论述工程热力学与传热学在车辆工程中的应用及发展趋势
摘要
随着热力学与汽车工业的蓬勃发展，人们对汽车中的热能应用要求越来越高，热力学在汽车工艺中的作用越来越重要。本文主要从论述了目前热力学在汽车发动机的热力回收、冷却系统中的热力应用、散热器改进及制冷器中的改进这几个方面应用和未来的发展趋势。结果我们发现，热力学对于汽车节能，提高效率有着重要的意义。为此，热力学将会成为汽车工业发展不可或缺的一部分。
关键字：热力学汽车工业发展趋势应用节能
Abstract
With the rapid development of thermodynamics and the automotive industry, people in cars have become increasingly demanding the application of heat, thermodynamics role in automotive technology is becoming increasingly important. Mainly discusses the thermodynamic applications and future trends in the automotive engine heat recovery, thermal cooling system applications, improved radiator and cooler in the present article to improve these aspects. The results we found that the thermodynamic energy saving for the car, to improve the efficiency of great significance. For this reason, the development of thermodynamics will become an integral part of the automotive industry.
Key word:Thermodynamics Auto industry Development Trend Application Energy Saving
引言
热能的传递与应用一直是汽车工业中的一个非常重要的话题。随着汽车工业与热力学的蓬勃发展，以及人们对友好环境型汽车的期望，如今汽车工艺中热能的应用程度尚不能满足人们的要求。为了能够更加充分，有效地利用好汽车中的热能，现在不少汽车企业越来越将热力应用当成汽车发展中的重要环节。由此可见，热力学将会在汽车工业中扮演越来越重要的角，二者的结合与应用将会成为车辆工程未来的一大发展趋势。
1.发动机排气热能回收装置
内燃机将燃料内能转变为汽车有用机械能的过程, 实际上是将燃料化学能通过燃烧转化成热能, 热能再通过曲柄连杆机构转化成机械能。在能量的转化过程中, 大量的能量被浪费掉。其中, 燃烧后产物排气也带走了30%~35%的热量和动能，可见对排气能量进行回收具有非常重要的意义。
在汽车正常行驶时, 发动机排气热能回收装置能很好的向车厢供暖; 而在怠速的时候由于排气温度和流量较低, 这时水吸收热量少, 考虑到怠速工况一般时间较短, 所以不会对供暖影响很大; 加速和减速工况是过渡阶段, 由于持续时间短, 对供暖影响也不大。但是要注意, 在加速过程中, 避免出口温度过高, 以免汽化
汽车散热器
严重而影响供暖。热能回收装置能较好的回收排气热能, 有很好的应用前景。发动机排气能量回收对于汽车节能有非常重要的意义, 而且已经得到相关专业人士的广泛关注, 但仍有大量工作需要深入开展。[1]
2.热力学在发动机冷却系统的应用
流固耦合传热数值方法可以有效解决发动机稳态工况下冷却水与固体零件之间的耦合流动与传热问题, 与发动机温度场测量结果误差较小。流固耦合传热数值仿真将原来单独计算单个零部件温度场时的外边界条件变成内边界条件, 流固耦合界面的流动与传热由软件自动施加边界条件并进行计算。这种处理方法既简化了边界条件, 又使得仿真更符合发动机的实际工作状态, 从而提高了仿真的合理性和精度。用数值仿真方法可以得到比试验测量更丰富的信息。虽然在流固耦合模型应用于数值仿真的初始阶段需要试验的验证, 但是数值仿真依靠其数据丰富、不受环境条件限制、周期短、成本低的优势, 必将成为发动机流动与传热研究的发展趋势。[2]
3.热力学在汽车散热器中的应用
汽车散热器是汽车冷却系统中不可缺少的一个组成部分，其性能好坏对发动机的动力性、经济性和可靠性有很大的影响。带有百叶窗的散热器具有切断散热带上气体边界层的发展、减薄边界层厚度、提高散热器性能的作用。对其内部的流动结构、传热与阻力特性进行了系统的研究。目前国内散热器产品中，开百叶窗的散热带及管带式散热器产品所占比重明显上升，产品结构向紧凑、高效、低耗、轻量化方向
发展。但国内一些汽车散热器生产厂家在散热器设计和应用过程中，对其传热与流动性能的计算方面的工作还比较欠缺，主要是通过实验加以解决。2JC 型汽车散热器是一种铝塑制带百叶窗管带式汽车散热器，因其主要应用在军车上，军工产品的特殊性及严格性，为了进一步提高产品的散热性能及产品的质量，提出在尽量不改变散热器生产的刀具、模具，保持原有装配结构尺寸的基础上，使该散热器的散热能力提高20％。为此，我们对带百叶窗的管带式散热器内的传热与流动阻力特性进行了研究，编制了汽车散热器的传热与流动阻力计算程序，并由此分析了散热器结构参数与材质对散热性能的影响，提出了提高2JC 型汽车散热器散热能力的方案，为实现散热器结构设计计算机程序化、提高设计的准确性和最优性奠定了基础，也为实施汽车散热器散热性能改善措施提供了有效的理论依据。[3]
4.热力学在制冷器中的应用[4]
现有汽车空调制冷系统一般采用单级蒸气压缩式制冷循环,，汽车空调采暖系统一般采用水暖式, 它是以发动机的冷却水为热源, 通过装置中的热交换器, 把送风机送来的车外或车内空气与发动机冷却水进行热交换, 空气加热后送入车室内, 汽车发动机的冷却水系统由发动机、节温器、散热器和水泵组成。吸收器出来的稀溶液由溶液泵升压后, 经溶液热交换器升温后进入发生器, 在发生器中稀溶液被热源加热温度升高直至沸腾, 产生冷剂蒸汽后变为浓溶液, 而冷剂蒸汽进入冷凝器, 在冷凝器内被冷却成冷剂水, 经节流后进入蒸发器。由低压发生器出来的浓溶液经溶液热交换器放热温度降低后进入吸收器, 与吸收器中的稀溶液相混合, 吸收来自蒸发器的低压冷剂蒸汽, 使蒸发器中的低压得以维持, 从而达到连续制冷的目的。
溴化锂吸收式制冷原理：溴化锂稀溶液从稀溶液管进入发生器, 被来自热源输入管的热源加热, 溴化锂稀溶液中部分水变成冷剂蒸汽, 冷剂蒸汽从输出管流出高压发生器, 溴化锂溶液变成浓溶液, 浓溶液从溶液管流出发生器, 热源输入管输入的热源加热的溴化锂溶液, 从热源回流管流出发生器。
由于发动机排气温度高, 其热量占燃料所放能量的40%左右, 故可采用发动机排气作为发生器的热源。在废气出口处安装一个加热器, 即发生器, 加热进入的稀溶液。发动机正常运转时循环冷却水的出口温度在90 e 以上, 所带走的热量约占燃料发热量的25% 以上, 因此也可利用发动机的冷却水作为发生器的热源。将发动机的散热水箱稍加改造, 利用发动机冷却水的余热, 加热进入发生器的稀溶液。213 改进的利用余热的溴化锂吸收式制冷系统发动机排气废气传热特性低, 发动机的冷却水水温度低, 如果单利用废气余热或冷却水的余热, 很难保证溴化锂制冷系统所需的热量, 尤其是发动机低速运转时。因此考虑将发动机的冷却系统稍做改造, 同时利用发动机的冷却水和废气的余热。同时利用汽车冷却水和排气余热的双效溴化锂吸收式制冷系统，即可达到冬天供热和夏天制冷以及既不供热又不制冷的要求。在该系统中, 蒸发器既用于制冷又用于加热, 省去了现有汽车空调采暖系统中的暖风用热交换器。考虑到汽车本身的结构特点, 用吸收器和空冷器代替传统汽车发动机的散热器和其空调系统中的冷凝器是可行的, 同时只将冷却水箱结构稍加改造即可用于该系统; 而在汽车废气出口处安装一个加热器也是很简单的事, 只是增加了一个溶液热交换器。综合考虑, 汽车空调系统的结构比较简单、紧凑, 同时也保证了发动机的冷却。
同时利用发动机的冷却水和废气余热的溴化锂吸收式制冷系统用于汽车空调是可行的, 该
系统换热面积小, 并完全满足汽车空调负荷要求。该系统同时利用了发动机的排气余热和冷却水余热, 由于没有用单独的发动机作为制冷动力，也不会消耗发动机的有效功率, 节能效
果明显。由于利用了排气余热, 降低了汽车发动机的排气温度, 减少了热污染, 也减少了NOx、CO 2 的排放。负荷调节范围大, 可以在30% ~ 100%的范围任意调节。且由于没有运动部件, 运转平衡, 振动噪声都很小。4]
结论
目前热力学在汽车发动机的热力回收、冷却系统中的热力应用、散热器改进及制冷器中的改进这几个方面的应用重要意义。热力学的有效应用提高汽车的热效率，为我创造节能环保汽车提供了有力的支持。为此，热力学将会成为汽车工业发展不可或缺的一部分。
参考文献
[1] 秦洪武，赵闯，谢文磊，等. 发动机排气热能回收装置工作过程的试验研究[Z]. 200716-18.
[2] 李迎，俞小莉，陈红岩，等. 发动机冷却系统流固耦合稳态传热三维数值仿真[J]. 内燃机学报.
2007(03): 252-257.
[3] 关凤艳. 汽车散热器的优化设计及传热性能分析的研究[J]. 制造业自动化. 2011(14): 143-145.
[4] 周东一，石楚平，袁文华，等. 利用汽车发动机余热的溴化锂吸收式制冷研究[J]. 节能. 2008(06): 23-26.