CN108973595B - 一种客车尾气余热供暖装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种客车尾气余热供暖装置，包括：热交换器，其包括：换热管，用于容纳导热液体；换热腔，其套设在所述换热管外侧，所述换热腔一端连接客车排气管；散热器，其连通所述换热管，水箱供暖系统，其连通所述散热器，发动机冷却循环系统，其连通所述散热器，发动机冷却液能够在散热器和发动机之间循环供暖；风机，其设置在所述散热器一侧，用于将热空气吹拂到客车内供暖；控制器，其设置在所述热交换器和所述散热器之间，并连通所述水箱供暖系统、发动机冷却循环系统，还提供了一种客车尾气余热供暖装置的控制方法。

Description

一种客车尾气余热供暖装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及车辆领域，尤其涉及一种客车尾气余热供暖装置及其控制方法。
背景技术
一般小型车辆冬季车内采暖主要采用发动机冷却液的热量进行供暖，而大型客车车厢较大，并且多采用柴油发动机，其热效率较高，发动机工作温度低于汽油机，因此采用此种方式供暖则热量不够，需要额外使用燃烧汽油、煤油、柴油等燃料的独立热源进行车厢采暖。这种方法浪费较多燃油，导致大型客车冬季比其他季节更费油。
目前也有利用发动机尾气进行采暖的设计，是使用位于发动机和消音器之间加装换热器来实现，由新鲜空气吸收热量后，再变成热风向车内供暖。但这种方法转换的热量不能进行循环，存在较大热量浪费。
发明内容
本发明设计开发了一种客车尾气余热供暖装置，利用回收热量后的尾气加热导热液体，再通过鼓风机将空气吹过散热器，将热空气吹入车厢内，使车内供暖速度加快、节省燃油。
本发明还提供了一种客车尾气余热供暖装置控制方法，将水箱供暖系统、发动机冷却系统和尾气供暖装置并联，并给出三种供暖源的控制方法，保证采暖可靠性。
本发明提供的技术方案为：
一种客车尾气余热供暖装置，包括：
换热器，其包括：
换热管，用于容纳导热液体；
换热腔，其套设在所述换热管外侧，所述换热腔一端连接客车排气管；
散热器，其连通所述换热管，所述导热液体能够在所述换热管和所述散热器之间流动；
水箱供暖系统，其连通所述散热器，所述导热液体能够在所述散热器和所述水箱之间流动；
发动机冷却循环系统，其连通所述散热器，发动机冷却液能够在散热器和发动机之间循环供暖；
风机，其设置在所述散热器一侧，用于将热空气吹拂到客车内供暖；
控制器，其设置在所述换热器和所述散热器之间，并连通所述水箱供暖系统、发动机冷却循环系统。
优选的是，所述换热管为螺旋形。
优选的是，所述换热腔包括：
内筒，其为柱形筒，所述换热管套设在所述内筒上；
外筒，其套设在所述内筒上；
两个固定板，其设置在所述外筒和所述内筒两侧，并与所述外筒和所述内筒形成环形气体容纳腔；
涡流板，其固定在所述固定板之间。
优选的是，所述涡流板包括：
涡流杆，其为柱形杆；
涡流片，其为螺旋形，设置在所述涡流杆外侧。
优选的是，还包括：过滤装置，其设置在所述换热腔和所述客车排气管之间，包括：
壳体，其内部具有容置腔；
第一过滤网，其内部填充颗粒大小为2.5微米的活性炭颗粒，所述第一过滤网设置在所述壳体内；
第二过滤板，其内部具有碳化硅陶瓷过滤网，与所述第一过滤网平行设置；
其中，所述排气管经第一过滤网和所述第二过滤板后进入换热腔。
优选的是，所述散热器表面具有散热翅片，所述散热翅片之间等间距分布。
一种客车尾气余热供暖装置的控制方法，包括：
在客车刚起步且需要给车厢供暖时，开启水箱供暖系统，通过燃油加热水箱内的导热液体，当水箱内导热液体温度Ts≥48℃时，开启水箱和散热器之间的第一阀门，使导热液体循环流动，并通过风机吹拂散热器为车厢供暖；
其中，所述第一阀门开启t1时间后关闭；
当散热器内导热液体温度Tr≤28℃时，开启发动机冷却循环系统和散热器之间的第二阀门，使发动机冷却液在散热器和发动机之间循环流动；
其中，所述第二阀门开启4～6s后关闭；
当客车车厢内温度Tc≥19℃且换热管导热液体温度Tw≥45℃时，关闭水箱供暖系统，开启换热管和散热器之间的第三阀门，使导热液体在换热管和散热器之间循环流动，并通过风机吹拂散热器为车厢供暖；
其中，所述第三阀门开启t3时间后关闭。
优选的是，所述第一阀门开启时间t1通过如下公式计算获得：
其中，Q0为换热量，cp为导热液体比热容，ρ为导热液体密度，Ts为水箱内导热液体温度，Tr为散热器内导热液体温度，V1为第一阀门的输水量，λ为与温度相关的系数。
优选的是，所述第三阀门开启时间t3通过如下公式计算获得：
其中，α为对流系数，Vf为散热器体积，Bj为尾气流量，ρ为导热液体密度，Tw为换热管导热液体温度，Tr为散热器内导热液体温度，V3为第三阀门的输水量，λ为与温度相关的系数，h为普朗克常数。
优选的是，车厢内温度通过调节风机转速获得，其计算公式为：
其中，μ为风机转速，Swi为风道管路总面积，Trwi为吹拂系数，Sm为扩散面积，Tm为车厢目标温度，△T为目标温度与当前温度的温差，Vmax为吹风机最大转速。
本发明所述的有益效果
本发明将利用客车尾气回收热量后与导热液体进行热交换，采用导热液体在车内进行循环，并使其流经暖风机芯，再通过鼓风机将空气吹过暖风机芯，将热空气吹入车厢内。采用过滤装置，首先经第一过滤网过滤到尾气中包含的不充分燃烧微粒，把大直径的固体杂质和颗粒阻挡在换热器上游，再经第二过滤板二次过滤后进入换热腔可以增加换热腔的使用寿命，且保证排出到环境中的尾气更环保。
本发明还在排气管末端加装消音器，在消音的同时，消音器的形成对称的同心管体，大外径壳体焊接于主管道上，前端敞口，方便尾气，经过二次收拢，缓冲气体喷射速度。
本发明的采暖装置还将和传统的采暖装置进行并联，使车内供暖速度加快、节省燃油，同时保障供暖可靠性。
当本发明的尾气余热采暖装置中的导热液体温度较高，可以通过独立供暖装置中集成的控制器，减少独立供暖的燃油消耗量或者使其停止运行，使原有供暖水路实现“直通”，达到节省燃油的目的。
本发明还提供了一种客车尾气余热供暖装置控制方法，将水箱供暖系统、发动机冷却系统和尾气供暖装置并联，并给出三种供暖源的控制方法，保证采暖可靠性。
附图说明
图1为本发明所述的客车尾气余热供暖装置的连接示意图。
图2为本发明所述的换热器的结构示意图。
图3为本发明所述的换热器的内部结构示意图。
图4为本发明所述的涡流板的结构示意图。
图5为本发明所述的过滤装置的结构示意图。
图6为本发明所述的消音器的结构示意图。
图7为本发明所述的消音器的剖面图。
图8为本发明所述的客车尾气余热供暖装置的另一实施例连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1、8所示，本发明提供的客车尾气余热供暖装置包括：换热器110、散热器130、风机140、水箱供暖系统和发动机冷却循环系统。
换热器110、消音器120、散热器130和风机140。
如图2、3所示，换热器110包括：换热管111和换热腔112，换热管111用于容纳导热液体；换热腔112套设在换热管111外侧，换热腔112一端连接客车排气管；换热腔112包括：内筒114为柱形筒，换热管111为螺旋形，盘绕套设在内筒114上；外筒套设在内筒114上；两个固定板113固定在外筒和内筒114两侧，两个固定板113与外筒和内筒114形成环形气体容纳腔；换热腔112的一侧具有进气孔112a，进气孔112a连接排气管，换热腔的另一侧具有出气孔112b。在另一实施例中，内筒114为柱形筒，柱形筒为实心或空心，内筒114内具有保温材料。
使用时，导热液体在换热管111内流动，换热腔112内容纳客车尾气，利用客车尾气的热量将换热管111内导热液体加热。
如图4所示，涡流板115固定在两个固定板113之间，涡流杆115a为柱形杆；涡流片115b为螺旋形设置在涡流杆115a外侧。涡流板115设置在换热腔112内可以改变客车尾气流动方向，并增加尾气在换热腔112内的流动时间，使尾气与导热液体之间的热交换更充分。
如图5所示，过滤装置150设置在换热腔112和客车排气管之间，包括：壳体151内部具有容置腔；第一过滤网152内部填充颗粒大小为2.5微米的活性炭颗粒，第一过滤网152设置在壳体151内；第二过滤板153内部具有碳化硅陶瓷过滤网，与第一过滤网152平行设置；其中，排气管经第一过滤网152和第二过滤板153后进入换热腔112。
客车尾气通过排气管排出，首先进入过滤装置150，进入过滤装置后，首先经第一过滤网152过滤到尾气中包含的不充分燃烧微粒，把大直径的固体杂质和颗粒阻挡在换热器上游，再经第二过滤板二次过滤后进入换热腔112，可以增加换热腔112的使用寿命，且保证排出到环境中的尾气更环保。
如图6、7所示，消音器120连接换热腔112另一端，包括：隔音端121套设在排气管道上，包括：套筒腔体122为环形腔体，套设在排气管道上；外腔体128套设在套筒腔体122上；套筒腔体122和外腔体128之间具有隔音棉，作为一种优选，套筒腔体和外腔体材质为钢或钛合金，涡流体123一端一体连接隔音端121；出气端124为锥形体，中心具有出气孔129，一体连接涡流体123的另一端。
如图7所示，涡流体123包括：外壳125和涡流片126设置在外壳125内。作为一种优选，涡流片126旋转角度为20°-45°，作为一种优选，涡流片126旋转角度选用30°隔音效果好。
散热器130连通换热管111，散热器130的进口连通换热管111的出口，散热管130的出口连通换热管111进口，导热液体能够在换热管111和散热器131之间流动；风机140位于在散热器130一侧，用于将热空气吹拂到客车内供暖。
水箱供暖系统，其连通所述散热器，所述导热液体能够在所述散热器和所述水箱之间流动；
发动机冷却循环系统，其连通所述散热器，发动机冷却液能够在散热器和发动机之间循环供暖；
控制器，其设置在所述换热器和所述散热器之间，并连通所述水箱供暖系统、发动机冷却循环系统
客车尾气通过排气管排出，首先进入过滤装置150，进入过滤装置后，首先经第一过滤网152过滤到尾气中包含的不充分燃烧微粒，把大直径的固体杂质和颗粒阻挡在换热器上游，再经第二过滤板二次过滤后进入换热腔112，可以增加换热腔112的使用寿命，且保证排出到环境中的尾气更环保。
尾气再经换热腔112内，在涡流板和外壳作用下使流经的气体产生非传统的线性流动，形成一个向前的U型收缩流体状态流板115设置在换热腔112内可以改变客车尾气流动方向，并增加尾气在换热腔112内的流动时间，使尾气与导热液体之间的热交换更充分。散热器130连通换热管111，散热器130的进口连通换热管111的出口，散热管130的出口连通换热管111进口，导热液体能够在换热管111和散热器131之间流动；风机140位于在散热器130一侧，用于将热空气吹拂到客车内供暖。
尾气进入消音器120，在消音的同时，加大了气体的喷射距离，消音器的形成对称的同心管体，大外径壳体焊接于主管道上，前端敞口，方便尾气，经过二次收拢，再经涡流体123，缓冲气体喷射速度。
客车内还包括独立供暖装置连通散热器130,独立供暖装置通过燃烧燃油为车内供暖，同时发动机冷却液在温度升高后也将用于承担车厢内的部分供暖。
当冬季大客车刚启动时，为了快速给较大车厢供暖，首先使用独立供暖装置燃烧燃油为车内供暖；同时通过回收尾气余热的导热液体也将流经暖风机芯，再通过风机向车内供暖，同时发动机冷却液在温度升高后也将用于承担车厢内的部分供暖。共存在三种供暖来源。为保证采暖可靠性，本发明的采暖装置，将与原有供暖系统采用并联连接。导热液体流经入口，流入换热器时，可以将发动机以及独立供暖装置排出的尾气余热进行热量转换，将导热液体进行加热，再通过出口流出，通往散热器，通过风机调节风量，将热风送入车内。
本发明将利用客车尾气回收热量后与导热液体进行热交换，采用导热液体在车内进行循环，并使其流经暖风机芯，再通过鼓风机将空气吹过暖风机芯，将热空气吹入车厢内。采用过滤装置，首先经第一过滤网过滤到尾气中包含的不充分燃烧微粒，把大直径的固体杂质和颗粒阻挡在换热器上游，再经第二过滤板二次过滤后进入换热腔可以增加换热腔的使用寿命，且保证排出到环境中的尾气更环保。
一种客车尾气余热供暖装置的控制方法，包括：
在客车刚起步且需要给车厢供暖时，开启水箱供暖系统，通过燃油加热水箱内的导热液体，当水箱内导热液体温度Ts≥48℃时，开启水箱和散热器之间的第一阀门，使导热液体循环流动，并通过风机吹拂散热器为车厢供暖；
其中第一阀门开启t1时间后关闭；
其中，Q0为换热量，由推算获得，一般取值为2200KJ；cp为导热液体比热容，单位为Jkg·℃；ρ为导热液体密度，单位为kgm3，Ts为水箱内导热液体温度，单位为℃；Tr为散热器内导热液体温度，单位为℃，V1为第一阀门的输水量，单位为m3s；λ为与温度相关的系数，其数值为23.6℃。
当散热器内导热液体温度Tr≤28℃时，开启发动机冷却循环系统和散热器之间的第二阀门，使发动机冷却液在散热器和发动机之间循环流动；
其中，所述第二阀门开启4～6s后关闭；
当客车车厢内温度Tc≥19℃且换热管导热液体温度Tw≥45℃时，关闭水箱供暖系统，开启换热管和散热器之间的第三阀门，使导热液体在换热管和散热器之间循环流动，并通过风机吹拂散热器为车厢供暖；
第三阀门开启t3时间后关闭；
其中，α为对流系数，其数值为0.265，Vf为散热器体积，单位为m3；Bj为尾气流量，单位为m3s，cp为导热液体比热容，单位为Jkg·℃；ρ为导热液体密度，单位为kgm3；Tw为换热管导热液体温度，单位为℃；Tr为散热器内导热液体温度，单位为℃；V3为第三阀门的输水量，单位为m3s，h为普朗克常数，其单位为J·s；λ为与温度相关的系数，其数值为23.6℃。
车厢内温度通过调节风机转速获得，其计算公式为：
其中，μ为风机转速，单位为ms；Swi为风道管路总面积，单位为m2，Trwi为吹拂系数，数值为0.692，Sm为扩散面积，单位为m2；Tm为车厢目标温度，单位为℃；△T为目标温度与当前温度的温差，单位为℃；，Vmax为吹风机最大转速，单位为ms。
本发明将利用客车尾气回收热量后与导热液体进行热交换，采用导热液体在车内进行循环，并使其流经暖风机芯，再通过鼓风机将空气吹过暖风机芯，将热空气吹入车厢内。采用过滤装置，首先经第一过滤网过滤到尾气中包含的不充分燃烧微粒，把大直径的固体杂质和颗粒阻挡在换热器上游，再经第二过滤板二次过滤后进入换热腔可以增加换热腔的使用寿命，且保证排出到环境中的尾气更环保。
本发明还在排气管末端加装消音器，在消音的同时，消音器的形成对称的同心管体，大外径壳体焊接于主管道上，前端敞口，方便尾气，经过二次收拢，缓冲气体喷射速度。
本发明的采暖装置还将和传统的采暖装置进行并联，使车内供暖速度加快、节省燃油，同时保障供暖可靠性。
当本发明的尾气余热采暖装置中的导热液体温度较高，可以通过独立供暖装置中集成的控制器，减少独立供暖的燃油消耗量或者使其停止运行，使原有供暖水路实现“直通”，达到节省燃油的目的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (2)

1.一种客车尾气余热供暖装置的控制方法，其特征在于，包括：一种客车尾气余热供暖装置，其包括：
热交换器，其包括：
换热管，用于容纳导热液体；
换热腔，其套设在所述换热管外侧，所述换热腔一端连接客车排气管；
散热器，其连通所述换热管，所述导热液体能够在所述换热管和所述散热器之间流动；
水箱供暖系统，其连通所述散热器，所述导热液体能够在所述散热器和所述水箱之间流动；
发动机冷却循环系统，其连通所述散热器，发动机冷却液能够在散热器和发动机之间循环供暖；
风机，其设置在所述散热器一侧，用于将热空气吹拂到客车内供暖；
控制器，其设置在所述热交换器和所述散热器之间，并连通所述水箱供暖系统、发动机冷却循环系统；
所述换热管为螺旋形；
所述换热腔包括：
内筒，其为柱形筒，所述换热管套设在所述内筒上；
外筒，其套设在所述内筒上；
两个固定板，其设置在所述外筒和所述内筒两侧，并与所述外筒和所述内筒形成环形气体容纳腔；
涡流板，其固定在所述固定板之间；
所述涡流板包括：
涡流杆，其为柱形杆；
涡流片，其为螺旋形，设置在所述涡流杆外侧；
还包括：过滤装置，其设置在所述换热腔和所述客车排气管之间，包括：
壳体，其内部具有容置腔；
第一过滤网，其内部填充颗粒大小为2.5微米的活性炭颗粒，所述第一过滤网设置在所述壳体内；
第二过滤板，其内部具有碳化硅陶瓷过滤网，与所述第一过滤网平行设置；
其中，所述排气管经第一过滤网和所述第二过滤板后进入换热腔；
所述散热器表面具有散热翅片，所述散热翅片之间等间距分布；
在客车刚起步且需要给车厢供暖时，开启水箱供暖系统，通过燃油加热水箱内的导热液体，当水箱内导热液体温度Ts≥48℃时，开启水箱和散热器之间的第一阀门，使导热液体循环流动，并通过风机吹拂散热器为车厢供暖；
其中，所述第一阀门开启t1时间后关闭；
当散热器内导热液体温度Tr≤28℃时，开启发动机冷却循环系统和散热器之间的第二阀门，使发动机冷却液在散热器和发动机之间循环流动；
其中，所述第二阀门开启4～6s后关闭；
当客车车厢内温度Tc≥19℃且换热管导热液体温度Tw≥45℃时，关闭水箱供暖系统，开启换热管和散热器之间的第三阀门，使导热液体在换热管和散热器之间循环流动，并通过风机吹拂散热器为车厢供暖；
其中，所述第三阀门开启t3时间后关闭；
所述第一阀门开启时间t1通过如下公式计算获得：
其中，Q0为换热量，cp为导热液体比热容，ρ为导热液体密度，Ts为水箱内导热液体温度，Tr为散热器内导热液体温度，V1为第一阀门的输水量，λ为与温度相关的系数。
2.根据权利要求1所述的客车尾气余热供暖装置的控制方法，其特征在于，车厢内温度通过调节风机转速获得，其计算公式为：
其中，μ为风机转速，Swi为风道管路总面积，Trwi为吹拂系数，Sm为扩散面积，Tm为车厢目标温度，△T为目标温度与当前温度的温差，Vmax为吹风机最大转速。
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