汽車廢熱的轉(zhuǎn)換利用裝置設(shè)計(jì)

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，節(jié)能減排以及開(kāi)發(fā)新能源都已經(jīng)成為當(dāng)前人類科學(xué)研究的重點(diǎn)。汽車工業(yè)需要消耗大量的能源，在現(xiàn)有熱電材料的限制下，要想把溫差發(fā)電技術(shù)廣泛地應(yīng)用于汽車行業(yè)，那么我們就只能從結(jié)構(gòu)入手提高溫差發(fā)電器的轉(zhuǎn)換效率以期望達(dá)到裝車所需要的要求。本設(shè)計(jì)就是從結(jié)構(gòu)上對(duì)一種平板式溫差發(fā)電器進(jìn)行研究，對(duì)溫差發(fā)電器的發(fā)電模塊的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：廢氣余熱 溫差發(fā)電 溫差發(fā)電模塊 散熱模塊

一、緒論

從目前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的熱平衡來(lái)看，只有30%～45%（柴油機(jī)），20%～30%（汽油機(jī)）的燃燒能量被有效地轉(zhuǎn)換為有效功，剩下的被以余熱的形式排出車外，主要包括循環(huán)冷卻水帶走的熱量和尾氣帶走的熱量。汽車余熱的利用具有鮮明的特點(diǎn)和特殊的要求，簡(jiǎn)單歸納如下：（1）汽車余熱的品位低，能量回收較困難；（2）余熱利用裝置要求簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，效率高；（3）不能影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性，不能降低發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

二、溫差發(fā)電的基本原理及在汽車上的應(yīng)用

（一）溫差發(fā)電的基本理論框架

溫差發(fā)電是兩種不同材料的導(dǎo)體，在它們所構(gòu)成的回路中，如果在兩個(gè)接觸點(diǎn)位置出現(xiàn)溫度（T1和T2）不同的情況下，那么在A，B所構(gòu)成的回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。上述現(xiàn)象最早是由德國(guó)物理學(xué)家塞貝克發(fā)現(xiàn)的，所以人們把它叫做塞貝克效應(yīng)，它的出現(xiàn)為溫差發(fā)電技術(shù)的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在一般情況下塞貝克系數(shù)的值都是很小的，所以它的常用單位是V/K，從塞貝克效應(yīng)的定義中可以得出塞貝克系數(shù)也是分正負(fù)的。所以導(dǎo)體A和B的熱電特性決定塞貝克系數(shù)的數(shù)值及正負(fù)，溫差的大小和方向與塞貝克系數(shù)的數(shù)值及正負(fù)沒(méi)有任何關(guān)系。

（二）汽車上的溫差發(fā)電技術(shù)

溫差發(fā)電技術(shù)的主要問(wèn)題表現(xiàn)在以下的兩個(gè)方面：

一是由于沒(méi)有充分地利用熱源與冷源所導(dǎo)致傳熱不合理。在當(dāng)下的傳統(tǒng)的溫差發(fā)電裝置僅僅利用了絕少一部分余熱與裝置內(nèi)表面之間的傳熱量，其余大部分能量仍然沒(méi)有得到利用，使得現(xiàn)有的溫差發(fā)電裝。二是通道的結(jié)構(gòu)不合理，功率密度比較低。采用比較先進(jìn)的HZ一14模塊平面排列，那么需要表面積為0.283才能輸出1KW的功率。所以溫差發(fā)電裝置的功率和體積比也就僅僅是相當(dāng)于其功率置的熱效率低下。與上下表面積之比，可以知道如果這個(gè)比值過(guò)小的話就不會(huì)有任何意義。

（三）溫差發(fā)電的半導(dǎo)體材料

首先介紹，目前廣泛應(yīng)用的溫差發(fā)電組件大多選擇采用的就是它了，這主要是歸結(jié)于以下優(yōu)點(diǎn)：因?yàn)槟壳暗膽?yīng)用條件大多是在低溫條件，而它又是在常溫下ZT值最高的固體塊狀溫差發(fā)電材料，在制冷器和低溫溫差發(fā)電器上都有廣泛的運(yùn)用。在熱電材料沒(méi)有取得實(shí)際性進(jìn)展之前，研究新的材料制備方法和工藝可能是有效改善改進(jìn)材料性能的途徑。在400K到700K的中溫段溫差發(fā)電器主要采用的是PbTe。700K以上的高溫段溫差發(fā)電主要采用的是SiGe。

三、溫差發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（一）溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)方案

平板式溫差發(fā)電器：由于汽車排氣管均為圓形和橢圓形，通常將排氣管設(shè)計(jì)成寬大的方形結(jié)構(gòu)，可利于發(fā)電器熱端蓄熱以及溫差發(fā)電組件的布置，并且在方形管內(nèi)部增加小突起結(jié)構(gòu)，加大與尾氣的對(duì)流換熱，從而提高發(fā)電器熱端換熱量，兩端通過(guò)與法蘭與排氣管連接。平板式溫差發(fā)電器可以使用普通的材料散熱器作為其發(fā)電器的冷卻系統(tǒng)，通過(guò)與空氣的對(duì)流換熱來(lái)達(dá)到降低溫度為目的。

（二）本設(shè)計(jì)方案確定

考慮到平板式溫差發(fā)電器較其他結(jié)構(gòu)形式的溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，零部件少，制造工藝簡(jiǎn)單且成本不高，后續(xù)維修方面也方便，而且在矩形的廢氣通道上便于布置溫差發(fā)電模塊，在和指導(dǎo)老師討論后，本設(shè)計(jì)決定采用平板式溫差發(fā)電器。

（三）通水管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，利用溫差發(fā)電器件實(shí)現(xiàn)汽車尾氣溫差發(fā)電的難點(diǎn)和關(guān)鍵在于如何最大化建立各個(gè)溫差發(fā)電器的冷熱端實(shí)際溫差，但實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)表明，相同條件下，冷源采用小型化設(shè)計(jì)更有利于溫差發(fā)電器件的冷面和冷源表面的接觸和散熱，能建立更大的溫差以提高溫差發(fā)電系統(tǒng)的系能，本文考慮上述三種不同結(jié)構(gòu)冷卻源結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性能和制造成本，最終選擇了單列式的冷源結(jié)構(gòu)作為冷卻水箱，即在溫差發(fā)電器的廢氣管道的每一個(gè)面的熱電模塊上都有兩塊冷卻水箱對(duì)其進(jìn)行冷卻。

（四）小結(jié)

在熱電材料沒(méi)有取得突破性進(jìn)展之前，對(duì)熱電裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究仍然是重點(diǎn)，本設(shè)計(jì)雖然在溫差發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化上提出了一些創(chuàng)新改動(dòng)，但是由于條件限制，溫差發(fā)電技術(shù)設(shè)計(jì)到多個(gè)學(xué)科，對(duì)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)水平要求較高，本人知識(shí)水平非常有限可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)出現(xiàn)許多不足或需要改善的地方。