李樂 陳然 趙澤林

華北理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 河北省唐山市 063210

1 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)快速發(fā)展，截至2017年底，全國機(jī)動(dòng)車保有量已達(dá)3.10億輛，汽車保有量達(dá)2.17億輛，汽車所占比率連年增長，已成為機(jī)動(dòng)車的主體。中國顯然已經(jīng)進(jìn)入汽車時(shí)代，成為世界上最大的汽車生產(chǎn)與消費(fèi)國，人們自駕游也屢見不鮮。然而汽車發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱能只有38.5%作為功率輸出，仍存在約33%的熱能隨著尾氣排入空氣中[1]，這種附帶的能源損耗不容小覷，對(duì)于排氣管熱能利用顯得尤為重要。目前對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管裝置余熱的利用研究較少，而且多存在僅利用其加熱水，功能單一，缺乏普適性[2]。因此，本創(chuàng)新設(shè)計(jì)高效利用排氣管的余熱，不僅可對(duì)食物進(jìn)行保溫，也可以對(duì)食物或者水進(jìn)行加熱，并且間接實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排。

2 汽車排氣管余熱利用裝置的設(shè)計(jì)方案

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在排氣管余熱利用方式單一，效率較低的不足，綜合各因素設(shè)計(jì)了一種能夠較為高效的利用汽車排氣管熱能，并進(jìn)行食物保溫與食物加工的裝置，如下圖1所示的整體裝置圖。

圖1 整體裝置圖

2.1 下部集熱裝置

如圖2所示的下部集熱裝置，其設(shè)有一個(gè)下開口式銅制套筒與排氣管直接相連接，以充分吸收排氣管熱能[3]，套筒上方設(shè)有一上封閉式豎直銅管與之相嵌，銅管設(shè)計(jì)為空心封閉結(jié)構(gòu)以減少自身重量節(jié)約材料。所設(shè)計(jì)的下開口式銅制套筒的上半部分通過鉸鏈連接下面兩部分，其左側(cè)下半部分設(shè)有延伸薄片，可插入右側(cè)下半部分設(shè)置的凹槽之中，螺釘通過右側(cè)螺紋孔以固定左右套筒，進(jìn)而適應(yīng)不同規(guī)格排氣管，提高對(duì)于排氣管集熱的普適性。

圖 2 下部集熱裝置

2.2 中部控溫隔熱裝置

如下圖3所示的為中部控溫隔熱裝置，圖2所示的上封閉式銅管上表面設(shè)有一個(gè)圓形實(shí)心銅塊，其四周被鋼制板材包圍，中間設(shè)有石棉隔熱板來隔絕鋼板與銅塊的熱量傳導(dǎo)，采用的是由高品質(zhì)石棉纖維，玻璃纖維和陶土復(fù)合構(gòu)成的石棉隔熱板；鋼板兩側(cè)設(shè)有可滑動(dòng)軌道并設(shè)有齒條，齒條通過焊接與鋼質(zhì)板材固定，可滑動(dòng)導(dǎo)軌與汽車底板固定的板材的導(dǎo)軌連接，其板材一側(cè)設(shè)有電機(jī)，以電機(jī)提供動(dòng)力來源，通過齒輪齒條相互嚙合傳動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)中部整個(gè)傳熱裝置的移動(dòng)來進(jìn)行傳熱與隔熱。

圖3 中部控溫隔熱裝置側(cè)面分解圖

2.3 上部保溫加熱裝置

如圖4所示的上部保溫加熱裝置分解圖，對(duì)于圖3中的圓形實(shí)心銅塊上部仍與封閉銅管連接，封閉圓柱銅管上部則與環(huán)形盤狀銅制發(fā)熱管相接觸，通向保溫加熱箱以提供熱量，保溫加熱箱頂部設(shè)有溫度監(jiān)控裝置，以實(shí)時(shí)檢測(cè)箱體內(nèi)部的溫度，其連接至外部溫度調(diào)節(jié)裝置，以汽車電源對(duì)其供電，實(shí)現(xiàn)溫度的監(jiān)控以及調(diào)節(jié)。裝置上部設(shè)有旋轉(zhuǎn)式箱蓋，箱蓋與箱體以鉸鏈的形式連接，箱蓋上設(shè)有雙層鋼化耐高溫防爆玻璃，便于用戶對(duì)于內(nèi)部食物的觀測(cè)，箱體內(nèi)部設(shè)有鋁制內(nèi)膽以實(shí)現(xiàn)更好的保溫與加熱食物。

3 工作原理

當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，排氣管會(huì)產(chǎn)生大量熱能，下開口式銅制集熱套筒與排氣管相連，進(jìn)行熱能的吸收與傳遞，通過與集熱套筒相嵌的上封閉式豎直圓柱管傳遞至圓形實(shí)心銅塊。實(shí)心銅塊上部同樣連接一封閉圓柱銅管，此管與一環(huán)形盤狀銅管接觸，傳導(dǎo)熱量至保溫加熱箱中。保溫加熱箱頂部設(shè)有溫度調(diào)節(jié)裝置，連接至外部溫度調(diào)節(jié)，便于用戶對(duì)于不同情況使用。箱蓋還設(shè)有雙層鋼化耐高溫防爆玻璃，箱體內(nèi)部設(shè)有鋁制內(nèi)膽，從而實(shí)現(xiàn)與外界溫度的隔離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更好的保溫加熱性能。

圖4 上部保溫加熱裝置分解圖

當(dāng)汽車用戶設(shè)置保溫功能時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作驅(qū)使齒輪齒條嚙合以使銅塊沿導(dǎo)軌滑動(dòng)，促使整個(gè)傳熱隔熱裝置的移動(dòng)，由于銅塊周圍設(shè)置了石棉隔熱板，可進(jìn)一步的隔離熱源，從而實(shí)現(xiàn)保溫功能以更好的保溫食物。

4 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

本小組人員自主設(shè)計(jì)的汽車排氣管余熱利用裝置具有的創(chuàng)新點(diǎn)：（1）所設(shè)計(jì)的集熱裝置能夠較高效率的利用排氣管的余熱，并且有一定的普適性。（2）所設(shè)計(jì)的控溫隔熱裝置不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)于熱能的吸收與傳導(dǎo)，還能夠?qū)τ谑澄镞M(jìn)行保溫，拓展了其功能的多樣性，杜絕了以往單一加熱功能的缺陷，方便用戶選擇。（3）所設(shè)計(jì)的汽車排氣管余熱利用裝置設(shè)有溫度監(jiān)控與調(diào)節(jié)裝置，不僅能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)保溫加熱箱的內(nèi)部溫度，也實(shí)現(xiàn)了用戶根據(jù)不同需求進(jìn)行調(diào)節(jié)。（4）整體裝置較為小巧，安裝方便，使用便利，能夠較為高效利用廢棄熱能，間接實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的效果。

5 結(jié)語

本文以汽車排氣管熱能損耗為出發(fā)點(diǎn)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種充分利用汽車排氣管余熱的一種加熱與保溫裝置。通過所設(shè)計(jì)的下部集熱裝置進(jìn)行排氣管廢熱的回收利用，中部控溫隔熱裝置進(jìn)行熱能的傳遞以及上部的保溫加熱裝置進(jìn)行食物的保溫與加熱，并設(shè)置溫度檢測(cè)與調(diào)節(jié)裝置，充分的提升用戶的使用體驗(yàn)，便于用戶的自由選擇與使用。綜合來說，對(duì)于汽車排氣管的余熱利用不僅能夠方便用戶的實(shí)際使用，而且能夠充分利用能源，減少浪費(fèi)，更進(jìn)一步地實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的效果。