尾气发电用热交换器的传热流动研究

鲁红亮，汤晓英，姚建平，肖 颷，薛小龙，柏胜强

(1．上海市特种设备监督检验技术研究院，上海 200333;

2．中国科学院上海硅酸盐研究所，上海 200050)

0 引言

尾气换热时由于热容量小、流通时间短、接触面积小和冷热流体温差小等特点导致换热系数低、换热量小［1］，限制了尾气热电发电系统的容量和效率，国际［2－3］和国内［4－5］均做了相关的研究。为了提高尾气热电发电的系统效率，针对换热器采用多种强化换热手段是非常必要的［6］，本文对尾气换热器的不同结构进行模拟、对比，进而选择出合理的结构方案。

1 尾气换热器结构

为了提高尾气换热器的换热量，需要对不同结构进行分析并在此基础上改进。以Inclined plate 为基准，在Serial A 结构基础上进行改进得到结构Serial B 和Serial C，其中根据具体结构改变挡板数量，并在璧面上增加翅片得到Serial B，而Serial C 中翅片与侧面壁面之间保持一定的间隙能够促进尾气流动，降低压力损失，见图1。

图1 尾气换热器

2 网格

为尽量减少计算量，对Inclined plate 和Serial A结构采用一个对称面获得50%的结构进行建模，而由于侧面壁面翅片结构的复杂性，Serial B 和Serial C 则采用二个对称面获得25%的部分进行建模，具体计算时则使用旋转的方法得到50%的整体结构网格，这四个方案的平均网格畸变率也都处于0．25 ～0．5 范围内，这就意味着网格质量属于好，见表1。

表1 网格

3 工况与边界条件

对于采用1．2LP－TEC 自然吸气汽油发动机某型号汽车，中华人民共和国工业和信息化部提供了车型信息和一定路况条件下的油耗数据［7］，根据文献［8］提供方法，计算得到城市、郊区、综合循环工况下时间平均尾气流量，根据发动机的燃油效率可以推算得到最大功率时的尾气流量。发动机的排气压力约为0．3 ～0．5 MPa，温度约500 ～700℃［8－9］，到达排气管后端消声器位置时尾气的压力、温度会有一定的衰减，可分别取0．4 MPa，300 ～600℃。尾气相当于热源，而热电器件热端则相当于热沉以吸收热量。鉴于Bi2Te3器件的安全性，可以取150 ～250℃［10］。

综合考虑尾气流量、尾气温度和热电器件热端温度三种因素，可以设计市区、郊区和最大功率输出等三个工况，见表2。

边界条件包括进口、出口和换热壁面，其他的则是设置对称面和流固耦合界面。流体采用k －epsilon 湍流模型及相应的线性壁面函数。尾气流体区域和固体壁面区域通过流固耦合界面(Fluid solid interface)实现热量传递。

表2 尾气发电器工况

4 仿真结果对比分析

4．1 郊区工况下不同结构的物理场比较

以郊区工况为准，比较不同结构的温度场，速度场和压力场。从图2、图3、图4、图5 中可以看出，Inclined plate 结构的温度场在流动方向上均匀性较好，但温度梯度小，传热量也很小。而Serial A、Serial B 和Serial C 三种结构，由于挡板的存在，增加了流体扰动流动，传热效果变好。与Serial A 相比，壁面翅片的存在使得Serial B 的速度场变化较大，这种结构强化了换热，同时也消耗了较多的气流动能。Serial C 中壁面翅片与侧面保持了一定的距离，速度场变化比较平缓，有利于气流在翅片中的均匀性分配。

4．2 性能对比

市区、郊区工况下的传热和压降性能比较:换热量与压力损失从大到小的排列次序均相同，依次为Serial B，Serial C，Serial A 和Inclined plate，见图6。

发动机最大输出功率工况下的传热和压降性能比较:换热量与压力损失从大到小的排列次序均相同，依次为serial B，serial C，serial A 和inclined plate，见图7。

如果不考虑换热器效率，按照5%的热电发电效率计算，发电量为100 W 时需要的热量为2 000 W。显然，在郊区工况下，由图6 可知Inclined plate和Serial A 结构距离2 000 W 的换热量有较大的差距，Serial B 和Serial C 结构则分别达到了2 495 W和2 415 W。同时，二者的压力损失分别为70 416 Pa 和59 138 Pa，即Serial B 比Serial C 的压力损失增大了19%，而换热量仅仅增加了3．3%。

图2 Inclined plate 结构

图3 Serial plate A 结构

图4 Serial plate B 结构

图5 Serial plate C 结构

图6 尾气流量为5．7 g/s，14．4 g/s 时

图7 尾气流量为80．1 g/s 时

5 结论

在市区工况、郊区工况和最大输出功率工况下，通过优化翅片结构参数，换热量与压力损失从大到小的排列次序均相同，依次为Serial B，Serial C，Serial A 和Inclined plate。

郊区工况下，Inclined plate 和Serial A 结构换热量和压降均比较低，Serial B 和Serial C 结构则分别达到了2 495 W 和2 415 W。同时，二者的压力损失分别为70 416 Pa 和59 138 Pa，即Serial B 比Serial C 的压力损失增大了19%，而换热量仅仅增加了3.3%。

［1］HL，T Wu，SQ Bai，et al． Experiment on thermal uniformity and pressure drop of exhaust heat exchanger for automotive thermoelectric generator［J］．Energy，2013(54):372 －377．

［2］D T Crane and G S Jackson． Optimization of cross flow heat exchangers for thermoelectric waste heat recovery［J］．Energy Conversion and Management，2004(45):1565 －82．

［3］E F Thacher，B T Helenbrook，M A Karri，et al． Testing of an automobile exhaust thermoelectric generator in a light truck［J］． Automobile Engineering，2007(221):95 －107．

［4］全睿，全书海． 汽车尾气余热热电转换装置设计与初期试验［J］． 上海交通大学学报:自然科学版，2011，45(6):842 －846．

［5］徐立珍，李彦，杨知，等． 汽车尾气温差发电的实验研究［J］． 清华大学学报:自然科学版，2010，50(2):287 －289．

［6］CQ Su，WW Zhan and S． Shen． Thermal Optimization of the Heat Exchanger in the Vehicular Waste －Heat Thermoelectric Generations ［J］． Journal of Electronic Materials，2012(41):1693 －1697．

［7］http://www． mps． gov． cn/n16/n1252/n1837/n2557/3671502．html［DB/OL］．

［8］陈家瑞．汽车构造(上册)［M］． 北京:机械工业出版社，2000．10．

［9］周玉明．内燃机废气排放及控制技术［M］．北京:人民交通出版社，2001．

［10］LD Chen，Z Xiong，RH Liu，et al． Bulk Nanocomposites of Thermoelectric Materilas［M］．Materials，Preparation，and Characterization in Thermoelectrics，Edited by D．M．Rowe，CRC Press，2012．