CN201635805U

CN201635805U - 具有污染物净化功能的汽车尾气余热回收装置

Info

Publication number: CN201635805U
Application number: CN2010201047623U
Authority: CN
Inventors: 鹿院卫; 马重芳; 杨红昌; 吴玉庭; 李炎锋
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2010-01-29
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2020-01-29

Abstract

本实用新型提供了具有污染物净化功能的汽车尾气余热回收装置，属于节能和环保领域。本实用新型本以简单套管式换热器为基础，将尾气热回收换热器和气体净化器集成在一个装置中，换热器冷侧通过的工质为空气，内管外侧焊接肋片，并在每两个肋片之间均匀布置EHD电极，以到达强化换热，提高换热量的目的；换热器热侧，即内管内部通过汽车尾气，同时内管的管道内布置等离子体发生器电极，等离子体发生器在高压高频电源的作用下放电，达到净化汽车尾气的目的。该装置可同时实现尾气的废热回收和尾气的污染物去除目的，用于大中型汽车的辅助采暖和制冷，提高能源的利用率，改善城市大气环境。

Description

具有污染物净化功能的汽车尾气余热回收装置

技术领域

具有污染物净化功能的汽车尾气余热回收装置属于节能和环保领域，主要利用该装置实现汽车尾气的废热回收，用于大中型汽车的辅助采暖和制冷，同时对排放的尾气进行净化和污染物(NOx等)去除，以达到回收热量节约能源，降低污染物浓度，提高城市环境大气品质的目的。

背景技术

在我国，汽车保有量逐年增加，然而，汽车在消耗大量能源的同时，一方面汽车尾气却携带大量的热能进入外界环境，加剧了城市热岛效应；另一方面也将大量污染物排放到大气中，北京、上海等城市由于机动车污染排放量较大，已成为市区的首要污染源。在节能减排形势日趋严峻的今天，对这部分热量加以回收，并降低排气的污染物浓度，已刻不容缓。

1)汽车尾气热回收利用背景

汽车尾气热能回收利用主要用于汽车采暖和制冷。目前，汽车车厢的采暖有三种热量来源：水箱或废气余热、独立燃油加热式和复合方式。现有的余热利用多集中在对于冷却水的热量，这部分热量占燃料燃烧热的25％左右，但由于冬季自然条件的限制，会使发动机处于过冷状态，不但增加了发动机的机械磨损，而且也降低了发动机的功率。废气带走热量占燃料燃烧热的30～40％左右，排气温度300～400℃，但这部分热量并没有被有效利用。排气式暖气装置以发动机排气余热为热源，通过紧接在发动机后的热交换器加热空气，再用风机将热风送入车厢。其优点为热负荷大运行经济缺点是结构庞大、复杂。大型车热量需求大废气热回收用于辅助采暖则能有效降低附加燃油加热器的能耗。独立式暖气装置供暖快、容易控制，不受行驶条件影响，但造价高、结构复杂、燃料费用高、运行成本高。各种暖气装置的特点见表1。

表1各种暖气装置的特点

目前汽车空调制冷采用蒸汽压缩式制冷系统，利用发动机轴功率驱动，提供舒适空调，其代价是增加了能源消耗，增加空气污染。而国内已有多位学者研究利用余热驱动的吸收式和吸附式的制冷系统。近年来，已经有旅游汽车采用了溴化锂吸收式制冷装置。上海交通大学王如竹教授对以汽车余热推动的沸石-水、活性炭-氨等吸附式制冷系统做了深入研究，此系统对环境无污染、可靠性高、COP与吸收式系统相近。

2)强化换热技术背景

为装置加肋片是目前最主要的强化换热方法，理论和应用都很成熟。电水动力学(EHD)强化传热是在流体中施以外加电场，利用电场与流场和温度场的相互作用而达到强化传热目的的一种主动强化传热方法。E H D强化传热技术是能源利用工程的一个重要研究领域，已有的研究结果表明，通过施加电场而产生的电晕风可使强化传热效果有明显的改善。在实际应用中，只需1台电压转换装置和附加的电极就可达到迅速控制热流和温度的目的，所消耗的电功耗和传热量相比可忽略不计，由于其设备简单、应用面广、功耗低和强化传热效果显著等优点，已逐步成为国内外传热学中的一个重要研究领域。

3)传统废气余热回收换热器

早期对于汽车尾气废热的回收采用直热式，主要采用铸铁圆暖气管，在车内通道处地板上前后纵向布置，前端接于发动机排气管后。其特点是方便简单，热得快，但由于暖气管直接裸露，表面温度高，容易烫伤乘员以及烧坏物品；以后的研究多集中在间接换热式，主要是由风机、热交换器、暖风管道和控制元件等组成。其换热器主要有管壳式和热管式。

管壳式换热器，为了增加换热面积提高热量，尾气侧设计为较长的弯曲管路，但缺点是排气阻力增大，排气背压上升，发动机缸内残余废气系数增大，动力经济性下降，特别是使排气中的CO、HC等有害排放物排放水平上升。

热管式换热器难度在于寻找高效稳定的工质，早期研究水-碳钢热管，虽然具有良好的热物理性能和制造工艺性，但当工作温度超过250℃时，热管内压力超过3198MPa并急剧上升，极易造成爆管等事故。为解决这一问题，通常做法是降低热管工作温度，使其工作在安全范围内。由于发动机在不同工况下排气温度变化范围很大(200～850℃)，为保证水工质热管在发动机负荷较大、排气温度较高时的安全性，必然造成低速小负荷时供暖不足，热能利用率降低。后有研究采用导热姆作为工质，尽管导热姆可将热管安全使用温度提高到350℃。但导热姆为联苯与联苯醚共熔点混合有机物，高温下极易分解，难以保证热管使用寿命。

4)汽车尾气净化技术背景

目前汽车尾气排放控制技术主要有两种：对发动机中化油器调制的机内净化和与加装废气催化转化器的机外净化。但是随着排放法规对汽车排放要求越来越严格，传统的治理汽车尾气的方法已不能满足要求，需要使用更新更有效的方法来治理汽车尾气。近年来，低温等离子体技术已经成功地运用于废物、废液、废气的处理，其中许多技术已经商业化，取得了很好的经济效益与社会效益，被认为是环境污染物处理领域中最有发展前途的技术之一。与催化转化法相比，等离子体技术用于处理汽车尾气具有处理效果好、处理范围广、能同时处理多种污染物、净化彻底无二次污染等优点，国内外学者已经开展了较为深入的研究，是目前废气处理领域颇具竞争力的一种方法，具有广阔的发展前景。

低温等离子体技术(non-thermal plasma)，通过直流电晕放电，(1)其中包含电子和正负离子，在高压电场梯度作用下，这些粒子首先与空气中的颗粒污染物发生非弹性碰撞，从而附载在其上面，使之成为荷电离子，然后在电场作用下沉积，这是其中的一个物理过程；(2)非平衡态等离子高能电子、离子等与污染物分子发生弹性碰撞，这些活性离子的平均动能高于污染物分子的健能，污染物分子在这些高能电子轰击下，电离和解离，使复杂大分子污染物转变为简单小分子物质，或使有毒有害物质转变为无毒无害或低毒有害物质，从而使污染物得以降解；(3)对电子亲和力强的一些分子，例如O₂和H₂O，一部分通过碰撞激发产生大量·OH，·HO₂，·O等自由基，这些自由基具有强氧化性，可将污染物氧化分解，达到提高空气品质的目的。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种集先进强化传热技术和低温等离子体净化技术于一体的车载尾气热回收和净化装置，该装置可同时实现尾气的废热回收和尾气的污染物去除目的，提高能源的利用率，改善城市大气环境。

为达到上述目的，本装置提供了一种集先进强化传热技术和低温等离子体净化技术于一体的车载尾气热回收和净化装置。它的具体方案为：包括用于废热回收的换热器和汽车尾气净化的等离子体发生器芯体，其中换热器由外管6和内管3组成简单管壳式换热器结构，其中内管3稍长于外管6，在内管3外侧不超过外管6长度的两端固定满焊焊接单侧粘有绝缘石棉垫片的环形金属板9，附有绝缘石棉垫片的一侧向外，外管6两端置于方形金属挡板7上，内管3从方形金属挡板7穿过，方形金属挡板7一侧有环形槽，槽的宽度和深度以外管6能放进为宜，槽底部缠绕一圈密封石棉线10，方形金属挡板7与内管3、外管6之间形成一个密闭的换热空腔；空腔内部，在内管3的外侧焊接强化换热的肋片5，每两条肋片之间均匀布置EHD电极4，EHD电极4的两端从环形金属板9上穿过，并固定于外侧起绝缘作用的石棉垫片上，与金属挡板接触的地方电极线套有绝缘皮，各条电极线汇总到一条电极线，并与高频高压电源转换器1相连；外管的侧面设有载热介质的入口C和出口D；等离子体发生器芯体由等离子体发生器电极支架8和等离子体发生器电极2组成，其中等离子体发生器电极支架8为一根两端固定有圆形绝缘框的金属杆，等离子体发生器电极2均匀布置于等离子体发生器电极支架8两端的圆形绝缘框之间；整个等离子体发生器芯体置于内管3的内部，等离子体发生器电极2的引线与高频高压电源转换器1相连；利用弹簧金属卡片将等离子体发生器芯体固定于内管3，环形金属板9与方形金属挡板7间缠绕密封石棉线10，利用螺纹金属杆11将方形金属挡板7与外管6、内管3紧固。

等离子体发生器电极2为铜线或镍线金属电极，电极线直径为0.1～0.3mm，电极与内管布置间距为1～2cm。肋片5可以为平行直肋，EHD电极4与肋片平行布置为线对板式放电，而对于螺旋肋，EHD电极4按螺旋方式布置。等离子体电极2和EHD电极数量分别为12根和8根。

管壳式换热器本体材质可选择普通碳钢管或是耐腐蚀不锈钢管；肋片为1mm厚可焊接肋片，焊接方式可选用钎焊或是氩弧保护焊焊接；电极可选用直径0.2mm的铜丝或0.1mm的镍丝；装置密封均采用耐高温的石棉密封垫片。为适合车载，高频高压电源转换器1可以与12V车载电源对接，也可以与其它6V～12V直流电源对接。

本实用新型具有以下有益效果：

为了克服传统的管壳式换热器存在的缺点，本装置以简单套管式换热器为基础，烟气管路从直管路通过，有效降低了烟气阻力损失；同时为了提高换热效率增加换热量引入强化换热手段，并创新性的引入尾气净化技术，即：将EHD电场强化传热技术与低温等离子体技术相结合，实现了汽车尾气的低温、低浓度排放。几种技术的协同作用会克服各自单独使用的局限性，达到高效热回收和去除污染物的效果。

以下结合附图说明和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

附图说明

图1具有污染物净化功能的汽车尾气余热回收装置；

图2等离子体发生器芯体；

图3尾气废热回收器模块；

图中1-高频高压电源转换器；2-等离子体发生器电极；3-内管；4-EHD电极；5-肋片；6-外管；7-方形金属挡板；8-等离子体发生器电极支架；9-环形金属板；10-密封石棉线；11-金属杆；A-汽车尾气；B-换热介质空气；C-外管进口；D-外管出口；E-内管进口；F-内管出口

具体实施方式

如图1所示，以整个装置为例，高频高压电源转换器1的作用是将12V的直流电源转变高压激发等离子体结构产生高能等离子体，高温汽车尾气A从装置内管一侧E进入，经过图2所示等离子体发生器芯体，芯体电极2对内管3放电产生高能等离子体，在高能等离子体的作用下将污染气体予以分解去除，达到去除污染气体的目的。同时高温汽车尾气在流经内管路的时候与管外换热介质空气B换热，尾气经降温后以低污染物浓度排出，冷空气如图3尾气废热回收器模块所示，从外管一侧C进入，与尾气成逆流方式流出装置进入热量回收装置系统，空气B沿内管外侧肋片5槽道流动，增加了换热面积，EHD电极4与高频高压电源转换器1相接，EHD电极4放电，在内管3外侧靠近管壁面产生电晕风，增加了空气扰动，换热效率大大提高。整个装置分两部分组装，依靠机械式螺栓固定产生压力将外管与挡板密封。

Claims

1.具有污染物净化功能的汽车尾气余热回收装置，包括用于废热回收的换热器和汽车尾气净化的等离子体发生器芯体，其特征在于换热器由外管(6)和内管(3)组成简单管壳式换热器结构，其中内管(3)稍长于外管(6)，在内管(3)外侧不超过外管(6)长度的两端固定满焊焊接单侧粘有绝缘石棉垫片的环形金属板(9)，附有绝缘石棉垫片的一侧向外，外管(6)两端置于方形金属挡板(7)上，内管(3)从方形金属挡板(7)穿过，方形金属挡板(7)一侧有环形槽，槽的宽度和深度以外管(6)能放进为宜，槽底部缠绕一圈密封石棉线(10)，方形金属挡板(7)与内管(3)、外管(6)之间形成一个密闭的换热空腔；空腔内部，在内管(3)的外侧焊接强化换热的肋片(5)，每两条肋片之间均匀布置EHD电极(4)，EHD电极(4)的两端从环形金属板(9)上穿过，并固定于外侧起绝缘作用的石棉垫片上，与金属挡板接触的地方电极线套有绝缘皮，各条电极线汇总到一条电极线，并与高频高压电源转换器(1)相连；外管的侧面设有载热介质的入口(C)和出口(D)；等离子体发生器芯体由等离子体发生器电极支架(8)和等离子体发生器电极(2)组成，其中等离子体发生器电极支架(8)为一根两端固定有圆形绝缘框的金属杆，等离子体发生器电极(2)均匀布置于等离子体发生器电极支架(8)两端的圆形绝缘框之间；整个等离子体发生器芯体置于内管(3)的内部，等离子体发生器电极(2)的引线与高频高压电源转换器(1)相连；利用弹簧金属卡片将等离子体发生器芯体固定于内管(3)，环形金属板(9)与方形金属挡板(7)间缠绕密封石棉线(10)，利用螺纹金属杆(11)将方形金属挡板(7)与外管(6)、内管(3)紧固。

2.根据权利要求1所述具有污染物净化功能的汽车尾气余热回收装置，其特征在于所述的等离子体发生器电极(2)为铜线或镍线金属电极，电极线直径为0.1～0.3mm，电极与内管布置间距为1～2cm。

3.根据权利要求1所述具有污染物净化功能的汽车尾气余热回收装置，其特征在于肋片(5)可以为平行直肋，EHD电极(4)与肋片平行布置为线对板式放电，而对于螺旋肋，EHD电极(4)按螺旋方式布置。

4.根据权利要求1所述具有污染物净化功能的汽车尾气余热回收装置，其特征在于等离子体电极(2)和EHD电极数量分别为12根和8根。

5.根据权利要求1所述的具有污染物净化功能的汽车尾气余热回收装置，其特征在于所述的高压高频电源转换器(1)可以与12V车载电源对接，也可以与其它6V～12V直流电源对接。