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????? 模擬多種發(fā)動機尾氣熱源的吸附制冷試驗臺研究

????? 作者：王魯峰，李輝，萬小利，丁紅軍，金志剛

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

????? 關(guān)鍵詞：發(fā)動機；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能和工業(yè)廢熱等低品位能源而沒有環(huán)境
破壞性，這種新的制冷技術(shù)受到越來越多的重視。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)可以直接由太陽能、工業(yè)廢熱
等低品位能源驅(qū)動，是節(jié)能和開發(fā)利用太陽能等新能源的有效工具，該系統(tǒng)具有
結(jié)構(gòu)簡單、無運動部件、無噪聲、抗振性好、使用壽命長等優(yōu)點，在船舶制冷、
汽車制冷、宇航制冷中有相當(dāng)好的應(yīng)用前景。如將它用在發(fā)動機尾氣驅(qū)動的空調(diào)
系統(tǒng)，能夠滿足車輛的制冷需求［1 ，2 ］。在各種客車、轎車中應(yīng)用吸附制冷
冰箱，可以做到停車后繼續(xù)制冷12h 以上。以解放牌CA15型貨運車為例，在部分
負載60kW下工作時，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)用于各類發(fā)動機空調(diào)和冰箱系統(tǒng)，開發(fā)成功
性能良好、造價低、體積小、基本無運行費用的發(fā)動機尾氣余熱利用吸附式制冷
系統(tǒng)，必將帶來巨大的經(jīng)濟和社會效益。

????? 分析汽車發(fā)動機的效率和熱平衡可知［3 ，4 ］，燃油燃燒的總熱量只有
30% ～48% 用于汽車的動力輸出（見表1 ），一半以上的熱量以廢熱的形式排出
車外，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，柴油機為25% ～45% ，汽油機30 %～40%.排氣閥門處的溫度為
400 ～600 ℃?？紤]到廢氣中酸性氧化物的露點腐蝕問題，最終排出汽車體外的
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，發(fā)動機尾氣的溫度較高，廢熱量較大，是吸附式制冷系
統(tǒng)較理想的驅(qū)動熱源。如果直接用發(fā)動機做吸附制冷試驗研究，試驗本身只能利
用30% 左右的發(fā)動機尾氣熱量，其余70% 左右的能量將白白浪費，且發(fā)動機提供
的流量和溫度基本上不變，對試驗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臺，輸出的熱量由燃油燃燒。此臺架在研究不同發(fā)動機熱源
以及發(fā)動機在不同工況下對吸附發(fā)生器性能的影響時都可應(yīng)用。

????? 1 多種發(fā)動機尾氣熱源吸附制冷模擬試驗臺系統(tǒng)簡介模擬多種發(fā)動機尾氣
熱源吸附制冷試驗臺（見圖1 ）具有以下特點：（1 ）采用兩級送風(fēng)，燃燒器風(fēng)
機進口風(fēng)道和主風(fēng)機出口相連接，避免了燃燒器風(fēng)機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，影響整個試驗臺的正常工作。

????? （2 ）主風(fēng)機在給燃燒器提供燃燒所需的一次空氣和二次空氣的同時，還
提供大量的冷風(fēng)，保證試驗臺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
補主風(fēng)機風(fēng)壓不足的缺點。

????? （5 ）試驗臺輸出煙氣的參數(shù)調(diào)節(jié)采用了以下措施：在主風(fēng)機進口處加可
調(diào)節(jié)風(fēng)門；利用變頻器調(diào)節(jié)主風(fēng)機的轉(zhuǎn)速；調(diào)節(jié)燃燒器供油泵的壓力來調(diào)節(jié)試驗
臺的燃油量。

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

????? 2 試驗臺的調(diào)試本試驗臺輸出煙氣的參數(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臺煙氣的出口溫度和
模擬的熱流量，煙氣的溫度及流量又影響出口壓力。通過調(diào)節(jié)風(fēng)門開度、改變主
風(fēng)機轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)燃燒器的燃油量，可實現(xiàn)對試驗臺出口煙氣參數(shù)溫度、壓力、質(zhì)
量流量的調(diào)節(jié)。

????? 在開機前，測得大氣壓力、溫度、濕度等參數(shù)。啟動主風(fēng)機，檢查整個系
統(tǒng)的密封性；調(diào)節(jié)變頻器頻率或風(fēng)門開度，使進口流量計處的壓力達到要求值。
然后啟動燃燒器風(fēng)機，打開燃燒器輸油泵后，啟動電動點火使燃油燃燒產(chǎn)生熱量，
調(diào)節(jié)供油管內(nèi)的壓力使其達到燃油量的要求。由于出口壓力升高，流量計處的壓
差就會降低，需要重新調(diào)節(jié)變頻器頻率及風(fēng)門開度使流量達到設(shè)定值。輸入流量
和溫度一定時，試驗臺的出口煙氣壓力基本上保持不變。

????? 3 試驗臺參數(shù)計算［3 ～8 ］在模擬試驗臺中主要是模擬熱源的溫度和質(zhì)
量流量兩個參數(shù)。試驗臺所消耗的燃油量是直接決定試驗臺煙氣的輸出熱量，它
同時也是決定輸出溫度的一個重要參數(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)計模擬試驗臺的一個重要參數(shù)，它主要是和發(fā)生器的結(jié)構(gòu)有關(guān)。
模擬多種發(fā)動機尾氣熱源吸附制冷試驗臺設(shè)計中的4 個設(shè)計參數(shù)為：溫度t 、質(zhì)
量流量Qm、燃油量Qb和壓力P.發(fā)動機尾氣流量為：Qm=Nege （L0αj+1 ）式中
：Ne——發(fā)動機軸功率；ge——發(fā)動機額定工況下的油耗比；L0——燃燒1kg 油
所需理論空氣量；α——過量空氣系數(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℃。本模擬試驗臺正常運行時的參數(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. 試驗臺的熱源由主風(fēng)機和燃燒器提供，出口煙氣熱流量通過調(diào)節(jié)風(fēng)機
的轉(zhuǎn)速、風(fēng)門開度及燃油量來改變。煙氣流量采用節(jié)流降壓法測定，溫度采用溫
度傳感器測定。

????? 4 試驗結(jié)果模擬3 種同型號發(fā)動機的尾氣熱源進行了試驗測試，以考察不
同熱源對吸附床的脫附影響。三種熱源性能見表2 ，三種熱源針對同一種吸附床
的脫附氨率變化見圖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。所以在熱源與吸附床的匹配中，對不同
的熱源，吸附床間有不同的最佳加熱時間，兩組吸附床通過交替加熱實現(xiàn)連續(xù)制
冷。吸附床的最佳加熱時間與熱源性質(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間對整個吸附制冷系統(tǒng)的經(jīng)濟性和制冷效率有很
密切的關(guān)系。

????? 5 結(jié)論針對吸附制冷試驗的需要，設(shè)計了模擬發(fā)動機實際工作過程中排放
尾氣熱源的吸附制冷試驗臺。這套試驗臺能在比較大的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)模擬多種型號
的發(fā)動機尾氣，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)計吸
附發(fā)生器提供一定理論和實驗依據(jù)，為以后的吸附制冷系統(tǒng)的試驗研究奠定了基
礎(chǔ)。

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