汽车发动机尾气余热温差发电装置结构研究

涂小亮 倪计民 石秀勇

（同济大学汽车学院上海201804）

汽车发动机尾气余热温差发电装置结构研究

涂小亮 倪计民 石秀勇

（同济大学汽车学院上海201804）

半导体温差发电技术在低品位余热回收技术领域具有重要的应用价值。汽车尾气温度高，带走的热量约占发动机总量的40%，温差发电技术能直接将废热能量转化为电能回收利用。介绍温差发电装置的设计原理，结构参数对性能影响以及装置输出性能参数，并结合试验对温差发电装置的传热性能和电功率输出性能进行分析以及提出有效的改进方案。

温差发电结构设计传热输出性能

引言

车载温差发电系统针对汽车尾气的能量特点，将尾气热能转换为电能[1]，通过储能设备为其他车载用电设备供电，实现废气热能的梯度利用。废热通道和热电模块是温差发电装置的重要组成部分，废热通道的内部结构以及热电模块的连接方式直接影响温差发电系统的输出功率。将两种半导体的一端结合在一起并使之处于高温状态（热端），另一端开路处于低温状态（冷端），则在冷热两端存在开路电压，这个效应称为塞贝克效应，温差发电是利用热电材料的塞贝克效应，将热能直接转换为电能的一种方法。

1 温差发电系统

温差发电系统由热电模块、废气通道以及冷却系统组成。在温差发电系统中，废气通道是一个很重要的载体，废气通道内部为空腔结构，高温废气从空腔通道内流过，将热量传递给热电模块，常见的温差发电器形式如图1和图2所示[2]。

为增强高温废气流动时与通道的换热，在废气通道内部通常增加扰流肋片，增强气体流动时扰流，从而使更多的热量传递给热电模块。

2 温差发电装置结构

废气温差发电装置主要用于布置热电模块，其结构取决于热源和冷源的种类、热电模块的性能即系统的散热方式，通常为圆桶式、平板式、网状式等。本文结合汽车排气系统结构特点和系统冷却散热方式，设计一种截面为正八边形圆桶式温差换热装置，其基本结构如图3所示。

图1 平板式温差发电器

图2 网状温差发电器

图3 TEG装置结构示意图

温差发电器为圆桶式正八边形截面，高温排气在通过管道内部时在翅片扰流增强换热作用下将热量传递给管道外表面即热端表面。与此同时，冷却管道在内部冷却水降温作用下作为热电模块的冷端，依次平行布置在管道外表面的热电模块在冷热端的温差作用下产生电压对外输出电能。

3 温差发电装置传热模型

根据塞贝克效应原理，热电模块两端温差的大小是产生电压大小的主要因素，并进而影响整个系统的电功率的输出性能。所以提高热电模块两端的温差是提高温差发电装置（TEG）输出性能的最有效途径。为分析TEG装置输出性能的影响因素，建立一维稳态热传递模型，并建立相应的系统性能计算流程。为简化装置传热计算的模型，本文做出如下假设：

1）忽略高温排气流动过程中重力的影响；

2）热电模块与热端冷端表面无接触热阻；

3）热电模块间无热量传递；

4）因冷却水管导热系数相对较大，冷端管道厚度可看作足够小。

因为传热计算不考虑重力作用影响，由对称性考虑对传热系统1/8部分进行模型计算，装置结构参数如图4所示。

图4 1/8装置截面结构参数

可以看出，热量在TEG装置内部的传热方向如图5所示。

依据一维传热理论，管道内部高温排气对热端内部的传热量包括两部分：

Qexfi、Qexbo分别是高温排气对翅片部分、非翅片部分传热量

高温废气对非翅片部分的传热由对流传热公式计算：

其中，h为高温排气与非翅片端表面的换热系数，Aexba表示非翅片端面积。

高温废气对翅片部分传热量由肋片传热计算公式求得：

图5 TEG装置内部热量传递方向

由傅里叶导热定律，装置内部表面对热端表面的传热量：

其中：c1表示热端管道的厚度，A1为热端表面的横截面积，计算公式如式（6）所示，Th为热端表面平均温度。

热端表面面积：

由于热电模块的布置并非紧密连接，在热电模块之间还存在较大的间隙，导致热端对冷端直接传热。而间隙属于密闭空间，对流换热极小，可忽略不计，空气热传导系数很小，故空间内热传导也可忽略不计，主要为热端对冷端的辐射散热。依据辐射散热公式间隙部分热端表面对冷端表面辐射传热量为：

其中：A1表示辐射面面积，T1、ε1分别表示热端温度和发射率，T2、ε2表示冷端温度和发射率。

所以热端表面散失的总热量：

冷却水吸收冷端的热量:

考虑冷却水管的厚度小以及热传导率大，可以忽略冷却水管的传导热阻，即冷端表面温度Tc与冷却水管内部表面温度相等，h3为冷却水与水管的换热系数，Twa为冷却水的平均温度，A3表示冷却水与水管的换热面积，计算公式如（10）所示。

冷却水与冷端表面的换热面积：

考虑在室温环境中冷却水管与周围冷却空气的换热，换热量计算式为：

h4是冷却水管与空气的换热系数，Ttub、Tair分别为冷却管表面平均温度与环境温度。

由能量守恒易知：

由对流传热理论知识，对流换热系数计算式：

Nu为努塞尔数，表征壁面上流体的无量纲温度梯度，λ为流体的导热系数，lch为管道的特征长度，计算式如（13）所示。

其中Ach、Pch分别为流体的截面面积与周长。

热端废气流速：

Wh、Ah为分别为流体的体积流量和流体的横截面积。

高温排气与肋片端对流换热时为流体外掠平板传热分析，由对流传热理论，可得翅片端Nusselt数计算式：

其中Reh、Prh雷诺数与普朗克数均为以肋高H为特征长度进行计算。

μh为流体的平均速度，lchex为对流换热特征长度即肋高H，vh为流体的热传导率，μh流体动力粘度系数，Cp为流体的定压比热容，Kh为流体热传导系数。

综上，由式（12）～式（18）可计算出高温排气与热端内表面的对流换热系数h1。

对管槽内湍流强制对流传热，由Gnielinski公式得冷却水管道Nusselt数计算式[3]：

式中：lfc为管长，lchfc为冷却水管的特征长度，f为管内的湍流流动的Darcy阻力系数，按弗罗年柯公式：

Cl为公式的温度修正系数，式（20）中Prf、Prw分别表示以流体平均温度及壁面温度来计算流体的普朗克数。

冷却水管道特征长度及雷诺数计算式如下：

综上式（12）、式（19）～式（24）可计算冷却水与管道的对流换热系数hc。

对于环境空气与冷却水管的换热，可依据大空间自然对流传热实验关联式进行计算。

对于水平热面向上（冷面向下）的情形：

对于热面向下（冷面向上）的情形：

上式中，Gr为格拉晓夫（Grashof）数，它在自然对流现象中的作用与雷诺数在强制对流现象中的作用相当。物理上，Gr数是浮升力/粘滞力比值的一种度量，计算式如（28）所示，式中的定性温度为（tw+t∞），特征长度为L=Ap/p。

因此，由式（12）、式（25）～式（28）可计算出冷却水管与周围环境对流换热系数h4。

对冷却水管和TEG装置两端对环境辐射散热量可使用计算公式：

其中ε1、A1、T1分别为冷却管和装置两端发射率、面积和温度，T2环境温度。

4 试验结果与分析

为了解TEG系统工作热量传递，本文结合试验对TEG系统进行能量传递与温度分布的传热计算，试验原理如图6所示。

图6 试验原理图

燃烧器Burner用于产生可变温度与流量高温气体，冷却水流经冷却管带走热量维持冷端温度。由对称性选择一列热电模块组作为输出试验电源，选择接近试验电源内阻阻值的电阻作为负载电阻，因此试验测得的电功率可作为热电模块组输出的最大输出功率。同时监测各热电模块冷热端温度，并测量冷却水的进出口温度。

试验TEG系统输出电功率随进气温度和流量变化如图7所示，单列热电模块在进气温度700℃、流量325 kg/h时最大输出大于20 W，并且明显看出TEG系统输出性能对进气温度的敏感性明显大于进气流量。

图7 单列热电模块输出功率随进气温度、流量变化

本文选取进气温度500℃，187 kg/h时试验数据进行TEG系统的传热计算，试验原始数据为高温气体进气温度500℃，进气流量187 kg/h，冷却水流量130 mL/s，冷却水进口温度21.1℃，出口温度34.8℃，环境温度7℃。计算参数包括废气损失能量Qg（W）、冷却水热负荷Qw（W）、TEG装置两端和冷却水管外表面与环境对流换热量Qh2（W）、Qw（W）和辐射散热量Qra2（W）、Qra（W）、热电模块导热Qm（W）以及热端对冷端表面辐射散热量Qhra（W）等。温度分布计算包括废气平均温度Tg（℃）、肋基温度Tr（℃）、热端表面温度Th（℃）、冷端表面温度Tc（℃）以及冷却水平均温度Tco（℃）。

依据传热模型和试验所得数据，结合试验实际情况计算TEG装置热量传递与各点温度值如图8所示。分析传热计算图可知，大部分废气损失的能量通过热电模块的导热被冷却水带走，这是TEG系统内热量流动的最主要路线，而TEG装置端口处于环境的对流换热与辐射换热量，冷却水管与环境对流换热与辐射换热量等能量损失所占废气能量损失比例约为10%。

图8 TEG装置传热参数示意图

因此，一方面通过增强肋片端的废气扰流，提高肋片端热交换能力，并且采取保温措施减少热量在TEG装置端口以及冷却水管出的损失，使尽可能多的热量经过热电模块导热，是提高热电模块冷热两端温差和TEG系统电功率输出性能的重要措施；另一方面，由傅里叶导热定律可知，热电模块两端导热量一定时，导热系数越低，两端温差越大，所以采用发电效率高、导热系数小的高性能热电模块也将大大提高TEG系统的输出性能。

5 结论

本文介绍了一种利用汽车尾气的正八边形截面圆桶式温差发电装置结构和工作原理，同时建立了温差发电装置工作时传热计算模型，结合试验计算了TEG系统在某一进气温度、流量下系统内热量传递与温度分布；最后针对此温差发电装置提出了可行的优化改进方法。

1郭珣．汽车尾气温差发电效率的影响因素[J]．汽车工程师，2011（6）：45～46

2刘红武，张征．新型发动机排气温差发电器结构探索[J]．节能技术，2006（6）：507～509

3杨世铭，陶文铨．传热学[M].北京:高等教育出版社，2006

4倪计民.汽车内燃机原理[M].上海：同济大学出版社，1999

5倪计民．汽车内燃机试验技术[M].上海：同济大学出版社，1998

6刘广林，鹿院卫，吕鹏飞，等．汽车尾气热源温差发电系统构想[J]．节能，2011（1）：10～12

7袁晓红．汽车发动机尾气余热温差发电装置热电转换技术研究[D]．武汉：武汉理工大学，2012

8MANEEWAN S，KHEDARI J，ZEGHMATIB，et al.Investigation on generated power of thermoelectric roof solar collector[J]．Renewable Energy，2004，29:743～752

9ESARTE J，MIN G，ROWE D M．Modelling heat exchangers for thermoelectric generators.Journal of Power Sources，2001，93:72～76

A Study on the Structure of Thermoelectric Power Generation Device for Vehicle Exhaust Gas Waste Heat

Tu Xiaoliang，Ni Jimin，Shi Xiuyong
School of Automotive Studies，Tongji University(Shanghai，201804，China)

Thermoelectric power generation technology has huge potentiality in the field of low-grade waste heat recovery technology，while vehicle exhaust gas takes away 40%of total engine heat，and thermoelectric power generation technology converts waste energy directly into electrical energy recycling.This article introduces design principle of a thermoelectric power generation unit，as well as the impact of structural parameters on the performance of the device output performance.Besides，we analyze heat transfer and output performance of the power generation unit through experiment and propose appropriate improvement scheme.

Thermoelectric power generation，Structural design，Heat transfer，Output performance

U463

A

2095-8234（2014）04-0034-06

2014-05-20）

涂小亮（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向为汽车发动机废气余热温差发电技术。