汽車(chē)尾氣溫差發(fā)電裝置中熱電模塊的散熱方式研究

邢號(hào)彬，范文，王計(jì)廣，陸磊

(武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院，湖北武漢430070)

近年來(lái)隨著半導(dǎo)體材料技術(shù)的發(fā)展，熱電轉(zhuǎn)換模塊的成本不斷降低，轉(zhuǎn)換效率不斷提升。溫差發(fā)電技術(shù)日益受到重視，成為節(jié)能減排技術(shù)的研究熱點(diǎn)。溫差發(fā)電技術(shù)具有簡(jiǎn)單、無(wú)噪聲、安全、可靠等特點(diǎn)，是廢熱回收與利用的可靠手段［1］。

目前國(guó)外已經(jīng)有較多成熟的溫差發(fā)電產(chǎn)品，也有許多相關(guān)的應(yīng)用研究。但國(guó)內(nèi)在溫差發(fā)電方面所進(jìn)行的研究還處于起步階段，與國(guó)外還有較大的差距［2－5］。

內(nèi)燃機(jī)的熱效率僅有35%左右，這就意味著絕大部分能量損失于發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水和排放的高溫尾氣中。若將發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣廢熱進(jìn)行再利用，可以進(jìn)一步提高汽車(chē)的能源利用率，從而提升整車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性［6］。

1 尾氣發(fā)電的意義

汽車(chē)尾氣廢熱溫差發(fā)電裝置主要包括熱電轉(zhuǎn)換模塊、氣箱和冷卻水箱等。其工作原理是將熱電轉(zhuǎn)換模塊布置在氣箱表面，模塊的熱端與氣箱表面相接觸，冷端與水箱表面相接觸。通過(guò)兩端的溫差產(chǎn)生電能。溫差發(fā)電的效率與熱電模塊的性能、兩端的溫差及其在廢氣通道箱體上的布置形式有關(guān)。

目前，溫差發(fā)電需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一就是冷端的散熱問(wèn)題。熱能在模塊的冷端積聚，熱量無(wú)法迅速地散失，導(dǎo)致模塊冷端的溫度上升。而良好的散熱方式能夠使模塊冷端的溫度基本保持恒定。筆者主要針對(duì)風(fēng)冷與水冷兩種散熱方式進(jìn)行了軟件仿真與實(shí)驗(yàn)研究。

2 風(fēng)冷和水冷的比較

熱量傳導(dǎo)形式有三種:熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。水冷散熱系統(tǒng)中主要是排氣管壁與模塊、冷卻水箱之間的熱傳導(dǎo)換熱和對(duì)流換熱。風(fēng)冷散熱系統(tǒng)中主要是排氣管壁與模塊、散熱片之間的熱傳導(dǎo)換熱，散熱片與空氣的傳導(dǎo)換熱和輻射換熱。

液體的單位熱容較氣體要大很多，因而液冷比風(fēng)冷有更好的冷卻效果。研究表明液冷換熱系數(shù)比自然風(fēng)冷散熱要大100倍以上，因此國(guó)內(nèi)外在汽車(chē)尾氣廢熱發(fā)電中基本上都采用水冷系統(tǒng)。

可以推導(dǎo)其傳熱公式為:

(1)氣流體傳遞給廢熱通道內(nèi)壁的對(duì)流換熱熱流量Qh和輻射換熱熱流量Qf

(2)廢熱通道壁的導(dǎo)熱熱流量Q2

Q2= λA(t1－ t2)/δ

(3)廢熱通道外壁與水之間的對(duì)流換熱熱流量Q3Q3= α3A(t2－Tb)

其中:λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);

A為垂直于導(dǎo)熱方向的物體截面面積，m2;

δ為廢熱通道壁厚，m;

t1為內(nèi)表面壁溫，℃;

t2為外表面壁溫，℃;

αh為對(duì)流換熱系數(shù)，此處為廢熱通道壁表面對(duì)氣流體的換熱系數(shù)，W/(m2·K);

Cs為輻射系統(tǒng)的輻射系數(shù)，W/(m2·K4)。

2.1 水冷系統(tǒng)

水冷散熱系統(tǒng)是指通過(guò)冷卻水箱來(lái)帶走熱電轉(zhuǎn)換模塊冷端的熱量。水冷系統(tǒng)一般由熱能交換器、水循環(huán)系統(tǒng)、水箱和水泵組成。溫差發(fā)電的水冷系統(tǒng)一般與發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)直接相接。在常溫下水的導(dǎo)熱系數(shù)是0.54 W/(m·K)，而鋁的導(dǎo)熱系數(shù)是237 W/(m·K)。但是，流動(dòng)的水就會(huì)有極好的導(dǎo)熱性，也就是說(shuō)，水冷散熱器的散熱性能與其中散熱液 (水或其他液體)流速成正比。而且水的熱容量比較大，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水在15℃時(shí)的比熱容是4.186 J/(g·℃)，在100℃時(shí)的比熱容是2.051 J/(g·℃)，隨著溫度的升高，水的比熱容逐漸下降。這就使得水冷制冷系統(tǒng)在低溫時(shí)有著很好的熱負(fù)載能力。

2.2 風(fēng)冷系統(tǒng)

風(fēng)冷散熱系統(tǒng)是指在模塊冷端加裝散熱片，通過(guò)氣流帶走模塊冷端的熱量。與水冷散熱系統(tǒng)相比，風(fēng)冷散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，易于安裝。主要包括散熱片和緊固裝置。汽車(chē)在正常速度 (60 km/h，即16.7 m/s)下行駛時(shí)，空氣的流速約為17 m/s。此外，相對(duì)于水冷散熱，風(fēng)冷散熱的散熱片的面積大約是水冷散熱的30倍，風(fēng)速是水的流速的5倍左右。這些都有利于提高散熱能力。

此外，風(fēng)冷散熱系統(tǒng)無(wú)需借助于發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響幾乎為零，減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載，有利于提高車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。

3 實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果及分析

目前，汽車(chē)尾氣廢熱溫差發(fā)電系統(tǒng)仍然處于試驗(yàn)研究階段。在實(shí)際裝車(chē)前，需要先利用廢熱溫差發(fā)電的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證。某型號(hào)的模塊在試驗(yàn)臺(tái)架上獲得的在風(fēng)冷和水冷兩種冷卻方式下的冷端溫度如圖1所示。

圖1表明水冷與風(fēng)冷兩種散熱方式下冷端的溫度相比，在熱端溫度120℃以下時(shí)，兩者的散熱效果基本相同，在120～200℃范圍內(nèi)，水冷的散熱效果要比風(fēng)冷稍微好一些。在熱端溫度為200℃左右時(shí)，兩種方式下冷端溫差僅為13℃左右。

在試驗(yàn)后的分析中發(fā)現(xiàn)，熱電偶測(cè)得溫度與紅外熱熱像儀獲得圖像分析出的溫度存在不一致現(xiàn)象。通過(guò)仔細(xì)的分析比較發(fā)現(xiàn)，紅外熱像儀測(cè)得高溫區(qū)域和低溫區(qū)域中測(cè)得的溫度比較準(zhǔn)確，在靠近高溫區(qū)域的范圍內(nèi)誤差較大。

選擇20個(gè)節(jié)點(diǎn)的Solid87元素，定義材料屬性，在ANSYS中進(jìn)行建模并劃分網(wǎng)格。設(shè)置邊界條件，求解。查看散熱片的溫度分布和熱應(yīng)力分布［7］。

通過(guò)仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，熱量在散熱片的中間部位集中，因此我們?cè)僭O(shè)計(jì)散熱片的時(shí)侯要注意考慮散熱片的厚度以及間距，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，使熱量更加均勻，減小散熱片的熱應(yīng)力，提高使用壽命。

4 結(jié)論

相對(duì)于水冷散熱，風(fēng)冷散熱更能反映出在實(shí)際工況下的溫差發(fā)電裝置的狀態(tài)。風(fēng)冷散熱在帶走大量熱量的同時(shí)，也會(huì)使排氣管的最高溫度明顯降低。就冷卻效果而言，水冷與風(fēng)冷兩種散熱方式在熱端溫度120℃以下時(shí)，兩者的散熱效果基本相同，在120～200℃范圍內(nèi)，水冷的散熱效果要比風(fēng)冷稍微好一些，但是相差不大。

【1】鄧亞?wèn)|，范韜，郭殉，等.汽車(chē)尾氣溫差發(fā)電裝置及熱電模塊的布置研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):信息與管理工程版，2010，32(2).

【2】董桂田.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣廢熱的溫差發(fā)電［J］.北京節(jié)能，1997(4).

【3】徐立珍，李彥，楊知，陳昌和.汽車(chē)尾氣溫差發(fā)電的實(shí)驗(yàn)研究［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010(2).

【4】張征，曾美琴，司廣樹(shù).溫差發(fā)電技術(shù)及其在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱利用中的應(yīng)用［J］.能源技術(shù)，2004(3).

【5】Snyder G J，Toberer E S.Complex thermoelectric materials［J］.Nature Materials，2008，7(2):105 －114.

【6】鄭文波，王禹，吳知非，等.溫差發(fā)電器熱電性能測(cè)試平臺(tái)的搭建［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2006，23(11).

【7】付娟.某半導(dǎo)體致冷器冷熱端散熱翅片的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.電子機(jī)械工程，2009，25(6).