汽車尾氣的余熱發(fā)電及有效利用

蔣小強，謝愛霞，丁錦宏，何 武，李建瑩

(1.福建工程學院生態(tài)環(huán)境與城市建設(shè)學院，福建福州350108；2.廣東海洋大學工程學院，廣東湛江524025)

汽車尾氣的余熱發(fā)電及有效利用

蔣小強1，謝愛霞2，丁錦宏2，何 武2，李建瑩2

(1.福建工程學院生態(tài)環(huán)境與城市建設(shè)學院，福建福州350108；2.廣東海洋大學工程學院，廣東湛江524025)

基于熱電偶溫差發(fā)電原理，對汽車尾氣廢熱進行回收，將排氣中所含低品位能源轉(zhuǎn)換為電能；為了使電能充分利用，結(jié)合熱電制冷原理，設(shè)計一車載冰箱，將冷端置于車載冰箱中，實現(xiàn)汽車冰箱冷凍冷藏的功能。通過對廢熱回收、溫差發(fā)電、半導體制冷及冰箱結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和計算，完成了新型車載冰箱的設(shè)計工作。該設(shè)計具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、無運動部件、無噪聲、使用壽命長等優(yōu)點，同時還可降低尾氣廢氣溫度，減少溫室效應(yīng)，節(jié)省能耗，提高汽車經(jīng)濟性。

余熱發(fā)電；汽車尾氣；熱電制冷

隨著社會現(xiàn)代化的迅速發(fā)展，能源的需求大量增加，以致能源緊缺變得更加嚴重，汽車工業(yè)是我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)之一，伴隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，車輛消耗的能源也與日劇增，使得車輛的節(jié)能備受關(guān)注。一方面，汽車的動力轉(zhuǎn)換效率僅為40%(柴油機動力輸出的功一般只占燃油燃燒總熱量的30%～42%，而汽油機只有25%～30%)，以廢熱形式排出車外的能量占總能量的58%～70%(柴油機)或者70%～75%(汽油機)，主要包括循環(huán)冷卻水帶走的熱量和尾氣帶走的熱量，廢氣余熱溫度高，帶走熱量占燃料總能量的25%～45%(柴油機)或者30%～40%(汽油機)，一般可以利用的廢熱量為燃燒總熱量的16%左右。另一方面，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和人們物質(zhì)生活水平的提高，車載冰箱逐漸走向汽車市場。世界上許多高檔汽車上已經(jīng)采用OEM方式嵌入配套汽車冰箱，這是真正意義上的汽車冰箱。歐美、日本、許多較專業(yè)的愛好者和國防軍隊都需要車載冰箱，車載冰箱也經(jīng)常用于醫(yī)療藥物運輸中的臨時保存。汽車尾氣余熱能量可用于車載冰箱系統(tǒng)的驅(qū)動能源，冬季還可以制熱供暖，減少暖氣能源消耗量，既可以滿足人們對汽車舒適性的要求，也可以提高汽車的經(jīng)濟性。

溫差發(fā)電是一種綠色環(huán)保的發(fā)電方式，溫差發(fā)電技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、無運動部件、無噪聲、使用壽命長等優(yōu)點，同時降低尾氣排氣溫度，降低全球溫室效應(yīng)[1]。熱電制冷冰箱是靠空穴和電子在運動中直接傳遞熱量來實現(xiàn)的，它與現(xiàn)在的壓縮式和吸附式制冷相比具有無泄漏、無污染、無噪聲、無磨損以及靈活調(diào)整等優(yōu)點，通過聯(lián)合兩個系統(tǒng)設(shè)計，將大大提高整車動力性能。

1 總體系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體原理分析

汽車運行時，發(fā)動機的尾氣廢熱不斷地從廢氣通道排出，溫度高達600～650℃，通過擾流子，廢氣溫度均勻分布在廢氣通道表面，形成溫差發(fā)電的熱源。發(fā)動機冷卻水一部分通過設(shè)計水箱箱體維持在85℃，形成溫差發(fā)電的冷端。溫差發(fā)電熱電堆系統(tǒng)在兩端產(chǎn)生電動勢，產(chǎn)生的電功率利用在兩方面，一方面提供熱電制冷熱電堆功耗，另一方面提供風機運作，在風機的作用下，汽車室內(nèi)的冷流體排風量來冷卻熱電制冷熱端的發(fā)熱，冷流體以湍流掠過肋片，帶走熱端發(fā)熱量，確保正常運行。當汽車不運行時，電源來自蓄電池，蓄電池可以利用家庭交流電進行充電，避免汽車熄火時不制冷的短板。熱電制冷熱電堆在冷板制冷，提供車載冰箱的制冷量，承擔其冷負荷，溫度采集器采用為電腦控制的自動調(diào)節(jié)，根據(jù)冰箱內(nèi)部溫度和熱端溫度，微機進行平衡溫度計算。同時，在冬季易于改裝成供暖裝置，圖1為工作原理圖。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計原理

1.2 溫差發(fā)電系統(tǒng)

1.2.1 設(shè)計原理

將兩種半導體的一端結(jié)合一起并使之處于高溫狀態(tài) (熱端)，另一端開路且處于低溫狀態(tài)(冷端)，則在冷端存在開路電壓，這個效率稱為塞貝克效應(yīng)，溫差發(fā)電是利用熱電材料的塞貝克效應(yīng)，它是溫差發(fā)電技術(shù)的理論基礎(chǔ)。當結(jié)點的溫度差在一定范圍內(nèi)時，存在如下關(guān)系：

一個典型的溫差發(fā)電器主要由P、N型半導體元件和負載組成，如圖2所示。

圖2 典型溫差發(fā)電器半導體元件

半導體元件工作時，輸出功率可由負載電阻獲得，即：

功率為：

一個平PN連結(jié)所能產(chǎn)生的電動勢有限，將多個PN連結(jié)串并聯(lián)起來就可得到足夠的電壓，成為一個溫差發(fā)電機。這樣的溫差發(fā)電完全沒有轉(zhuǎn)動，因此非?？煽?。

1.2.2 熱電材料的選擇

根據(jù)汽車尾氣溫度以及熱電偶參數(shù)綜合考慮，本設(shè)計中溫差發(fā)電采用半導體碲化鉛(PbTe)，是具有棉心立方體晶格結(jié)構(gòu)的共價金屬間化合物，其熔點為922℃，過量的鉛合成N型碲化鉛PbTe，過量的碲形成碲化鉛，兩者均為摻雜的半導體，各參數(shù)見表1。

表1 半導體碲化鉛參數(shù)

一般發(fā)動機冷卻循環(huán)水冷端維持在85℃，而熱端溫度可達650℃，根據(jù)式(1)計算可得Δ=0.187 V，所以通過串并聯(lián)結(jié)合，可以產(chǎn)生可觀的電源功率。

1.2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

溫差發(fā)電系統(tǒng)中，廢熱通道是一個很重要的載體，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。一般的廢熱通道內(nèi)部為空腔結(jié)構(gòu)，由于發(fā)動機排氣管高速排出的尾氣在箱體內(nèi)停留的時間短，無法將更多的尾氣熱量傳至箱體表面，導致箱體溫度分布不均勻。為了延長汽車尾氣在通道內(nèi)的停留時間，必須在通道內(nèi)部設(shè)計擾流結(jié)構(gòu)，使尾氣熱量充分傳到通道表面[2]。廢氣通道長度為300 mm，寬度為150 mm，高為50 mm，廢氣通道管徑為50 mm。

圖3 廢熱通道結(jié)構(gòu)

根據(jù)廢氣通道尺寸設(shè)計以及熱電偶尺寸，熱電偶在廢氣通道長方向排一行為15對，寬方向4行為一個單元完整小串聯(lián)電偶，寬方向一側(cè)排布3個類似這樣的熱電偶并聯(lián)，同理，另一側(cè)也是一樣排布。相當于6個單元完整串聯(lián)電偶電阻并聯(lián)而成。

冷端采用循環(huán)冷卻水，把熱電偶的熱端放在排氣通道與冷卻水箱之間，使其處于較為穩(wěn)定的溫度，且具有便于安裝及加緊容易等優(yōu)點。如圖4所示，主要結(jié)構(gòu)包括半導體熱電模塊、廢氣通道箱體和冷卻水箱，半導體熱電模塊布置在廢氣通道箱和冷卻水箱之間，廢氣通道箱儲存發(fā)動機的排氣余熱，給熱電偶模塊提供650℃高溫，即模塊的熱源，冷卻水由水泵控制，不斷循環(huán)流動，維持85℃低溫，即模塊的冷源。而每個熱電偶是采用串并聯(lián)方式連接起來。通常在熱電偶模塊的兩端固定用于導熱、絕緣的陶瓷片或者導熱絕緣布[3]。

圖4 溫差發(fā)電總體結(jié)構(gòu)

1.3 熱電制冷系統(tǒng)

1.3.1 設(shè)計原理

電流流過兩種不同導體的界面時，從外界吸收能量，或向外界放出能量，實驗表明，接點處的換熱量與電流成正比，即：

根據(jù)制冷原理可得，當電流通過電偶對時，熱電元件內(nèi)還要放出焦耳熱。焦耳熱與電流的平方成正比，即：

3.5 3 0 歲以上的男性開始關(guān)注心臟問題,且隨年齡增加,選擇心臟檢查的項目增多,此現(xiàn)象符合醫(yī)學建議。

計算證明，有一半的焦耳熱傳給熱電元件的冷端，引起熱電制冷效應(yīng)降低。

由于半導體的導熱，從電堆熱端還要傳給冷端一定的熱量：

根據(jù)式(6)、(7)、(8)得熱電制冷單元的制冷量：

電偶對工作時，電源既要對電阻做功，又要克服熱電勢做功，故消耗的功率為：

由式(9)、(10)可得制冷系數(shù)：

熱電制熱單元發(fā)熱量：

帕爾帖效應(yīng)與塞貝克效應(yīng)都是溫差電效應(yīng)，二者有密切聯(lián)系，事實上，它們互為發(fā)效應(yīng)，一個是說電偶有溫差存在時會產(chǎn)生電動勢，一個是說電偶中有電流通過時會產(chǎn)生溫差。溫差電動勢α與帕爾帖系數(shù)直接存在下述關(guān)系：

1.3.2 設(shè)計材料

由于導體帕爾貼效應(yīng)比普通的金屬電偶強得多，能夠在冷結(jié)點處表現(xiàn)明顯的制冷效應(yīng)，故本設(shè)計熱電制冷器的基本單元是半導體電偶。組成電偶的材料一個是P型半導體(空穴型)，一個是N型半導體(電子型)。依制冷性能數(shù)優(yōu)化的原則設(shè)計電堆，能量轉(zhuǎn)換的效率高，耗電少，熱端散熱少。本設(shè)計采用的是國產(chǎn)應(yīng)用較為成熟的三元碲化鉍-碲化銻固溶體合金，P型的材料是碲化鉍-碲化銻(Bi2Te3-Sb2Te3)固溶體合金，N型的材料是碲化鉍-硒化鉍(Bi2Te3-Bi2Sc3)，在200 K附近優(yōu)值系數(shù)維持在4×10-3，具體參數(shù)見表2。

表2 三元碲化鉍-碲化銻固溶體合金

1.3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

在熱電制冷中，由于一對基本電偶的制冷量很小，實際使用時為了滿足指定的冷量，需要將許多電偶連成熱電堆，本設(shè)計采用71對熱電偶制冷，以7對為一行，總共10行分布，其中制冷設(shè)備主要由熱電堆、導熱的電絕緣層、冷板和散熱器組成[4]，見圖5。

圖5 熱電制冷設(shè)備的結(jié)構(gòu)

冷板起導出冷量的作用。冷板應(yīng)與被冷卻物體保持良好的熱電接觸，接觸面具有良好的導熱性和電絕緣性。

散熱器起到熱端散熱作用，采用汽車空氣排風冷卻，散熱器可做成帶翅片的表面，翅型為片狀。圖6為散熱器結(jié)構(gòu)示意圖，本設(shè)計為鋁制平肋片，尺寸為50 mm×30 mm×2 mm?？偣矠?5片，分3行，每1行為15片肋片。

圖6 散熱器結(jié)構(gòu)示意圖

為了使同一側(cè)結(jié)點的熱量都能匯集在金屬板 (冷板或散熱器)上，而又保證各熱電偶元件之間相互的電隔離性，在熱堆冷端與冷板之間、電堆熱端與散熱器之間用一層能導熱卻不導電的物質(zhì)隔開，該隔層即導熱的電絕緣層。云母片、涂漆層或不導電的金屬氧化物膜片都可以作為導熱的電絕緣層材料。該層厚度越小越好，因為它夾在電堆結(jié)點與熱交換器之間，將產(chǎn)生附加熱阻和附加溫差。通常每層引起的附加溫差都在2 K以上。

風機冷卻散熱器，帶走熱量，使其冷卻熱電堆熱端，根據(jù)經(jīng)驗選型為DC 4 V/1.5 A，外徑為100 mm的風機。

根據(jù)制冷量和冰箱冷負荷的計算公式，確定制冷量與冰箱內(nèi)膽的寬、深、高的關(guān)系；選取各表面的絕熱層厚度，根據(jù)安裝位置設(shè)定冰箱的寬、深，最后根據(jù)所列關(guān)系式求冰箱高度。考慮貯物方便，取內(nèi)膽寬為0.32 m，則內(nèi)膽深為0.38 m，算得高度為0.47 m，取0.40 m。

2 理論設(shè)計及校核

2.1 理論設(shè)計

根據(jù)廢氣通道尺寸以及熱電偶尺寸，熱電偶一行為15對，4行為一個單元完整小串聯(lián)電偶，廢氣通道一側(cè)為3個類似這樣的熱電偶并聯(lián)，同理，另一側(cè)也是一樣排布。相當于6個電阻并聯(lián)而成。

依據(jù)制冷性能數(shù)優(yōu)化的原則設(shè)計電堆，則能量轉(zhuǎn)換的效率高，耗電少，熱端散熱少。確定電堆的元件尺寸和需用電偶數(shù)目，計算一個電偶的值：

求出電阻壓降(或工作電流)的優(yōu)化值，以及在該條件下的性能最佳。

電源內(nèi)電阻存在，電動勢壓降為：

根據(jù)電動勢壓降可知負載電壓：

確定熱電制冷熱電偶數(shù)為：

串聯(lián)電阻為：

單個熱電偶制冷量：

總的制冷量為：

單個熱電偶輸出電源功率：

總的電源輸出功率：

熱端發(fā)熱功率：

熱電制冷熱端吸收熱量，根據(jù)式(12)可知，總的熱電發(fā)熱功率為92.57 W，散熱器散熱量等于熱電制冷熱端的發(fā)熱量，使熱端維持在設(shè)計溫度。尺寸為50 mm×30 mm×2 mm，則計算其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)時，按流體橫掠平板模式來計算[5]：

空氣定性溫度：(35.22+26)/2=30.61℃，35.22℃為冷流體最終溫度，26℃為冷流體最初溫度。故空氣熱導率=0.026 7 W/(m·℃)，空氣的粘度為μ=0.000 016 m2/s。

因為風機采用的半徑為100 mm，冷流體通過風機作用下，空氣流速為1 m/s，則得：

冷流體處于紊流狀態(tài)。

根據(jù)式(14)，得α=21.21 W/(m·℃)。

2.2 校核計算

2.2.1 排風量溫度校核計算

新風量為總送風的10%，所以排風量為總風量的10%，則15 m3/h每人，本設(shè)計汽車設(shè)計送風量為30 m3/h。排風干球溫度為26℃，故流體最終溫度為：

2.2.2 冷卻水箱冷端溫度校核

根據(jù)能量平衡方程可知熱電堆冷端放熱量：

冷端冷卻水帶走熱量為：

冷卻水循環(huán)流量為：

考慮冷卻水水溫變化不影響發(fā)動機冷卻影響，則：

2.2.3 散熱器散熱校核計算

根據(jù)傳熱學肋片傳熱方式，列出肋片散熱系數(shù)方程：

安裝部分示意圖見圖7和圖8。

圖7 溫差發(fā)電剖面圖

圖8 冰箱整體剖面圖

3 結(jié)束語

基于溫差發(fā)電原理，利用汽車尾氣的高溫與環(huán)境低溫的溫差獲取電源并進行應(yīng)用，具有以下優(yōu)點：

(1)直接為半導體冰箱提供能源，減少了能源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，實現(xiàn)尾氣廢熱回收和車載冰箱供能相結(jié)合；

(2)為實現(xiàn)冰箱供冷的連續(xù)性和穩(wěn)定性設(shè)置了蓄能裝置，可在汽車停止排氣時為車載冰箱繼續(xù)提供能源。

[1]吳業(yè)正.制冷原理及設(shè)備[M].西安：西安交通大學出版社，2010.

[2]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].4版.北京：高等教育出版社，2012.

[3]董桂田.汽車發(fā)動機排氣廢熱溫差發(fā)電[J].北京節(jié)能，1997(4)：7-10.

[4]梁雪，張永恒.便攜式車載冰箱設(shè)計[J].甘肅科技，2011，22(11)：32-33.

[5]陳玉忠.微型熱電制冷散熱器工作狀態(tài)特性分析[J].華東船舶工業(yè)學院學報，2002，16(1)：62-65.

Waste heat power generation and efficient use of utomobile exhaust

Based on the principle of the thermocouple thermoelectric power generation,automobile exhaust waste heat was recovered,low-grade energy contained in the exhaust gas was converted to electrical energy;in order to make full use of electricity,combined with thermoelectric cooling principle,a car refrigerator was designed,and the cold side was put into car refrigerator to realize the function.Through the waste heat recovery, thermal power generation,semiconductor refrigeration and freezer structural design and calculation,the design work was completed for a new car refrigerator.This design has simple,rugged,no moving parts,no noise,long life and other advantages, while reducing exhaust gas temperature,reducing greenhouse gas emissions,saving energy and improving vehicle economy.

waste heat power generation;vehicle exhaust;thermoelectric cooling

TM 913

A

1002-087 X(2016)06-1280-04

2015-12-15

福建省自然科學基金(2015J05089)；福州市科技計劃項目(2015-G-65)

蔣小強(1980—)，男，湖南省人，博士，講師，主要研究方向為制冷空調(diào)節(jié)能技術(shù)。