张雪

摘 要：随着科技进步和人民生活水平的提高，我国的汽车保有量超过4亿辆，而尾气中含有大量余热，造成了极大浪费，因此有必要对这部分热量加以回收利用。诸多学者为提高汽车尾气余热利用换热器的换热效率做出了不懈努力，主要涉及改进换热器的结构以及选用高效换热的相变材料。现有的汽车尾气余热利用换热器仍存在与汽车尾气排气管道连接不紧密的問题，造成尾气泄露，使换热器效率低下。针对这一问题，本文研究设计了一种用于汽车尾气余热利用换热器和汽车尾气排气管之间的连接装置，本装置可以实现两者快速、紧密对接。

关键词：汽车尾气 余热利用 连接装置

1 引言

能源是人类赖以生存的保障，随着科技的进步，人类对能源的需求不断增长。在人类利用能源不断实现科技进步的同时，也对环境造成了破坏，能源短缺和环境恶化成为全球面临的重大难题。2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会上宣布，中国力争2030年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和目标。碳减排的要求无疑对环保提出了更高的要求。随着人民生活水平的提高，私家车得到普及。据公安部最新统计，截至2022年3月底，全国机动车保有量达4.02亿辆，在中国，每100户家庭中就有33辆汽车，城镇居民每10户家庭就有4家有车[1]。目前，常规发动机的热效率一般为20%～40%，燃料燃烧的大部分热量通过排气、冷却介质和机体辐射等以余热的形式散失在大气中，如图1所示。其中，尾气中的废热量达到了燃烧总热量的1/3[2]，不同型号的汽车尾气温度有所不同，一般为400-600℃[3]。通过汽车尾气散失的热量不仅让发动机的效率降低，将这些热量直接排放到空气中还会造成热污染。如果对这部分能量进行回收利用，将会提高汽车发动机的能量利用效率，节省燃料。在“双碳”背景下，汽车发动机尾气余热回收利用更是有着极高的价值。

国内外已经发展的多种发动机尾气余热利用技术，通常分为直接利用和间接利用两种。在国内，北京工业大学杨凯等[4]设计了一套有机朗肯循环余热回收系统，实现了最大系统效率11%的提升；吉林大学高青等[5]设计了一种结构紧凑的余热蓄热器，可实现对发动机尾气余热的回收；在国外，RamThakur等[6]设计了一种逆流管壳式换热器，用尾气余热加热进气，发动机能量转换效率得到提高；K.P.Venkitaraj等[7]研究了在相变材料季戊四醇中添加不同比例的Al2O3纳米流体对相变储能废热回收系统性能的影响。

诸多学者为提高汽车尾气余热利用换热器的换热效率做出了不懈努力，主要涉及改进换热器的结构以及选用高效换热的相变材料。然而，现有的汽车尾气余热利用换热器仍存在与汽车尾气排气管道连接不紧密的问题，容易造成尾气泄露，其中的热量散失，从而使换热器效率低下。本文从汽车尾气排气管与换热器的连接问题出发，研究设计了一种可以实现两者快速、紧密对接的连接装置。

2 连接装置的结构设计

为了解决汽车尾气排气管与换热器的连接问题，设计了一种汽车尾气余热利用换热器连接装置。该连接装置的结构如图2-4所示，换热器体的进气口提高螺栓安装有第一空心块，第一空心块的内部固定套接有圆环柱，圆环柱的内部固定套接有圆环块，圆环块的正表面粘接连接有圆环密封垫，第一空心块的两侧之间固定有第二空心块，第二空心块的两侧均螺纹贯穿有螺栓杆，两个螺栓杆的相对一端均通过轴承转动连接有连接块，两个连接块的相对一侧均固定有三个第一矩形块，六个第一矩形块共分为两组，每组第一矩形块的同一侧之间均固定有弧形块，两个弧形块的弧面均粘接连接有弧形防滑垫。圆环密封垫的正表面与两个弧形防滑垫的后表面均相接触；两组第一矩形块的相对一侧均活动贯穿圆环柱的外壁；螺栓杆的底部均固定有第二矩形块；第二矩形块的相背一侧均螺纹贯穿有手拧螺丝；两个手拧螺丝的相对一端均粘接连接有防滑块。本装置通过在第一空心块、圆环柱、圆环块、圆环密封垫、第二空心块、螺栓杆、连接块、第一矩形块、弧形块和弧形防滑垫的配合下，可以将汽车尾气排气管与换热器本体的进气口进行快速的对接连接，即有效地提高换热器本体的使用效率，提高发动机尾气余热的回收利用，在环形密封垫的作用下，可以保证发动机尾气排气管排出来的尾气全部进入换热器本体的内部。

图例说明：1--换热器体；2--第一空心块；3--圆环柱；4--圆环块；5--圆环密封垫；6--第二空心块；7--螺栓杆；8--连接块；9--第一矩形块；10--弧形块；11--弧形防滑垫；12--第二矩形块；13--手拧螺丝；14-防滑块

3 连接结构的工作原理及使用方法

为了能够更清楚地理解连接装置的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本连接装置做出进一步的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本连接装置，但是，本连接装置还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本连接装置并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。

如图2-4所示，当需要将发动机尾气排气管快速地与换热器体进行对接连接时，首先将换热器体移动到所需的位置，接着将先将两个手拧螺丝相反的方向进行螺纹移动，这时移动的两个手拧螺丝会分别带动两个防滑块进行移动，当两个防滑块均移动到合适的位置时，此时直接将两个螺栓杆进行相反方向螺纹移动，当两个螺栓杆发生移动时，移动的两个螺栓杆会分别带动两个第二矩形块、两个手拧螺丝和两个防滑块进行移动，同时移动的两个螺栓杆会通过两个连接块和两组第一矩形块的配合，将两个弧形块进行相反方向移动，而移动的两个弧形块会分别带动两个弧形防滑垫进行移动，当两个弧形防滑垫移动到合适的位置时，停止两个螺栓杆的螺纹移动，这时将发动机尾气排气管移动到圆环柱的内部，同时将排气管放置在两个弧形防滑垫的内壁之间，接着继续将排气管向圆环柱的内部进行移动，直至排气管的出气口一侧与圆环密封垫的正表面相接触，之后再将两个螺栓杆进行相向移动复位，这时螺纹移动的两个螺栓会分别通过连接块、两组第一矩形块和两个弧形块的配合，将两个弧形防滑垫进行复位移动，当两个弧形防滑垫不能发生移动时，即排气管被紧紧的固定在圆环柱的内部，即实现换热器体的进气口与排气管的出气口相连通，当为了防止有人误碰到螺栓杆，造成螺栓杆发生螺纹移动时，此时再两个螺栓杆不能发生移动时，直接将两个手拧螺丝进行相向螺纹移动，而移动的两个手拧螺丝会直接带动两个防滑块进行移动，当两个防滑块移动到不能移动时，停止两个手拧螺丝的螺纹移动，这时在手拧螺丝、第二矩形块和防滑块的配合下，即可以防止人误碰螺栓杆，造成螺栓杆发生螺纹移动的情况。

4 连接装置的优势

第一，该连接装置可与换热器体可分离，可适配于不同类型的汽车尾气余热利用换热器，当换热器体出现故障后，可实现快速拆卸，方便检修；

第二，在连接装置各部件的配合下，可以将发动机尾气排氣管与换热器体的进气口进行快速的对接连接，减少操作人员的工作量；

第三，在环形密封垫的作用下，可以保证发动机尾气排气管排出来的尾气全部进入换热器体的内部，有效减少尾气的泄露量，提高换热器体的使用效率，实现对发动机尾气余热的回收利用；

第四，本连接装置中，在手拧螺丝、第二矩形块以及防滑块的配合下，可以有效防止螺栓杆带动连接块发生移动，可以有效防止操作人员误触或者汽车行驶过程中因为颠簸导致的连接松动，为操作安全和行车安全提供保障。

5 连接装置实际应用的设想

图5所示为一种汽车尾气余热利用系统简图。所用换热器为管壳式换热器，汽车尾气作为热流体在管侧流动，水作为冷流体在壳侧流动。流体在换热器内的流动方式对整个设计的合理性有很大影响，因而对流动方式的选择，因予以充分注意。综合考虑在减少传热面积的同时获得比较大的平均温差，尽可能使流体的温度变化值大，使流体的热量得到充分的利用。在所有的流动方式中，逆流布置方法可以实现温差最大，逆流可以减小所需的传热面，或是在传热面相同的情况下，逆流可以传递较多的热量[8]。所以换热器内采用逆流布置方式。汽车尾气经排气管、连接装置进入换热器的管侧，同时冷水由水箱流出进入换热器的壳侧，两者在换热器内部进行换热，经过一次换热后，热流体的温度降低，排入空气中，冷流体的温度升高，经过热水管进入水箱中，之后水进入换热器中与汽车尾气再次进行换热，如此循环往复，可以加热水箱内的水。将水箱内的水加热到一定温度后，就可以利用热水实现煮饭、淋浴，取暖等功能。例如，在水箱上方设置一个蒸煮锅，就可以通过蒸煮实现加热食物的目的；在水箱接一个调温器和淋雨喷头就可以实现淋浴；将热水管进行加长后，铺设在车厢内，可实现供暖。

6 结语

基于汽车尾气余热利用换热器装置与汽车尾气排气管的连接不紧密问题，本文提出了一种汽车尾气余热利用换热器的连接装置，并对其具体结构、工作原理及使用方法进行了阐述，并提出了一种连接装置的实际应用的设想。本装置在各机械结构的配合下，可实现快速对接的同时保证尾气全部进入换热器中，在理论上可在一定程度上提高换热器的效率，实现对汽车尾气的有效回收利用。在本文中仅提出连接装置的一种使用方法，不排除有其他的使用方式，本装置可以为所有的有连接需求的设备提供实现快速紧密连接的思路。

参考文献：

[1]傅军.解决停车难题，助力城市发展[J].城乡建设，2022（06）：23.

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[3]陈自勇，李晓超，郑卫刚.汽车尾气余热回收利用装置探索[J].汽车工艺师，2015（04）：90-92.DOI：10.16173/j.cnki.ame.2015.04.027.

[4]杨凯，张红光，宋松松，姚宝峰.变工况下车用柴油机排气余热有机朗肯循环回收系统[J].化工学报，2015，66（03）：1097-1103.

[5]高青，王永珍，王国华，王琱，李明，马纯强.基于车辆余热蓄能利用的作用特性分析[J].热科学与术，2008，7（04）：314-319.DOI：10.13738/j.issn.1671-8097.2008.04.003.

[6] Thakar R，Bhosle S，Lahane S . Design of Heat Exchanger for Waste Heat Recovery from Exhaust Gas of Diesel Engine[J]. Procedia Manufacturing，2018，20：372-376.

[7]Venkitaraj K P，Suresh S，Venugopal A . Experimental Study on the Thermal  Performance of Nano Enhanced Pentaerythritol in IC Engine Exhaust Heat Recovery Application[J]. Applied Thermal Engineering，2018，137：461-474.

[8]史美中，王中铮热交换器原理与设计（第6版）[M].南京：东南大学出版社，2018.