（动力机械及工程专业论文）基于cfd的车用尾气余热温差发电装置流场分析及优化.pdf

摘要 汽车工业发展至今已经历经了一个多世纪，推进了全球经济发展的同时， 也消耗大量的石油资源，并产生过量温室气体及n o x 、p m 等污染物排放，受 制于材料和内燃机燃烧卡诺循环，内燃机热效率一直较低，其中由尾气带走的 热量高达4 0 ，温差发电是一种良好的能量回收利用技术，在全球范围内已广 泛开展车用尾气余热温差发电研究。主换热器是温差发电装置热端核心组件之 一，其表面温度均匀程度与主换热器与尾气的换热效率等是影响温差发电装置 的输出的重要因素。本文围绕车用尾气余热回收利用，对温差发电装置主换热 器展开了相关研究。 本文首先研究了壳体导热和实体导热两种壁面导热模型适用对象，现有模 型壁面由于壁面厚度不一致，选用实体导热模型进行后续仿真研究。利用a n s y s w o r k b e n c h 仿真平台建立现有层叠平板式温差发电装置流固耦合共轭换热计算 模型，通过g t - s u i t e 获取多种发动机工况下的边界条件，利用c f d 软件f l u e n t 展开数值仿真研究，并通过开展台架实验对相关仿真结果进行验证，试验数据 与仿真结果最大误差在5 以内。 数值模拟结果表明主换热器入口尾气流速与温度增加能有效提高其表面平 均温度，同时分析也指出现有结构入口端导热翅片布置不合理，致使换热器表 面入口端面域温度较低。利用响应面方法对主换热器边界条件进行局部灵敏度 分析，分析表明尾气流速对主换热器背压贡献较对总换热量的影响大，尾气温 度对主换热器总换热量贡献较对背压的影响大。表面温度场均匀性研究表明一 定的内部导热翅片结构不仅能强化尾气换热，还能提高主换热器表面温度均匀 性系数。此外分析还表明温度均匀性系数对入口尾气温度较流速敏感，增加尾 气温度会降低该系数。 综合主换热器的各项分析提出了三种主换热器优化方案，计算得到各种方 案主换热器在相同边界条件下的结果，通过对比背压、表面平均温度及温度均 匀性系数，选取了较佳的优化方案，新方案拥有较低的流动背压、最高的温度 均匀性系数及较高的表面平均温度。本文提供的研究方法为后期车用尾气余热 温差发电装置设计和改进提供方法指导。 关键词：温差发电；数值模拟；温度均匀性系数：局部灵敏度：结构优化 a b s t r a c t t h ea u t oi n d u s t r yh a sd e v e l o p e df o rm o r et h a nac e n t u r y , b o o s t i n g w o r l d s e c o n o m i cd e v e l o p m e n tw h i l ec o n s u m i n g t e r r i f i ca m o u n to fo i lr e s o u r c e s ，t h e c o n s u m p t i o no fo i lp r o d u c e s m u c hp o l l u t a n t sa sg r e e n h o u s eg a s ，n o xa n d p a r t i c u l a t em a t t e r ( p m ) e n g i n et h e r m a le f f i c i e n c yh a sb e e nv e r yl o wd u et o t h e l i m i t a t i o n so fe n g i n em a t e r i a la n dc o m b u s t i o nc y c l e ，u pt o4 0 o ff u e le n e r g yi s d r a i n e da w a yb yw a s t eg a s ，w h e r e a st h e r m o e l e c t r i c t e c h n o l o g yp r o v i d e sa n e f f e c t i v ew a yt or e c o v e rw a s t eh e a t ，a n dh a sr e c e i v e de x t e n s i v ea t t e n t i o n ，s t u d i e sa n d r e s e a r c h e sa r ec o n d u c t e da c r o s st h ew o r l d p r i m a r yh e a te x c h a n g e “p h x ) i so n eo f t h ek e yc o m p o n e n t sw i t h i nt h et h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t o r ( t e g ) ，c o n d u c t i n gt h eh e a t e n e r g ya b s o r b e d f r o mw a s t eg a st ot h e r m o e l e c t r i cm o d u l e s ( t e m ) t e m p e r a t u r e u n i f o r m i t y ，t e mt o p o l o g ya n dp h xe f f i c i e n c ya sw e l l ，a r eo fg r e a ti m p o r t a n c et o t h eo u t p u to ft h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t o r ( t e g ) i nt h i ss t u d y , c o n c e n t r a t i o n sa r em a d eo n t h ew a s t eh e a tr e c o v e r ya n ds t u d i e so fp h x c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ( c f d ) t h e o r yi si l l u s t r a t e d b r i e f l y a tt h e b e g i n n i n g o ft h es t u d y t w oc o m m o n l yu s e dw a l lh e a tc o n d u c t i n gm o d e l sa r et h e n s t u d i e d ，t h em o d e lt ob eu s e di nt h ef o l l o w i n gs i m u l a t i o no fp h xi sd e t e r m i n e d t h r o u g hc o m p a r i s o no ft h et w om o d e l s t h ec o m p u t a t i o n a lm o d e lo fc u r r e n tp h xi s e s t a b l i s h e dw i t h i np l a t f o r ma n s y sw o r k b e n c ht oc o n d u c tc o n j u g a t eh e a tt r a n s f e r t h eb o u n d a r yc o n d i t i o n sa r eo b t a i n e df r o mg t - s u i t e ，t h es i m u l a t i o n sa r ec a r r i e d o u tw i t hc o m m e r c i a lc f dp r o g r a mf l u e n t , b e n c ht e s t sa r ea l s oc o n d u c t e dt o g a t h e rd a t aa n dv a l i d a t et h es i m u l a t i o n s l o c a ls e n s i t i v i t ya n a l y s i si sc o n d u c t e dt o d e t e r m i n et h ei n f l u e n c eo fb o u n d a r yc o n d i t i o n st op h x b a c k p r e s s u r ea n dt o t a lh e a t t r a n s f e rw i t h i nt h es i m u l a t i o n sr e s u l t s ，t h ec o n c e p t i o no ft e m p e r a t u r eu n i f o r m i t y c o e f f i c i e n ti sp r o p o s e dt h r o u g ht h es t u d yo fp h xs u r f a c et e m p e r a t u r eu n i f o r m i t y s i m u l a t i o n sr e s u l t su n d e rc e r t a i nb o u n d a r yc o n d i t i o n si n d i c a t e st h a ti n c r e a s i n g i n l e t g a sv e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r ec o u l d i n c r e a s et h ep h xs u r f a c ea v e r a g e t e m p e r a t u r ee f f e c t i v e l y , a n da n a l y s i sa l s os h o w st h ef l a w so fc u r r e n tp h x ，t h e i m p r o p e rl a y o u to ff i n s a tt h ei n l e tc o n t r i b u t e st ot h er e l a t i v e l yl o ws u r f a c e t e m p e r a t u r e a tt h ei n l e tp a r t l o c a ls e n s i t i v i t ya n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h ev e l o c i t yo f w a s t eg a sh a sag r e a t e rc o n t r i b u t i o nt ob a c k p r e s s u r eo fp h xi nc o m p a r i s o nw i t h u t e m p e r a t u r eo fw a s t eg a s ， w h i l et h et e m p e r a t u r eo fw a s t eg a sh a sag r e a t e r c o n t r i b u t i o nt ot o t a lh e a tt r a n s f e r t h es t u d yo ft e m p e r a t u r eu n i f o r m i t ys h o w st h a t t h ef i n si n s i d et h ep h xc o u l d n o to n l yi m p r o v e st h eh e a tt r a n s f e rb u ta l s oi m p r o v et h e t e m p e r a t u r eu n i f o r m i t yc o e f f i c i e n t b e s i d e s ，f u r t h e rs i m u l a t i o n si n d i c a t e st h a t t h e t e m p e r a t u r eu n i f o r m i t y c o e f f i c i e n ti sl e s ss e n s i t i v et oi n l e tg a sv e l o c i t yt h a n t e m p e r a t u r e ，i n c r e a s i n gt e m p e r a t u r ec o u l dl o w t h ec o e f f i c i e n t c e r t a i no p t i m i z a t i o nm o d e l sa r ep r o p o s e dt h r o u g hc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s ，t h e m o d e l sa l ee s t a b l i s h e da n ds i m u l a t i o nr e s u l t su n d e rt h es a m eb o u n d a r yc o n d i t i o n s a r eo b t a i n e dw i t hf l u e n t t h ef i n a lo p t i o ni sm a d et h r o u g ht h ec o m p a r i s o no f p a r a m e t e r s a sb a c k p r e s s u r e ，p h xs u r f a c ea v e r a g et e m p e r a t u r ea n dt e m p e r a t u r e u n i f o r m i t yc o e f f i c i e n t c o m p a r i s o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ei d e a lo p t i m i z a t i o nm o d e l f o rt h es t u d yh a sal o wb a c k p r e s s u r e ，t h eh i g h e s tt e m p e r a t u r eu n i f o r m i t yc o e f f i c i e n t a n dar e l a t i v e l yh i g hs u r f a c ea v e r a g et e m p e r a t u r e k e yw o r d s ：t h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i o n ；n u m e r i cs i m u l a t i o n ；t e m p e r a t u r eu n i f o r m i t y c o e f f i c i e n t ；l o c a ls e n s i t i v i t y ；o p t i m i z a t i o n 1 1 1 武汉理t 大学硕士学位论文 1 1 选题背景和意义 第1 章绪论 中国能源储量丰富，其中煤炭和稀土总量居世界前列，但现阶段我国是一 个能源消耗大国，能源利用率较低，只有约3 3 ，单位产值耗能比美国、欧盟、 日本分别要高2 5 倍、4 9 倍和8 7 斜。改革开放以来，在国内经济高速发展和 实现工业现代化过程中，长期以来的高耗能高污染的粗放型性经济发展模式已 经充分凸显了其弊端，经济发展代价巨大，目前国内各大中心城市严重环境污 染，资源浪费严重等，这种落后发展模式已经使中国无法实现重要战略能源的 自给自足，转而向全球采购能源，为此付出了高昂的成本。研究表明2 0 1 1 年中 国全年的石油需求为4 8 3 亿吨，同比增长6 2 ，尽管中国国内原油产量己较大 幅度增长，但仍无法满足石油的消费的快速增长，2 0 1 0 年中国进口原油2 3 9 亿 吨。目前中国仍处于城镇化、工业化快速发展阶段，石油需求年均增长4 左右， 到2 0 1 5 年，中国石油资源的对外依存度将高达6 0 以上1 2 j 。化石能源储量有限， 逐步摆脱对传统化石能源的依赖和提高能源利用率、积极寻找节能新办法以及 开发高效清洁的新能源，如太阳能、风能、潮汐能及地热能等，是世界科学家 研究工作的重点。温差发电材料科学的快速发展使得废热的开发利用获得关注， 温差发电技术成为世界各国的研究热点，并将带来一系列的产业促进变化和环 保效应。如图1 1 所示。 u 困 激懑翰2 业 图l - l 温差发电技术效应 早在2 0 世纪6 0 年代温差发电的概念就已被提出，限于当时温差发电材料 科学的限制，温差发电模块体积大，温差发电转换效率低下，价格昂贵等，使 得温差发电主要应用于少数特定领域，如航天探测器最初就是由温差发电装置 武汉理工大学硕士学位论文 提供电源的【3 1 。温差发电是一种合理利用低品位能源并将其转换成为电能的有效 方式。低品位热能在地球上分布广泛，是地球上能量存在的主要形式，温差发 电技术在低品位热能开发领域的先天优势使得其应用得到不断拓展，可利用的 场所非常多地球表面约7 0 的面积被海洋覆盖，在各种海洋能中温差能储量最 丰富，全世界海洋温差能的理论储量估计为1 0 0 亿k w 4 1 。图1 2 所示为温差发 电技术研究应用路谱，科技的发展促成温差发电技术的广泛应用。图1 3 展示了 未来世界各国电网的组成变化，电力供应已经从较为单一的温差发电厂和水力 发电供应演化为多源供应，不仅有目前已经成功并网发电的风能机组，也有太 阳能、潮汐能、大型燃料电池组和温差发电装置等，通过计算机控制系统的调 配为电网供应电力，多元化的电力供应有助于降低对传统电网的依赖，提高能 源利用率，从而减少温室气体的排放，对改善生态环境有积极意义【5 1 。 1o m w t e g 应用路藩 犬薹中央t e g ， 旧1 帆m w ii v t w 。v 薏羹。= = l ；耋三业赢谴，| ，i 轰警雾璧：! m “w 雾夸竽鬻譬：委 撇w ，二：紫，。| 二懒，譬鬻裂 f 工业家霆；气车j1 鼍兰苎竺至掣! 瑚 1 - w 星体震 ；芟凌、驷2 2 0 。l ， j f 了喾譬一：一，筹举毫蔼控翕 基承纯篙! 誊 j 墼。西；q = 1 5 j ，结筠壤割， 薯4 誓。”。” 1 ：8 翌! 坚璧! 璧翟原予曩榜 台成 e 乇您舞k 譬开 竺鞋骘辑夸互，r j 髭 2010 202 o 在份 20302o4 。 图1 2 温差发电系统应用前景 图1 3 温差发电技术并入电网 在世界范围内欧美发达汽车市场已经成熟饱和，新兴经济体汽车产业正蓬 2 武汉理工大学硕上学位论文 勃发展。中国汽车产业发展迅速，在2 0 1 0 年中国汽车产销量均超过l8 0 0 万辆 大关，取代美国成为世界头号汽车产销大国峥】。现代内燃机从一个多世纪前被发 明发展至今，受制于材料和卡诺循环，其热效率依旧低下，相关研究表明，燃 料能量中通过冷却系统带走的占3 0 ，通过汽车尾气带走的热量高占燃料热值 的3 0 - 4 5 t ”。如果能够充分回收利用这一废热能量，将有助于提高车辆的动力 性能和燃油经济性，更能够节约石油资源，减少温室气体排放，具有良好的环 保功效，如图l - 4 所示。 a ) 常规系统 b ) 能量回收系统 图l - 4 内燃机燃料能量分配图 世界范围内对车用尾气余热温差发电技术的研究已经全面展开，各主要汽 车巨头均开展了车用尾气余热温差发电项目，但目前该项技术仍然处于初级阶 段，离规模商业化尚有一段距离，鉴于车用尾气温差发电技术发展潜力巨大， 对车用尾气温差发电技术原理及其系统组成及工作性能的研究尤为重要。 1 2 国内外温差发电技术研究现状 1 2 1国内温差发电技术研究现状 将热电材料应用在汽车领域的研究，国内最早的报道出现在1 9 9 7 年。当时 吉林工业大学的董桂田等人【8 】采用半导体碲化铅( p b t e ) 材料制成的热电转换装置 在解放牌柴油货车j 1 4 1 上进行了实验，整个系统采用9 6 0 只温差发电模块，成 功代替了一台3 5 0 瓦的交流发电机，但其转换效率不足3 。实验的成功说明了 车用尾气余热温差发电的实用性。 华南理工大学是国内较早一批开始研究温差发电技术科研的高校，该校在 温差发电装置研制方面处于国内领先地位，张征等睁1 研制了一种新型嵌入式温差 发电装置，轴向( 尾气流动方向) 由多级网状温差发电模块和转换装置组成，装 置在整车排气系统内的温差发电模块与高温尾气进行直接对流辐射换热。冷却 采用整体式冷却方式，采用发动机原机冷却系统。通过采用计算流体力学软件 武汉理下大学硕上学位论文 f l u e n t 对该型结构的数值模拟表明，该内置式温差发电装置换热性能优越，在 壁面传热系数、流动换热面积较单层平板式均有大幅提升，利于获得较大温度 梯度、较高温差发电模块集成度n 。 武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室在温差发电材料研究方面一 直走在国内前列，该所研制了多种类型的温差发电材料，其中b i 。t e ，系温差发电 材料的z 值t 最大达1 5 ，填充式c o s b 。系中温温差发电材料的z t 值最高达1 4 5 ， 是目前关于这两种温差发电材料体系研究中数据较优异的；同时，研制的环境 协调型中温域m g ：s i 材料性能优值也超过1 0 ，具有优越的温差发电转换性能 i i 】 1 2 】 o 针对目前常用温差发电装置与整车排气消声器采用分离式组合方式会产生 较大流动阻力和体积过大等因素，郭殉等【i3 】利用g t - s u i t e 与f l u e n t 进行了平 板式温差发电装置与排气消声器一体化研究，利用f l u e n t 研究了多种内部结 构下温差发电装置表面温度分布，利用g t - s u i t e 搭建了发动机和一体化温差发 电装置模型，研究了整体噪声水平，研究表明，这种一体化设计具有较好的储 热、减噪功能，并能有效降低尾气流动阻力。凌凯等人【m 】研究了基于汽车尾气 余热发电的4 2 v 弱混合动力系统，并利用m a t l a bs i m u l i n k 工具搭建了动力系统 模型。 西安交通大学的陈浩等n 5 1 于2 0 0 1 年国内首次对半导体材料的温差发电电堆 展开研究，提出了求解的方法和分析公式，填补了国内在该项领域的一项空白。 为我国温差发电设计提供了理论支撑。 中国科技大学胡帆等n 6 1 对温差发电的热力过程进行了深入分析，推导出了 温差发电装置件内部的温度分布函数及热流、功率级效率一般关系式，通过试 验测定了b i - t e - s b - s e 半导体温差发电材料在低温下的塞贝克系数同温度的变 化关系。 1 2 2 国外温差发电技术研究现状 美国h i - z 公司在能源部的授权资助下，在2 0 0 1 年研制了基于康明斯柴油机 的载重货车排气余热温差发电装置，该套装置共有7 2 组h z 1 4 温差发电模块， 在货车排气系统上布置采用圆筒式布置，冷却方式采用与发动机冷却集成式冷 却系统，在2 5 0 的两端温度差时，可以提供3 0 v l k w 的有效输出功率l l 7 。 美国通用汽车公司( g m ) 的轻型卡车尾气发电项目的温差发电装置采用1 6 块发电模块，在热端与冷端温度差为2 0 0 c 时能产生3 0 0 - - 3 3 0 w 的有效功率， 4 武汉理t 大学硕：学位论文 运用电压调节设备可向1 4 4 2 v 双电压电气系统供能，在f t p 工况下节油率最大 达3 4 【幅1 。2 0 0 5 年5 月其乘用车尾气余热温差发电项目展开，其研制的 s k u t t e r u d i t e s 材料的模块平均优值为1 1 ，最大可达1 6 ；在f t p 工况和高速公路 工况下温差发电装置分别输出功率3 5 0 w 和6 0 0 w ，能将燃油经济性提高近 5 【1 9 】。 德国大众汽车公司宣布开发出装有温差发电装置的原型试验汽车【2 0 l 。高速 公路工况下其温差发电模块组可发出6 0 0 w 的电能，可满足整车电气需求量的 3 0 ，并可减少超过5 的燃料消耗量。 日本国家功能材料研究中心正在开展利用汽车尾气余热作为能源的温差发 电技术研究【引】。这种温差发电装置的热端是由具有较强净化能力的特殊功能材 料研制而成，这种特殊材料能有效吸收汽车高温尾气的余热，实现温差发电， 为车用电器提供部电力供应，同时还能够吸附并分解氮氧化物，降低车辆的氮 氧化物排放。 1 2 3 温差发电技术在其它领域的研究应用现状 泰国的科技研究人员提出一种利用太阳能进行温差发电的太阳能屋顶 ( t e r s c ) 的概念，通过在屋顶安装温差发电转换装置，太阳能辐射加热铜板， 使温差发电转换装置的热端温度升高，从而与冷端形成温度差，进行温差发电， 目前该设想仍停留在实验室阶段，在模拟太阳辐射强度为8 0 0 w m 2 ，环境温度 为3 0 3 5 时，这种太阳能温差发电屋顶能够产生1 2 w m 2 的电力，产生的电力 可以驱动冷却风扇给温差发电模块散热【2 2 】。 1 3 本文研究内容 本文旨在建立一种高效的汽车尾气余热温差发电装置，充分回收利用汽车 尾气热能，提高汽车燃油经济性能，缓解目前石油能源供应紧张的局势，响应 国家提出的节约型社会的号召。现阶段开发的温差发电装置尾气能量回收效果 不甚理想，温差发电模块组功率输出较低，整体结构亟待优化。温差发电模块 组对所其铺设面域有较高的温度均匀性要求，现有结构的表面温度均匀性还有 待提高，且目前还缺乏一种评价平板式温差发电系统表面温度均匀性的指标。 因此，本文研究主要研究对象为汽车尾气温差发电装置的热端高温尾气箱体部 分，针对以上问题，本文主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 研究汽车尾气余热温差发电装置的系统构成及各子系统主要特性，分 5 武汉理t 大学硕_ 上学位论文 析多种温差发电装置结构的优缺点，为高效可靠温差发电装置的建立提供基本 理论支撑。确定温差发电装置温差发电转化效率的影响因素及各因素的局部灵 敏度，为温差发电装置的性能提升和结构优化提供指导方向。 ( 2 ) 研究c f d 软件f l u e n t 提供的壁面导热模型，并确定现有温差发电装置 所用模型，对热端高温尾气箱进行流固共轭换热数值模拟，结合后处理技术详 细分析现有温差发电装置热端尾气箱的内流场、箱体表面温度场等物理场，通 过对尾气箱内部结构的研究确定现有温差发电装置尾气箱结构缺点及改进重 点。 ( 3 ) 利用响应面方法分析对尾气箱边界进行局部灵敏度分析，确定边界影 响系数，并从数学统计角度出发提出了一种温差发电装置热端尾气箱表面温度 均匀程度评价指标，将温差发电装置热端气箱表面温度均匀性和表面平均温度 两项参数作为为评价指标，评估不同内部导热翅片结构的热端尾气箱的工作性 能。以此为基础结合多种参数提出优化方案，确定最终方案。 6 武汉理t 大学硕一l 学位论文 第2 章车用尾气余热温差发电系统结构 2 1 温差发电系统构成 温差发电装置自上世纪4 0 年代被发明以来，世界各国科学家对其孜孜不倦 的研究，研究对象包括新型温差发电材料、高效温差发电模块和温差发电装置 结构和温差发电管理系统等。由于低品位热能存在广泛，为了适应多种不同的 应用场合，如化工厂、火力温差发电站、钢铁高炉、内燃机汽车等，需要有多 种类型的温差发电材料、不同温差发电模块尺寸及多种的温差发电装置。其中 汽车尾气余热温差发电装置由于汽车保有数量巨大、结构相对简单、无运动部 件和无噪声等优点，是目前世界各大汽车公司新的研究重点出”。 目前常见的车用尾气余热温差发电系统主要由以下几个部分组成：内燃机、 温差发电装置、循环冷却组件、外部电路、管理系统及电力存储系统等组成。 内燃机提供高温尾气作为热源；循环冷却组件提供冷却水作为冷源，循环冷却 组件可以集成到发动机中，也可以采用单独的循环水泵和散热器设立；管理系 统和外部电路是整个系统的“大脑”和“神经”，负责处理温差发电模块的管理。 温差发电装置是整个系统的“胃”，负责“消化”高温尾气的余热能并转换为电 能，为车用电器供电，富余电能存储在蓄电池中。如图2 1 所示。 图2 - 1 温差发电系统组成 按照温差发电装置冷端的冷却方式区分可以分为外置式冷却系统与嵌入 式冷却系统。外置式冷却系统包括风冷和水冷两种，见图2 2 所示，风冷系统不 7 武汉理工大学硕士学位论文 改变发动机冷却系统，而是利用安装在冷端的散热片与空气强制对流换热降温， 形成温度差，d o u g l a st c r a n e 等【2 4 】对利用b i 2 t e 3 模块的叉流式温差发电装置展 开了相关数值研究；外置式水冷则采用与汽车发动机冷却系统相独立的系统， 通过独立的电子水泵驱动冷却液循环，通过独立的散热器散热：嵌入式冷却则 是采用与汽车发动机冷却系统整合的系统，这种系统无需额外增加循环水泵和 散热器。从发动机冷却系统中通过连接管路引入冷却液至t e g 冷端，由于冷却 液同时需要为发动机和t e g 冷端散热，需要更多的冷却液和需要提高发动机水 泵的压头，同时冷却液在给t e g 冷端散热时吸收了部分尾气热量，增加了散热 系统的热负荷，需要增加散热器尺寸和冷却风扇直径，目前试验室阶段的t e g 大部分采用的外置式冷却系统，如图2 2 所示。 a ) 水冷b ) 风冷 图2 - 2 外置式却系统 此外确定温差发电装置在汽车上安装位置也十分重要，在对汽车排气系统 温度场进行大量的研究后，发现沿着尾气流动流动方向，尾气温度总体呈下降 趋势1 2 5 1 。从图2 3 曲线可以看到，在消声器处温度梯度较大，主要是尾气进入主 消声器膨胀腔体后，尾气体积增大，由于尾气在消声器内部无化学反应作用， 不会产生额外的热量，根据气体等熵定常流动和状态方程有2 6 】： p = p r t ( 2 - 1 ) 鲁= c 夸k ( k - i ) - = c 斧 p 2 ， 从公式可以看出，在一定质量流量的前提下，当气体体积增大( 密度减小) 时，气体温度会降低，能量可利用级更低。整体上尾气能量品位沿流动方向逐 渐降低，三效催化转化器( t w c ) t f j 口位置尾气温度较高是比较理想的布置位置之 武汉理工大学硕士学位论文 一，但催化器出口处尾气温度经常超过8 0 0 ，而目前的车用温差发电模块最高 工作温度一般不超过7 5 0 。c ，为了充分利用尾气热能和保持温差发电模块正常工 作，通常将温差发电装置布置在中间消声器前端，即在t w c 和排气系统冷端之 间，下图2 - 4 中方框处为温差发电装置的候选位置示意图。 图2 3 排气系统热成像图及温度分布曲线 2 2 温差发电模块 + 一芝近羲方 图2 - 4 温差发电装置布置位置 温差发电模块( t h e r m o e l e c t r i cm o d u l e ) 是温差发电装置最核心的组件之一， 最主要的功能是利用塞贝克效应( s e e b e c ke f f e c t ) 将高温尾气的余热能转化为电 能，其性能优劣直接决定系统功率输出【2 7 1 。目前世界范围内，温差发电模块的 主要生产厂家有日本的小松( k o m a t s u ) 、东芝( t o s h i b a ) 、d e n s o 、z - m a x ( 原 f u j i t a k a ) 和美国的h i - z 、a m e r i g o n 、f e r r o t e c 及中国国内的江西纳米克 ( t h e r m o n a m i c ) 等，这些公司均针对市场推出了不同种类的温差发电模块，厂家 之间所生产的温差发电模块由于温差发电材料、模块大小及工作温度的不同， 性能各异。温差发电模块的性能主要表现在正常工作的温度范围以及发电效率。 9 武汉理工大学硕士学位论文 表2 1 是日本小松( k o m a t s u ) 生产的某型温差发电模块的相关性能参数，模块本 体见图2 5 ，性能曲线如图2 6 所示。图中所示模块温差发电材料为中低温型材 料，模块使用工作温度为2 5 0 2 8 0 。c 。 表2 1k o m a t s u 温差发电模块参数 参数数值 尺寸( m m ) 5 0 * 5 0 * 4 2 重量( g ) 4 7 输出( m最大2 4 w ( 热端2 8 0 。c ，冷端3 0 c ) 转换效率( ) 最大7 2 材料b i t e 合金材料 热端最高温度2 8 0 ，最佳温度2 5 0 ，冷端最高温度 实用温度范围 1 5 0 l o 端 8 霉6 饕t 2 嘣 0 图2 - 5k o m a t s u 单体温差发电模块 2 0 群 督 - 3 - l o 集 l j ju qj u 妒 热端j 显度( ) 图2 - 6 温差发电模块性能曲线 美国a m e f i g o n 公司设计了一种由s k u t t e r u d i t e s ( 该类材料具有良好的载流子 迁移率和较大的s e e b e c k 系数) ，t a g s ，p b t e 和b i t e 等多种温差发电材料复 合而成的分段式y 型温差发电模块口羽。如图2 - 7 所示，其在不同的温度范围内 选用z t 值较高的温差发电材料，见表2 2 。这种特殊的温差发电模块能充分利 l o 武汉理工大学硕士学位论文 用热端表面温度梯度，使每种材料处于最佳工作温度域，单体模块发电量较大， 但制造工艺要求较高，且价格较昂贵。 热量热量 图2 7 分段式温差发电模块组成示意图 表2 2 分段式温差发电模块材料 温度( ) 材料 o 1 5 0p ( n ) - b i 2 t e 3 1 5 0 5 0 0 p ( n ) 一t a g s z n 。s b 。( p b t e ) 5 0 0 7 0 0s k u t t e r u d i t e ：p ( n ) - c e f e 4 s b i ( c o s b 3 ) 单体温差发电模块的输出功率与其工作温度和外部电路有关，在一定的模 块尺寸下，能承受的最高温度越高，其输出功率就越大。目前已经厂家推出的 高温型温差发电模块已经可以承受6 0 0 的高温，单片输出功率可达4 0 w ，效益 十分可观。但在更多的场合中，工作温度只有2 0 0 。c 3 0 0 c ，单体温差发电模块 的发电量较小，在实际应用中通常需要将多片温差发电模块进行组合成温差发 电模块组，可以通过一定的串并联方式组合温差发电模块，这种多个单体热电 模块间的布置关系称作温差发电模块组的拓扑结构。拓扑结构对温差发电装置 的功率输出也有一定的影响，拓扑结构不合理会降低整体功率输出，影响转换 效率，因此合理的拓扑结构也是提高热电转化效率的必要条件。 由多组温差发电模块组成的温差发电装置的开路电动势，可通过以下公式 计算： v = n a 刖p 乜_ 一砭) = n a 砷b 丁( 2 3 ) 温差发电模块内阻： 心：_ 2 n p ( 2 - 4 ) 武汉理t 大学硕上学位论文 温差发电模块组的输出功率： 匕例玎耻( 熹) 2 r l = n 2 缈盯2 志( 2 - 5 ) 式中： qp f l 为温差发电模块的赛贝克系数； 1 3 是温差发电模块导热性能指数5 t 为温差发电模块冷热端温差； n 为温差发电模块数量； r l 为负载电阻； a k g 温差发电模块引脚截面积； p 一温差发电材料的电阻率( q m ) 5 ，一温差发电模块引脚的长度( i n ) ； 当r = r ，时，温差发电模块组达到峰值输出功率： 。：n 2 口v2f12at2(2-6)-m a x 一 4 凡 从公式2 1 中可以看出，提高温差发电装置的输出能力可以通过提高温差发 电模块的塞贝克系数、导热性能、冷热端温差及增加温差发电模块数量来实现 1 2 9 。 2 3 温差发电材料 从1 9 世纪初，法国科学家t j s e e b e c k 利用两种不同种类的金属发现了金 属材料的温差发电效应，即塞贝克效应后，世界各国科学家便开始了对温差发 电材料的不懈探索，温差发电材料是利用材料的塞贝克效应，当材料存在温度 梯度时，通过载流子进行能量的输运和转换。在后续的研究中科学家还陆续发 现温差发电材料的p e l t i e r 效应和t h o m s o n 效应。经过近2 个世纪的发展，温差 发电材料的发展已经取得了巨大的进步，完善了温差发电技术的基本理论，研 制了多种类型的温差发电材料，适合于各种不同场合的温差发电应用。 温差发电材料的研究中发现，性能优异的温差发电材料必须有较大的赛贝 克( s e e b e c k ) 系数a ，从而保证有比较好的温差电效应。此外，还应有较小的导 热系数( 或称热导率) ，以使热量保持在接头附近，同时，需要电阻较小，从而 使产生的焦耳热最小【刈。目前，一般用温差发电转换的的优值系数z 来描述温 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 差发电材料的温差发电性能【3 。开发高优值的热电材料是提高温差发电装置性 能的主要方向之- - 3 2 1 。 目前温差发电材料按类型众多，按照工作温度可以划分为中、低、高温温 差发电材料，如图2 8 所示。 ( 1 ) 低温温差发电材料：主要有b i 2 t e 5 、s b 2 t e 5 、b i 2 s e 5 、s b 2 s e 3 和z n s b ， 以b i 2 t e 5 及其固溶体合金为代表的是目前温差发电性能最好的材料，目前大多 数电制冷器件都是采用这种材料； ( 2 ) 中温温差发电材料有p b t e 、m g s i 及具有s k u t t e r u d i t e 结构的温差发电材 料；1 9 9 6 年，t e 盯ym t r i t t 的有关于填隙s k u t t e m d i t e 实验结果的报道使得科学 家纷纷开展该类材料的研究； ( 3 ) 高温温差发电材料有g e s i 合金、f e s i 合金等，其中g e s i 合金性能较为 突出，氧化物热电材料适用丁高温氧化条件，但一般氧化物的电导率较低，对 氧化物热电材料的研究高潮始于lt e r a s a k i 在19 9 7 年报道了n a c 0 2 0 4 具有较高 的电导率和热电系数【3 3 】。 图2 8 温差发电材料按照工作温度分类 按照温差发电材料的组成成分划分，可以分为半导体合金温差发电材料、 氧化物温差发电材料、s k u t t e r u d i t e 类温差发电材料。结合前面的描述，通常半 导体合金温差发电材料属于低温温差发电材料，s k u t t e r u d i t e 类温差发电材料属 于中温材料，氧化物温差发电材料属于高温材料范畴。 目前温差发电材料的发展方向是掺杂化、低维化，梯度化和优化载流子浓 度【蚓。其中材料梯度化是解决目前温差发电材料工作温域较窄的最有效的方法， 其基本思想是在确保各组分单一温差发电材料的性能上，拓宽使用温度范围， 使各组分都能在各自的最佳温度区工作。 武汉理t 大学硕上学位论文 2 4 温差发电装置常用结构 上一章节提到温差发电装置是系统的核心部分之一，该组件负责“吸收消 化”汽车尾气余热。目前通用的温差发电装置结构由以下几个部分：废气通道( 热 端) 、冷却通道( 冷端) 、温差发电模块组及夹紧设备，如图2 - 9 所示。温差发电模 块组布置在废气通道和冷却通道之间，利用温差发电模块两端温度差发电。发 动机排出的高温废气流经温差发电装置内部的废气通道后，通过对流换热等传 热方式加热热端气箱，使气箱表面到达一定的工作温度，布置在热端气箱表面 的温差发电模块组另一端由于冷却通道的降温作用，温度较低，从而在温差发 电模块组两端形成温度差，提供电力输出，在温差发电模块工作温度范围内， 两端温度差越大，其输出功率越大。 冷却液通遘 犀气逢遘 青i 口腰递谭 _ 热电横块 图2 9 温差发电装置结构 目前市场上汽车车型多样化，其对温差发电装置也有不同要求。车型较大 的商用重卡，装备有动力强劲的柴油发动机发动机，尾气能量品位较高，且整 车可利用空间较大：车型较小的轻型乘用车，装备发动机排量较小，能量品位 较低，整车可利用空间也较小，为了满足不同车型的使用要求，需要有多种不 同结构温差发电装置匹配，按照温差发电装置形状区分，目前在研究阶段的有 平板式温差发电装置( p l a n a rt e g ) 、网状结构温差发电装置( g r i dt e g ) 和圆柱型 温差发电装置( c y l i n d r i c a lt e g ) ，其中平板式平板温差发电装置是目前研究最深 入、应用最广泛的类型，根据结构又可以分为单层式和层叠式。 ( 1 ) 单层平板式温差发电装置 单层平板式温差发电装置如下图2 - 1 0 所示，是目前研究较多的一类装置， 热端尾气箱体通常为方形平板式，箱体上下面均可铺设温差发电模块，单层平 板式温差发电装置结构相对较简单，有利于温差发电模块的布置，还可以根据 实际需求调整模块数量。但这种结构尺寸较大，且尾气利用效率不高。 1 4 武汉理t 大学硕士学位论丈 图2 1 0 单层平板式温差发电装置 ( 2 ) 层叠平板式温差发电装置 层叠式箱体结构是在单层平板式温差发电装置的结构上发展而来，通过多 个单层温差发电装置叠加而成，结构较之更为紧凑，这种结构中包含多层废热 通道及冷却水道，总工作面积大，尾气热能利用的效率更高，实现尾气能量的 充分利用。层叠式结构可以添加删减通道，实现灵活配置，满足多种功率需求。 如图2 1 l 所示为美国b s s t 公司所设计的多层结构温差发电装置。现代车辆结 构日益紧凑，空间利用率高，无法有效提供较大的空间以布置单层温差发电装 置，因此多层