利用汽車尾氣余熱發(fā)電裝置

1、2005 年第10 期 信息技術(shù)中圖分類號:TM910. 3文獻標(biāo)識碼:B文章編號：1009 - 2552 (2005)10 - 0107 - 02汽車尾氣余熱發(fā)電的原理與實現(xiàn)趙 剛 1 , 李富 2 , 朱建良 1(1. 哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院, 哈爾濱150040 ;2. 哈爾濱市市郊農(nóng)電局, 哈爾濱150076)摘 要: 利用斯特林循環(huán)原理 , 設(shè)計了一種汽車尾氣余熱發(fā)電裝置 , 不僅可以 有效的利用廢熱,節(jié)省能源, 提高效率, 同時有利于減少熱污染和環(huán)境保護。 關(guān)鍵詞: 汽車尾氣; 余熱發(fā)電; 效率Principle and implementation of power g

2、eneration using tail gas waste heat of carZHAO Gang1 , LI Fu2yu2 , ZHU Jian2liang1(1. Electrical & Electronic Engineering College , Harbin Univ. Sci. Tech. , Harbin 150040, China ;2. Harbin Agricultural Electricity Bureau of City Suburb, Harbin 1 50076 , China)Abstract : There is much waste heat in

3、the tail gas of the car. Using Stirling cycle theory , this paper designsa waste heat power generation set . It can utilize the waste heat effectively , save the energy source , increase the efficiency , also reduce the heat pollution , and protect the environment .Key words :tail gas of car ; waste

4、 heat power generation ; efficiency 0 引言 隨著全球經(jīng)濟的高速發(fā)展,汽車越來越普及。但是汽車燃油熱量僅有三分之一成為有效能量(作 為動力) ,其余三分之二則是通過冷卻水或排氣方式 排入大氣,如何將這些熱量加以利用,是人們普遍關(guān) 注的問題。利用汽車尾氣余熱發(fā)電就是有效利用這 些熱量的一個合理的途徑。汽車余熱發(fā)電的工作原理 汽車尾氣余熱發(fā)電是通過斯特林循環(huán)過程完成 的,其基本工作原理為:工質(zhì)從高溫?zé)嵩?汽車廢氣) 吸收熱量,膨脹做功,向低溫?zé)嵩捶艧岵⑹湛s,再次 從熱源吸收熱量,循環(huán)上述過程。在每次循環(huán)過程 中,工質(zhì)吸收的熱能轉(zhuǎn)化為機械能,而工質(zhì)做功過程 中通過

5、活塞的往復(fù)運動帶動直線發(fā)電機進一步將機 械能轉(zhuǎn)化為電能。汽車余熱發(fā)電的熱機模型 在汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)中,熱機可以考慮多 種熱力循環(huán)和工質(zhì)。包括朗肯(Rankine)循環(huán)、布蘭 頓(Brayton)循環(huán)和斯特林(Stirling)循環(huán)。根據(jù)熱力學(xué)第二定律,熱機的效率不可能大于 卡諾循環(huán)效率,即:n = 1 -T0T式中, T0 是低溫?zé)嵩礈囟? T 是高溫?zé)嵩礈囟??？?以看出, 較高的熱源溫度, 可以達到較高的熱機 效率。斯特林機的熱電轉(zhuǎn)換效率可達40 %。斯特林 機的高效率和外燃機特性使得它成為汽車尾氣余熱 發(fā)電系統(tǒng)的首選熱機。因為斯特林循環(huán)與卡諾循環(huán) 一樣,在理論上具有較高的熱效率,所以有

6、人提出“21 世紀(jì)是斯特林熱機的世紀(jì)”。圖1 所示即為汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)中車載自 由活塞式斯特林發(fā)電機示意圖。車載自由活塞式斯特林發(fā)動機的特點 斯特林發(fā)動機屬于外燃式往復(fù)發(fā)動機。它與內(nèi) 收稿日期: 2005 - 04 - 19作者簡介: 趙剛(1981 - ) ,男,哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 碩士研究生。 107 圖1 車載自由活塞式斯特林發(fā)電機 燃機的區(qū)別在于對封入內(nèi)部的氣體從外部進行加熱 和冷卻,從而推動活塞往復(fù)做功,由于這一區(qū)別,它 具有以下優(yōu)點:燃料多樣化:由于是外燃機,可使用多種燃 料,從煤炭、薪柴、余熱到太陽能等均可利用。高效率:由于在加熱器和冷卻器中間設(shè)有蓄 熱式換熱器

7、,從理論上可接近卡諾循環(huán)。低污染:由于沒有閥門,內(nèi)部的壓力變化平 穩(wěn),噪聲和振動小;且由于連續(xù)燃燒易實現(xiàn)自動控 制,燃燒完全,排煙污染較小。屬于低速扭矩,扭矩變動特性較好。 斯特林發(fā)動機通過采用不同的活塞形式、汽缸 組數(shù)可組合成數(shù)十種發(fā)動機型式,廣泛作為各種機 械的動力源。大的如潛艇、汽車發(fā)動機、叉式起重 機、壓路機和農(nóng)機用發(fā)動機,小的如移動機器人、驅(qū) 動熱泵和心臟起搏器等。斯特林循環(huán)的過程分析 在汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)中使用的斯特林機是 一種高溫高壓外燃機,使用氫或氦作為循環(huán)工質(zhì)?，F(xiàn)代高性能斯特林機的氣體工作溫度超過700 C, 壓力達到20MPa。斯特林機的工質(zhì)氣體被交替地加 熱和冷卻, 交

8、替加熱的氣體達到相同的溫度和體積。斯特林機通常配置有一個高效換熱器,用于回收氣 體做功后的余熱并預(yù)熱待加熱氣體。圖2 所示為斯 特林循環(huán)的四個基本過程。12定溫壓縮過程:配氣活塞停留在上止點附 近,動力活塞從它的下止點向上壓縮工質(zhì),工質(zhì)流經(jīng) 冷卻器時將壓縮產(chǎn)生的熱量散掉,當(dāng)動力活塞到達 它的上止點時,壓縮過程結(jié)束。23 定容回?zé)徇^程:動力活塞仍停留在它的上 止點附近,配氣活塞下行,迫使冷腔內(nèi)的工質(zhì)經(jīng)回?zé)?器流入配氣活塞上方的熱腔,低溫工質(zhì)流經(jīng)回?zé)崞?圖2斯特林循環(huán)過程時吸收熱量,使溫度升高。34 定溫膨脹過程: 配氣活塞繼續(xù)下行,工質(zhì) 經(jīng)加熱器加熱,在熱腔中膨脹,推動動力活塞向下并 對外做功。

9、45 定容儲熱過程: 動力活塞保持在下止點附 近,配氣活塞上行,工質(zhì)從熱腔經(jīng)回?zé)崞鞣祷乩淝? 回?zé)崞魑展べ|(zhì)的熱量,工質(zhì)溫度下降至冷腔溫度。 綜上所述,在一個完整的斯特林循環(huán)中,氣體對 外所做的功為高溫膨脹過程所做的功與低溫壓縮過 程所做的功的差。而這些功最終通過推動直線發(fā)電 機發(fā)電轉(zhuǎn)化為電能。結(jié)束語 本文結(jié)合斯特林循環(huán)過程提出了一種汽車尾氣 余熱的合理利用方法,并利用斯特林熱機模型制作 了一套車載汽車尾氣余熱發(fā)電裝置。此裝置具有如 下特點:體積小、質(zhì)量輕、汽車攜帶方便。轉(zhuǎn)換效率高,熱電轉(zhuǎn)換效率可達40 %。無污染。斯特林循環(huán)過程是一個內(nèi)可逆循 環(huán),工質(zhì)可以往復(fù)流動利用,不會泄漏。此裝置發(fā)出的電能不穩(wěn)定,電流小、電壓低, 不能直接利用,需要經(jīng)過特殊電路設(shè)計才能利用。 參考文獻:1 吳丹妮1斯特林發(fā)動機的循環(huán)分析和計算J 湛江海洋大學(xué) 學(xué)報,1997 ,17 (2) .2 顧根香，金東寒，閻王廷1斯特林發(fā)動機動態(tài)特性的研究J 內(nèi)燃機學(xué)報,2000 ,18 (3) 3 林比宏1太陽能空間斯特林熱機性能的優(yōu)化