基于塞貝克效應(yīng)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)集熱器設(shè)計(jì)

楊子木

（山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，濟(jì)南 250002）

主題詞：溫差發(fā)電 流固耦合 冷卻系統(tǒng) 集熱器 能量回收

0 前言

隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，我國(guó)汽車的保有量迅速持續(xù)增加，但一直以來(lái)汽車運(yùn)行過(guò)程中都存在能量利用率低的問(wèn)題。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，蘊(yùn)含在汽車尾氣中的有30%～45%，被冷卻系統(tǒng)帶走的熱量約占30%[1]。運(yùn)用溫差發(fā)電技術(shù)，通過(guò)熱電轉(zhuǎn)化，可以有效提高能源利用率，且重型汽車因其布置空間足、尾氣流量大、行駛工況較單一等特點(diǎn)可進(jìn)一步發(fā)揮溫差發(fā)電的優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)有的系統(tǒng)問(wèn)題在于廢熱通道、換熱器等部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不夠合理，熱電模塊的連接方式不夠完善，導(dǎo)致發(fā)電效率低，能量利用率不高，忽視了冷卻系統(tǒng)中水冷端與散熱片蘊(yùn)含的可回收的豐富能量。

一方面利用廢氣與冷卻系統(tǒng)之間的溫差，產(chǎn)生塞貝克效應(yīng)進(jìn)行發(fā)電，大幅度提高兩者之間的發(fā)電效率。另一方面，利用水冷端與散熱片之間的溫差，產(chǎn)生塞貝克效應(yīng)進(jìn)行發(fā)電。兩者溫差發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合，合理設(shè)計(jì)集熱器以保持溫差，并將產(chǎn)生的電能高效轉(zhuǎn)為與車載電源相匹配的直流電能，供汽車使用，以減輕發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載。

1 設(shè)計(jì)方案構(gòu)想

商業(yè)溫差發(fā)電片在工作中達(dá)到最大輸出功率時(shí)，一般熱源和冷源溫差為333～473 K。發(fā)動(dòng)機(jī)的水冷裝置溫度大約在353～483 K之間，廢氣溫度最高可達(dá)773～873 K[2]。

綜合以上數(shù)據(jù)，提出設(shè)想如下。

1.1 溫差發(fā)電部分

在廢氣以及水冷裝置之間加裝第一部分的溫差發(fā)電裝置，如圖1所示。以廢氣端為熱源，水冷端為冷源。選用適用于該工況的溫差發(fā)電片，可以將汽車廢氣中的余熱轉(zhuǎn)換成與汽車車載電源相匹配的直流電能。

圖1 半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)示意

其中，用半導(dǎo)體材料制作溫差發(fā)電模塊，溫差發(fā)電裝置如圖2所示。發(fā)動(dòng)機(jī)提供溫度在773～873 K的廢氣作為熱源，在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上方的廢氣閥處安裝溫差發(fā)電裝置，使發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中的高溫廢氣在流經(jīng)溫差發(fā)電裝置的換熱器時(shí)，與換熱器充分接觸，提高換熱器溫度，即提高熱源溫度，吸收汽車水冷裝置的熱量。

圖2 溫差發(fā)電器

在水冷裝置處加裝第2部分的溫差發(fā)電裝置。熱源為水冷端，冷源為散熱片，采用風(fēng)機(jī)強(qiáng)制散熱，理論上此處工作溫差保持在20～30 K即可[3]，為保證熱電片的工作效率，可以使其溫差保持在40～50 K，甚至更大。

通過(guò)半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置使發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣的部分熱能轉(zhuǎn)化為與車載電源相匹配的直流電能，可用于車內(nèi)供電。對(duì)于長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)睦洳剀嚩?，此部分電可定時(shí)補(bǔ)充冷載貨車的原電瓶用電。此外，若此部分與汽車車載電源相匹配的電能儲(chǔ)存在備電系統(tǒng)，可將其作為車載電源在人為或事故不工作時(shí)和故障時(shí)啟用的第二個(gè)制冷動(dòng)力源。

1.2 集熱器部分

每一部分溫差發(fā)電裝置的熱源以及冷源應(yīng)加上集熱器，如圖3所示，使得熱源和冷源之間的溫差盡量保持恒定，從而讓發(fā)電時(shí)輸出的電動(dòng)勢(shì)保持穩(wěn)定[4]。

結(jié)合現(xiàn)有集熱器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為矩形盒結(jié)構(gòu)[1]，在此基礎(chǔ)上增加擋板。利用擋板，將集熱器中能量回收裝置的內(nèi)部空間分成有限的幾部分，其內(nèi)部擋板呈現(xiàn)集中不同的排列方式，如圖3所示。其中圖3(a)中擋板相互平行；圖3(b)中6個(gè)擋板對(duì)稱分布，對(duì)稱的2個(gè)擋板為1組，3組擋板分別于中軸線成60°、45°和30°；圖3(c)中擋板分布為2個(gè)V型，出口位置處2擋板之間的距離等于出口的直徑；圖3(d)結(jié)構(gòu)與(b)結(jié)構(gòu)中擋板的分布基本一致，(d)結(jié)構(gòu)的換熱器在離入口不遠(yuǎn)處多加1個(gè)擋板。

圖3 集熱器及其內(nèi)部擋板排列方式示意

2 集熱器的流固耦合計(jì)算

2.1 模型構(gòu)建

由于計(jì)算過(guò)程中，同時(shí)涉及到流體和固體，所以需要利用ANSYS軟件進(jìn)行流固耦合計(jì)算。利用ANSYS軟件中Workbench模塊的流體計(jì)算模塊，并增加固體計(jì)算模塊，這兩種模塊之間可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互傳輸，且流體模塊的計(jì)算結(jié)果可作為固體模塊計(jì)算的邊界條件，如圖4所示。

首先進(jìn)行流體模塊的計(jì)算，在計(jì)算時(shí)只需對(duì)流體經(jīng)過(guò)的部分建立網(wǎng)絡(luò)模型，由于圖3所示各種不同結(jié)構(gòu)的集熱器所建立的模型基本相同，以圖3中(a)所示結(jié)構(gòu)為例，利用ANSYS軟件中的Gambit模塊給出網(wǎng)格模型，如圖5所示。其中流體入口和出口位置已經(jīng)標(biāo)出，后續(xù)示意圖中出口、入口位置相同。

圖4 流固耦合

圖5 流體計(jì)算網(wǎng)絡(luò)模型

根據(jù)所研究的流體（冷卻液，動(dòng)力粘度0.001 1 Pa·s，密度1 010 kg/m3)以及發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水流速，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)大多數(shù)時(shí)間在中等負(fù)荷的工況下運(yùn)行，以發(fā)動(dòng)機(jī)中等負(fù)荷的運(yùn)行工況為例（節(jié)氣門開(kāi)度在40%左右），輸入其入口溫度358 K，入口速度0.5 m/s，出口壓力101 300 Pa[5]，在Fluent模塊依次設(shè)置邊界條件，流動(dòng)過(guò)程采用k-ε湍流模型，利用能量方程，假設(shè)為穩(wěn)態(tài)計(jì)算。

完成流體計(jì)算之后，關(guān)閉Fluent模塊，進(jìn)入Model模塊（在Static Structure中），然后禁用冷卻液幾何模型，只分析裝置外壁，并將上述流體計(jì)算的所得的相關(guān)數(shù)據(jù)作為邊界條件傳遞給固體計(jì)算。

因?yàn)槔鋮s系統(tǒng)集熱器的材料是鋁合金，所以需要構(gòu)建鋁合金材料，修改Engineering data模塊中的工程材料數(shù)據(jù)，增加鋁合金材料Aluminum，密度為2 700 kg/m3，楊氏模量為7.2×1010，泊松比為0.33。

2.2 結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)流體計(jì)算后，可得出如圖6所示的幾種不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的集熱器表面溫度的對(duì)比圖。由圖可知，圖6(a)的表面溫度分布不夠均勻，原因是其擋板結(jié)構(gòu)使得流入的液體需要經(jīng)過(guò)多次折返才能達(dá)到出口，從而讓液體在集熱器內(nèi)停留時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致散熱較多，使得各部分存在溫差；圖6(d)結(jié)構(gòu)的集熱器整體溫度較低，因?yàn)槠湓谌肟诟浇O(shè)置垂直于流速方向的擋板，讓剛剛流入的液體流速下降，從而使冷卻液在集熱器中的平均流動(dòng)速度降低；圖6(c)結(jié)構(gòu)的集熱器溫度分布總體均勻，但是由于靠近邊界的兩個(gè)斜擋板使得流體在邊界附近流動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，在邊界附近散失更多熱量，故邊界附近溫度較低。相比而言，圖6(b)結(jié)構(gòu)的擋板布置，對(duì)流體有一定的導(dǎo)流作用，使得流體在集熱器內(nèi)充分流動(dòng)，充分換熱，換熱器內(nèi)溫度分布更為均勻，更為理想，因此從溫度分布效果來(lái)看，采用圖6(b)結(jié)構(gòu)方式。

圖6 溫度分布示意

3 風(fēng)機(jī)強(qiáng)制散熱和集熱器壓差的影響

3.1 風(fēng)機(jī)強(qiáng)制散熱的影響

集熱器工作過(guò)程中，跟隨汽車的行駛，附近風(fēng)速也會(huì)發(fā)生變化，且強(qiáng)制散熱可能增加發(fā)動(dòng)機(jī)的整體能耗，為此對(duì)不同風(fēng)速條件下的冷卻系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行比較分析。不同風(fēng)速條件下個(gè)部件溫度的如表1所示。

表1 不同風(fēng)速條件下各部件溫度

由表1可知，當(dāng)風(fēng)速升高時(shí)，冷端溫度和熱端溫度同時(shí)降低，但是溫差保持在36℃左右，溫差發(fā)電的能力變化不大，而實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，增大強(qiáng)制風(fēng)冷的風(fēng)速可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)整體能耗增加，為此，應(yīng)在熱端和冷端溫差保持基本恒定的前提下，盡量減小強(qiáng)制風(fēng)冷的風(fēng)速，以提高溫差發(fā)電的效率。

3.2 集熱器壓差的影響

廢氣進(jìn)入集熱器后，壓力損失主要有沿程損失和局部損失兩種，廢氣的流動(dòng)依靠發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)，因此會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的背壓，影響排氣性能，從而影響整機(jī)功率。為此，在滿足溫度分布效果的前提下，集熱器進(jìn)出口的壓差越小越好[3]。

圖7給出了廢氣在不同進(jìn)口流速下4種集熱器的進(jìn)出口壓差，可以看出，集熱器進(jìn)出口壓差隨進(jìn)口流速減小而減小，這是因?yàn)閺U氣進(jìn)口流速增加時(shí)，其摩阻系數(shù)也隨之增加，廢氣在集熱器內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中沿程損失增大，從而壓力損失增大，導(dǎo)致進(jìn)出口壓差增大。4種集熱器在進(jìn)口流速較大時(shí)，進(jìn)出口壓差差距較大，從大到小依次為V字型擋板、水平擋板、對(duì)稱擋板、對(duì)入口加擋板，這是因?yàn)閂字型擋板直接阻擋了廢氣的向出口的流動(dòng)，并多次改變廢氣在集熱器種的流向，使之局部損失和沿程損失均增大；水平擋板阻擋了廢氣向出口流動(dòng)，使之壓力損失增大；對(duì)稱擋板和對(duì)入口加擋板分布對(duì)廢氣向出口的流動(dòng)起到導(dǎo)向作用，因此壓力損失較小。另外，在進(jìn)口流速較大之時(shí)，對(duì)稱擋板和對(duì)入口加擋板集熱器中壓差的差距不大，而上述計(jì)算中，進(jìn)口流速取0.5 m/s，在此流速之下，對(duì)稱擋板和對(duì)入口加擋板集熱器中的進(jìn)出口壓差更小。綜合溫度分布和壓力損失來(lái)看，對(duì)稱擋板結(jié)構(gòu)的集熱器是最佳選擇。

圖7 不同進(jìn)口速度下四種集熱器進(jìn)出口壓差比較

4 創(chuàng)新點(diǎn)與市場(chǎng)推廣前景

4.1 合理利用廢氣和冷卻水之間的溫差

基于溫差發(fā)電原理，即兩種不同的金屬材料組成閉合回路，回路中會(huì)產(chǎn)生電流，通過(guò)半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置，將汽車廢氣中的余熱轉(zhuǎn)換成與電源相匹配的直流電能，供汽車電器設(shè)備使用。而溫差發(fā)電關(guān)鍵的一點(diǎn)就是如何利用溫差。由于商業(yè)發(fā)電片最高工作溫度一般不超過(guò)473 K，在333～373 K達(dá)到最大輸出功率，發(fā)動(dòng)機(jī)水冷裝置溫度為353～373 K，廢氣最高溫度可達(dá)773～873 K，溫差發(fā)電裝置直接連在水冷裝置和廢氣之間顯然不夠合理，計(jì)劃用兩個(gè)溫差發(fā)電裝置。第一，在廢氣以及水冷裝置之間加第一部分的溫差發(fā)電裝置，熱端為廢氣端，冷端為水冷端。第二，在水冷裝置處加第二部分的溫差發(fā)電裝置。熱源為水冷端，冷源為散熱片。散熱采用風(fēng)機(jī)強(qiáng)制散熱，可以使工作溫差保持在20～30 K。

4.2 合理設(shè)計(jì)溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)

關(guān)于發(fā)電材料的形狀設(shè)計(jì)。在材料體積相等的情況下，溫差發(fā)電裝置設(shè)計(jì)為六面體結(jié)構(gòu)可以顯著提高輸出功率[6]。關(guān)于發(fā)電材料的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)，當(dāng)熱流密度保持恒定時(shí)，溫差發(fā)電片尺寸越短，輸出的功率和發(fā)電效率越?。辉跓嵩春屠湓礈夭畋３只竞愣〞r(shí)，溫差發(fā)電片尺寸越大，輸出功率越小[7]。然后運(yùn)用有限元分析得出一個(gè)最佳溫差發(fā)電片的尺寸。

4.3 合理設(shè)計(jì)集熱器結(jié)構(gòu)

關(guān)于集熱器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，方案是使用正方體結(jié)構(gòu)，將內(nèi)部設(shè)計(jì)成對(duì)稱隔板模式，從而最大程度上保持熱源和冷源之間的溫差。

4.4 市場(chǎng)推廣前景

在2008年之前，我國(guó)溫差發(fā)電技術(shù)關(guān)注度不高，專利數(shù)量較少。2014年至2016年期間，我國(guó)的半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)有了較大發(fā)展[8]，尤其是汽車產(chǎn)量增多，工業(yè)生產(chǎn)和汽車尾氣的排放量增多，新型的能源使用方式亟待開(kāi)發(fā)。我國(guó)相關(guān)專利申請(qǐng)以高校為主，說(shuō)明高校重視對(duì)溫差發(fā)電技術(shù)的研發(fā)。但目前尚未形成規(guī)?；⑹袌?chǎng)化的產(chǎn)業(yè)鏈，專利極少用于企業(yè)的生產(chǎn)和應(yīng)用，發(fā)動(dòng)機(jī)的能量回收特別是冷卻系統(tǒng)的能量回收市場(chǎng)仍有很大的潛力。