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提高车用液体燃油加热器热效率的试验研究点击：1827 日期：[ 2014-04-26 21:53:43 ] |
| 提高车用液体燃油加热器热效率的试验研究 毛华永1, 王大鹏2, 王大海3, 朱 贺1, 逄学艳1, 郝胜兵4 (1.山东大学能源与动力工程学院,济南 250061; 2.中国人民解放军92323部队,青岛 266071;3.济南奥林匹克体育中心,济南 250102; 4.河北安吉宏业机械股份有限公司,泊头 062150) 摘 要：为提高车用液体燃油加热器的热效率,通过对加热器所用螺旋水腔式热交换器的尾端加装U形管式换热管,利用加热器自身高温尾气预热换热介质水和助燃空气,使加热器的热效率得以大幅提高.台架试验结果表明:加一组直径为19·4mm的U形换热管,排气温度比原机下降16·6%,最大功率提高11·9%,热效率提高12·4%.而在加热器排气管安装尾气预热器,最大功率时热效率比原机提高10%左右.预热助燃空气对提高加热器的热效率有一定效果,但提高幅度不大.水流量为3 600 kg/h时热效率较高.另外,还做了热交换器肋片对比,有肋片比无肋片热效率可提高27·3%,当在肋片上钻若干小孔后,其热效率又可进一步提高9·4%,这说明在肋片上打孔可减小热阻的作用是明显的. 关键词：热效率;热交换器;换热管;尾气预热器 中图分类号：TK402 文献标识码：A 文章编号：1009-4687(2010)04-0001-05 车用燃油加热器作为一种独立热源,因不受发动机工况影响、可在任何情况下全天候提供充足的热量,且供热迅速、稳定、热效率高,故被越来越广泛地应用于车辆、舰船及装甲坦克等各类运载工具的寒冷气候或地区车内取暖、风挡玻璃化霜、低温冷起动预热发动机等. 由于加热器在预热发动机的同时,还具有降低低温冷起动过程发动机排放和磨损的作用[1],故其市场需求量愈来愈大.我国在豪华大巴上已应用较广,部分工程车也有应用.随着人们对舒适、节能、环保等要求的日益提高,我国部分轿车厂家已有装车意向.西方发达国家已应用很广,甚至将工程机械、运输车辆等是否装有加热器上升到人权的程度.我国车用燃油加热器工业起步较晚,上世纪60年代始有少量仿制品,目前也仅有河北等地数家规模不大的企业生产,其产品与国外差距较大.尽管燃油加热器的热效率已较高(约是汽车发动机的2倍),但目前车用液体型燃油加热器,国内外基本都是采用螺旋式水腔换热,就其结构形式而言,热效率仍有提高的空间.以国产YJP-Q32型液体燃油加热器为研究对象,将作者所获国家发明专利[2]在热交换器尾端加U形换热管和实用新型专利[3]利用加热器尾气预热器等装置在该加热器上付诸实施,经台架试验效果显著. 1 热交换器尾部加换热管 目前的车用液体型燃油加热器,其换热介质(水)一般是由螺旋环状水腔的一端进入另一端流出,流动形式多为逆流换热,通常入水口端的燃气温度约在450℃左右,出水口端的燃气约为900℃左右.因该种结构形式使换热面积受到制约,故燃气热量不能充分利用.为此,在加热器的热交换器尾部设计了一组(3根)并列U形换热管,见图1. 该组U形换热管直接插入燃烧室外筒的尾端,800℃~1100℃的高温燃气由此处流出时可直接对U形管进行加热,既提高了受热温度,也增加了换热面积.经改造后,其水流不再由顶部的原出水口流出,而是由螺旋水腔的右下角进入尾部水腔,再经3根并列U形换热管进一步加热后流出,从而增加了吸热面积,并延长了吸热时间.采用内径为19·4 mm (管长270 mm)和内径为14mm (管长268mm)两组换热管与原机进行了台架对比试验.从图2中试验曲线看,带两种换热管的加热器,其性能曲线全部优于原机.其中,带14mm换热管最大功率较原机提高8·3%,相应热效率提高9·3%;而19·4 mm管比原机最大功率提高11·9%,对应热效率提高12·4%.由于燃气热量得到了更好的利用,排气温度便大幅下降,其中带14mm换热管排气温度下降10·5%,而带19·4mm换热管下降了16·6%,可见换热管的作用是显著的.19·4mm管比14 mm管的受热面积大一些,其水流阻力也小,但并非是换热管越粗或者越多越好.首先,换热管太多太粗会增大燃气流动阻力,影响燃烧室正常燃烧;另外,由上可知,19·4mm管的截面积是14 mm管的1·92倍,增大了92%,但由图2中曲线看,其性能提高幅度并没有这么大,功率提高3·4%,效率仅提高2·8%.实际上,在满足水路压降和最佳换热水流量的要求下,从传热效果上讲管径细一些好,可增大流体流速,提高传热膜系数. 因燃烧室外筒内径很大,故试验中所用两组U形换热管对排气背压基本没什么影响.另外, 3根19·4 mmU形管的水流通面积略大于螺旋式换热水腔,虽然增加了水路长度,但其水流阻力与加热器进、出水口连接发动机和车内暖气片的数米管路相比是微不足道的.因此,可在对燃烧室内燃气流动影响不大的情况下,适当增多U形管和增加管长,较长的换热管可增加受热面积和增大传热系数[4]. 由图2还可看出,随着过量空气系数α的增大,功率呈下降趋势,这是由于随着α的增大空气的冷却作用加强,使得燃气温度降低,温压减小所致.最大功率出现在α约为1·25左右.α值是由助燃空气流量计和燃油流量计所测值计算得出,而图中λ是由排放仪根据废气成份分析所得的过量空气系数,由图看该值略小于α. 2 加热器排气管路加尾气预热器[3] 2 ·1 预热载热介质水 通常液体燃油加热器的排气温度约400℃~500℃.为了充分利用加热器排气中的余热,从而节约燃油提高经济效益,在加热器排气管路串接了如图3、图4所示尾气预热器,其中,图3所示型有2折流板、3折流板和4折流板3种预热器.安装时将尾气预热器的尾气入口与燃油加热器的排气口相连接,尾气预热器上的进水口与水箱相接,出水口接到加热器上的进水口,加热器上的出水口与水箱连接构成完整回路.加热器工作时,排出的高温尾气对尾气预热器中的换热管加热,换热管中来自水箱的水先被初步加热,再流入加热器进一步吸热升温后流回水箱. 经装机试验,带尾气预热器的加热器功率及热效率均好于原机.从图5看,装4折流板单管程和2折流板双管程尾气预热器,其性能最好,最大功率时热效率比原机提高10%左右,经尾气预热器吸热后排出的尾气温度降到了200℃上下.但由图4可看出, 2折流板双管程预热器的结构比较复杂,且外壳体积是4折流板单管程的近4倍. 3折流板和2折流板单管程预热器虽结构较简单,可换热效率较差.故综合看, 4折流板单管程尾气预热器应为最好. 2·2 预热助燃空气 由图6可看出,预热助燃空气对提高加热器的热效率有一定效果.这是因为助燃空气被预热后,不仅可改善燃油蒸发和雾化的条件,提高油气混合质量,从而燃烧更加充分,同时还可提高燃气的基础温度,其结果是提高了进行热交换的燃气温度,加大了温压.但提高热效率的幅度并不太大,这可能是燃烧室内维持续燃的回流高温燃气已经给喷油嘴周围形成了较高的蒸发雾化温度环境,其温升对燃烧室中近1300℃的高温也显得微不足道之故. 2·3 不同水流量对比 用4折流板预热器做了不同水流量对比试验.从图7看,随着水流量的增大,加热器排气温度与换热器的出气温度均下降.在水流量增大到4 000 kg/h时,经换热器出来的尾气温度,在最大功率点下降到190℃,但热功率和热效率却在水流量为3 600 kg/h时较好.这是因为,水流量增大,进、出水温差则减小,由传热学知,有二者最大乘积组合值的流量,为最佳流量. 3 加热器的热交换器肋片对比 为了提高加热器的热效率,在其圆筒形热交换器的内壁周向均布有若干U形长条肋片(又称翅片).通过台架试验考察了无肋片、有肋片、肋片上开孔(见图1)等3种情况对热交换器性能的影响程度.从图8可看出,在热交换器不加肋片时,其最大功率点的排气温度高达720℃之多,对应热效率只有56·7 %.而加上肋片后,功率提高28·9%,其最大功率点排气温度下降到467℃,下降了44%,相应的热效率则上升到72·2%,提高了27·3 %.可见,通过肋片增加换热表面积,其效果是显著的.当在肋片上钻上若干小孔之后,其排气温度又进一步下降到400℃,比仅有肋片下降了14·3 %,且热效率又上升到79 %,提高了9·4%.这表明在肋片上打孔的作用也是明显的. 在肋片上开孔之所以会有较好的效果,这是因为:通常当燃气在肋片间流动时,由于气体分子附着力的作用,肋片的表面效应便会传递到液体内部一定的距离[5],从而产生速度梯度.在大雷诺数下近壁处,会有一层紧靠肋片表面,其流速由壁面的零值到气流速度分布较均匀的地方,这样一个称之为(流动或速度)边界层(也称附面层)的薄层.该薄层内的流速变化率很大,通常规定达到主流速度的0·99倍之处的距离为边界层的厚度[6],该厚度沿流动方向是不断增加的.层流时的边界层称为层流边界层,紊流时的边界层称紊流边界层.但在层流边界层内的流动还是层流,只是边界层内的速度分布为抛物线状;而紊流边界层内的流动是紊流,由于紊流中质点的脉动强化了动量传递,使得紊流边界层的主流区速度变化较为平缓[7].但在紊流边界层中紧靠壁面之处,其粘滞应力仍占主导地位,致使贴附于壁面的一极薄层内仍保持着层流的性质.这一极薄层称为层流底层(亦称粘性底层),层流底层的速度梯度较大,近似于直线[7].该极薄层,通常只有几分之一毫米,但它对流动的能量损失与换热却有着重要的影响[8].在层流底层内,其热量的传递基本上只能靠导热,使得紊流时的热量传递阻力主要集中在层流底层,导致热量在穿过这一薄层时要克服很大的热阻,大部分温度降落在这里[9].为了减小层流底层对传热的影响,可通过提高燃气流速,增大雷诺数来减薄层流底层的厚度[9-10];也可在肋片表面上开孔、开槽,使其成为表面结构改变的间断型翅片,以增加气流的扰动,破坏层流底层[3, 10],从而降低热阻,使热效率得以提高. 4 结 论 1)在加热器的热交换器尾端增加换热管,对提高热效率作用显著,在不影响燃烧室燃烧的情况下,可适当增加换热管长度和管数. 2)在加热器排气管加尾气预热器效果明显,由试验结果综合看,预热水时以4折流板单管程尾气预热器为最好. 3)预热助燃空气对提高加热器的热效率有一定效果,但提高幅度不大. 4)加热器最大功率点,对应热交换器水流量与进出水温差有一最佳组合值,试验样机在水流量3600 kg/h时有最大功率值. 5)在热交换器上加肋片可大幅提高热效率,通过在肋片上钻孔破坏层流底层,减小热阻,改善传热可使热效率进一步提高. 参考文献： [1] 毛华永,李国祥,王 伟,等.车用加热器降低汽油机冷起动排放的试验研究[ J].车用发动机,2007(6): 51-55. [2] 毛华永,李国祥,王 伟,等.一种带换热管的燃油加热器用热交换器[P].中国专利ZL 20061 0068961·1· [3] 毛华永,陆 辰,李国祥,等.用于液体燃油加热器的供热液体和助燃空气预热器[P].中国专利ZL 2007 2 0159167. 8. [4] 钱颂文.换热器设计手册[M].北京:化学工业出版社, 2002. [5] Welty J·R·工程传热学[M].任泽霈,罗棣庵,译.北京:人民教育出版社, 1982. [6] 鲁钟琪.流体力学[M].北京:机械工业出版社, 1983. [7] 杨世铭,陶文铨.传热学[M],第3版.北京:高等教育出版社, 1998. [8] 山东工学院,东北电力学院.工程流体力学[M].北京:电力工业出版社, 1982. [9] 陶文铨.传热学基础[M].北京:电力工业出版社, 1981. [10]柴油机设计手册编辑委员会.柴油机设计手册(中)[M].北京:中国农业机械出版社, 1984. |
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