對(duì)不同
的熱源，吸附床間有不同的最佳加熱時(shí)間，兩組吸附床通過(guò)交替加熱實(shí)現(xiàn)連續(xù)制
冷。吸附床的最佳加熱時(shí)間與熱源性質(zhì)、熱源溫度、熱源流量、吸附床結(jié)構(gòu)等有
關(guān)系，尋找吸附床的最佳加熱時(shí)間對(duì)整個(gè)吸附制冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和制冷效率有很
密切的關(guān)系。

????? 5 結(jié)論針對(duì)吸附制冷試驗(yàn)的需要，設(shè)計(jì)了模擬發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作過(guò)程中排放
尾氣熱源的吸附制冷試驗(yàn)臺(tái)。這套試驗(yàn)臺(tái)能在比較大的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)模擬多種型號(hào)
的發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣，可大大降低研究成本，縮短研究周期，為給定熱源條件下設(shè)計(jì)吸
附發(fā)生器提供一定理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，為以后的吸附制冷系統(tǒng)的試驗(yàn)研究奠定了基
礎(chǔ)。

????? 參考文獻(xiàn)

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