利用回收尾氣發(fā)電制冷的汽車主動式熱電空調(diào)性能研究

袁曉紅， 徐 斌， 蔣易強(qiáng)， 蔡 燦

(1.樂山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系， 四川 樂山 614000； 2.武漢大學(xué)動力與機(jī)械學(xué)院， 湖北 武漢 430072)

汽車及其他大型車輛的迅速增長，使得CO2排放問題得到了越來越多的關(guān)注。由于傳統(tǒng)化石燃料在汽車發(fā)動機(jī)中的使用熱效率較低，將近55%～80%的能量被浪費在冷卻水和汽車尾氣排放上。這不僅造成了較大的能源浪費，同時也大大增加了有害物質(zhì)的排放。因此，為了緩解汽車環(huán)境污染問題，提高能源的利用效率，熱電熱回收技術(shù)被逐漸引用至汽車領(lǐng)域，并得到許多學(xué)者的關(guān)注。同其他廢熱回收技術(shù)相比，熱電熱回收技術(shù)具有無運動原件、結(jié)構(gòu)緊湊、耐用性好、環(huán)境友好等優(yōu)點，是汽車尾氣余熱回收技術(shù)的重要研究方向之一，具有較大的市場前景[1-6]。

在此之前，國內(nèi)外已經(jīng)有一些學(xué)者對汽車尾氣熱電回收技術(shù)進(jìn)行了探索，并取得了一些成果。Orr等對汽車熱電耦合熱管回收系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)熱管能夠有效減小熱阻，提高熱電發(fā)電系統(tǒng)的整體效率[2]。Meng等依據(jù)熱電熱回收系統(tǒng)的物理模型，優(yōu)化分析了在有限尺寸下的系統(tǒng)性能，結(jié)果表明熱電冷熱端溫差的不均勻性對系統(tǒng)性能影響很大[7]。涂小亮等[8-9]實驗分析了發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)對熱電性能的影響，提出了提高發(fā)電裝置輸出性能及效率的優(yōu)化方案。

就國內(nèi)外研究來看，目前對汽車熱電熱回收系統(tǒng)的研究較多，主要集中在熱電系統(tǒng)傳熱強(qiáng)化以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化上，而對汽車尾氣發(fā)電直接驅(qū)動熱電制冷的研究還鮮見報道。同時，以往的研究也并未考慮室外以及車內(nèi)環(huán)境溫度差異對系統(tǒng)的影響。因此，本文提出了一種汽車主動式熱電空調(diào)，利用尾氣余熱發(fā)電驅(qū)動熱電制冷片制冷，并且建立了該主動式熱電空調(diào)的熱力學(xué)模型，研究了不同廢氣溫度、室外環(huán)境溫度以及車內(nèi)溫度需求下該系統(tǒng)的工作性能，為實際應(yīng)用提出了建議。

1 主要結(jié)構(gòu)及熱力學(xué)模型

1.1 主動式熱電空調(diào)系統(tǒng)

該汽車主動式熱電空調(diào)主要由熱電制冷片(TEC)和熱電發(fā)電片(TEG)組合而成，其主要原理如圖1所示。熱電發(fā)電片一端布置在圓形排氣通道上，另一端通過換熱器與室外空氣接觸。由于熱電發(fā)電片的兩端有較大的溫差，根據(jù)半導(dǎo)體溫差發(fā)電原理，TEG能夠進(jìn)行發(fā)電。在發(fā)電的過程中，TEG一端能夠?qū)U氣中的熱能吸收，回收廢氣中的浪費熱(熱端)，另一端將多余的能量排放到大氣中(冷端)，產(chǎn)生的電能通過電線供給熱電制冷片，使得熱電制冷片能夠進(jìn)行制冷。熱電制冷片一側(cè)經(jīng)由換熱器和室內(nèi)環(huán)境接觸(冷端)，另一側(cè)經(jīng)由換熱器和室外環(huán)境接觸(熱端)。當(dāng)TEG供應(yīng)的電流流經(jīng)TEC，TEC能夠在冷端不斷吸收車內(nèi)環(huán)境中的熱能，降低車內(nèi)溫度，以實現(xiàn)夏季降溫的目的，并且通過TEC熱端將多余的能量排到大氣中。

圖1 主動式熱電空調(diào)系統(tǒng)原理示意圖

1.2 熱力學(xué)模型

為了簡化熱電制冷系統(tǒng)的理論分析，不考慮制冷片以及風(fēng)道能量損失。假設(shè)與熱電制冷片和熱電發(fā)電片冷熱端相接觸的換熱器熱導(dǎo)系數(shù)分別為KL1、KL0、KH1以及KH0,則熱電發(fā)電片的熱平衡方程為：

(1)

(2)

熱電制冷片的熱平衡方程為：

(3)

(4)

式(1)—(4)中：變量Qg,c,Qg,h分別為熱電發(fā)電片冷端散熱量和熱端吸熱量，單位為W；變量Qc,h,Qc,c分別為熱電制冷片熱端的散熱量和冷端制冷量，單位為W；變量Tg,h,Tg,c,Tc,h,Tc,c分別代表熱電發(fā)電片的熱端溫度、冷端溫度和熱電制冷片的熱端溫度以及冷端溫度，單位為K；變量S、K、R分別表示熱電片的賽貝克系數(shù)(V/K)、總熱導(dǎo)(W/K)和總電阻(Ω)，其中下角標(biāo)g表示發(fā)電片，c表示制冷片；I表示熱電發(fā)電片的發(fā)電電流，單位為A；變量KH1、KH0、KL1、KL0 分別代表熱電發(fā)電片冷端熱導(dǎo)、熱端熱導(dǎo)和熱電制冷片的熱端熱導(dǎo)、冷端熱導(dǎo)，單位為W/K；車內(nèi)需要控制的環(huán)境溫度TL0，尾氣排氣溫度TH0，以及大氣環(huán)境溫度Ta，單位均為K。

由于制冷片的電能是由發(fā)電片供應(yīng)，因此根據(jù)能量守恒定律，可知二者電壓相等，即

Ug=Uc

(5)

由熱電發(fā)電片和熱電制冷片電壓公式可知：

Ug=Sg(Tg,h-Tg,c)-IRg

(6)

Uc=Sc(Tc,h-Tc,c)+IRc

(7)

由公式(5)—(7)聯(lián)立可得發(fā)電電流表達(dá)式為

(8)

為了有效顯示該主動式熱電空調(diào)的熱性能，采用制冷片制冷量Qc,c以及系統(tǒng)效率COP來表征系統(tǒng)熱性能的好壞。其中制冷片制冷量Qc,c表示制冷片從汽車車廂內(nèi)部環(huán)境中吸收的熱量；COP定義為Qc,c和發(fā)電量Qg,h的比值，其表達(dá)式如下：

(9)

2 結(jié)果和討論

在以下的數(shù)值分析中，熱電發(fā)電片和熱電制冷片換熱器的熱導(dǎo)系數(shù)如下：KH0=60 W/K,KH1=15 W/K,KL0=120 W/K,KL1=240 W/K。熱電發(fā)電片的物理參數(shù)為：Sg=0.026 V/K,Kg=1.95 W/K,Rg=0.13 Ω。熱電制冷片的物理參數(shù)為：Sc=0.026 V/K,Kc=1.95 W/K,Rc=0.13 Ω[10-11]。

2.1 尾氣溫度對熱電空調(diào)性能的影響

在工況條件Ta=303 K以及TL0=295 K下, 圖2和圖3分別顯示了發(fā)電電流、熱電制冷片制冷量Qc,c以及系統(tǒng)效率COP隨汽車尾氣溫度從400 K到600 K的變化趨勢。

圖2 發(fā)電電流隨尾氣溫度變化曲線

從圖2可以看出，隨著尾氣溫度的增大，發(fā)電電流呈現(xiàn)線性增大的趨勢。當(dāng)尾氣溫度從400 K增大到600 K時，發(fā)電電流從9.46 A變化到29.39 A。這表明尾氣溫度越大，所能回收的電能越多。換句話說，高溫的尾氣如果不加以回收利用，必然會降低發(fā)動機(jī)的熱效率。圖3表明了熱電制冷片制冷量以及系統(tǒng)效率隨尾氣溫度變化曲線。從圖中可以看出，熱電制冷片制冷量隨著尾氣溫度的增大，呈現(xiàn)近似線性增加的趨勢，與圖2相比，其增加幅度近似相同。而根據(jù)公式(4)可知，實際上制冷量與電流呈二次函數(shù)關(guān)系，但由于熱電制冷片的電阻較小，產(chǎn)生的焦耳熱遠(yuǎn)小于帕爾貼熱，因此制冷量的增加幅度并不是一樣的。同時圖3反映了系統(tǒng)效率隨尾氣溫度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在汽車尾氣溫度達(dá)到420 K時，存在最大的系統(tǒng)效率，為0.114。這主要是因為當(dāng)尾氣溫度處于相對較低的溫度時，熱電制冷片的制冷量增幅較熱電發(fā)電片的吸熱量更大，致使COP更大。而當(dāng)溫度超過420 K時，熱電發(fā)電片的熱端吸熱量比熱電制冷片的制冷量更大，因此導(dǎo)致COP越來越小。由此可見，尾氣溫度是影響主動式熱電空調(diào)的重要參數(shù)，尾氣溫度能夠有效改善熱電空調(diào)的性能。

圖3 熱電制冷片制冷量以及系統(tǒng)效率隨尾氣溫度變化曲線

2.2 室外環(huán)境溫度對熱電空調(diào)性能的影響

在工況條件TH0=400 K以及TL0=295 K下, 圖4和圖5分別顯示了發(fā)電電流、熱電制冷片制冷量Qc,c以及系統(tǒng)效率COP隨室外環(huán)境溫度從29 ℃到35 ℃的變化趨勢。

由圖4和圖5可知，發(fā)電電流、制冷量以及系統(tǒng)效率均隨室外環(huán)境溫度的增大而呈現(xiàn)線性減小的趨勢。從圖4來看，當(dāng)室外環(huán)境溫度從29 ℃變化到35 ℃，發(fā)電電流從9.63 A減小到8.63 A。這主要是因為環(huán)境溫度的增高，導(dǎo)致熱電發(fā)電片和熱電制冷片同環(huán)境的換熱能力下降。正如圖5所示，在換熱器與環(huán)境熱導(dǎo)不變的條件下，環(huán)境溫度越高，熱電制冷片的制冷量逐漸下降，同環(huán)境的熱交換能力也越差。因此導(dǎo)致熱電發(fā)電片的發(fā)電量減弱，發(fā)電電流也逐漸減小。由圖5可以看出，由于發(fā)電電流減小，熱電制冷片的制冷量逐漸減弱，制冷量從28.68 W/29℃減小到19.08 W/35℃。對應(yīng)的系統(tǒng)效率也從0.12減小到0.08。很明顯，環(huán)境溫度對熱電制冷片和熱電發(fā)電片的正常工作都有很大的影響，通過影響散熱端進(jìn)而間接影響整個熱電系統(tǒng)性能。

圖4 發(fā)電電流隨室外環(huán)境溫度變化曲線

圖5 熱電制冷片制冷量以及系統(tǒng)效率

2.3 車內(nèi)溫度對熱電空調(diào)性能的影響

在工況條件THO=400 K以及Ta=303 K下, 圖6和圖7分別顯示了發(fā)電電流、熱電制冷片制冷量Qc,c以及系統(tǒng)效率COP隨車內(nèi)需求溫度從18 ℃到25 ℃的變化趨勢。

圖6 發(fā)電電流隨車內(nèi)溫度變化曲線

由圖6—7可知，隨著車內(nèi)需求溫度的升高，發(fā)電電流、熱電片制冷量以及系統(tǒng)效率也隨之增加，表明要維持室內(nèi)較低的溫度時，其對應(yīng)的發(fā)電電流、制冷量以及系統(tǒng)效率都較小。從圖6來看，在車內(nèi)需求溫度從18 ℃升高到25 ℃過程中，發(fā)電電流從9.21 A增長到9.65 A。很明顯，相比較于圖2，發(fā)電電流的變化并不大。而從圖7來看，最大系統(tǒng)效率和最小系統(tǒng)效率僅差0.038。這主要是由于熱電發(fā)電片兩端的冷熱源溫度不變，發(fā)電片冷熱端溫度變化也并不大，因此產(chǎn)生的發(fā)電電流差異較小，使得熱電發(fā)電片的吸熱量和熱電制冷片的制冷量變化不顯著，進(jìn)而導(dǎo)致整個熱電制冷系統(tǒng)效率變化差異較小。

圖7 熱電制冷片制冷量以及系統(tǒng)效率隨車內(nèi)溫度變化曲線

2.4 可行性分析

根據(jù)前面分析可知，單個熱電發(fā)電片驅(qū)動熱電制冷片工作所能產(chǎn)生的最大制冷量為80 W左右，制冷量相對較小，因此為了提高制冷量，滿足更大的制冷需求，常常利用若干個發(fā)電片驅(qū)動一個制冷片形成一個主動式熱電空調(diào)單元，此時應(yīng)滿足以下電流公式：

Ic=nIg

(10)

式中，Ic和Ig分別代表熱電制冷片和熱電發(fā)電片的電流，單位為A。

熱電發(fā)電片(TEG)和熱電制冷片(TEC)的連線如圖8所示，可知若干個熱電發(fā)電片發(fā)電供應(yīng)一個熱電制冷片制冷。

圖8 TEC-TEG連線示意圖

圖9顯示了在條件工況條件THO=400 K,THL0=295 K以及Ta=303 K下,熱電制冷片制冷量以及系統(tǒng)效率隨熱電發(fā)電片的數(shù)目n的變化曲線。從圖9可以看出，隨著n的增加，制冷量和系統(tǒng)效率都呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，存在最優(yōu)的n使得制冷量和系統(tǒng)效率達(dá)到最大。當(dāng)n=6時，達(dá)到最大制冷量以及最大系統(tǒng)效率，分別為109.92 W和0.46。

圖 9 熱電制冷片制冷量以及系統(tǒng)效率隨TEG

3 結(jié)論

本文提出了一種汽車主動式熱電空調(diào)，利用尾氣余熱發(fā)電驅(qū)動熱電制冷片制冷，對汽車室內(nèi)進(jìn)行供冷，并且建立了該主動式熱電空調(diào)的熱力學(xué)模型，研究了不同室內(nèi)環(huán)境溫度、不同廢氣溫度以及不同室內(nèi)溫度需求下，該系統(tǒng)的工作性能，得到如下的結(jié)論：

1)利用熱電發(fā)電片對汽車高溫尾氣進(jìn)行熱回收發(fā)電，然后驅(qū)動熱電制冷片實現(xiàn)汽車制冷需求具有很好的可行性，能較大提高汽車發(fā)動機(jī)的熱效率。

2)主動式熱電空調(diào)性能受室外環(huán)境溫度、廢氣溫度以及室內(nèi)環(huán)境溫度多種因素的影響，其中尾氣溫度對發(fā)電電流以及制冷量的影響較大。

3)隨著環(huán)境溫度的增加，發(fā)電電流、制冷量、系統(tǒng)效率減小，而隨著車內(nèi)需求溫度的增加，發(fā)電電流、制冷量、系統(tǒng)效率增大。

4)增加熱電發(fā)電片能夠有效提高制冷量和系統(tǒng)效率，n=6時，達(dá)到最大制冷量以及最大系統(tǒng)效率，分別為109.92 W和0.46。