汽車尾氣熱電回收系統(tǒng)的熱交換器研究綜述

李 鑫 杜紅顯

（1.華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450008；2.海馬轎車有限公司，河南 鄭州 450016）

汽車尾氣熱電回收系統(tǒng)的熱交換器研究綜述

李 鑫1杜紅顯2

（1.華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450008；2.海馬轎車有限公司，河南 鄭州 450016）

為了增加汽車內(nèi)燃機(jī)的效率以減少CO2的排放，近20年來圍繞汽車尾氣廢熱的熱電回收的研究越來越多，熱交換器作為汽車尾氣熱電回收系統(tǒng)的重要組成部分，對于熱電系統(tǒng)的效率及其所能發(fā)出的功率會產(chǎn)生很大的影響，本文對近些年來國內(nèi)外關(guān)于汽車尾氣熱電回收系統(tǒng)中的熱交換器的研究進(jìn)行了綜述。

熱交換器；效率；背壓；材料

1 引言

如今，應(yīng)用在汽油車，柴油車和混合電動車上的內(nèi)燃機(jī)的燃料效率大概僅僅只有25%，然而大約有40%的能量浪費(fèi)在汽車尾氣的廢熱里[1]。當(dāng)前對輕型汽車的廢熱能的評估是在20KW到400KW之間，廢熱能的大小根據(jù)發(fā)動機(jī)的大小及其扭矩-速率情況而變。僅在美國，240，000，000輕型乘用車每年通過尾氣管流失掉的能源相當(dāng)于450億加侖的汽油[2]。輕型乘用車的汽車尾氣在500到900℃，一般在600到700℃之間，而重型汽車的尾氣在500到650℃之間[2]。這些溫度在周期性的柴油機(jī)的顆粒過濾器和其他后處理設(shè)備的再生期間會得到進(jìn)一步的提升[3]。有報道稱，僅僅通過把汽車尾氣廢熱的10%轉(zhuǎn)化為電能，內(nèi)燃機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性將會增加20%[4]。以前的研究已表明，如果發(fā)電所需要的機(jī)械能量能夠減少大約6%，那么，由于來自于交流發(fā)電機(jī)阻力的機(jī)械損失的減少，燃料的消耗將會減少10%[5]。

化石燃料的不斷枯竭以及各種環(huán)境問題的出現(xiàn)促使人們不斷探索提高能源利用率的途徑。圍繞汽車尾氣廢熱利用的研究也越來越多。目前，汽車尾氣回收的技術(shù)主要有：溫差發(fā)電，有機(jī)郎肯循環(huán)，六沖程發(fā)動機(jī)，渦輪增壓。與其他技術(shù)相比，溫差發(fā)電技術(shù)具有免維修、運(yùn)行無噪音、可靠性高，不涉及運(yùn)動部件和復(fù)雜的機(jī)械部件等優(yōu)點[6]。因此，引起越來越多研究者的關(guān)注。如圖1所示，一個典型的溫差發(fā)電系統(tǒng)主要有熱交換器、熱電模塊、散熱器和裝配單元組成，熱交換器和散熱器利用裝配單元（彈簧和螺栓）把熱電模塊夾在中間。其中，熱交換器又稱熱交換器，用于收集汽車尾氣的廢熱，并把汽車尾氣的熱能傳遞給熱電模塊的熱端。[7]整個汽車尾氣的熱電回收系統(tǒng)的效率取決于熱交換器的效率和熱電模塊的效率，如表達(dá)式（1）所示。

圖1 汽車溫差溫差發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

在溫差發(fā)電系統(tǒng)中，熱電換器的效率高低直接影響系統(tǒng)效率的高低，同時也影響著系統(tǒng)所能發(fā)出的電功率。因此，在對汽車尾氣的熱交換器的研究中，圍繞提高其效率的研究最多。

2 熱交換器的設(shè)計

2.1 熱交換器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究

為了減少對汽車尾氣處理中三元催化劑的影響（三元催化劑工作需要高溫）同時又盡可能多的回收汽車尾氣的熱量。汽車尾氣的熱交換器位于三元催化劑和消聲器之間[8]?？涨唤Y(jié)構(gòu)的熱交換器的效率很低，并且溫度分布不均勻，主要集中在中心軸線附近。熱交換器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是通過以下原理來實現(xiàn)的。第一是增加尾氣與熱交換器的對流面積；第二是增加尾氣在熱交換器中的流通路徑來增加尾氣和熱交換的對流時間；第三是設(shè)置紊流結(jié)構(gòu)，破壞空腔結(jié)構(gòu)的熱交換器的邊界層熱阻。

[9]對交換器的換熱性能進(jìn)行了數(shù)字模擬研究，建立如圖2所示的模型，利用FLUENT軟件模擬得出的結(jié)果圖3所示，由此可見，添加翅片可以大大提高熱交換器的效率[9][10]。又進(jìn)一步對于翅片的高度、翅片之間的間距進(jìn)行了優(yōu)化。

圖2 溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 不同通道傳熱量隨尾氣速度的變化

把熱交換器內(nèi)部結(jié)構(gòu)改為蛇形流場結(jié)構(gòu)，內(nèi)部采用擋板改變尾氣流向路徑，如圖4所示。并且為了減少擋板對尾氣流動的阻力，選定擋板的高度略低于熱交換器內(nèi)腔的高度，擋板的長度為熱交換器寬度的一半，擋板間的距離大于10 cm，擋板上開部分柵格小孔。采用熱成像紅外線熱像儀對改進(jìn)后的熱交換器的表面溫度進(jìn)行熱成像實驗，實驗結(jié)果顯示，蛇形結(jié)構(gòu)的熱交換器器表面溫度從熱交換器入口到齊出口方向呈良好的單調(diào)下降趨勢，且各點溫度分布的均勻性也明顯提高，因此蛇形結(jié)構(gòu)的熱交換器可減少同一組并聯(lián)的熱電模塊之間由于熱端溫度不同造成電壓差異而形成的環(huán)流[11]。

圖4 熱交換器內(nèi)部的蛇形流場結(jié)構(gòu)

在熱交換器內(nèi)部布置了擋板，并且利用計算機(jī)流體動力學(xué)模擬軟件FLUENT和實驗對擋板的布置方式進(jìn)行了優(yōu)化。通過對“非”字形和魚骨形的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，具有魚骨形內(nèi)部結(jié)構(gòu)的熱交換器的溫度分布更均勻，性能更好。[蘇楚齊]開發(fā)如圖5所示的結(jié)構(gòu)（在尾氣流動的方向上依次布置開有圓孔的擋板，這些圓孔大小不等并相互錯開），并對該熱交換器進(jìn)行了模擬和實驗研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)與空腔結(jié)構(gòu)的相比，熱交換器的表面溫度顯著提高，并且溫度分布也比較均勻。

圖5 具有帶孔擋板的熱交換器

2.2 熱交換器壁厚、數(shù)量、外形的研究

通過對具有相同內(nèi)部結(jié)構(gòu)但壁厚不同的熱交換器進(jìn)行模擬優(yōu)化，模擬和結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，熱交換器的壁厚越小，溫度分布越均勻，并且最小溫度也越高[12][13]。當(dāng)把幾個寬度相同的熱交換器和散熱器交錯疊放到一起，并且與原來的熱交換器相比總體積不變時，這種多個平行的對流配置增加了增加了熱傳遞表面積，提高了對于尾氣的收集利用[14]。指出，當(dāng)把溫差發(fā)電器應(yīng)用到轎車上時，溫差發(fā)電系統(tǒng)的質(zhì)量和空間成為關(guān)鍵因素。并且用CAD軟件對橫截面分別為三角形、矩形、六邊形的熱交換器進(jìn)行了建模，用FLUENT軟件對三種模型進(jìn)行了計算機(jī)流體力學(xué)分析。FLUENT分析結(jié)果表明，矩形模塊的表面溫度低于其他兩個模塊的表面溫度，符合熱電模塊的要求（熱端最大溫度為220℃），并且從速率云圖可以清楚地發(fā)現(xiàn)，在矩形的熱交換器上尾氣能夠均勻分布在整個輪廓。

2.3 熱交換器所產(chǎn)生的背壓

內(nèi)部鰭片，紊流器和波紋形的表面是消除熱邊界層影響的最有效的方案[15]。但是，此時必須考慮用于尾氣流通的自由橫截面積，自由橫截面積過小可能會引起發(fā)動機(jī)性能的下降[9]。對具有光滑通道熱交換器和翅片通道的熱交換器的壓力降進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果如圖6所示，可見，翅片通道的壓力降比光滑通道的壓力降高出很多。一般來講，翅片的分布越密集、高度越大，對尾氣的阻力也就越大。因此，當(dāng)熱交換器的內(nèi)部設(shè)置有擋板、翅片或者金屬泡沫時，要綜合考慮熱交換器的效率和對發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)產(chǎn)生的背壓。

圖6 不同通道的壓力降

2.4 熱交換器的材料

除了熱交換器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，熱交換器材料也會對其集熱效率產(chǎn)生很大的影響[7][16]。對兩種不同的材料制成的熱交換器的性能進(jìn)行了實驗研究[16]，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在其他條件相同的條件下，在40、60、80、110SLPM四種尾氣流速下，鋁制的熱交換器的系統(tǒng)效率和發(fā)電功率都比不銹鋼制的熱交換器要高出30%-40%。因為鋁的熱導(dǎo)率為237W/mk，而不銹鋼的僅僅為15W/mk。但此實驗結(jié)果是在熱交換器壁厚為4mm的條件下測得的，理想條件下，為了減少材料熱導(dǎo)率對熱交換器性能的影響，熱交換器的壁厚應(yīng)盡可能的薄一些。熱交換器常用的材料有鋁、不銹鋼和銅。鋁的質(zhì)量密度最小27 70 kg/m3，并且導(dǎo)熱性也很高174W/mK，是最常用的熱調(diào)換器材料，但其熔點低923K，當(dāng)汽車尾氣的溫度過高時就不能使用；銅的熱導(dǎo)率最高386 174 W/mK，熔點高1293K，但其質(zhì)量密度大8 950 kg/m3；不銹鋼的熔點高1 670 K，但是其熱導(dǎo)率很低15W/mK，質(zhì)量密度也大8 055 kg/m3。對于熱交換器材料的選擇要根據(jù)具體的情況來定，綜合考慮材料的熱導(dǎo)率、質(zhì)量密度和熔點。

2.5 污垢對熱交換器性能的影響

也對沉積在熱交換器壁上面的污垢對熱交換器性能的影響進(jìn)行了實驗研究[16]，研究結(jié)構(gòu)表明，與沒有污垢的熱交換器相比，有污垢的鋁制的和不銹鋼制的熱交換器的系統(tǒng)效率和總，功率都有所降低，總的發(fā)電功率減少5%-10%。該實驗估計污垢沉積層的厚度為0.1mm，與熱交換器的壁厚4mm相比很小，對熱交換器性能的影響較小。但是，所有沉積物的熱導(dǎo)率很低，在0.15到0.68W/mK之間[17]，發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱交換器的壁厚很薄，為0.71 mm時，即使很小一層沉積物也會大大影響熱交換器的性能。與EGR系統(tǒng)中的熱交換器相似，汽車尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)的熱交換器的性能也將受尾氣污垢的影響，這需要我們的進(jìn)一步研究。

2.6 新型的汽車尾氣熱交換器

由于汽車的運(yùn)行工況復(fù)雜，汽車尾氣的流速和溫度的變化也很大，針對這種情況，[18]中提出了如圖7所示的熱交換器，該熱交換器收集汽車尾氣的廢熱，然后把熱量傳遞給有75%的氦氣和25%的氙氣組成的工作流體，利用泵使該工作流體在第二個環(huán)路里循環(huán)，并把該工作流體中的熱量傳遞給溫差發(fā)電器的熱端。[19]指出，當(dāng)前商業(yè)化的熱電模塊的工作溫度低于250℃，所以不能讓熱電模塊和汽車尾氣直接接觸，一種降低尾氣溫度并且不減少其勢能的方法是在尾氣和熱電模塊之間添加一些熱管，如圖8所示，通過調(diào)節(jié)熱管中流體的相變壓力來實現(xiàn)對熱電模塊熱端最大溫度的控制，這種熱管適合具有大熱負(fù)載變化的發(fā)動機(jī)，比如增程發(fā)動機(jī)。[20]對熱交換器的消聲性能進(jìn)行了研究，驗證了把熱交換器和消聲器集成到一起的可行性。

圖7 汽車尾氣熱電回收系統(tǒng)方框圖

圖8 以熱管作為熱交換器的汽車尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)示意圖

3 結(jié)語

作為汽車尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)的重要部件，熱交換器的研究最多，熱交換器設(shè)計時考慮的因素也很多。對于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計，既要提高其集熱效率，又要考慮到對發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的背壓等負(fù)面影響；熱交換器材料的選擇既要考慮材料的導(dǎo)熱系數(shù)，又要考慮材料的熔點、質(zhì)量密度、強(qiáng)度和剛度等；熱調(diào)換器的設(shè)計甚至還要考慮熱電模塊的溫度限制。因此，對于交換器的設(shè)計優(yōu)化應(yīng)以不同的汽車類型為基礎(chǔ)，做到具體情況具體分析。另外，新型的熱交換器也給我們的研究提供了新的思路。汽車尾氣熱交換器性能的不斷提高定能推動汽車尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)的商業(yè)化進(jìn)程。

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U463

A

1671-0037（2014）08-67-3

李鑫（1989.8-），男，在讀研究生，研究方向：CAD及其仿真技術(shù)。

杜紅顯（1967.8-），男，本科，工程師，研究方向：汽車制造工藝。