柴油機(jī)余熱回收筒式溫差發(fā)電器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

舒歌群，劉?祎，田?華，賈?琦，趙明如，姜?娜

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柴油機(jī)余熱回收筒式溫差發(fā)電器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

舒歌群，劉?祎，田?華，賈?琦，趙明如，姜?娜

(天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

針對一款適用于大功率車用柴油機(jī)的筒式溫差發(fā)電裝置提出優(yōu)化方案，該方案基于對熱端集熱器、溫差發(fā)電模塊及柴油機(jī)的仿真模擬的綜合評價(jià)，包括Fluent對于溫差發(fā)電器冷熱端溫度場、內(nèi)部流場和背壓的仿真，Matlab對于溫差發(fā)電器發(fā)電計(jì)算，以及GT-Power對于背壓引起的柴油機(jī)功率損失計(jì)算．針對原結(jié)構(gòu)中存在換熱效果不理想的問題，提出加裝不同尺寸導(dǎo)流裝置來強(qiáng)化換熱，可使整體性能大幅提升．本研究中，當(dāng)采用60,mm導(dǎo)流裝置時(shí)，系統(tǒng)凈輸出功率取得最大，達(dá)到651.1,W，較原系統(tǒng)436.5,W提高了49.2%,．

柴油機(jī)；排氣余熱回收；溫差發(fā)電；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

內(nèi)燃機(jī)是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的動(dòng)力機(jī)械，尤其在汽車動(dòng)力中占據(jù)主要地位．而內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行時(shí)，排氣帶走了約35%,的燃燒熱量[1]，如果有效回收利用這部分熱量，對于內(nèi)燃機(jī)節(jié)能減排意義重大．

溫差發(fā)電器利用了半導(dǎo)體材料在溫差下產(chǎn)生電流的特性，由于其沒有運(yùn)動(dòng)部件，體積小、壽命長，工作時(shí)無噪聲，而且無需維護(hù)等優(yōu)勢[2]，成為內(nèi)燃機(jī)余熱回收的重要方法之一．美國Hi-Z 公司在功率250,kW的載重車柴油機(jī)上進(jìn)行了排氣余熱溫差發(fā)電的研究，試驗(yàn)中采用筒式熱端集熱器將72個(gè)HZ-14模塊安裝在其上，冷端采用水冷卻，可形成250～270,K的溫差，試驗(yàn)裝置共可產(chǎn)生30,V/1,kW的直流電[3-4]；BSST公司在直列6缸的BMW530I上進(jìn)行了TEG研究，通過試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)主換熱器會(huì)對排氣背壓產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響原機(jī)效率，發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷工作時(shí)這種影響是不能忽略的[5]．天津大學(xué)的Niu等[6]以6缸柴油機(jī)排氣為熱源對平板式溫差發(fā)電裝置進(jìn)行了三維模型仿真，溫差發(fā)電系統(tǒng)使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率降低了0.6%,，有大約25%,的排氣熱量被熱端吸收，進(jìn)入溫差發(fā)電模塊(效率為4%,)．郭珣[7]利用GT-Suite與Fluent進(jìn)行了平板式溫差發(fā)電裝置與排氣消聲器一體化研究，利用Fluent研究了多種內(nèi)部結(jié)構(gòu)下溫差發(fā)電裝置表面溫度分布情況．

目前內(nèi)燃機(jī)余熱溫差發(fā)電器的基本結(jié)構(gòu)主要由熱端集熱器、冷端冷卻器和溫差發(fā)電模塊3部分組成．而熱端集熱器作為溫差發(fā)電器從熱源吸收熱量的關(guān)鍵部件，直接決定了溫差發(fā)電模塊的熱端溫度以及進(jìn)入溫差發(fā)電器的能量的多少[8]．相比平板式和翅片式集熱器，筒式集熱器有較高的表面利用率，對于布置相同溫差發(fā)電模塊體積更小，且溫度分布較翅片式更加均勻，對排氣背壓的影響小于平板式，所以更適合用于排氣量較大、所需溫差發(fā)電模塊較多的大功率柴油機(jī)排氣余熱回收．而國內(nèi)外在筒式溫差發(fā)電裝置的研究中，存在整體效率較低，缺乏排氣背壓對原機(jī)影響與發(fā)電效率的綜合考慮．

因此，本文對筒式溫差發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程中充分考慮了溫差發(fā)電裝置發(fā)電效率與排氣背壓造成的柴油機(jī)功率損失之間的關(guān)系．構(gòu)建了柴油機(jī)排氣余熱回收筒式溫差發(fā)電器的整體仿真模型，利用三維模擬軟件Fluent模擬溫差發(fā)電器表面溫度、內(nèi)部流動(dòng)和壓力場分布，以此作為邊界條件利用Matlab軟件構(gòu)建的溫差發(fā)電模型獲取系統(tǒng)整體發(fā)電性能，并結(jié)合柴油機(jī)的GT-Power排氣背壓模型以對溫差發(fā)電器性能進(jìn)行整體的優(yōu)化．

1?整體仿真模型的構(gòu)建

柴油機(jī)排氣余熱回收筒式溫差發(fā)電器的整體仿真模型由熱端集熱器流場及溫度分布模型、溫差發(fā)電模塊發(fā)電模型與背壓對柴油機(jī)功率影響模型3個(gè)分模型組成，可對溫差發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行綜合評價(jià)，其計(jì)算流程如圖1所示．

圖1?計(jì)算流程

1.1?筒式溫差發(fā)電器介紹

該溫差發(fā)電器是針對一款直列6缸增壓柴油機(jī)的額定工況(其工況參數(shù)見表1)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2所示，柴油機(jī)高溫排氣通過筒式溫差發(fā)電器入口進(jìn)入，并通過其壁面和溫差發(fā)電模塊進(jìn)行換熱，從而使模塊熱端溫度升高，在溫差發(fā)電模塊的另一邊采用水冷方式進(jìn)行冷卻，利用兩端溫差產(chǎn)生電能．108塊溫差發(fā)電模塊分別安裝在筒式溫差發(fā)電系統(tǒng)的6個(gè)面上，每個(gè)面上等距排列2×9塊．

表1?柴油機(jī)額定工況參數(shù)

Tab.1?Diesel engine′s rated operating conditions

圖2?筒式內(nèi)燃機(jī)余熱回收溫差發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(不含冷卻裝置)

1.2?熱端集熱器流場及溫度分布模型

本文對和內(nèi)燃機(jī)排氣直接換熱的熱端集熱器進(jìn)行三維建模，并采用CFD方法，對其內(nèi)部排氣流動(dòng)、傳熱過程及其表面溫度分布情況進(jìn)行了詳細(xì)的三維數(shù)值模擬．

集熱器外殼材料為310鋼，厚度2,mm．為了更好地模擬溫差發(fā)電器在工作時(shí)的真實(shí)情況，在集熱器表面建立和溫差發(fā)電模塊尺寸(56,mm×56,mm×6,mm)、熱導(dǎo)率相同的長方體，其上表面作為模擬冷源，設(shè)置傳熱系數(shù)為1,500,W/(m2·K)，冷端溫度為303,K．通過其和集熱器表面的換熱來模擬溫差發(fā)電模塊對于集熱器表面溫度的影響，從而可以得到更加準(zhǔn)確的溫度場分布．

筒式溫差發(fā)電裝置的入口和出口分別設(shè)置為速度入口與壓力出口，柴油機(jī)額定工況(如表1所示)下的排氣作為入口處的初始條件，而壓力出口條件設(shè)置相對壓力為0,Pa，從而得到溫差發(fā)電模塊上下表面溫度，可以通過之后建立的一維模型計(jì)算出溫差發(fā)電模塊此時(shí)的最大輸出功率．因柴油機(jī)排氣的成分在不同工況下并不相同而且較難確定，所以以空氣作為模擬流體，這種變化產(chǎn)生的誤差小于2%,[6]．

1.3?溫差發(fā)電模塊發(fā)電模型

本文采用課題組已有的溫差發(fā)電模塊一維模型對溫差發(fā)電器整體性能進(jìn)行研究[9]，以實(shí)驗(yàn)室采購的TEP1-12656-0.6型溫差發(fā)電模塊為模擬對象．溫差發(fā)電模塊由126對截面面積為6.25,mm2的Bi2Te3溫差電單偶組成，如圖2所示，每個(gè)溫差電單偶主要包括P型和N型半導(dǎo)體元件，以及冷熱兩端用于導(dǎo)熱絕緣的陶瓷片．模型假定熱量只沿著電偶臂方向傳遞，忽略電偶臂側(cè)面和周圍環(huán)境的傳熱損失，忽略接觸熱阻和接觸電阻．模擬計(jì)算的結(jié)果與廠家測試結(jié)果進(jìn)行對比，如圖3所示，模擬結(jié)果與測試結(jié)果保持一致，最大相對誤差低于3.8%,，模型計(jì)算滿足要求．

圖3 TEP1-12656-0.6型溫差發(fā)電模塊最大輸出功率的模擬結(jié)果與測試結(jié)果對比

1.4?柴油機(jī)GT-Power排氣背壓模型

加裝筒式溫差發(fā)電裝置會(huì)使排氣背壓增加影響原機(jī)效率，所以要綜合評價(jià)裝置性能就要考慮背壓對其的影響．通過GT-Power軟件對原柴油機(jī)建模，得出在增加柴油機(jī)排氣背壓后原機(jī)損失的功率．用溫差發(fā)電裝置輸出的總功減去原機(jī)損失的功率則為其凈輸出功．模型的驗(yàn)證如圖4所示，利用柴油機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的燃油消耗率進(jìn)行對比，模擬結(jié)果和測試結(jié)果相比誤差小于10%,，模型滿足精度要求．

2?結(jié)果與分析

2.1?筒式溫差發(fā)電器的性能分析

在柴油機(jī)額定工況下，對溫差發(fā)電器進(jìn)行三維模擬仿真．圖5所示為各行溫差發(fā)電模塊冷、熱端溫度及溫差分布．從圖中可以看出，前4行溫差發(fā)電模塊的熱端溫度逐漸上升而在其后趨于平穩(wěn)，而冷端溫度變化不大，基本維持在330～340,K之間．

圖5?每行溫差發(fā)電模塊冷熱端溫度及溫差分布

圖6為熱端集熱器表面溫度分布與其內(nèi)部排氣流速圖，從圖中可以看出溫差發(fā)電模塊所在處的溫度明顯低于周圍，這是由于溫差發(fā)電模塊的冷卻效應(yīng)所致．而高溫高速的排氣由入口進(jìn)入截面積較大的腔體后不能立刻發(fā)散，高溫排氣集中在換熱器中心，所以換熱器前端壁面處的換熱效果不佳，因此造成熱端集熱器在溫差發(fā)電模塊處的溫度(即溫差發(fā)電模塊熱端溫度)呈現(xiàn)出先增加后趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象．

圖6?熱端換熱表面溫度分布與其內(nèi)部排氣流速

圖7所示為各行單塊溫差發(fā)電模塊最大輸出功率，其值隨冷熱端溫差的增大而增大．整體溫差發(fā)電裝置108塊發(fā)電模塊的總輸出功率為0，而由于加裝溫差發(fā)電裝置會(huì)增加柴油機(jī)的排氣背壓，從而影響原機(jī)功率，l為由于排氣背壓增加柴油機(jī)損失的功率．因此，應(yīng)該綜合考慮溫差發(fā)電系統(tǒng)總輸出功與其造成的背壓損失功之間的關(guān)系，而凈輸出功率n則可以全面合理地對溫差發(fā)電系統(tǒng)性能進(jìn)行評價(jià)．

在此工況下，溫差發(fā)電裝置的排氣背壓D、總輸出功率0、背壓損失功率l、凈輸出功率n見表2．

圖7?各行單塊溫差發(fā)電模塊最大輸出功率

表2?筒式溫差發(fā)電系統(tǒng)性能參數(shù)

Tab.2 Performance parameters of cylindrical thermoe-lectric generating system

2.2?筒式溫差發(fā)電器的優(yōu)化

在之前對于筒式溫差發(fā)電器的模擬過程中，發(fā)現(xiàn)大部分高溫排氣從集熱器中心通過，而集熱器壁面處的排氣流速及壁面溫度較低，造成在排氣溫度高達(dá)792.1,K時(shí)，溫差發(fā)電模塊的熱端溫度只有400～450,K．因此，采用在集熱器內(nèi)部加裝如圖8所示的導(dǎo)流裝置來改變排氣流動(dòng)方向，使其向四周擴(kuò)散增加集熱器壁面處的排氣流速強(qiáng)化換熱．導(dǎo)流裝置的尺寸如圖8所示，選取3種六邊形邊長分別為60,mm、80,mm、100,mm時(shí)，對比不同尺寸導(dǎo)流裝置對系統(tǒng)的影響．

圖8?導(dǎo)流裝置結(jié)構(gòu)

如圖9所示，在加裝導(dǎo)流裝置后，可以看出溫差發(fā)電模塊的熱端溫度明顯上升．在＝100,mm的第1行處出現(xiàn)最大增加值為170,K，而之后各行在加裝3種導(dǎo)流裝置后，熱端溫度的增加值逐漸減少．不同于之前熱端溫度先增加后基本穩(wěn)定的情況，對于＝60,mm和＝80,mm時(shí)，熱端溫度分別在第3行和第2行有最大值而后下降，而對于＝100,mm溫度則是始終下降．溫差發(fā)電模塊的冷端溫度與熱端溫度變化規(guī)律一致，只是變化幅度較?。虼?，在加裝導(dǎo)流裝置后溫差發(fā)電模塊的冷熱端溫差明顯增加，從而提高了溫差發(fā)電模塊的工作效率．而在這3種導(dǎo)流裝置中，隨著的增加前2行溫差發(fā)電模塊的熱端溫度上升明顯，而在第3行基本持平，在之后則隨著的增加溫差發(fā)電模塊的熱端溫度略有下降，如圖10所示．造成這種現(xiàn)象的原因?yàn)榧友b導(dǎo)流裝置后高溫排氣從換熱器中央向四周流動(dòng)，而隨著的增加排氣前端由于導(dǎo)流裝置形成的高速區(qū)氣流方向和壁面夾角變大，高速區(qū)變短，因此高溫高速的排氣和壁面的交點(diǎn)逐漸前移．高溫高速排氣掠過壁面減少層流層厚度強(qiáng)化換熱，從而出現(xiàn)前3行熱端溫度的變化．對于冷端溫度，＝60,mm在各行溫差發(fā)電模塊處都是最低的，但除前3行處有較大差別外，加裝不同尺寸導(dǎo)流裝置對其他各行影響較?。?/p>

（a）熱端溫度

（b）冷端溫度

（c）冷熱端溫差

圖9不同尺寸導(dǎo)流裝置下每行溫差發(fā)電模塊的溫度

Fig.9 Temperature at each row of TEG added with dif-ferent sizes of guiding devices

圖11所示為加裝不同尺寸導(dǎo)流裝置后，各行溫差發(fā)電模塊單塊的輸出功率．其變化趨勢和各行冷熱端溫差的變化規(guī)律相同(圖9(c))，隨著溫差發(fā)電模塊的冷熱端溫差加大而發(fā)電量增加．可以看出加裝導(dǎo)流裝置后各行溫差發(fā)電模塊的性能較之前都有了明顯提升．然而同時(shí)，加裝導(dǎo)流裝置也會(huì)增加原柴油機(jī)的排氣背壓影響凈輸出功率．如表3所示，可以看出在加裝＝60，80，100,mm的導(dǎo)流裝置后，溫差發(fā)電裝置的總輸出功率相對改進(jìn)前分別提高了43.2%,、42.2%,和44.2%,，對于不同值溫差發(fā)電裝置總輸出功率變化不大，而同時(shí)，隨著導(dǎo)流裝置的增加，柴油機(jī)的排氣背壓明顯上升，柴油機(jī)的背壓損失功率l較改進(jìn)前分別提高了27.7%,、34.4%,和43.7%,，增加明顯．因此，凈輸出功率在加裝＝60,mm導(dǎo)流裝置時(shí)達(dá)到最大為651.1,W，較改進(jìn)前提高49.2%,．

（a）換熱器表面溫度(溫差發(fā)電模塊熱端溫度)分布

（b）換熱器內(nèi)部溫度場

（c）換熱器內(nèi)部速度場

圖10?不同尺寸導(dǎo)流裝置下的溫度場和速度場

Fig.10 Temperature and velocity fields of different sizes of guiding devices

圖11不同尺寸導(dǎo)流裝置下每行溫差發(fā)電模塊的輸出功率

Fig.11 Output power at each row of TEG added with different sizes of guiding devices

表3?加裝不同尺寸導(dǎo)流裝置后筒式溫差發(fā)電系統(tǒng)的性能參數(shù)

Tab.3?Performance parameters of cylindricalthermoelectric generating system added with different sizes of guiding devices

3?結(jié)?論

(1)原筒式溫差發(fā)電裝置的凈輸出功率n為436.5,W．通過對其溫度場和內(nèi)部速度場的分析中發(fā)現(xiàn)，其熱端溫度雖然逐漸上升，最高達(dá)到492,K，但還是遠(yuǎn)低于排氣溫度792,K，造成此現(xiàn)象的原因是高溫高速排氣主要從換熱器中心通過而壁面處的排氣流量較少．

(2)針對上述筒式溫差發(fā)電裝置存在的問題，增加導(dǎo)流裝置可使熱端溫度明顯上升，進(jìn)而提高溫差發(fā)電器的總輸出功率，但同時(shí)也造成了排氣背壓的增大，影響柴油機(jī)功率輸出．整體發(fā)電性能存在一個(gè)最佳的導(dǎo)流裝置尺寸．在本研究中當(dāng)＝60,mm時(shí)，凈輸出功率取得最大值，達(dá)到651.1,W，較原系統(tǒng)提高了49.2%,．

［1］ 趙智博. 內(nèi)燃機(jī)廢氣余熱利用有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)的研究[D]. 天津：天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2011.

ZhaoZhibo. Research of Working Fluids of Engine Exhaust Gas Waste Heat Recovery Based on Organic Rankine Cycle (ORC)[D]. Tianjin：School of Mechanical Engineering，Tianjin University，2011(in Chinese).

［2］ 張?征，曾美琴，司廣樹. 溫差發(fā)電技術(shù)及其在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱利用中的應(yīng)用[J].能源技術(shù)，2004，25(3)：120-123.

Zhang Zheng，Zeng Meiqin，SiGuangshu. Thermoelectric generation technology and its application in exhaust waste heat utilizing for automobile’s engine[J].，2004，25(3)：120-123(in Chinese).

［3］ Bass J C，Elsner N B，Leavitt F A. Performance of the 1,kW thermoelectric generator for diesel engines[C]//. Philadelphia，USA，1994：295.

［4］ Bass J C，Elsner N B. Current thermoelectric programs at Hi-Z technology[C]//11. Arlington，USA，1992：1-3.

［5］ La Grandeur J，Crane D，Hung S，et al. Automotive waste heat conversion to electric power using skutterudite，TAGS，PbTe and BiTe[C]//. Vienna，Austria，2006：343-348.

［6］ Niu Z，Diao H，Yu S，et al. Investigation and design optimization of exhaust-based thermoelectric generator system for internal combustion engine[J].，2014，85：85-101.

［7］ 郭?珣. 汽車排氣廢熱溫差發(fā)電系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)消聲器一體化設(shè)計(jì)研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)汽車學(xué)院，2011.

Guo Xun. Research on Integration Design of Automobile Waste Heat Thermoelectric Generation System and Engine Muffler[D]. Wuhan：Automobile Institute，Wuhan University of Technology，2011(in Chinese).

［8］ Hsu C T，Huang G Y，Chu H S，et al，Experiments and simulations on low-temperature waste heat harvesting system by thermoelectric power generators[J].，2011，88(4)：1291-1297.

［9］ 舒歌群，賈?琦，田?華，等．內(nèi)燃機(jī)排氣余熱回收溫差電偶的模擬分析[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)與工程技術(shù)版，2014，47(2)：132-137.

Shu Gequn，Jia Qi，Tian Hua，et al. Simulation and analysis of thermoelectric unicouple used for waste heat recovery from the exhaust of internal combustion engine [J].：，2014，47(2)：132-137(in Chinese).

(責(zé)任編輯：孫立華)

Structure Optimization of Cylindrical Thermoelectric Generating System for Diesel Exhaust Waste Heat Recovery

Shu Gequn，Liu Yi，Tian Hua，Jia Qi，Zhao Mingru，Jiang Na

(State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

The simulation and optimization scheme of cylindrical thermoelectric generating system for exhaust waste heat recovery of a large power vehicle diesel engine was proposed．This scheme was based on the simulation of thermoelectric generator，hot-side collector and diesel engine．It consisted of the hot-cold side temperature field，inner flow field and exhaust back pressure of thermoelectric generating system calculated by the Fluent software，thermoelectric generator’s electric energy production calculated by Matlab，and the power loss caused by exhaust back pressure of diesel engine calculated by GT-Power．To solve the problem of low heat transfer efficiency in the original system，different sizes of guiding device were installed，which greatly enhanced the performance．It was found that the 60,mm guiding device has the largest net output power of 651.1,W，which increases by 49.2%, compared to 436.5,W in the original system.

diesel engine；exhaust waste heat recovery；thermoelectric generation；structure optimization

10.11784/tdxbz201604075

TK421

A

0493-2137(2016)11-1181-06

2016-04-28；

2016-05-18.

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2011CB707201)；教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20120032130004).

舒歌群（1964—??），男，教授，sgq@tju.edu.cn.

田?華，thtju@tju.edu.cn.

2016-06-16.

http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20160616.1529.006.html.