基于汽车尾气余热均衡散热与聚合气流螺旋遇冷温差发电装置设计.docx

    基于汽车尾气余热均衡散热与聚合气流螺旋遇冷温差发电装置设计    陆小波　张旭贤　李磊　宋荣荣　王利君　罗勇【摘 要】为了探究一种高效风冷式汽车尾气余热温差发电装置，设计一种汽车尾气余热均衡散热与聚合气流螺旋遇冷温差发电装置本文通过建立模型试验，测试江淮皮卡汽车发动机在不同负荷下，排气管道散热量，并对最高负荷下，排气管道高温散热进行处理，将整个排气管道温度恒定140°C ～300°C调试汽车发动机最大转速4000r/min，对排气管内管道散热处理后，通过测试风冷式管道装置在不同空气流速梯度下，管径收缩及气流流态对温差发电器件遇冷测试，并建立小型数据库，对比数据，分析装置风冷式效果实验参数结果显示，风冷式排气管道温差发电装置，有效提高温差发电器件温差，达到高效率发电目的Key】温差发电 聚合气流 螺旋风管 流线型 “V”型聚风面板目前市场汽车供电设备大多依赖于发电机，发电机消耗发动机动能，从而间接增加汽车油耗针对汽车尾气余热温差发电，水冷需要接入循环水冷系统[1]，其装置结构复杂，维护成本较高，水冷循环运作稳定性较差风冷式温差发电装置研发正在起步阶段，本设计方案立足于风冷式装置结构设计及优化，可高效利用汽车尾气余热，将其转换为可稳定回收，再利用的电能，可以替换部分汽车发电机，可间接减少油耗。

最终研制了一套结构合理、性能优异、余热温差发电效果较明显的装置1研究背景由汽车燃油总能量分配得知，汽车发动机动力输出占燃油燃烧总热量的25%～42%，其余以废热形式从冷却水和尾气等中排出车外的能量占燃烧总能量的58%～75%，这不仅是一种能量浪费，同时也会造成一定程度的大气热污染[2]汽车尾气余热具有温度高、压强大、流速快的特点，汽车能量损耗以尾气热量为主目前汽车尾气余热温差发电存在温差发电模块本身发电率低，温差发电装置整体效率低，装置在汽车行驶中稳定性较差，冷端散热效果较低等问题2聚合气流风冷技术原理改变排气管内壁热量条件，致使尾气余热均匀散热，使温度恒定160～290°C，满足温差发电器件最大容许高温条件排气管道内高温气流温度梯度大（60～500°C），温差发电器件的容许高温侧温度300°C，适宜安装温差发电器件管道长度有限，因此，通过设计组装三种金属管材（内管），包裹不定层数隔热材料，改变排气管内壁热量条件，至均匀散热，促使温度恒定160～290°C依据不同类型汽车的用电需求，可适度改变汽车排气管道内径，或适宜加长管道长度，改变排气管道结构，可安装较多的温差发电器件通过设计流线型螺旋风管管道外壳，套装内管道，聚合螺旋气流，加快双管间空气流速与温差发电器件一侧温度交换，提高风冷效果。

汽车行驶时，当空气流速恒定，气流进入聚风管流量一定，当气流进入双层管道间，聚风管管口截面积是双层管道的2倍以上，双层管道间气流急剧加快，气流沿流线型外管壁流动，加快螺旋气流分子与温差发电器件遇冷侧面的碰撞，提高遇冷效果，增大温差发电器件两侧产生温差，提高温差发电器件发电功率通过汽车排气管与螺旋风管间气流交换装置结构设计，可分部定段安装多个冷热气流换气装置该装置可排出前段较热空气流，聚合外界冷空气，冲进后段双管道间，达到较长双管道间冷热气流交换的目的，提高风冷效果3结构设计3.1双层排气管道装置整体结构设计该装置排气内管分为三段，与发动机处三分之一段采用隔热材料包裹，或双层真空管道；中间三分之一段采用保温较好的管材；末尾三分之一段采用散热性较好的铝合金管材通过不同材质管道连接，使排气管内管道散热温度恒定在160-290°C间双层排气管道装置整体结构如图1所示3.2双层排气管道装置局部分解装置热电系统采用热电器件串联（4-6个）模块，将各个串联模块并联，与回收系统连接，将大电流储存于蓄电装置中排气管口径较小，采用规格为20*40*3.2mm温差发电器件，其规格：最大耐温：300°C；最大发电电压3.18V （温差为120°C）；最大短路电流：525mA （温差为120℃）；芯片内阻：1.8Ω。

3.2.1双排气管道装置设计截面图示分析方案一：目前市场现有温差发电器为块状，粘贴于排气管曲面，对热量的传递，安装运作的稳定性影响较大，因此，研制一定规格圆弧形温差发电器件依据设计要求，温差发电器件要求厂家制作成曲面形状，曲面长度40mm，弧度长度依据厂家可制作性，设计制作目标：2～5段均匀的等弧长，拼接成一个完整的圆状（设计排气管内径），包裹内管道环形温差发电器件安装结构如图2所示方案二：由于市场现有温差发电器件均为块状，设计排气管截面形状，且不改变汽车原排气管管径、长度、结构内管壁中设计真空层，使高温隔热降低至290°C以下，前段减少尾气热量流失，提高后段管道温度排气内管1横截面呈外切的边数大于6的等边内圆管；排气内管1外壁上依次设置着至少一层陶瓷纤维纸2、均匀涂布的导热硅胶层3以及均布粘接着的温差发电元器件5；在排气内管1外部设置着呈流线型聚风装置4、6、10原排气管道内高温气流温度梯度大，衔接不同的管材，降低进气管道散热，提高尾管道温度，使前段高温测热量不易过早散发，而流通到中后段管道 ，即可轻度改变尾气余热散热温度均衡，适度均衡散热如双层排气管道装置各部位断面结构如图3所示图B-B：装置与发动机连接段断面，设计安装“V”型聚风面板；图A-A：装置中间管道断面，设计安装螺旋风管及冷热气流换气装置；图C-C：装置尾段断面，设计安装半“V”型聚风面板。

3.2.2双排气管道外聚风装置局部设计汽车行驶时，采用聚合气流加速旋转空气式理念，提高温差发电器件一侧遇冷效果，增大温差，高效发电聚风装置结构如图4所示螺旋风管由高纤维塑料或不锈钢金属材料制成，螺旋风管上的螺纹间距为等梯度增加各个外壳管道曲面光滑，显流线型管质选材为高纤维塑料或不锈钢金属材料图5螺旋风管：前口内径与后口内径比为1：1.5～1：3；冷热气流换气装置：中圆台形换气风管8、9，前口的内径与后口内径比为1：2～1：4中圆台形换气风管8、9前口为缺口环状，8、9部位斜截面衔接处为封闭断面，达到前半段双层管道间遇冷气流从9部位出，后半段冷空气从8部位进通过汽车排气管与螺旋风管间气流交换装置结构设计，可分部定段安装多个冷热气流换气装置冷热气流换气装置目的：为达到较长排气管道温差发电器件较好的遇冷效果，分布定点安装冷热气流换气装置聚风管与疏风管道可排出前段较热空气流，聚合外界冷空气，冲进后段双管道间，达到较长双管道间冷热气流交换的目的，提高风冷效果，增大温差，提高温差发电效率如冷热气流换气装置结构如图6所示4仿真模拟实验4.1排气管内管道散热分析计算查阅《传热学》，得知排气管内管壁热传导的传热热阻r：排气管外形由支管道、弯管、消声器等一些装置构成，发动机排出尾气流过排气管内管道拐弯处，气流沿管壁发生改变。

通过查阅《传热学手册》，得知废气与管道内壁之间的对流换热系数：排气管内管取单位长度 气体微元，温度 ，该处管道外壁的温度为 ，气流流速V，管壁传递热量，该微元段移动下一位置时，温度下降为 4.2排气管内管道均衡散热方案测试实验采用江淮汽车（JAC），进行数据采集及模拟实验汽车发动机四缸汽油机型号：GW491Q；最大净功率74kW（3200r/min）；排量为2237ml采用红外热像仪测试发动机在不同负荷下，排气管外壁各个测量点（沿纵向等间距13cm）温度，起点为排气支管，终点为排气管末端依据排气管形状结构，对排气管分段，通过对排气管管道结构、尺寸测量，按照一定比例值绘制图纸如图7所示调试发动机转速为：750r/min、2000r/min、3000r/min、4000r/min工况下测定各管道分段点温度，各转速对应测量点温度如表1所示通过红外热像仪排气管温度场分布测试试验由上述实验看出，汽车发动机转速在750～4000r/min间，排气管道温度曲线波动较大，高低温落差较大，温度差值219.5～267.1°C汽车在正常行驶过程中，发动机转速不超过3500r/min，为防止汽车排气热负荷过高，超出温差发电器件最大温度极限值，因此，对排气管散热处理进一步实验中，只分析发动机转速在4000r/min时，排气管管材设计及隔热材料包裹层数。

调试发动机转速为4000r/min，采用对排气管道均衡散热处理方案，温度分布曲线缓慢、平稳下降，最高温度293°C，最低温度154.7°C温度差值138.3°C对比实验分析得知，内管道散热处理方案有效降低排气管高低温落差，中后段内管道温度明显增大，达到高温热气流在整个管道均衡散热的目的，提高温差发电器件安装数量4.3模拟风冷装置各实验项数据采集及分析本次实验测试车速与风速之间的关系，为后续模拟实验提供参数依据如表2所示通过测试排气管道高温测温度为260°C时，进风口与双层管道截面面积变化对空气流速影响排气管道内管直径为4.82mm，按照设计要求，前风口直径12cm，面积37.68平方厘米，收缩后直径10 cm，面积31.4平方厘米，双层管道间截面积9.42平方厘米前进风口截面积是双层管道间截面积的2倍、4倍本实验以内管道散热温度260°C计算，3D打印一段仿真装置进行模拟实验，试验数据如表3所示当风流量一定时，风速与风管截面积成反比，即是风速越高，则风管截面积越小，在模拟实验中，聚风管口截面积为双层管道间截面积的2-4倍，如表3中两条折线，管道间与进风口风速比值减小，由于高气流受到管道结构阻碍产生压力，气流改向四周扩散，对风速有影响。

此实验验证聚合气流加速空气流动，提高温差发电器件能量交换速率制作仿真模拟实验装置，将6片规格为20*40*3.2mm温差发电器件（最大耐温300°C），按照设计要求安装内管道，并套装螺旋风管，内管用氧焊通入热气流，并控制温度为：高温侧290°C、230°C、170°C、140°C，用600W鼓风机管口对准聚风管口，空气流速大小通过调试两管口间距，将风速仪温度感应器放置两管口间，调控空气流速双层管道间，等梯度调控空气流速，用红外热像仪测试风冷温度大小，试验数据如表4所示表4 风速等梯度变化对不同高温侧温差发电器件风冷效果影响试验如表4所示，排气管双层管道间空气流速等梯度增大，温差发电器件遇冷侧温度缓慢降低，高低空气流速差值温度变化差值：109～238.1°C，温差增长值：6.3～200.4°C由上述数据分析得出，排气管温度较高部位产生温差值相对较大；当高温侧温度恒定，空气流动速度越快，风冷效果越好，温差越大同等风速条件下，平行空气流与螺旋空气流流态，对内管道散热温度200°C，温差发电器件遇冷温度测试如表5所示由上述数据得出：同等风速条件下，高速螺旋气流比平行气流遇冷效果更好，温度差值约9°C，一定程度上提高温差发电器件发电效率。

由于风速受双层管道壁形状影响，风速越大，高速螺旋气流遇冷效率下降，因此，最适合风速0～30km/h，即车速：0～90 km/h4.4单个温差发电器件温差与发电量对应参数（如表6）测试条件：空气温度22.7°C，汽车排气管总长度4.26m，采用汽车转速为3000r/min，车速80km/h时，管道间空气流速约40m/s，测试单个温差发电器件（规格为20*40*3.2mm）在不同管道部位，冷热温度值，及输出功率测试如表7所示5经济性分析实验采用江淮汽车（JAC），进行数据采集及模拟实验测试条件：空气温度：22.7°C，汽车排气管总长度4.26m，采用汽车转速为3000r/min，车速80km/h时，管道间空气流速约40m/s，热面温度范围：145.9～285.7°C，冷面温度范围：29～64.7°C，平均温差178.13°C，平均温差发电功率1.72 w，装置可安装温差。