汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱溫差發(fā)電技術(shù)的研究

涂小亮 倪計(jì)民 石秀勇

（同濟(jì)大學(xué)）

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱溫差發(fā)電技術(shù)的研究

涂小亮 倪計(jì)民 石秀勇

（同濟(jì)大學(xué)）

設(shè)計(jì)了一款可應(yīng)用于汽車排氣系統(tǒng)的溫差發(fā)電熱交換裝置，其以汽車高溫排氣為熱源、冷卻循環(huán)水為冷源，在溫差發(fā)電基本原理即塞貝克效應(yīng)作用下輸出電功率。分析了該發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)熱電性能的影響，利用試驗(yàn)驗(yàn)證了進(jìn)氣溫度與流量對(duì)其輸出性能的影響，利用仿真模擬軟件分析了汽車排氣流過熱電裝置時(shí)的溫度場和速度壓力場，提出了提高發(fā)電裝置輸出性能及效率的優(yōu)化方案。

1 溫差發(fā)電原理

研究表明，目前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率不到30%，大部分能量損失于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水和高溫尾氣中[1]。若將發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣廢熱進(jìn)行再利用，可以進(jìn)一步提高汽車的能源利用率。

溫差發(fā)電是基于溫差發(fā)電材料的塞貝克效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)熱能到電能的直接轉(zhuǎn)化。如圖1所示，將P型和N型2種不同類型的半導(dǎo)體熱電材料（P型是富空穴材料，N型是富電子材料）一端相連形成一個(gè)PN結(jié)，置于高溫?zé)嵩礌顟B(tài)，另一端形成低溫冷端；在熱激發(fā)作用下，P（N）型材料高溫端空穴（電子）濃度高于冷端，在這種濃度梯度驅(qū)動(dòng)下，空穴和電子開始向冷端擴(kuò)散，從而形成電動(dòng)勢(shì)，熱電材料通過熱、冷端間的溫差完成了將高溫端輸入的熱能直接轉(zhuǎn)化成電能的過程[2]。

熱電模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，通常在一個(gè)溫差熱電模塊中由幾十至幾百個(gè)PN結(jié)串聯(lián)而成[1]。熱電模塊的性能主要包括熱電轉(zhuǎn)換效率及其能承受的溫度范圍，不同廠家生產(chǎn)的熱電模塊轉(zhuǎn)換性能和耐高溫能力不盡相同，熱電模塊的生產(chǎn)廠家主要有Hi-Z、Furu?kawa、Komatsu等[3]。例如Komatsu公司的Bi2Te3熱電模塊，在熱端280℃、冷端30℃時(shí)，具有7.2%的熱電轉(zhuǎn)換效率，該溫差下單體模塊最大功率可達(dá)24W，能量密度為1 W/cm2[4]。目前適用于各溫度范圍的常見熱電材料如表1所示。

表1 不同溫度范圍可選擇的熱電材料

2 溫差發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)

溫差發(fā)電（TEG）裝置的作用是在其表面安裝熱電模塊和傳遞熱量，其結(jié)構(gòu)取決于熱源和冷源的種類、熱電模塊的性能和冷端表面的散熱方式，目前通常有圓桶式、平板式TEG裝置等[5]。本文結(jié)合汽車排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及系統(tǒng)冷卻散熱方式，設(shè)計(jì)一種截面為正八邊形圓桶式TEG裝置，裝置結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

熱端熱交換器為圓桶式正八邊形截面，高溫排氣在通過管道內(nèi)部時(shí)在翅片擾流增強(qiáng)換熱作用下將熱量傳遞給管道內(nèi)表面，再由內(nèi)表面熱傳遞給管道外表面即熱端表面，與此同時(shí)，冷卻管道外表面在內(nèi)部冷卻水降溫作用下作為熱電模塊的冷端，而依次平行布置在管道外表面的熱電模塊在冷、熱端的溫差作用下產(chǎn)生電壓對(duì)外負(fù)載輸出電能。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

高溫流體流過TEG裝置時(shí)將熱量通過肋片傳遞給熱電模塊熱端，在固定裝置結(jié)構(gòu)下，熱端溫度的大小取決于流過高溫氣體的溫度與流量，因此進(jìn)口氣體的溫度和流量是影響TEG裝置輸出性能的重要因素。為驗(yàn)證TEG裝置的進(jìn)氣溫度和流量對(duì)輸出性能、熱端溫度等的影響，對(duì)TEG裝置進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，以進(jìn)氣流量和溫度為變量，測試系統(tǒng)的輸出性能，試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理如圖4所示。

燃燒器（Burner）可產(chǎn)生可變溫度和可變流量氣體。為分析溫度和流量對(duì)結(jié)果的影響，采用控制變量法，在溫度或流量一定時(shí)分別調(diào)節(jié)排氣流量或溫度。依據(jù)汽車排氣溫度和流量大致范圍，試驗(yàn)選取6組工況：進(jìn)氣溫度分別為400℃、500℃、600℃時(shí)，流量調(diào)節(jié)為125 kg/h、150 kg/h、175 kg/h、200 kg/h、225 kg/h、250 kg/h、275 kg/h、300 kg/h、325 kg/h、350 kg/h、375 kg/h，以及流量在175 kg/h、225 kg/h、275 kg/h時(shí)，溫度調(diào)節(jié)為250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃。試驗(yàn)冷卻水流速恒定為130 g/s，進(jìn)口水溫維持在21.1℃左右。根據(jù)對(duì)稱性原理，選取8列中1列熱電模塊組作為輸出試驗(yàn)電源，以接近試驗(yàn)電源內(nèi)阻阻值的5 Ω電阻作為負(fù)載電阻，因此試驗(yàn)測得的電功率可看作一列熱電模塊組輸出的最大輸出功率。在作為試驗(yàn)電源的熱電模塊列冷熱兩端分別布置6個(gè)熱電偶，用以監(jiān)測試驗(yàn)時(shí)熱電模塊冷熱端溫度，同時(shí)測量每一工況下冷卻水的出口溫度。

4 試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)上述試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以熱電模塊組輸出電功率P表征TEG裝置的輸出性能。由塞貝克效應(yīng)可知，熱電模塊冷熱兩端溫差大小是影響產(chǎn)生電壓的主要因素，因此監(jiān)測各工況下冷熱端溫差及熱端溫度隨進(jìn)氣溫度、流量的變化非常必要，其次測量冷卻水進(jìn)出口溫度，確定并減少冷卻水熱負(fù)荷也是試驗(yàn)另一主要目的。

如圖5所示，熱電模塊組的輸出功率隨進(jìn)氣溫度、流量升高而增大，在進(jìn)氣流量Qm325 kg/h、溫度Tin700℃時(shí)，輸出功率最大達(dá)到20.3 W。相對(duì)于進(jìn)氣流量，輸出功率對(duì)進(jìn)氣溫度更加敏感。與輸出功率相對(duì)應(yīng)，試驗(yàn)熱電模塊組的輸出電壓隨進(jìn)氣溫度與流量變化情況大致相同（圖6）。由上述分析可知，進(jìn)氣溫度高低是影響TEG系統(tǒng)輸出性能的主要因素。

熱端表面平均溫度由布置在熱端表面的6個(gè)監(jiān)測熱電偶的溫度平均值計(jì)算所得，從圖7中可以看出，表面平均溫度隨入口處進(jìn)氣溫度的升高而升高，在進(jìn)氣溫度600℃、流量值325 kg/h時(shí)，熱端表面平均溫度最大達(dá)到220℃。由試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著進(jìn)氣流量增大，流量在325 kg/h時(shí)表面平均溫度低于流量275 kg/h時(shí)表面溫度，這是因?yàn)檫M(jìn)氣流量增大到一定值時(shí)，雖然通道內(nèi)部的廢氣平均流速增加，但在通道肋片附近氣體會(huì)發(fā)生堵塞，流速降低，惡化氣體與肋片的換熱，從而使TEG裝置熱端表面溫度下降。

熱電模塊熱端表面平均溫度減去冷端表面平均溫度為冷熱端溫差，溫差大小隨進(jìn)氣溫度和流量的變化如圖8所示。

從圖8可知，熱電模塊冷熱端溫差變化與熱端表面平均溫度隨進(jìn)氣溫度、流量變化情況大致相同。為維持模塊兩端較大的溫差，模塊的冷端應(yīng)保持較低溫度，同時(shí)降低冷卻水的熱負(fù)荷，減少冷卻水散熱所消耗的功率，所以冷卻水帶走的熱負(fù)荷量是表征TEG系統(tǒng)冷端性能的重要指標(biāo)。冷卻水熱負(fù)荷量隨進(jìn)氣溫度和流量變化如圖9所示。

由圖9可以看出，冷卻水的熱負(fù)荷隨TEG裝置進(jìn)氣溫度、流量的變化情況與熱端溫度等隨進(jìn)氣溫度、流量變化情況大致相同。綜合分析可知，為提高冷熱端溫差，一方面要增強(qiáng)高溫排氣對(duì)熱端表面的換熱，提高熱端表面溫度；另一方面要減少熱端對(duì)冷端的傳熱和冷卻水的熱負(fù)荷，降低冷端表面溫度。

5 仿真模擬

為模擬TEG裝置內(nèi)流體速度場以及TEG裝置流體和熱端溫度分布情況，使用三維CFD仿真軟件對(duì)TEG裝置進(jìn)行傳熱計(jì)算，分析流場及溫度場的分布，提出TEG裝置的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。

因TEG裝置的結(jié)構(gòu)尺寸較大，為簡化仿真計(jì)算，對(duì)稱選取TEG裝置的1/8部分計(jì)算，模型網(wǎng)格劃分如圖10所示。

模型分為流體域和固體域兩部分，設(shè)置以中心線為旋轉(zhuǎn)軸，45°為一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期，旋轉(zhuǎn)360°的周期性網(wǎng)格，這樣就完成了整個(gè)TEG熱端模型的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)目在173萬左右。利用ANSYS Fluent進(jìn)行TEG裝置流固耦合傳熱計(jì)算，以流量邊界和壓力邊界分別設(shè)置模型的進(jìn)出口以及熱端表面和流道表面的熱邊界條件，計(jì)算結(jié)果如圖11和圖12所示。

由圖11可以看出，在模型上表面即TEG裝置的熱端表面，溫度由內(nèi)向外逐漸降低，表面溫度最高點(diǎn)在表面大約2/3處；流體域入口初段存在一個(gè)低溫區(qū)，導(dǎo)致熱端前表面溫度較低，此區(qū)域是需要改進(jìn)的流體域。

如圖12所示，在模型的速度場中，在流體域前半部分存在一個(gè)低速區(qū)域，由傳熱學(xué)分析可知，低速區(qū)域是導(dǎo)致相應(yīng)區(qū)域低溫的原因，也是需要改進(jìn)的區(qū)域；另外，在流體域和固體域交界前半部分有明顯回流，回流會(huì)導(dǎo)致溫度降低，弱化此部分換熱；因?yàn)榱魉偬岣吣茉鰪?qiáng)流體與固體間換熱，所以提高流體域肋片部分流體的總體速度也是改進(jìn)TEG裝置需要考慮的因素。

Research on Thermoelectric Power Generation Technology Utilizing Automobile Engine Exhaust Heat

Tu Xiaoliang Ni Jimin Shi Xiuyong
（Tongji University）

In this research,a thermoelectric power generation device which uses exhaust gas of vehicle engine as hot source and circulated cooling water as cold source is designed,this device outputs electric power under the thermoelectric effect power generation theory,i.e.the Seebeck Effect.The effect of design parameters of this device structure on thermoelectric performance is analyzed,and the influence of temperature and flow rate of intake gas on the output performance of TEG device is verified through experiments.The paper also uses simulation software to analyze temperature field and velocity pressure field when automobile exhaust gas flows through this device and proposes ways to improve the output performance and efficiency of TEG device.

Exhaust system,Thermoelectricity power generation,Intake air temperature, Intake air flow,Output performance

排氣系統(tǒng) 溫差發(fā)電 進(jìn)氣溫度 進(jìn)氣流量 輸出性能

U464.134

A

1000-3703（2015）04-0022-04