基于汽車尾氣余熱均衡散熱與聚合氣流螺旋遇冷溫差發(fā)電裝置設(shè)計(jì)

陸小波　張旭賢　李磊　宋榮榮　王利君　羅勇

【摘 要】為了探究一種高效風(fēng)冷式汽車尾氣余熱溫差發(fā)電裝置，設(shè)計(jì)一種汽車尾氣余熱均衡散熱與聚合氣流螺旋遇冷溫差發(fā)電裝置。本文通過建立模型試驗(yàn)，測試江淮皮卡汽車發(fā)動機(jī)在不同負(fù)荷下，排氣管道散熱量，并對最高負(fù)荷下，排氣管道高溫散熱進(jìn)行處理，將整個(gè)排氣管道溫度恒定140°C ～300°C。調(diào)試汽車發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)速4000r/min，對排氣管內(nèi)管道散熱處理后，通過測試風(fēng)冷式管道裝置在不同空氣流速梯度下，管徑收縮及氣流流態(tài)對溫差發(fā)電器件遇冷測試，并建立小型數(shù)據(jù)庫，對比數(shù)據(jù)，分析裝置風(fēng)冷式效果實(shí)驗(yàn)參數(shù)。結(jié)果顯示，風(fēng)冷式排氣管道溫差發(fā)電裝置，有效提高溫差發(fā)電器件溫差，達(dá)到高效率發(fā)電目的。

【關(guān)鍵詞】溫差發(fā)電 聚合氣流 螺旋風(fēng)管 流線型 “V”型聚風(fēng)面板

目前市場汽車供電設(shè)備大多依賴于發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)消耗發(fā)動機(jī)動能，從而間接增加汽車油耗。針對汽車尾氣余熱溫差發(fā)電，水冷需要接入循環(huán)水冷系統(tǒng)[1]，其裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)成本較高，水冷循環(huán)運(yùn)作穩(wěn)定性較差。風(fēng)冷式溫差發(fā)電裝置研發(fā)正在起步階段，本設(shè)計(jì)方案立足于風(fēng)冷式裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化，可高效利用汽車尾氣余熱，將其轉(zhuǎn)換為可穩(wěn)定回收，再利用的電能，可以替換部分汽車發(fā)電機(jī)，可間接減少油耗。最終研制了一套結(jié)構(gòu)合理、性能優(yōu)異、余熱溫差發(fā)電效果較明顯的裝置。

1研究背景

由汽車燃油總能量分配得知，汽車發(fā)動機(jī)動力輸出占燃油燃燒總熱量的25%～42%，其余以廢熱形式從冷卻水和尾氣等中排出。車外的能量占燃燒總能量的58%～75%，這不僅是一種能量浪費(fèi)，同時(shí)也會造成一定程度的大氣熱污染[2]。汽車尾氣余熱具有溫度高、壓強(qiáng)大、流速快的特點(diǎn)，汽車能量損耗以尾氣熱量為主。

目前汽車尾氣余熱溫差發(fā)電存在溫差發(fā)電模塊本身發(fā)電率低，溫差發(fā)電裝置整體效率低，裝置在汽車行駛中穩(wěn)定性較差，冷端散熱效果較低等問題。

2聚合氣流風(fēng)冷技術(shù)原理

改變排氣管內(nèi)壁熱量條件，致使尾氣余熱均勻散熱，使溫度恒定160～290°C，滿足溫差發(fā)電器件最大容許高溫條件。排氣管道內(nèi)高溫氣流溫度梯度大（60～500°C），溫差發(fā)電器件的容許高溫側(cè)溫度300°C，適宜安裝溫差發(fā)電器件管道長度有限，因此，通過設(shè)計(jì)組裝三種金屬管材（內(nèi)管），包裹不定層數(shù)隔熱材料，改變排氣管內(nèi)壁熱量條件，至均勻散熱，促使溫度恒定160～290°C。依據(jù)不同類型汽車的用電需求，可適度改變汽車排氣管道內(nèi)徑，或適宜加長管道長度，改變排氣管道結(jié)構(gòu)，可安裝較多的溫差發(fā)電器件。

通過設(shè)計(jì)流線型螺旋風(fēng)管管道外殼，套裝內(nèi)管道，聚合螺旋氣流，加快雙管間空氣流速與溫差發(fā)電器件一側(cè)溫度交換，提高風(fēng)冷效果。汽車行駛時(shí)，當(dāng)空氣流速恒定，氣流進(jìn)入聚風(fēng)管流量一定，當(dāng)氣流進(jìn)入雙層管道間，聚風(fēng)管管口截面積是雙層管道的2倍以上，雙層管道間氣流急劇加快，氣流沿流線型外管壁流動，加快螺旋氣流分子與溫差發(fā)電器件遇冷側(cè)面的碰撞，提高遇冷效果，增大溫差發(fā)電器件兩側(cè)產(chǎn)生溫差，提高溫差發(fā)電器件發(fā)電功率。

通過汽車排氣管與螺旋風(fēng)管間氣流交換裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可分部定段安裝多個(gè)冷熱氣流換氣裝置。該裝置可排出前段較熱空氣流，聚合外界冷空氣，沖進(jìn)后段雙管道間，達(dá)到較長雙管道間冷熱氣流交換的目的，提高風(fēng)冷效果。

3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1雙層排氣管道裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該裝置排氣內(nèi)管分為三段，與發(fā)動機(jī)處三分之一段采用隔熱材料包裹，或雙層真空管道；中間三分之一段采用保溫較好的管材；末尾三分之一段采用散熱性較好的鋁合金管材。通過不同材質(zhì)管道連接，使排氣管內(nèi)管道散熱溫度恒定在160-290°C間。雙層排氣管道裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2雙層排氣管道裝置局部分解

裝置熱電系統(tǒng)采用熱電器件串聯(lián)（4-6個(gè)）模塊，將各個(gè)串聯(lián)模塊并聯(lián)，與回收系統(tǒng)連接，將大電流儲存于蓄電裝置中。排氣管口徑較小，采用規(guī)格為20*40*3.2mm溫差發(fā)電器件，其規(guī)格：最大耐溫：300°C；最大發(fā)電電壓3.18V （溫差為120°C）；最大短路電流：525mA （溫差為120℃）；芯片內(nèi)阻：1.8Ω。

3.2.1雙排氣管道裝置設(shè)計(jì)截面圖示分析

方案一：目前市場現(xiàn)有溫差發(fā)電器為塊狀，粘貼于排氣管曲面，對熱量的傳遞，安裝運(yùn)作的穩(wěn)定性影響較大，因此，研制一定規(guī)格圓弧形溫差發(fā)電器件。依據(jù)設(shè)計(jì)要求，溫差發(fā)電器件要求廠家制作成曲面形狀，曲面長度40mm，弧度長度依據(jù)廠家可制作性，設(shè)計(jì)制作目標(biāo)：2～5段均勻的等弧長，拼接成一個(gè)完整的圓狀（設(shè)計(jì)排氣管內(nèi)徑），包裹內(nèi)管道。環(huán)形溫差發(fā)電器件安裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。

方案二：由于市場現(xiàn)有溫差發(fā)電器件均為塊狀，設(shè)計(jì)排氣管截面形狀，且不改變汽車原排氣管管徑、長度、結(jié)構(gòu)。內(nèi)管壁中設(shè)計(jì)真空層，使高溫隔熱降低至290°C以下，前段減少尾氣熱量流失，提高后段管道溫度。

排氣內(nèi)管1橫截面呈外切的邊數(shù)大于6的等邊內(nèi)圓管；排氣內(nèi)管1外壁上依次設(shè)置著至少一層陶瓷纖維紙2、均勻涂布的導(dǎo)熱硅膠層3以及均布粘接著的溫差發(fā)電元器件5；在排氣內(nèi)管1外部設(shè)置著呈流線型聚風(fēng)裝置4、6、10。原排氣管道內(nèi)高溫氣流溫度梯度大，銜接不同的管材，降低進(jìn)氣管道散熱，提高尾管道溫度，使前段高溫測熱量不易過早散發(fā)，而流通到中后段管道 ，即可輕度改變尾氣余熱散熱溫度均衡，適度均衡散熱。如雙層排氣管道裝置各部位斷面結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖B-B：裝置與發(fā)動機(jī)連接段斷面，設(shè)計(jì)安裝“V”型聚風(fēng)面板；

圖A-A：裝置中間管道斷面，設(shè)計(jì)安裝螺旋風(fēng)管及冷熱氣流換氣裝置；

圖C-C：裝置尾段斷面，設(shè)計(jì)安裝半“V”型聚風(fēng)面板。

3.2.2雙排氣管道外聚風(fēng)裝置局部設(shè)計(jì)

汽車行駛時(shí)，采用聚合氣流加速旋轉(zhuǎn)空氣式理念，提高溫差發(fā)電器件一側(cè)遇冷效果，增大溫差，高效發(fā)電。聚風(fēng)裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。

螺旋風(fēng)管由高纖維塑料或不銹鋼金屬材料制成，螺旋風(fēng)管上的螺紋間距為等梯度增加。各個(gè)外殼管道曲面光滑，顯流線型。管質(zhì)選材為高纖維塑料或不銹鋼金屬材料。

圖5螺旋風(fēng)管：前口內(nèi)徑與后口內(nèi)徑比為1：1.5～1：3；冷熱氣流換氣裝置：中圓臺形換氣風(fēng)管8、9，前口的內(nèi)徑與后口內(nèi)徑比為1：2～1：4。中圓臺形換氣風(fēng)管8、9前口為缺口環(huán)狀，8、9部位斜截面銜接處為封閉斷面，達(dá)到前半段雙層管道間遇冷氣流從9部位出，后半段冷空氣從8部位進(jìn)。

通過汽車排氣管與螺旋風(fēng)管間氣流交換裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可分部定段安裝多個(gè)冷熱氣流換氣裝置。

冷熱氣流換氣裝置目的：為達(dá)到較長排氣管道溫差發(fā)電器件較好的遇冷效果，分布定點(diǎn)安裝冷熱氣流換氣裝置。聚風(fēng)管與疏風(fēng)管道可排出前段較熱空氣流，聚合外界冷空氣，沖進(jìn)后段雙管道間，達(dá)到較長雙管道間冷熱氣流交換的目的，提高風(fēng)冷效果，增大溫差，提高溫差發(fā)電效率。如冷熱氣流換氣裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示。

4仿真模擬實(shí)驗(yàn)

4.1排氣管內(nèi)管道散熱分析計(jì)算

查閱《傳熱學(xué)》，得知排氣管內(nèi)管壁熱傳導(dǎo)的傳熱熱阻r：

排氣管外形由支管道、彎管、消聲器等一些裝置構(gòu)成，發(fā)動機(jī)排出尾氣流過排氣管內(nèi)管道拐彎處，氣流沿管壁發(fā)生改變。通過查閱《傳熱學(xué)手冊》，得知廢氣與管道內(nèi)壁之間的對流換熱系數(shù)：

排氣管內(nèi)管取單位長度 氣體微元，溫度 ，該處管道外壁的溫度為 ，氣流流速V，管壁傳遞熱量，該微元段移動下一位置時(shí)，溫度下降為 。

4.2排氣管內(nèi)管道均衡散熱方案測試

實(shí)驗(yàn)采用江淮汽車（JAC），進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及模擬實(shí)驗(yàn)。汽車發(fā)動機(jī)四缸汽油機(jī)型號：GW491Q；最大凈功率74kW（3200r/min）；排量為2237ml。采用紅外熱像儀測試發(fā)動機(jī)在不同負(fù)荷下，排氣管外壁各個(gè)測量點(diǎn)（沿縱向等間距13cm）溫度，起點(diǎn)為排氣支管，終點(diǎn)為排氣管末端。

依據(jù)排氣管形狀結(jié)構(gòu)，對排氣管分段，通過對排氣管管道結(jié)構(gòu)、尺寸測量，按照一定比例值繪制圖紙如圖7所示。調(diào)試發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為：750r/min、2000r/min、3000r/min、4000r/min工況下測定各管道分段點(diǎn)溫度，各轉(zhuǎn)速對應(yīng)測量點(diǎn)溫度如表1所示。

通過紅外熱像儀排氣管溫度場分布測試試驗(yàn)由上述實(shí)驗(yàn)看出，汽車發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在750～4000r/min間，排氣管道溫度曲線波動較大，高低溫落差較大，溫度差值219.5～267.1°C。汽車在正常行駛過程中，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不超過3500r/min，為防止汽車排氣熱負(fù)荷過高，超出溫差發(fā)電器件最大溫度極限值，因此，對排氣管散熱處理進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)中，只分析發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在4000r/min時(shí)，排氣管管材設(shè)計(jì)及隔熱材料包裹層數(shù)。調(diào)試發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為4000r/min，采用對排氣管道均衡散熱處理方案，溫度分布曲線緩慢、平穩(wěn)下降，最高溫度293°C，最低溫度154.7°C溫度差值138.3°C。對比實(shí)驗(yàn)分析得知，內(nèi)管道散熱處理方案有效降低排氣管高低溫落差，中后段內(nèi)管道溫度明顯增大，達(dá)到高溫?zé)釟饬髟谡麄€(gè)管道均衡散熱的目的，提高溫差發(fā)電器件安裝數(shù)量。

4.3模擬風(fēng)冷裝置各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)數(shù)據(jù)采集及分析

本次實(shí)驗(yàn)測試車速與風(fēng)速之間的關(guān)系，為后續(xù)模擬實(shí)驗(yàn)提供參數(shù)依據(jù)。如表2所示。

通過測試排氣管道高溫測溫度為260°C時(shí)，進(jìn)風(fēng)口與雙層管道截面面積變化對空氣流速影響。排氣管道內(nèi)管直徑為4.82mm，按照設(shè)計(jì)要求，前風(fēng)口直徑12cm，面積37.68平方厘米，收縮后直徑10 cm，面積31.4平方厘米，雙層管道間截面積9.42平方厘米。前進(jìn)風(fēng)口截面積是雙層管道間截面積的2倍、4倍。本實(shí)驗(yàn)以內(nèi)管道散熱溫度260°C計(jì)算，3D打印一段仿真裝置進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

當(dāng)風(fēng)流量一定時(shí)，風(fēng)速與風(fēng)管截面積成反比，即是風(fēng)速越高，則風(fēng)管截面積越小，在模擬實(shí)驗(yàn)中，聚風(fēng)管口截面積為雙層管道間截面積的2-4倍，如表3中兩條折線，管道間與進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速比值減小，由于高氣流受到管道結(jié)構(gòu)阻礙產(chǎn)生壓力，氣流改向四周擴(kuò)散，對風(fēng)速有影響。此實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證聚合氣流加速空氣流動，提高溫差發(fā)電器件能量交換速率。

制作仿真模擬實(shí)驗(yàn)裝置，將6片規(guī)格為20*40*3.2mm溫差發(fā)電器件（最大耐溫300°C），按照設(shè)計(jì)要求安裝內(nèi)管道，并套裝螺旋風(fēng)管，內(nèi)管用氧焊通入熱氣流，并控制溫度為：高溫側(cè)290°C、230°C、170°C、140°C，用600W鼓風(fēng)機(jī)管口對準(zhǔn)聚風(fēng)管口，空氣流速大小通過調(diào)試兩管口間距，將風(fēng)速儀溫度感應(yīng)器放置兩管口間，調(diào)控空氣流速。雙層管道間，等梯度調(diào)控空氣流速，用紅外熱像儀測試風(fēng)冷溫度大小，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 風(fēng)速等梯度變化對不同高溫側(cè)溫差發(fā)電器件風(fēng)冷效果影響試驗(yàn)

如表4所示，排氣管雙層管道間空氣流速等梯度增大，溫差發(fā)電器件遇冷側(cè)溫度緩慢降低，高低空氣流速差值溫度變化差值：109～238.1°C，溫差增長值：6.3～200.4°C。由上述數(shù)據(jù)分析得出，排氣管溫度較高部位產(chǎn)生溫差值相對較大；當(dāng)高溫側(cè)溫度恒定，空氣流動速度越快，風(fēng)冷效果越好，溫差越大。

同等風(fēng)速條件下，平行空氣流與螺旋空氣流流態(tài)，對內(nèi)管道散熱溫度200°C，溫差發(fā)電器件遇冷溫度測試如表5所示。

由上述數(shù)據(jù)得出：同等風(fēng)速條件下，高速螺旋氣流比平行氣流遇冷效果更好，溫度差值約9°C，一定程度上提高溫差發(fā)電器件發(fā)電效率。由于風(fēng)速受雙層管道壁形狀影響，風(fēng)速越大，高速螺旋氣流遇冷效率下降，因此，最適合風(fēng)速0～30km/h，即車速：0～90 km/h。

4.4單個(gè)溫差發(fā)電器件溫差與發(fā)電量對應(yīng)參數(shù)（如表6）

測試條件：空氣溫度22.7°C，汽車排氣管總長度4.26m，采用汽車轉(zhuǎn)速為3000r/min，車速80km/h時(shí)，管道間空氣流速約40m/s，測試單個(gè)溫差發(fā)電器件（規(guī)格為20*40*3.2mm）在不同管道部位，冷熱溫度值，及輸出功率測試如表7所示。

5經(jīng)濟(jì)性分析

實(shí)驗(yàn)采用江淮汽車（JAC），進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及模擬實(shí)驗(yàn)。測試條件：空氣溫度：22.7°C，汽車排氣管總長度4.26m，采用汽車轉(zhuǎn)速為3000r/min，車速80km/h時(shí)，管道間空氣流速約40m/s，熱面溫度范圍：145.9～285.7°C，冷面溫度范圍：29～64.7°C，平均溫差178.13°C，平均溫差發(fā)電功率1.72 w，裝置可安裝溫差發(fā)電器件數(shù)，總發(fā)電功率1.69 kw。

假定汽車平均每天連續(xù)行駛6 h，平均車速80km/h，每天發(fā)電量為：

在模擬實(shí)驗(yàn)中，雙排氣管道間空氣流速明顯高于車速，風(fēng)冷遇冷效果明顯。汽車在秋冬季工作，空氣溫度低于模擬實(shí)驗(yàn)22.7°C，汽車尾氣余熱均衡散熱與聚合氣流螺旋遇冷產(chǎn)生溫差更大，發(fā)電效率更高。

6結(jié)語

本套設(shè)計(jì)裝置優(yōu)化螺旋風(fēng)管流線型外殼結(jié)構(gòu)，抗風(fēng)阻力小，螺旋氣流風(fēng)速較高，產(chǎn)生溫差較大，提高發(fā)電效率。優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)管道結(jié)構(gòu)后，可安裝較多溫差發(fā)電器件，進(jìn)一步提高發(fā)電總功率。

本套設(shè)計(jì)裝置質(zhì)量較輕、抗震穩(wěn)定性強(qiáng)、熱電模塊轉(zhuǎn)化效率高，既能達(dá)到節(jié)能、環(huán)保、安全的目的，又具有壽命期長、投資少，見效快的特點(diǎn)。本套裝置適應(yīng)汽車行駛環(huán)境的需要，可代替部分型號汽車發(fā)電機(jī)，滿足汽車用電需求。全國交通工具種類多，數(shù)量多，依據(jù)車型，據(jù)局部改進(jìn)設(shè)計(jì)裝置，可以安裝到各類不同型號的車輛，具有較好的市場推廣價(jià)值。

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