发动机试验室热量回收应用分析

摘要：本文根据近已建成的汽车发动机试验室，针对大量热量随尾气释放的现状，理论上分析尾气热量回收利用系统，为进一步应用打下基础。

关键词：发动机散热量烟气热量回收换热器

中图分类号：S219文献标识码： A

试验原理及试验现状

随着近些年我国汽车产业的飞速发展，各大企业对汽车发动机的性能研发各项指标的准确度要求越来越高，而在发动机的研发及验证过程中，发动机的台架试验是检测发动机性能指标及可靠性的重要环节，通过发动机的快速旋转输出做功来评定发动机性能的优劣，以此得到准确的实验数据，其中包括发动机在不同工况下的性能、耐久等实验。

众所周知，发动机台架试验过程中，燃料为汽油、柴油等各类油品。通过油品的喷射燃烧带动发动机做功，燃油燃烧散发的热量一部分通过发动机做功转化为有用功，其余大部分均是以热量的形式散发到大气中。下面就是基于发动机油品燃烧后散发大量余热再利用进行的可行性分析。以往最常见的情况，这些热量或是被烟气直接散发到大气中，或者是由冷却水带到冷却塔发散到空气中，再或者是由室内设计的通风空调来消除，由此，大量的废热被散发出去。在某些地区冬季使用工况时，发动机试验室部分散发大量的废热直接排出，而办公区却需要某种形式的供暖方式来提供热量，直观上造成了能源的较大浪费。有没有一种方法或者系统，在特定的季节时刻或者季节，利用烟气和冷却水携带的那部分热量用于提供全部或者部分办公区的采暖热量，达到节能的效果，这是我们研究的主要问题。

发动机台架间试验时散发的热量分布

标准电力测功机台架间所需配备的公用水暖条件一般包括：冷却水（32-37℃），全室空调或通风（保证台架间室温≤50℃），冷冻水（7-12℃），其中部分冷冻水用于油耗仪或进气空调等工艺设备，通风空调和冷却水则直接用来去除油料燃烧带来的热量。根据台架间的设置要求，根据某汽车公司提供的台架间工作热量实测数据，热量构成分析如下[1]：

表1

燃烧总能量N

100% 发动机输出功率P

31% 发动机驱动功率27.9%

散发在室内热量3.1%

冷却水带走热量31% 热量全部带走31%

废气热量31% 排出室外热量21%

散发在室内热量10%

发动机振动7% 全部以热能形式散发在室内7%

在上述热量中：驱动功率为输出功率，属于有效做功，故不做考虑。散发在室内的总热量约为20.1%，需要通过空调或者通风等手段来消除这部分余热，属于不可回收热量。冷却水和废气（烟气）携带排出室外热量为总热量的52%，这部分热量占了发动机做功散热的一大部分。在以往的发动机台架间公用系统设计中，这部分热量均考虑为不可回收热量，均以消除为目的。

本文的目的是考虑能否增加某些中间环节或者利用某种系统使得这部分废热能够得到相应的利用，达到节能环保的目的。例如：在南方某些地区建造的汽车试验室，虽然原则上不要求采暖设计，但是某些办公区为满足舒适型空调的需求，还是要求系统冬季能够供热的。这部分热量可能相对于夏季制冷量来说不足50%，但是确是舒适性工作环境所必需的。按照以往的设计经验来说，一般会有以下几种方案：

1）为此种需要单独增加某一制热系统（例如：燃气锅炉或者电锅炉等），由于该部分热量较小，针对设备投资和运行费用来说，总体很不经济；

2）采用溴化锂系统，该系统既可以制冷又可以制热，但是制冷热量基本上相同，对于我们当前这种不同季节所需冷热量峰值相差很大的系统来说也很不经济；

3）采用风冷热泵系统，南方基本可以使用，但是对于一些冬季室外温度在零度以下地区（例如：上海、重庆等地区），在较冷的工况下，制热量不能达到要求甚至不足额定制热量的1/3，供热效果不佳；

4）电制冷系统配备冬季利用电加热采暖形式。这种系统较普遍，但是配备的电加热器动辄几百千瓦，甚至更大，增加了变压器的容量，在变压器增容费用很高的地区来说是一个较大的负担。

基于以上几种方案的不足，可以就此考虑，发动机试验室试验过程中产生的余热能否用来满足这部分的采暖需要。

冷却水热量回收

由于夏季不管是发动机试验室还是办公区，均需要提供冷量，废热无法利用。我们的利用只针对冬季的使用情况。通常的制冷系统采用单冷制冷机，夏季制冷，冬季在空调末端设置电加热器，用于向室内提供热量，由于空调末端比较分散，配电比较分散，变压器的容量比较大。在采用闭式冷却塔的制冷系统中，所有的冷却水水温增加后均送往循环水池，如果把循环水池作为一个热源来说的话，可以利用热泵系统冬季把发动机冷却水携带热量取出来用到需要采暖的地方，减少电力的负担。把通常的制冷系统进行如下调整，见下图：

图1

图中，常用的单冷制冷机改为水源热泵机组，在热泵机组的冷却水供水管上增加辅助电加热器。夏季采用正常的制冷循环系统，所有的热量均被带到冷却塔散发到大气中。冬季关闭冷却塔的热水水泵，经过发动机升温的冷却水直接进入水池，同时水源热泵机组运行，以升温的水池中水为热源，提取热量，转化为45~50℃的热水，供给到空调末端。

水源热泵机组冬季能够正常运行要求冷却水水温不低于20℃，所以适当的增加辅助电加热是必须的，可以缓解试验过程中不稳定工况引起的热量的偏差。同时为减小变压器的容量，提供辅助电加热器的电源有两个来源，一是同发动机试验室测功机共用一个变压器，可以避免测功机设备不运行时（即循环冷却水供热量不足时），而投入运行辅助电加热器，这样电量的互补方式，不增加变压器的初始安装容量。另一种来源就是热泵机组所在的能源中心或者制冷站房冬季不是用的某些供电设备，例如：冬季不投入运行的冷机和水泵等，这样也可以通过用电容量互补的方式减小变压器的初始安装容量。

高温尾气排烟热量的回收

烟气是把废热通过尾气排放管直接散发到大气中，一些发动机试验室常用的排烟方法为下图所示：

图2

上图系统由于风机有使用温度限制，需混合一部分低温空气，使烟气温度降低后才可安全的通过风机，所以需要在风机吸入口位置设置一个混风箱。发动机出口尾气从下层台架间接入上层设备间混风风机箱底部，混风箱从侧面百叶吸入室内空气，与高温烟气混合降温至低于90℃，排出室外。但是上述混风系统的使用有一定的局限性，只适用于小功率汽油发动机，对于大功率的柴油发动机来说，尾气烟气量随着不同的工作状况差别很大，而且燃烧后形成较大的释放压力，混风进气效果不佳，达不到很好的混合效果，在某些试验室中多次出现极端工况混合不充分，风机烧毁等情况。故一方便以保护风机为出发点，另一方面为减少废热的散失，需设计一个可以满足以上两个要求的热交换系统。

由于烟气温度较高不宜直接利用，所以首先需要有一个系统把烟气中的热量取出来，转化为低温热源。在此也可以利用循环冷却水系统，利用水与烟气的温差，把烟气的热量也收集到冷却水系统中，引到水池，加以利用。

把模型实物化，按照气水热交换的原理，可以设计一个小型水套换热系统，用于烟气和循环冷却水的热量交换。流程原理图如下所示：

图3

高温烟气从水套冷却系统一侧进入，流经内部盘管与盘管里的冷却水进行热交换后排出，换热盘管采用铜管或者不锈钢管制作。循环水量需根据烟气具体实验温度进行计算。以200kw测功机为例，根据实测发动机台架间排烟温度为350℃，热交换后排烟温度按照50℃计算。100%状态工作时，尾气烟气量为1000m3/h。

作为循环冷媒的冷却水入口温度32℃，出口温度为37℃。

冷却换热器总的换热量为：

0.873x1000x44/22.4x(350-50)/3600=143kw

上式中：为尾气的定压比热，汽车尾气主要成分为,按照全部尾气均为二氧化碳气体来计算，尾气定压比热为0.873kJ/(kg·K)；

热量全部由冷却水带走，冷却水流量为：

24.6t

故对于一个450kw测功机的台架间来说，燃烧产生的烟气降低至50℃的排放温度需要冷却水24.6t。

计算实例

以上海某汽车研发中心为例，试验室中含有八个台架间，均为200kw电力测功机，办公面积为15000㎡，采暖系统与发动机散热系统相结合，利用冷却水和烟气的余热量。两种方式的组合利用系统原理图为：

图4

单个台架间的发动机输出功率按照P==200Kw计算，根据表1中数据可得出汽油燃烧散发的总热量为：

N=P/0.31=645kw

冷却水带走的热量Q1占发动机总热量的31%,即：

Q1=645×31%=200kw

高温烟气量为1000 m3/h，按照上述计算公式可得烟气与冷却水换热量Q2为143kw。

故单个台架间冷却水带至循环热水池的总热量为：

Q1+ Q2=343kw

在上海地区，办公室采暖热负荷估算面积热指标约为60w/㎡,则当一个台架间运行时可以满足5700㎡的办公面积提供采暖需要。所以冬季满足所有办公区地采暖需要运行三个台架间。台架间按照最多同时使用6个台架来选择变压器，选配两台450kw的辅助电加热器，并入到台架间测功机变压器，而不增加按照台架间同时使用系数计算选择的变压器容量。当不少于3个台架间工作时，电加热器无需开启，当试验做功的台架间不足3个时，开启电加热器，使水温提升到水源热泵机组制热要求，来向办公区供热，达到节能环保的要求。

结论

可以看出，以上利用发动机试验的余热进行采暖的效果和应用前景还是很显著的，但是目前的应用还是很有限，还受到一些客观条件的限制，以及自身还不完善。

水套换热器没有成型产品。在烟气热量回收利用中，我们计算所选择的换热模型还没有成型的产品。虽然市场上普通的换热设备多种多样，但是对目前的高温烟气和是系统换热来说还不适用，需要根据计算来定做非标的产品，材料和人工成本较高。

试验工况不稳定对制热效果产生的影响。因为计算热量的应用

需要实例来验证效果

参考文献

[1] 汽车发动机试验室的空调设计 作者：康健，《制冷技术》，2004,03

[2] 陆耀庆。实用供热空调设计手册（第二版）。 中国建筑工业出版社 2008

[3] 孙一坚工业通风（第三版）中国建筑工业出版社1994

[4] 赵荣义等空气调节（第三版） 中国建筑工业出版社1994