CN104482790A - 利用发动机废气余热的相变蓄热装置及方法 - Google Patents

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王晖
董良
卢小锐
赖征海
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Abstract

一种利用发动机废气余热的相变蓄热装置及方法，涉及汽车废气余热利用。该装置包括热流体管道、换热肋片、冷流体管和套筒，热流体管道与发动机排气管相连，在热流体管道外固定连接换热肋片，换热肋片边缘设置有卡槽，冷流体管卡接在卡槽内，在换热肋片和冷流体管外设置有套筒，在热流体管道和套筒之间设置有相变材料，其结构简单、体积小、便于在车辆上布置。本发明方法首先利用汽车行驶过程中产生的废气余热使相变蓄热装置蓄能；在冷启动或热车时，流经相变蓄热装置的冷流体被加热后使发动机预热；通过对发动机冷却水的加热，改善了车辆冷启动和热车过程中的燃油经济性。

Description

利用发动机废气余热的相变蓄热装置及方法
技术领域
本发明涉及汽车废气余热利用，特别涉及一种利用发动机废气余热的相变蓄热装置及方法。
背景技术
 由于能源消耗的加剧，汽车节能问题受到越来越多的关注。目前，内燃机输出的有效功仅占燃料燃烧释放热量的一小部分，而内燃机排气作为一种废热却饱含大量的热量。如果通过余热回收技术将内燃机的废气余热进行回收，那么内燃机的效率将会大幅提升。
目前，汽车的冷启动主要是通过单独的冷启动装置实现，有的冷启动装置是通过电磁阀控制喷油量实现，在冷启动和热车过程难以做到低油耗和低排放，所以无法保证车辆的燃油经济性和排放特性，同时也无法避免冷态过程车辆零部件的磨损。有的冷启动装置是采用电加热方式，这种启动装置结构复杂，体积大，成本高，不便于布置。另外不论上述哪种冷启动装置，其运行都需要较长的时间和增加额外的能量损耗，才能将汽车启动。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用发动机废气余热的相变蓄热装置及方法，解决了现有技术中发动机余热装置体积过大、冷启动或热车时间过长的问题，其结构简单、体积小、便于在车辆上布置。
本发明的技术方案是这样实现的：一种利用发动机废气余热的相变蓄热装置，其技术要点是：该装置包括热流体管道、换热肋片、冷流体管和套筒，所述的热流体管道与发动机排气管相连，在所述热流体管道外固定连接换热肋片，所述的换热肋片边缘设置有卡槽，冷流体管卡接在所述的卡槽内，在换热肋片和冷流体管外设置有套筒，在所述热流体管道和套筒之间设置有相变材料。
所述的换热肋片为环状肋片。
所述的套筒及套筒的封头为不锈钢材质，且套筒和套筒的两端封头焊接在一起。
所述的热流体管道和冷流体管道均为紫铜管。
所述的冷流体管与卡槽间留有一定膨胀间隙。
一种利用发动机废气余热的相变蓄热方法，包括如下步骤：
步骤1：利用汽车行驶过程中产生的废气余热使相变蓄热装置蓄能；
通过热流体管道将热量传递热流体管壁及换热肋片，相变材料吸收热量，温度升高，由固态转换为液态，相变蓄热装置对能量进行储存；
步骤2：在冷启动或热车时，流经相变蓄热装置的冷流体被加热后使发动机预热；
在冷启动或热车过程中，冷流体进入相变蓄热装置被加热，被加热的沿冷流体在发动机中放热后，重新进入相变蓄热装置再次被加热，继续传递热量给发动机，随着相变蓄热装置温度的下降，相变材料由液态转换为固态，相变蓄热装置结束能量的释放，实现对发动机的预热处理。
步骤1所述的换热肋片，为环形肋片。
本发明的有益效果：本发明提出的发动机废气余热的相变蓄热装置，包括热流体管道、换热肋片、冷流体管和套筒，其结构简单、体积小、便于在车辆上布置。本发明的相变蓄热方法，在发动机运转期间，利用相变材料回收发动机产生的废热。在停车时，回收的废热能够有效的保存，启动车辆时热量可以由流经发动机的冷流体吸收，提高发动机本体的温度，这样即使在寒冷的天气下，“温暖的发动机”也易于启动，且无需复杂的冷启动装置，相应地也能够避免多次冷启动对发动机的磨损。
在低温环境下，机动车发动机会因燃料凝结、机油黏稠等原因而发生冷启动困难。随着技术的进步，如汽油机的电喷技术等，已使冷启动性能极大改善，但冷启动所产生的机件磨损等危害却依然严重。与其它辅助启动或预热方式不同，使用相变蓄热装置进行的预热启动是在启动前预热整个机体，使整个机体温度提高，不仅能解决低温冷启动困难问题，而且对减轻机件磨损、减少燃料浪费和降低尾气污染都有积极效果。
附图说明
图1为本发明利用发动机废气余热的相变蓄热装置的主视图；
图2为图1的A-A剖视图；
图3为本发明发动机废气余热的相变蓄热方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图1~3对本发明的实施方式作进一步详细的说明。
实施例1：
本实施例的利用发动机废气余热的相变蓄热装置，如图1所示。该装置包括热流体管道3、换热肋片4、冷流体管和套筒6。该热流体管道3与发动机排气管相连，在热流体管道3外固定连接换热肋片4，该换热肋片4边缘设置有卡槽，冷流体管卡接在该卡槽内，在换热肋片4和冷流体管外设置有套筒6，在热流体管道3和套筒6之间设置有相变材料5。
冷流体由冷流体入口1流入相变蓄热装置，由冷流体出口2流出相变蓄热装置，如图2所示。
实施例2：
本实施例的相变蓄热装置与实施例1的区别在于：换热肋片4为环状肋片。
实施例3：
本实施例的相变蓄热装置与实施例1的区别在于：套筒6的两端还设置有套筒封头，套筒6和套筒两端的封头焊接在一起。套筒和套筒封头均为不锈钢材质。
实施例4：
本实施例的相变蓄热装置与实施例1的区别在于：热流体管道3和冷流体管道材质均为紫铜管。
实施例5：
本实施例所述的所述的相变蓄热装置与实施例1的区别在于：冷流体管与卡槽间留有一定膨胀间隙。如卡槽直径为Φ24mm，冷流体管为Φ20mm，二者留有一定膨胀间隙。
实施例6：
本实施例中的一种利用发动机废气余热的相变蓄热方法，其流程如图3所示，包括如下步骤：
步骤301：利用汽车行驶过程中产生的废气余热使相变蓄热装置蓄能；
在汽车行驶过程中，热流体通过热流体管道将热量传递给热流体管壁和换热肋片，相变材料吸收热量后融化。在吸热融化的初始阶段，相变材料的液态量较少，自然对流影响不大，热量传递以导热为主，固液界面离加热壁面很近；随着液态量逐渐增多，传热方式变成以对流传热为主，靠近加热壁的液态相变材料吸热后，温度升高，密度减小，在浮力的作用下向上移动，热流体管上部的相变材料受到热冲击，融化速度加快，直到顶端完全融化，经绝热保温后，数小时内仍然能够保持较高的温度，此为相变蓄热装置的吸热保温过程。
步骤302：在冷启动或热车时，流经相变蓄热装置的冷流体被加热后使发动机预热；
在冷启动或热车过程中，冷流体从冷流体管流过时，与管壁发生对流换热，起初由于温度梯度相当大，换热很快，被加热的冷却水流出冷流体管后，在发动机中放热，冷却水温度有所下降，然后又重新进入蓄热装置进行加热。随着换热的进行，冷却水的温度逐渐升高，相变区域的温度逐渐降低，换热速率有所下降。随着放热的进行，相变区域的温度一再降低，可传递冷却水的热量不断减少，冷却水放热冷却后不能重新被加热到最高的温度，但仍能继续吸收相变材料冷却凝固所放出的热量，温度维持在一个相对较高的温度，此过程延续时间较长，确保冷却水温较稳定，实现对发动机的预热处理。
实施例7：
本实施例中的一种利用发动机废气余热的相变蓄热方法与实施例6的区别在于：步骤1中的换热肋片为环形肋片。
实施例8：
本实施例中的一种利用发动机废气余热的相变蓄热方法与实施例6的区别在于：步骤1所述的相变材料可为无机盐高温相变材料，如，MgF2，KF，MgCl2，NaNO3，Li2SO4，Na2CO3，KOH，LiOH，50%NaCl+50%MgCl2，95.4%NaCl+4.6%CaCl2，LiOH+LiF，37%LiCl+63%LiOH，Na2CO3-BaCO3/MgO。
还可为无机盐、陶瓷基复合储能材料，如Na2SO4/SiO2，Na2CO3-BaCO3/MgO, NaCO3-NaNO2/MgO。
还可为有机物，如硬脂酸、软脂酸、肉豆蔻酸、切片石蜡、月桂酸、正十四烷、正十五烷、正十六烷、正十八烷、乙酰胺、乙酰苯胺。
还可选择赤藻糖醇作为相变材料。
相变材料并不唯一，本实施例仅举例作为参考。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种利用发动机废气余热的相变蓄热装置，其特征在于：所述的装置包括热流体管道、换热肋片、冷流体管和套筒，所述的热流体管道与发动机排气管相连，在所述热流体管道外固定连接换热肋片，所述的换热肋片边缘设置有卡槽，冷流体管卡接在所述的卡槽内，在换热肋片和冷流体管外设置有套筒，在所述热流体管道和套筒之间设置有相变材料。
2.如权利要求1所述的利用发动机废气余热的相变蓄热装置，其特征在于：所述的换热肋片为环状肋片。
3.如权利要求1所述的利用发动机废气余热的相变蓄热装置，其特征在于：所述的套筒及套筒的封头为不锈钢材质，且套筒和套筒的两端封头焊接在一起。
4.如权利要求1所述的利用发动机废气余热的相变蓄热装置，其特征在于：所述的热流体管道和冷流体管道均为紫铜管。
5.如权利要求1所述的利用发动机废气余热的相变蓄热装置，其特征在于：所述的冷流体管与卡槽间留有一定膨胀间隙。
6.一种利用发动机废气余热的相变蓄热方法，采用如权利要求1所述的装置，其特征在于：步骤1：利用汽车行驶过程中产生的废气余热使相变蓄热装置蓄能；
通过热流体管道将热量传递热流体管壁及换热肋片，相变材料吸收热量，温度升高，由固态转换为液态，实现相变蓄热装置的蓄能；
步骤2：在冷启动或热车时，流经相变蓄热装置的冷流体被加热后使发动机预热；
在冷启动或热车过程中，冷流体进入相变蓄热装置被加热，被加热的沿冷流体在发动机中放热后，重新进入相变蓄热装置再次被加热，继续传递热量给发动机，随着相变蓄热装置温度的下降，相变材料由液态转换为固态，相变蓄热装置结束能量的释放，实现对发动机的预热处理。
7.如权利要求6所述的利用发动机废气余热的相变蓄热方法，其特征在于：步骤1所述的换热肋片，为环形肋片。
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