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发动机尾气余热蒸发换热器的设计研究Design of Exhaust Gas 发动机尾气余热蒸发换热器的设计研究 Design of Exhaust Gas Waste Heat Ｒecovery Evaporator of Engine 赖 菲 张 翼 ( 中北大学) 〔摘要〕 简要介绍了余热回收理论和热管原理及工作特性，并在此基础上进行了热管传热 过程计算、热阻分析、热管设计和选型、材料选择和热管换热器结构计算等，设计了一台尾气余 热回收甲醇蒸发器，并根据设计参数进行三维建模。最后对该设计进行校核计算，结果表明，本 文设计的发动机尾气余热甲醇蒸发器不仅能满足换热需求，而且具有较小的压力损失，能满足实 际需求，对指导生产具有一定意义。 〔关键词〕 尾气余热 重力热管 气液两相变 Key words: Exhaust gas heat Gravity heat pipe Two phase gas － liquid 由于能源消耗的加剧，汽车节能问题备受人们 的关注。目前我国燃气发动机燃料大部分的热值被 废气和冷却水带走，大量余热资源基本上白白浪费 掉。随着能源供应日益紧张，发动机余热的利用是 必然趋势，因而换热器的应用与能源的开发与节约 紧密相连，用其对发动机的尾气进行回收，将大大 提高对能源的利用率。本文所研究的换热器属于有 相变的热质交换设备。由于在相变过程中进行的是 以前热为主的全热交换，与无相变的传递过程相 比，具有高得多的热质交换强度，也可以说相变过 程本身就是对传递过程的一种强化〔1〕。 热管工作原理: 容器的蒸发段 ( 加热段) 靠 工作液从热源吸收潜热而汽化，携带潜热的蒸汽高 速传输至容器的冷凝段 ( 凝结段) ，对冷源放出潜 热而凝结，凝结液不需外加动力设备，依靠简单的 物理现 象———毛 细 抽 吸 力 ( 表 面 张 力) ，或 者 重 力、离心力、极化电流体动力学力、电渗透压力等 其中一种作用力，回流至蒸发段以保持连续的物质 循环，从而实现传热或维持温度均一。 本文将采用重力热管研究回收利用发动机尾气 余热，它依靠重力回流工作液，其壳体内壁无吸液 芯结构，在重力场中，只要求把冷凝段置于蒸发段 上方。其结构简单，制造成本低廉，传热性能优 良，具有较高的传热极限，工作十分可靠〔3〕。 重 力热管在地面应用中发挥了巨大的作用，已成功地 应用于电子设备冷却、余热回收、太阳能开发、地 热资源利用等方面〔4〕。 尾气余热回收与热管理论 废气余热利用特点 由于车用发动机的工况复杂多变，因而废气余 1 1. 1 热利用有不同的热点和要求。主要特点如下: 一是 发动机尾气品味比较低，回收比较困难; 二是能量 回收装置要抗震动、冲击及安全性好; 三是尾气余 热回收装置不能影响发动机工作性能〔2〕。本文所 涉及到的发动机尾气余热利用是将其回收利用，利 用尾气所含高温热量将甲醇燃料汽化，使液态的甲 醇燃料吸收热量变成甲醇蒸汽，便于后期的甲醇燃 料裂解产热。 甲醇蒸发器的设计 本设计主要是通过对 492 发动机尾气余热进行 计算，设计得到一高效换热器，使其满足将常温甲 醇燃料加热到 300℃ 的要求。 2 蒸发换热计算 2. 1 ( 1) 甲醇热量计算: 热管理论 甲醇蒸发换热器吸收发动机尾气余热将室温下 1. 2 10内 燃 机 与 配 件2014 年第 9 期的甲醇加热至 300 oC 的过热蒸汽。甲醇加热及蒸发过程吸收的热量，可按文献〔5〕中所述的 “三段 法” 来求解。加热阶段，室温下的液态甲醇加热 至 64. 7 oC 的液态甲醇，吸热量 Q1 = 2724. 912KJ / h; 相变阶段，达到沸点的液态甲醇继续吸热并剧 烈沸腾，转换为同等 10 内 燃 机 与 配 件 2014 年第 9 期 的甲醇加热至 300 oC 的过热蒸汽。甲醇加热及蒸 发过程吸收的热量，可按文献〔5〕中所述的 “三段 法” 来求解。加热阶段，室温下的液态甲醇加热 至 64. 7 oC 的液态甲醇，吸热量 Q1 = 2724. 912KJ / h; 相变阶段，达到沸点的液态甲醇继续吸热并剧 烈沸腾，转换为同等温度的气体，吸收热量 Q2 = 热管换热器的设计 2. 3 ( 1) 热管换热器的选型: 本文选用整体式热管换热器，整体式热管换热 器结构紧凑、体积小、安全可靠。与一般热管换热 器相比，外型尺寸和重量都减小一半左右。换热器 采用逆流方式，热管等三角交叉错列排列。 26616KJ / h; 过热阶段，64. 7oC 的干甲醇蒸汽被继 ( 2) 热管换热器的设计与计算: 续加热到 300oC，吸热量 Q3 = 11859. 12KJ / h。 由 此得，流量为 24Kg / h 的甲醇从室温加热到 300oC 吸收的热量