汽車尾氣溫差發電裝置通道結構的設計與分析

摘要：排氣廢熱溫差發電對于改善汽車燃油經濟性具有很現實的意義，而提高輸出功率是溫差發電裝置結構設計的主要目標。論述了包括廢熱通道內部結構在內的諸多設計因素對廢熱溫差發電裝置輸出功率的影響，在此基礎上設計了一種改進的廢熱通道。并使用計算流體力學的方法和紅外熱成像試驗，對該廢熱通道結構進行了分析，驗證了所采用設計方法的有效性。

關鍵詞：汽車尾氣；溫差發電；數值模擬；紅外熱像

中圖分類號：U463.63；TN377 文獻標志碼：Ａ 文章編號：1005-2550（2011）02-0015-04

Structure Design and Analysis of Exhaust Gas Heat Exchanger

for Automobile Waste Heat Thermogenerator

SU Chu-qi1， DAI Hong-wei1， XIN Zhen-yang2

（1.School of Automotive Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China；

2. Special Truck Company， China National Heavy Duty Truck Group Co.， LTD， Qingdao 266031，China）

Abstract:Thermoelectric waste heat recovery has great practical significance to improve automobile fuel economy. And the primary objective in structure design of the thermogenerator is to increase the output power. The influence of many factors， including the internal structure of exhaust gas heat exchanger， on the output power is discoursed. On this basis，an improved heat exchanger is designed. Computational fluid dynamics and infrared thermal imaging are used to analyze the structure of exhaust gas heat exchanger and verify the validity of the design method.

Key words: exhaust gas； thermoelectric； numerical simulation； thermal infrared image

燃油經濟性是評價汽車性能的重要指標，其受制于發動機較低的熱效率（不足40%）。而以熱量的形式被尾氣帶走的另40%能量如能部分回收為電能，即實現廢熱溫差發電，其效益必是非常可觀的［1~2］。國內外多家汽車公司和科研機構業已開始這方面的研究。

基于模塊化熱電元件的汽車排氣廢熱溫差發電裝置具有結構簡單、無運動部件、無噪聲等特點。以充分利用尾氣余熱，提高溫差發電裝置輸出功率為目的，對作為熱端的廢熱通道進行流體力學和傳熱學設計是構建溫差發電裝置的基礎和關鍵。

1 溫差發電裝置輸出功率分析

將兩種半導體的一端結合在一起并使之處于高溫狀態（熱端TH），而另一端開路且處于低溫狀態（冷端TC），則在冷端存在開路電壓V，這個效應稱為塞貝克效應［3］。溫差發電就是利用熱電材料的塞貝克效應，將熱能直接轉換為電能的一種方法，尤其適用于余熱等低品位熱能的回收利用。

一個由N對熱電偶組成的熱電模塊可產生的電動勢為［4］：

V=N?琢pn ?茁（TH-TC）=N?琢pn ?茁?駐T（1）

式中，?琢pn為單一熱電偶的總塞貝克系數；?茁為與模塊導熱性（涉及熱電偶內部及模塊兩端絕緣層）有關的系數；?駐T為模塊兩端的溫差。

單一模塊的輸出功率為：

PL=V2（2）

式中，RL為負載電阻；Rin為模塊內阻。

而通常的溫差發電裝置，是將若干熱電模塊以一定的拓撲結構組成陣列，以得到理想的輸出電壓和功率。圖1中是一種典型的模塊陣列結構。

圖 1 典型的熱電模塊陣列結構

考慮陣列中所有模塊兩端的溫差構成矩陣?駐T

?駐T=?駐t11 ?駐t12 … ?駐t1n?駐t21 ?駐t22 … ?駐t2n┋ ┋ ┋?駐tm1 ?駐tm2 … ?駐tmn（3）

假設熱電偶的塞貝克系數，模塊的內阻和導熱性都與溫度無關。將模塊陣列等效為一個電壓源，其開路電壓和內阻分別為V0和Rin，o，不考慮模塊最大輸出電流的限制，則：

V0=#8226;（4）

Rin，o=Rin（5）

且當負載滿足匹配條件RL=Rin，o時，輸出功率最大：

PL，max=#8226;2#8226;（6）

從上式可以看出，溫差發電裝置的輸出功率主要受三個層面上的因素影響：

（1） 熱電模塊的規格和性能參數；

（2） 模塊陣列的規模和拓撲結構；

（3） 模塊兩端的溫差。

其中（3）與溫差發電裝置的結構關系密切，是本文研究的重點。

2 溫差發電裝置的結構

圖2是一種典型溫差發電裝置的結構［5］，熱端（廢熱通道）和冷端（冷卻水箱）都被制成板狀箱體，分別串接在排氣管和冷卻水回路上。熱電模塊以陣列的形式（兩層）夾于其間。這種平板式溫差發電裝置具有結構簡單、布置方便、夾緊容易等特點。

圖 2 平板式溫差發電裝置

模塊兩端的溫差，就是熱端溫度和冷端溫度之差。因為冷端溫度由冷卻水溫度決定，所以在實際應用中，降低冷端溫度是比較困難的，而能夠兼顧溫度要求和尺寸要求的熱端設計則對于提高溫差發電裝置的性能至關重要。通過改進廢熱通道結構，實現對尾氣流能量的充分利用，進而提高模塊兩端的溫差，是提高溫差發電裝置輸出功率的重要途徑。

平板式溫差發電裝置對廢熱通道有以下要求：

為了提高溫差發電裝置的效率，廢熱通道應在其上下表面形成盡量均勻的溫度場，且溫度維持在所用熱電模塊的理想熱端溫度附近。同時，廢熱通道使排氣管內尾氣壓力產生的變化，應不影響發動機工作。

性能上，上下表面應滿足一定的平面度和剛度要求，便于有效地壓緊，以保證熱電模塊和箱體表面的充分接觸和有效傳熱。另外，與模塊接觸的壁面應具有良好的導熱性，而不與模塊接觸的區域盡量絕熱，以減少額外的熱量散失。

傳統的廢熱通道多為空箱（無內部結構的板狀箱體），或在其中加入導流板以增加散熱。對于大排量發動機，尾氣能量比較高，這種結構所能提供的熱端溫度是符合要求的，但當與小排量發動機匹配時，這種結構的局限性就體現出來——熱端溫度難以達到要求值。而且傳統結構溫度場的均勻程度也不甚理想，尤其是考慮到輸出功率的需要，箱體尺寸較大時，邊緣很難有熱量到達。

基于平板式溫差發電裝置的結構，選用某1.6 L發動機搭建溫差發電系統試驗臺架（試驗階段冷端接入獨立的冷卻水循環系統），用GUIDE TP8S紅外熱像儀得到了通道外表面的紅外圖像，并對用于布置模塊的部分進行分析，得到發動機轉速2 000 r/min時溫度分布直方圖（見圖3）。

圖 3 空箱結構的紅外圖像和溫度分布直方圖

從圖3中可以看出，空箱結構的廢熱通道溫度分布不均勻，不利于熱電模塊的布置，且用于布置模塊的通道表面的溫度明顯偏低。從溫度直方圖上可以看出，通道表面最高溫度僅為128.9 ℃，溫度主要分布于48 ℃到90 ℃之間，雖然冷端溫度較低（20 ℃），但這樣的溫差還是不能滿足溫差發電的需要。

3 溫差發電裝置廢熱通道結構研究

3.1 溫差發電裝置廢熱通道結構再設計

針對傳統結構的不足，從傳熱學理論出發，重新考慮廢熱通道的結構設計，并遵循了以下原則：

（1） 增加內部結構以增大有效散熱面積；

（2） 為尾氣構造彎曲的通路，在不增加廢熱通道尺寸的前提下，使其在通道中的流通經歷更長的時間，并適當增加氣流對壁面的摩擦和沖擊；

（3） 通流面積逐漸縮小（不小于原排氣管的截面積），以減小梯度方向上的溫度降低。

按照上述原則，提出了多種可行的方案，這里介紹其中一種經驗證效果較好的結構：與模塊的布置相對應，在廢氣流動方向上依次布置開有圓孔的擋板。這些圓孔大小不等并相互錯開，使廢氣均勻地分流并強化其透過壁面的散熱。

3.2 溫差發電裝置廢熱通道模擬分析

排氣管內的氣流極其復雜，包括了非定常、粘性、可壓縮、有旋、湍流、傳熱等各種流動現象與流動特征［6］。這種復雜性使得任何的解析方法在研究這一問題時都是不足的，因此利用數值計算流體力學的方法對通道中的氣流進行模擬分析就顯得非常必要。

對結構做適當的近似和簡化，結合試驗所得的一些數據，在CFD軟件中使用湍流能量閉合方法，對通道內部尾氣的流動情況進行了模擬。圖4是發動機轉速2 000 r/min時最重要的溫度分布結果。

圖 4 模擬的溫度分布

從圖4中的數值模擬結果看，這種結構整體溫度較高，分布也比較理想，適于熱電模塊的布置。

3.3 溫差發電裝置廢熱通道試驗分析與驗證

將改進后的結構裝于溫差發電系統試驗臺架上，使用紅外熱像儀拍攝紅外圖像并進行分析，得到紅外圖像和溫度分布直方圖，如圖5所示。

圖 5 改進后結構的紅外圖像和溫度分布直方圖

從圖5中可以看出，改進結構的溫度分布比較均勻，適于熱電模塊的布置。用于布置模塊的通道表面的溫度相比空箱結構（見圖3）顯著地提高。從溫度分布直方圖上可以看出，通道表面最高溫度為265.9 ℃，溫度主要分布于52 ℃到220 ℃之間。改進的效果經驗證是比較顯著的。

另一方面，從紅外圖像可以看出，實測的溫度分布和模擬的溫度場并不十分一致，經分析其原因可能是紅外測溫這種非接觸的測量方式精度有限；而且試驗所用的廢熱通道內部未經過防銹處理，在尾氣的腐蝕下很可能發生局部的銹蝕，這在很大程度上對通道壁面的導熱性造成了影響。盡管如此，兩者的溫度分布規律基本一致，這說明模擬的結果具有較大的參考意義。

4 結束語

對廢熱通道進行流體力學和傳熱學設計，可以有效地提高溫差發電裝置對尾氣廢熱的利用率，進而提高輸出功率。

紅外測溫技術是一種實時監測廢熱通道表面溫度場的有效方法。紅外圖像和數值模擬所得溫度分布具有直接的可比性。對紅外圖像做統計學處理所得的溫度分布直方圖，可以直觀地反映廢熱通道的傳熱學性能。

需要指出的是，無論是模擬分析的結果，還是試驗拍攝的紅外圖像，描述的都是廢熱通道露置于空氣中的情況。這與安裝模塊后，溫差發電裝置工作時的熱端溫度是有一定差別的。本文是采用露置于空氣中的溫度場間接反映實際工作情況。今后需要進一步完善模擬和試驗的方法，更精確地反映實際工作情況

參考文獻：

［1］ Yang J. Potential Applications of Thermoelectric Waste Heat Recovery in the Automotive Industry［C］. International Conference on Thermoelectrics，IEEE，2005.

［2］ Bell Lon E. Cooling， Heating，Generating Power， and Recovering Waste Heat With Thermoelectric Systems［J］. Science，2008，321（12）:1457~1461.

［3］ 許志建，徐行．塞貝克效應與溫差發電［J］．現代物理知識，2004，16（1）：41～42．

［4］ Dalola S， Ferrari M， Ferrari V，et al.Characterization of Thermoelectric Modules for Powering Autonomous Sensors［J］. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 2009，58（1）:99~107.

［5］ Saqr K M， Mansour M K， Musa M N. Thermal Design of Automobile Exhuast Based Thermoelectric Generators: Objectives and Challenges［J］. International Journal of Automotive Technology， 2008，9（2）:155~160.

［6］ 劉斌，徐江榮．柴油機排氣管恒溫進氣的內流場數值模擬［J］．杭州電子科技大學學報，2009，29（1）：92～95．