基于汽车尾气温差发电装置换热结构仿真优化与实验

【摘要】中国的汽车工业迅猛发展，2010年汽车产量已达1927.18万辆，进入到汽车制造工业大国行列。汽车在行驶过程中，30%-40%的能量以高温废气的形式被排放到大气中，其低下的能源利用率既带来能量浪费又会产生热污染。温差发电技术可以将热能直接转化为电能，将此项技术应用于汽车，将汽车尾气中的热能转化为电能，不仅提高了燃料的利用率，同时也降低了热污染，这对于汽车节能减排是具有重要意义的。温差发电热电转换效率主要由热电材料性能与温差发电模块冷/热端温差决定，在热电材料研究未取得突破性进展的前提下，提高温差发电模块冷/热温差是现阶段的研究重点。本文从结构入手，提出一种新型结构的平板式温差发电器矩形换热通道，在通道内壁面加入平直翅片以强化汽车尾气与通道壁面之间的对流换热强度，提高通道外壁面温度，进而增大温差发电模块温差，最终提高温差发电器热电转换效率。经分析国内外温差发电器的研究现状后，确定所研究的平板式温差发电器换热通道的外形尺寸，同时根据该尺寸确定附着于其内壁面的翅片结构参数（长度l、间距d和高度h）。利用GAMBIT和FLUENT进行建模与仿真，发现翅片管道的换热性能是要优于光滑管道的。通过对翅片的结构参数进行优化后，得到不同翅片管道的综合换热效率随之变化的趋势，使得管道换热性能最佳的翅片结构参数：l=400mm，d=20mm，h=50mm，在入口流速为10m/s时其综合换热效率达到1.25。根据仿真结果，选择包括光滑管道、普通翅片管（Ⅰ型翅片管）和最佳翅片管（Ⅱ型翅片管）在内的三种管道作为温差发电器换热通道搭建实验台进行验证实验。在一定的入口气体速度和温度条件下，测量换热通道的壁面温度，温差发电模块的开路电压、负载电压以及管道的压力损失，并计算三种管道的外壁面平均温度及温差发电模块的发电功率。实验结果表明，翅片管的壁面平均温度、开路电压、负载功率均要高于光滑管道，其中Ⅱ型翅片管是最高的。在入口温度为200℃，流速为30m/s时，其壁面平均温度较光滑管道提高22.7%，开路电压提高28%，功率提高30%，提升幅度明显。实验结果与仿真结果一致，验证了仿真结果的正确性。经计算发现温差发电器的输出功率均较低，本文分析总结了导致这种结果的影响因素，为后续的进一步研究提供改进基础。
【作者】胡伟平；
【导师】刘伟军；
【作者基本信息】上海工程技术大学，车辆工程，2014，硕士
【关键词】汽车尾气；温差发电；强化换热；数值模拟；翅片管；

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