汽车尾气温差发电技术的发展和现状分析 2

I汽车尾气温差发电技术的发展和现状分析摘要：汽车工业是我国国民经济的支柱产业之一，伴随着汽车工业的发展，车辆消耗的能源也与口俱增，利用发动机余热发电不仅是解决能源问题的一个有效途径，也是一个很好的节能途径。我国的汽车拥有量在逐年增长，伴随着汽车使用所产生的大量尾气污染者大气环境，所以，环保问题日趋严峻。汽车尾气温差发电既能解决环境污染问题，又能发电，同时解决汽车用电量紧张的问题。引起国内外科研工作者不断的探索。 本课题是基于汽车尾气余热回收的温差发电研究，主要研究内容是如何提高温差电模块热电转换效率和集热器集热效率，以提高尾气总的回收利用率。关键词：温差发电；环保；效率；IIDevelopment and present situation analysis of automobile exhaust temperature difference power generation technologyAbstract：The automobile industry is one of the pillar industries of our national economy.Energy consumption by vehicles is increasing with the development of automobileindustry. Power generation using engine waste heat is an effective way to solve theenergy problem and also a good way of saving energy. The automobile industry is one of the pillar industries of our national economy.Energyindustry.consumption by vehicles is increasing with the development of automobilePower generation using engine waste heatis an effective way to solve the.Keywords：Thermoelectric power generation;environmental protection;efficiencyIII目 录第一章绪论.11.1 研究背景和意义.11.2 研究现状及发展态势.11.3 前人的研究成果举例.21.4 本论文的工作.2第二章温差发电理论基础.42.1 温差发电基本效应. 42.1.1 赛贝克效应. 42.1.2 珀尔帖效应.42.1.3 汤姆逊效应.52.1.4 焦耳效应.52.1.5 傅立叶效应.62.1.6 开尔文关系式.62. 2 温差发电的性能衡量标准.62.2.1 热电转换效率.72.3 温差发电的发展及应用.92.3.1 温差发电模块.9IV第三章高效分段级联温差电单偶优化设计.103.1 温差发电的半导体材料.113.2 高效分段温差电单偶仿真优化.113.2.1 模型建立.113.2.2 优化仿真.123.2.3 优化结果.123.2.4 结论.123.3 高效分段一级联温差电单偶仿真优化.123.3.1 模型建立.133.3.2 优化仿真.143.3.3 结果分析.163.4 小结.16第四章集热器仿真设计.174.1 换热原理简介.174.1.1 换热器概述.174.1.2 对流换热概述.184.2 不同翅片的集热器仿真.18V4.2.1 仿真模型.194.2.2 四种不同齿片的集热器模拟结果.234.2.3 结果分析.334.3 实验模型仿真.344.3.1 实验模型简述.344.3.2 实验模型模拟结果.354.3.3 结果分析.36第五章结论.36参考文献.38致谢.401第一章 绪论1.1 研究背景及意义城市现代化的迅速发展使得能源的需求量大大增加，导致能源非常紧缺，成为限制某些地区发展的瓶颈。虽然我国能源储量总体比较丰富，但由于我国历来人口众多，使得我国的剩余资源储量严重不足，因此节约能源是当务之急1。如果将汽车排气余热转换为电能并用于推动汽车，将可以减少燃油消耗，从而在一定程度上节约能源。温差发电正是一种利用余热废热将热能转换为电能的很有效方式，目前温差发电技术在国外已得到广泛研究，而在我国处于刚刚起步阶段 2。汽车工业作为我国国民经济的支柱产业之一，随着车辆的不断增加，消耗的能源与日俱增，所以车辆的节能备受关注。因此，利用发动机余热发电不仅是解决能源问题的一个有效途径，也是一个很好的节能途径。依目前技术来看，汽车的动力转换效率仅 40%左右，燃油中有多达 60%左右的能量没有得到有效利用，其中发动机排气所带走的热量占燃料燃烧热量的 30%-45%左右，用于冷却的热量占 30%左右，这些能量绝大部分以余热的形式散失到空气中，造成了巨大的能源浪费 3。另外，汽车发动机的排气压力大，温度高，排气温度可达800左右。如果将这些浪费的热量用来进行温差发电，不仅可以节约能源，还会提高热效率，同时温度降低也会使排气压力减少，从而降低汽车噪声电平，使汽车消音器的结构更加简化紧凑。因此，利用汽车余热发电可提高汽车的整体性能。汽车尾气的热量散发到空气中是巨大的能源浪费，倘若将这些能量的好好利用利用起来，一定会带来良好的社会效益和可观的经济效益 4。1.2 研究现状及发展态势塞贝克效应于 1821 年被发现以来，由于受热电转换效率低的制约和成本高的限制，温差发电技术主要应用尖端领域。近几年来，世界上一些发达国家进行了相关研究，温差发电技术在德国已被作为战略技术得到了大力支持。温差发电是将余热废热转换为电能的有效方式，近年来世界许多国家高度重视，德国大众汽车公司研究中心研制的一种排气温差发电器可以回收 12%的2热量，西班牙研制的排气温差发电器可以回收 36%的热量 5。 由于我国的能源短缺，利用率也较低，因此，节能降耗非常必要，温差发电技术具有许多优点，尤其在低品位热能利用方面具有其独特的优势和良好的应用前景 6。温差发电技术是一种利用半导体材料实现热能和电能直接转换的绿色能源，对我们发展循环经济、建设节约型社会具有重大意义。半导体温差发电的如图 1 所示。它是由两种不同类型的半导体构成回路，当半导体的一端处于高温状态，另一端置于低温状态时，两端便形成温差，从而产生直流电压(塞贝克效应) 7。汽车尾气温差发电装置工作原理是将热电模块布置在废气通道箱体和冷却水通道之间，在发电片的两端分别产生冷源和热源，两端之间的温度差随即产生电能。图 1 半导体温差发电原理示意图1.3 前人的研究成果举例国内，东北大学董桂田以国产解放牌汽车 CA141 为例进行了排气余热的温差发电研究 8。该车发电机输出功率为 350W，额定电压为 14V，额定电流为25A。 理论计算表明，当高温热源为 600，低温热源为 200，使用 1060 个蹄化铅热电偶(此条件下个热电偶产生的温差电动势为 0.232V)时，只要有26660J/s 的排气余热就可转换得到与原发电机输出相等的电量。通过试验测得该车发动机在要求的最低转速时流量和温度均能满足理论计算的要求。由此说明利用汽车尾气余热的温差发电具有实用性。 1.4 本论文的工作（1）通过查阅关于汽车尾气温差发电方面的书籍和文献资料，理解温差发3电的基本原理，各部分的构造以及结构配置尽可能的找出影响温差电模块热电转换效率和集热器集热效率的因素。（2）在影响温差电模块性能各个参数一定的条件下，采用 ANSYS 热分析软件中的热电藕合模块对分段和级联两种基本结构进行模拟仿真。（3）性能恒定的条件下，增大温差是提高热电转换效率的一种有效方法，所以，寻求散热性能较好的散热器和集热性能较好的集热器是本文的主要任务。主要对连续平直翅片等四种不同翅片结构的集热器进行模拟，得到其集热性能和传热阻力并进行比较。4第二章 温差发电理论基础2.1 温差发电五个基本效应温差发电指的是半导体热电材料的两端存在温度差时，而产生的热电效应，进而在半导体热电材料两端产生电动势的现象 9。温差发电的五个基本效应：塞贝克效应，珀尔贴效应，汤姆逊效应、焦耳效应和傅立叶效应。2.1.1 赛贝克效应塞贝克效应，它是温差发电技术的理论基础。这一现象是德国物理学家塞贝克发现的。原理如图:U AB（T2-T1） （2-1）式中， A,B 两种不同的导体T1，T2 为结点U回路中的电动势，单位 :V;AB两种导体材料的相对塞贝克系数，单位:V/K ;T1,T2结点 1, 2 处的温度，单位:K 。图 2-1 塞贝克效应示意图2.1.2 珀尔贴效应5珀尔贴效应是法国物理学家珀尔帖(C.A.Peltier)在 1834 年发现的与塞贝克效应相反的现象。原理如图 2-2 所示图 2-2 珀尔贴效应示意图2.1.3 汤姆逊效应汤姆逊效应就是在有温度梯度的导体中通电，周围环境和导体之间将会进行能量交换的效应。原理如图 2-3 所示图 2-3 汤姆逊效应示意图2.1.4 焦耳效应焦耳效应是在通电情况下单位时间内热量，即 QJ=IR=I2lS式中，Q J焦耳热;I通过导体的电流;R导体的电阻;导体的电阻率;6l导体长度;S导体横截面积。2.1.5 傅里叶效应傅立叶效应为：2.1.6 开尔文关系式综和上式可得一一开尔文关系式（2-6) 式称为开尔文第一关系式，(2-7 ）式称为开尔文第二关系式，开尔文关系式被称为热电效应的基本关系式。2.2 温差发电的性能衡量标准表征温差发电性能的参数主要是指热电转换效率。2.2.1 热电转换效率温差发电器的热电转换效率定义为：7式中， 一一温差发电器的工作效率;P 一一温差发电器的输出功率，单位:W;QH 一一温差发电器从热源吸收的热量，单位:W。 由珀尔帖效应知，温差发电器在单位时间内抽取的珀尔帖热为 NPTHI;另外，由于冷、热端温差的存在，器件热端向冷端进行热传导的热流量为 K(TH-TC);又电流 I 流过电阻为 R 温差电偶时，单位时间内在回路中产生的焦耳热为 IR2，由于该焦耳热等量地传到器件的热端和冷端，所以单位时间内返回热端的焦耳热为 0. 5 IR2，综上可得，发电器热端从热源吸收的热量是珀尔帖热、传导热和焦耳热三部分的总和，建立热平衡方程得：式中，Q H，一一温差发电器热端吸收的热量，单位 :w; NP 一一半导体器件的赛贝克系数，单位:v/x ;TH, Tc 一一热端和冷端温度，单位:K;K 一一半导体器件总的导热系数，单位:W/K;I 一一回路电流，单位:A;R 一一半导体器件的内阻，单位:综合上式，可得半导体温差发电器的工作效率为:式子可简化为：8由(2-23)式可以看出，对于材料一定，温差一定的情况下，工作效率是 m的函数。若令 d/dm=0，则可求得当负载电阻 RL 和温差电器件内阻 R 的比值满足以下关系时，温差发电器具有最大的工作效率，其值为:而当 m=RL /R=1，即温差发电器取得最大输出功率时，其工作效率为 :比较取得最大输出功率和最大工作效率的条件 m=RL/R=1 和:可以看出，两者同时取到最大值的可能性不大对于 这一条件，因与热电材料的 Z值有关，难以实现。所以应讨论取得最大输出功率时的工作效率。2.3 温差发电的发展及应用2.3.1 温差发电模块温差电偶臂是温差电模块中最小的单位，有 P 型和 N 型两种 10。温差电单元是由一对 P, N 型温差电偶臂组成。温差电偶普遍采用的是图 2-5 所示温差电偶结构。图 2-5 温差电偶结构1 一温差电偶臂 2 一导流片9第三章 高效分段级联温差电单偶设计3.1 温差发电的半导体材料目前，在温差发电材料的研究中，已经实际应用于于热电器件的绝大部分是半导体热电材料 11。在不同的温度范围内优值较高的材料主要有以下几种，如表 3.1 所示.3.2 高效分段温差电单偶仿真优化由上分析可知，热电转换效率主要决定于温差电材料的优值 Z12。确保获得最大的 z 值，从而提高了温差电偶的热电转换效率本文采用 ANSYS 软件有限元软件建立了基于 P 型 BiSbTeZn4Sb3CeFe4Sb12.N 型 Bi2Te3CoSb:分段温差电单偶。 3.2.1 模型建立低温用较成熟的 Bi2Te3 材料，高温用新型材料 P-Zn4Sb3, P-CeFe4Sb12, N- CoSb3，其中 P 型 Bi2Te3 用制备的高优值 ZT 材料 BiSbTe。分段温差电单偶模型中，P 型元件由三段组成，N 型元件由两段组成，模型如图所示。接触电阻和接触热阻分别由商用参数 n=2pc/p=0.1, r= / c =0.2 得到.(p c, c 分别为接触电阻率和接触热导率，p, 取各种材料的平均值) 。划分的网格如图10图 3-2 有限元网格划分图3.2.2 优化仿真利用 ANSYS 软件对温差电元件长度比例、截面比、负载电阻等分别进行优化，先对热端为 973K 进行优化。3.2.2.1 长度比例优化设 P 型温差电元件三种材料(BiSbTe Zn4Sb3CeFe4Sb12)的长度分别为 LP 1,LP2, LP3, N 型温差电元件两种材料 (Bi2Te3CoSb3)的长度分别为 LNl 。 LN2。优化结果为:L P 1: LP2: LP3=1.0 : 0. 5 : 3. 5 , LN1: LN2=0. 3 : 4.7。此时转换效率为 14.8%,输出功率为 3.36W(截面比尚未优化)。3.2.2.2 截面比优化P 型温差电元件截面为 5mm x WP, N 型温差电元件截面为 5mm x WN，其中 WP=5mm 保持不变，只对 WN 进行优化。优值 Z 的定义式已由(2-8 式给出，当满足(2-11)式时，Z 取得最大值。由于 LP=LN，所以由 (2-11)式可以算出 P,N 型温差电元件截面比(p P, pN, P, N 均由平均值得到 )，求得 AN/AP=0. 82。所以，11WN 的理论优化值为 4.1 mm，此时转换效率为 15.05%，输出功率为 3.03W。而 WN 的实际优化值为 3.4 mm，此时转换效率为 15.1%，输出功率为 2.72W(长度比已优化)。转换效率与 N 型元件截面边长的变化关系如图。图 3-3 转换效率与 N 型元件截面边长的变化曲线3.2.2.3 负载电阻优化当温差电元件的长度比和截面比都取优化值时，算得理论匹配负载电阻 R为 8. 82m。经过优化，当 R 为 7. 8m 时，效率取得最大值 15.18%，此时输出功率为 2.78W。转换效率与负载电阻的变化关系如图。图 3-4 转换效率与负载电阻的变化曲线3.2.2.4 接触电阻对转换效率的影响当接触电阻按商用参数 n=2pC/p=0.1 给出时，接触电阻率 PC 为 8. 7 x 10-7 m,与温差电材料的平均电阻率 p（ 1.74 x 10-5 .m)相比很小，所以对效率的影12响不大 13。完全不考虑接触电阻时，转换效率为 15.66%，接触电阻只使效率降低了 0.48% 。提出只有当单个电偶臂的接触电阻小于 20. cm 2 时，转换效率才不会降低太多。其测得的接触电阻小于 5. cm2。若取 5. cm2，可算得接触电阻率 PC 为 1.25 x 10-6.m ，优化后的转换效率为 15.15%，与采用商用参数得到的转换效率非常接近。因此降低接触电阻可以提高转换效率。3.2.2.5 高优值 P 型 BiSbTe采用制备的高优值 ZT 材料 P-BiSbTe 得到的最大理论转换效率为 15.66%，当接触电阻按商用参数给出时，转换效率为 15.18%，当单个电偶臂的接触电阻为 150. Cm 2 时，转换效率为 12.88%。当用中的 P-Bi2Te3 时，得到三种情况下的转换效率分别为 15.13%, 14.67%, 12.43%，效率分别降低了 0.53%,0.51%, 0.43%。可见，高优值 ZT 材料 P-BiSbTe 并没有使效率提高。3.2.3 优化结果用同上的方法对热端分别为其他三个温度进行优化。由图可以看出，随着热端温度降低，分段温差电元件低温端材料长度比例逐渐增大，P 型元件尤为明显 14。当热端温度为 673K 时，P 型温差电单偶只分两段。当保持 P 型截面不变的条件下，只对 N 型截面进行优化，在热端温度为 973K, 873K, 773K 时，优化的 N 型截面并无大的变化，这是由于高温端材料的热导率较大，起到主导作用，当热端温度降低时，得到的平均热导率无大的改变，由(2-11)式算得的理论截面比也基本相同，因此得到了几乎相同的优化截面比。而当热端温度降到673K 时，P, N 型截面比变化很大，这是由于不再使用高温材料。又因 P 型温差电元件的平均热导率相对 N 型小很多，由(2-11) 式可得到 P 型截面积是 N 型截面积的近 2 倍，实际优化后达 2.27 倍，如表 3-1013图 3-5 不同温度时的分段温差电元件优化结果图3.2.4 结论1.由于较大的接触电阻可以在很大程度上降低转换效率，所以应设法减少14接触效应的影响。2.模拟计算时采用平均值，与实际有一定差距。因此，不能一味追求最大的转换效率，还要考虑输出功率的变化。3.若能更好的 N 型低温材料，效率将会有很大提高。3.3 高效分段一级联温差电单偶仿真优化为了在大的温度范围内得到更高的热电转换效率，目前已发展了分段和级联两种结构，在低温 298K、高温 973K 的条件下效率可达到 15%。图 3-6 (a) , (b)分别是分段和级联温差电元件结构图。由图中可以看出，所有热电材料均可用于级联结构 15。由此，采用分段与级联相结合的折中法是较好的选择。3.3.1 模型建立高中低温材料分别用较成熟的 SiGe, PbTe, BiTe 材料，其中 P 型 Bi2Te3 制备的高优值 ZT 材料 BiSbTe。中低温材料 Bile, PbTe 采用分段结构，高温材料 SiGe与中低温材料进行级联。模型如图 3-7 所示:（a）分段温差电元件 （b）级联温差电元件图 3-6 分段温差电元件与级联温差电元件结构示意图15图 3-7 分段一级联温差电单偶模型所建模型中，划分的网格如图 3-8 。3.3.2 优化仿真由于材料的热电特性是温度的函数，根据所选材料，取其优值最高的温度间，P-Bile, P-ZnSb, N-Bile, N-PbTe 的温度区间分别为 298K-498K, 498K-673K,298K-373K, 373K-673Ko P-Site, N-Site 温度区间均为 673K-973K。先对中低温分段结构进行优化，然后将其与高温材料组成的级联结构进行优化。3.3.2 分段结构优化16将(3-1) 式和 (3-2)式作为依据，分别对长度比和截面比进行优化(P p, PN, p , N 均由平均值得到)。优化中分段结构总长度 5mm，截面 5mm x 5mm。优化结果为:L P1: LP2 =3.25 :1.75 , LN1: LN2=0.6 : 4.4,AP : AN=5 : 4. 8, RO1=13 m ( LP1 .LP2分别是 P-BiTe,P-ZnSb 的长度，L N1 ,LN2 分别是 N-BiTe N-PbTe 的长度)。此时转换效率为 10.88%。优化结果如图 3-9 。3.3.2.2 高温材料温差电单偶转换效率当高温材料 SiGe 的冷端温度为 673K、热端温度为 973K，长度为 10mm 时，对 P， N 型截面比和负载分别进行优化后(A P : AN=3.3 : 5 , Ro2=19.6 m，转换效率为 4.37%。优化结果如图 3-10。3.3.2.3 整体结构优化将分段结构和高温温差电单偶看作两个部分以级联的方式连接起来 16。由于级联结构在热路上是串联的，由(3-1)式为依据，两部分的导热系数已知(均采用平均值)，温度范围确定，长度已定，因此可以求出截面优化比。假设分段结构的 P, N 型截面一定，分别为 5mm x 5mm, 5mm x 4.8mm，由此得到高温温差电单偶的 P, N 型截面优化值分别为 5mm x 3.9mm, 5mm x 4. 5mm。当两部分的17优化负载值分别为 Rol=13 m, Ro2=19.6 m 时，整体结构的转换效率为14.66%。优化结果图如 3-113.3.3 结果分析1.整体结构的转换效率小于两部分单独优化的转换效率之和 15.25%，原因是显而易见的。两部分连接时增加了绝缘导热层和接触层，由于接触电阻和接触热阻的影响，使总的转换效率降低。2.整体结构截面优化时，高温温差电单偶的 P, N 型截面优化比值为 3.9:4.5,而单独的高温温差电单偶 P, N 型截面优化比值为 3.3 : 5，整体结构的截面优化比值没有达到单独的高温温差电单偶截面的最优比值，因而会降低总的转换效率。3.当不同的热电材料兼容性较差时，易采用级联结构;当部分兼容、部分不兼容时，可采用分段、级联相结合的方式。3.4 小结本章简单介绍了温差电材料的现状、发展及前景，对具有发展前景的功能梯度材料进行分段和级联两种结构的模拟仿真和优化。通过对分段温差电单偶模型的分段元件长度比、截面比及负载电阻分别进行优化后，得到在冷端温度为 298K，热端温度为 973K, 873K, 773K,673K 时的转换效率分别为 15.2%, 13.8%, 12.1%, 10.6%。18第四章集热器仿真设计4.1 换热原理简介4.1.1 换热器概述我们称能够使具有不同温度的两种及以上流体以一定方式进行热量交换的设备为热交换器或换热器(heat exchanger)17。4.1.2 对流换热概述物体表面与流体之间的热交换称为对流换热，简称放热。影响对流换热的因素很多，一般用对流换热计算公式一一牛顿公式来表征:Q=St (4-1)式中，Q 一一对流换热的热流量，单位:W;S 一一壁面换热面积，单位:mam ; 放热(或换热)系数，单位:W . m-2 -1;t 一一流体与壁面之间的温度差，单位:19我们称 1 /（S）为对流换热热阻，单位为 lW。提高换热能力通常有两种方法：增大换热面积和增大单位面积传热系数。4.2 不同翅片的集热器仿真本文对不同形状翅片的板式换热器进行了仿真，得到齿间距、齿高、流道长度、进口温度等因素对进出口温降和压降的影响，并对已有条件下建立的实验模型进行了数值模拟。4.2.1 仿真模型本文拟采用的余热温差发电装置示意图如图 4-1 所示。对于其余三个翅片采用一个流道即可，但平锯齿翅片需至少两个流道，原因如图 4-2 所示。所有结构均采用双流道。20实验拟采用 2KW 的柴油发动机，排气量约为 2.1 g/s，实验模型截面为32mm*40mm。所以，当齿间距为 2 mm 时尾气流速为 4.0 m/s，齿间距为 5.5 mm 时尾气流速为 3.16m/s(截面和排气量一定，齿间距越小，即齿越多时流速越大，仿真时间距在 2 mm 到 5.5 mm 之间变化)。雷诺数的计算公式如下.式中，de=4AlX ，当量直径，单位 :m;A 一一流体流过的截面面积，单位:m 2;X 一一流体的湿周长，单位:m;U 一一流体流速，单位:m.s -1;P 一一流体密度，单位:kg.m -3; 一一流体粘度，单位:k.m .S-。仿真时尾气假设为理想空气，300的空气密度为 0.615kg/m3，粘度213.14x10-5kg.m-1.s-1。齿间距为 2mm 时，当量直径为 3.76x10-3m，又气体流速为 4. 0 m/s，此时的雷诺数为 295;齿间距为 5.5 mm 时，当量直径为 9.4x10-3m，又气体流速为 3.16m/s，此时的雷诺数为 582，其他情况时雷诺数在这两者之间。已知雷诺数2320 时为层流，故仿真时采用层流模型。仿真采用 ANSYS 软件中的流固藕合模块。由于流体与固体的物性参数相差较大，属于病态的共扼传热温度和压力求解器均采用预条件共扼残差法 PCCR。流体入口采用速度入口条件并给定初始温度，出口采用自由出口条件且压力设为 0(以求得进出口压力降) ，两壁为绝热边界，上下壁与铝导热板和热电模块相接触，热电模块冷端直接加对流系数以简化模型，减少计算量。通过仿真可以得到流体出口温度，算出流体进出口温降，温降越大，集热效果越好，即模块热端从热源吸收的热量越多。同时，进出口压降越小流体受到的阻力越小，排气越顺畅。4.2.2 四种不同齿片的集热器模拟结果4.2.2.1 连续平直翅片图 4-3 为连续平直翅片温度分布图，可以看出温度分布很均匀，这是因为加连续平直翅片时不容易引起流体扰动。图 4-4, 4-5 表明，气体入口温度不同时，进出口温降或集热效率与齿间距之间的关系变化趋势相同，在齿间距 D=2.9 mm时集热效果较好，D2.9 mm 时齿间距越大集热效果越差;入口温度越大，进出口温降就越大，但不同入口温度条件下，集热效率相差不大。图 4-6 表明入口温度越大进出口压降就越大。22234.2.2.2 非连续平直翅片2425图 4-7 为非连续平直翅片温度分布图，翅片断开处温度分布具有不均匀性，这是因为非连续平直翅片引起了流体扰动。图 4-8, 4-9 的结论同连续平直翅片，即在齿间距 D=2.9 mm 时集热效果较好，D2.9 mm 时齿间距越大集热效果越差;入口温度越大，进出口温降就越大，但不同入口温度条件下，集热效率相差不大。由图 4-10 可知入口温度越大进出口压降就越大，且齿间距越小差别越明显，随着齿间距增大压降迅速减小。图 4-11、4-12 表明，翅片切开长度越小，集热效率越大，同时进出口压降也越大。这是因为翅片切开长度不同时，虽然翅片总的换热面积相同，但由于翅片切开长度较小时翅片断开面较多，流体经过断开面时会引起扰动，所以翅片切开长度越小越有利于加强换热。4.2.2.3 锯齿翅片2627图 4-13 为锯齿翅片温度分布图，同非连续平直翅片，锯齿翅片温度分布也具有不均匀性，这是因为翅片交叉断开处引起了流体扰动。图 4-14 到 4-18 的结论同非连续平直翅片，即在齿间距 D=2.9 mm 时集热效果较好，D=2.9 mm 时齿间距越大集热效果越差;入口温度越大，进出口温降就越大，但不同入口温度条件下，集热效率相差不大;入口温度越大进出口压降就越大，且齿间距越小差别越明显，随着齿间距增大压降迅速减小;翅片切开长度越小，集热效率越大，同时进出口压降也越大。4.2.2.4 波纹翅片2829图 4-19 为波纹翅片温度分布图。由图 4-20, 4-21 可以看出，波纹翅片进口温降或集热效率与齿间距之间的变化趋势与前三种有所不同，波纹翅片D=3.3mm 时集热效果较差，D3.3mm 时同前三种一样，齿间距越大集热效果越差，且入口温度越大，进出口温降就越大，但不同入口温度条件下，集热效率相差不大。由图 4-22 可知，入口温度越大进出口压降就越大，且齿间距越小差别越明显，随着齿间距增大压降迅速减小。4.2.2.5 四种翅片模拟结果比较3031由图 4-23 可以看出，齿间距较小时，波纹翅片的集热效果比其它三种要差，随着齿间距的增大，波纹翅片的集热效果明显优于这三者;就连续平直翅片、非连续平直翅片和锯齿翅片相比较而言，连续平直翅片集热效果最差，锯齿翅片居中，非连续平直翅片最好;齿间距较小时，锯齿翅片集热效果与非连续平直翅片较接近，齿间距较大时，锯齿翅片集热效果与连续平直翅片较接近。图 4-24 为连续平直翅片、非连续平直翅片和锯齿翅片进出口压降比较(波纹翅片的进出口压降比这三种大很多，不适合在同一坐标下比较)，可以看出非连续平直翅片压降最大，连续平直翅片次之，锯齿翅片压降最小。由图 4-25 可知锯齿翅片的总体性能最好，连续平直翅片和非连续平直翅片居中，且比值接近，波纹翅片总体性能最差。图 4-26 为四种翅片的进出口温降随气体入口温度的变化情况，表明温降与入口温度近似成线性关系。4.2.3 结果分析由以上分析可知:1.连续平直翅片、非连续平直翅片、锯齿翅片集热效果在不同入口温度条件下随齿间距变化趋势相同，均在 D=2.9mm 时达到最大，在 D2.9mm 时随齿间距的增大而减小，且减小趋势趋于平缓;2.波纹翅片与前三种相比，集热效果并不是想象的那么理想，且由于形状复杂导致压降很大，其集热性能随齿间距的变化趋势与前三种有所不 D=3.3mm时集热性能最差，当 D 较小时集热性能差于前三种，D 较大时集热性能优于前三不中;323.对非连续平直翅片和锯齿翅片的翅片切开长度 L 不同时进行了仿真，结果表明:L 较小时集热性能较好，相应地传热阻力也较大( 不同翅片切开长度条件下，总的翅片换热面积是不变的，L 较小时翅片个数增加，由于流体每经过一个断开的翅片时都会引起扰动，所以扰动次数增加，从而导致换热能力增强，扰动次数增加也必然导致传热阻力增大);4.四种翅片的进出口压降在不同入口温度条件下变化趋势相同，均是齿间距越小压降越大，且入口温度越大进出口压降也越大(因为温度升高时气体密度减少，当入口处气体质量流量和截面都不变时，气体流速增大，导致传热阻力增大)，因齿间距较小压降很大，所以差别也更加明显;5.就前三种翅片相比，非连续平直翅片集热性能最好，锯齿翅片次之，连续平直翅片最差，且齿间距较小时，锯齿翅片集热效果与非连续平直翅片较接近，齿间距较大时，锯齿翅片集热效果与连续平直翅片较接近。同时，锯齿翅片传热阻力最小，连续平直翅片居中，非连续平直翅片最大，就所需翅片面积来说，锯齿翅片较连续平直翅片节约 50%的材料，非连续平直翅片节约 25%的材料;6.综合考虑集热性能和传热阻力，锯齿翅片的总体性能最好，连续平直翅片和非连续平直翅片居中，且比值接近，波纹翅片总体性能最差。从以上分析知，本人考虑选用非连续平直翅片。4. 3 实验模型仿真4.3.1 实验模型简述由上图选择非连续平直翅片集热器。该集热翅片尺寸40mm*40mm*20mm，其中，底厚 4mm，齿高 16mm，齿厚 1.2mm，齿间距为2.6mm。考虑到图 4-27 结构的底厚，有流体通过的截面实际尺寸为40mm*32mm，仿真建模时截面尺寸以 40mm*32mm 为依据。仿真模型如图 4-28 所示。334.3.2 实验模型模拟结果344.3.3 结果分析由上面曲线图可知:1.不同翅片高度下，进出口温降和集热效率均是随着流道长度增加而增大。2.相应地，进出口压降与流道长度也近似成线性关系，即流道越长阻力越大，因为压力降与流道的长截面比正相关;3.在气体流量一定，流道截面宽度不变的情况下，改变流道截面高度，即改变翅片高度，则翅片高度越小集热性能越好，相应的传热阻力也增大，这是因为截面高度变小，流道截面积也减小，气体流速增大，使热边界层变薄(热边35界层厚度与速度成反比)，所以传热性能增强，传热阻力增大(理论上换热能力与速度的 0.8 次方成正比，流程压力降与速度 3 次方成正比 )。可见，速度使传热性能与传热阻力存在相互制约的关系，即速度越大传热性能越好，传热阻力也越大;4.翅片高度小时集热性能较好，但传热阻力却大大增加，所以要同时考虑集热性能的改善与传热阻力带来的损耗，本文取高度为 32mm 是合理的;5.由于集热效率与很多因素有关，如流道长度、翅片形状、流速等，在本文拟选用的实验条件(流道长 320mm，截面为 40mm* 32mm，入口温度为 300C 齿间距为 2.6 mm，流速为 4. 0 m/s)下，集热效率约为 39.8%，略高于文献 22的效率 37%，远大于文献 23所给效率 11%。4.4 小结本章简单介绍了换热器发展现状及对流换热原理，四种不同结构的板翅式换热器进行模拟仿真通过比较其集热性能和传热阻力，锯齿翅片性能较优越，但加工费用高，因此选择非连续平直翅片集热器作为实验结构，并对实验模型进行了模拟。36第五章 结论汽车工业是我国国民经济的支柱产业之一，伴随着汽车工业的发展，车辆消耗的能源也与口俱增，利用发动机余热发电不仅是解决能源问题的一个有效途径，也是一个很好的节能途径。我国的汽车拥有量在逐年增长，伴随着汽车使用所产生的大量尾气污染者大气环境，所以，环保问题日趋严峻。汽车尾气温差发电既能解决环境污染问题，又能发电，同时解决汽车用电量紧张的问题。引起国内外科研工作者不断的探索。 本课题是基于汽车尾气余热回收的温差发电研究，主要研究内容是如何提高温差电模块热电转换效率和集热器集热效率，以提高尾气总的回收利用率。结论:1.温差电模块性能参数一定的条件下，采用 ANSYS 热分析软件中的热电藕合模块对分段和级联两种结构进行模拟仿真。通过对分段温差电单偶模型的分段元件长度比、截面比及负载电阻分别进行优化后，得到在冷端温度为 298K，热端温度为 973K,873K,773K, 673K 时的转换效率分别为 15.2%,13.8%, 12.1%,10.6%;对分段一级联温差电单偶模型进行相应优化后得到在低温 298K、高温 973K 的条件下转换效率为 14.7%。2.在模块性能一定的情况下，增大温差是提高热电转换效率的一种有效方法。即降低冷端温度和增加热端温度。所以，寻求散热性能较好的散热器和集热性能较好的集热器是本文的主要任务。由于散热器和集热器是相通的，本人主要对集热器进行了模拟仿真，即对连续平直翅片、非连续平直翅片、锯齿翅片和波纹翅片四种不同翅片结构的板翅式集热器进行模拟，综合考虑选用非连续平直翅片。3.综上所述，选用非连续平直翅片的集热器并且对所用热电材料运用分段和级联两种结构时，能显著提高温差发电效率。37参 考 文 献1 刘宏阳，牛万钊 ,郭强 ,等.发动机尾气发电研究.长春理工大学学报 2007,30(3):72-752 杨鼎，余兰山.温差电效应及其应用.高等教育学报(白然科学版)，2008, 19 (4):14-173 汤一发，李强，卢旺龙.温差发电技术的发展和应用.空调制冷与相关机械，2006,112 (27)8-104 郑华，马亮志.温差发电技术应用.节能技术，2006,24(136):145-1485 张征 .温差发电技术及其在汽车发动机尾气发电中的应用.能源技术，2004, 25 (3) :120 一 1236 刘忠旺，王亮.发动机排气取热特性分析.辽宁工程技术大学学报，2003, 5:559-6617 董田.汽车发动机排气废热的利用.北京节能，1997,4:7-98 刘红轩.国家纳米科学中心.温差发电在能源中的应用.新材料产业，2006, (5):65-679 Ikoma K, Munekiyo M, Furuya K. 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