利用热电对汽车余热的回收优化外文翻译资料

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利用热电对汽车余热的回收优化

Douglas Crane, Gregory Jackson and David Holloway

University of Maryland

Copyright copy; 2001 Society of Automotive Engineers, Inc

摘要：随着电热材料加工技术的发展，在汽车上利用废气余热温差发电慢慢的取代了交流发电机给动力电池组补充发电。初步的设计是把改善后的散热器放入到热电模块中，以优化废气余热发电。该优化不仅包括热电性能也涉及关键系统的问题，如附件功耗，拖车，加入系统的重量。结果显示热点模块在工作温度范围内对周围环境温度的变化极为敏感。该研究还详细的说明了如何在避免减少系统性能的前提下修改散热器，以及TE散热器技工给日常交流发电机充足电力的最小的热电性能所需。从结果看，得出来这个概念能用在乘用车上的可行性。

介绍：发动机的热效率的范围一般在15%到40%之间，主要取决于发动机的运行条件和本身的设计。剩余燃料能量的60%到80%作为废热通过散热器和排气系统释放到环境中。在发动机运行状况一定的条件下，在低负荷时有30%到50%甚至更高的的燃料能量通过散热器排出。

虽然目前做了大量的努力在提高发动机的热效率方面，但是在提高废热利用上却没有下太大功夫。最近已经有研究开始探讨利用热电装置（TE）把内燃机的废热转化为电能的可行性了。本文在这些研究的基础上说明了利用热电处理装置给乘用车提供低电压能量的可行性和实用性。

以往，由于热电回收的热效率非常低，利用热电对废气余热回收利用被认为是很不实际的做法。根据热侧和冷侧的温度的差异，传统的的热电装置TE（Bi2Te3）的热效率在1%到3%之间（下面讨论）。热效率低加上半导体材料的高成本都使得TE不适合运用在汽车上。随着材料加工和批量生产的高效率，热电模块的成本也在下降。尽管TE的效率还是很低，但是能从散热器中回收3%，60KW的能量也足够用在汽车上了。

热电材料和材料加工的不断进步，TE设备的能力也在不断的提升。使得TE余热回收发电可能会获得高得多的工作温度和更高的效率。新的TE材料如基于Zn4Sb3的半导体具有更宽的温度范围比现有的基于Bi2Te3的 TE器件拥有更好的性能。随着这些新材料不断发现，材料加工能力的进步也增加的Bi2Te3的性能和工作范围。

热电发电机的效率（eta;th）可以容易地示出[3]是该材料的优点，Z =（alpha;2/rho;lambda;），和操作温度下热电装置的热侧和冷侧。在简单的eta;th优化分析表明TE具有较高热侧的温度，和更冷的冷端的温度，等式如下所示：

其中TAV=（TSH TSC）/ 2。结合ZT（以下称为品质因数）显然是一个关键（无量纲）参数，在操作范围温度内它取决于TE材料及其物理性质。努力持续开发新材料的TE[6,7]，其中有ZT（gt;1.5）的在宽范围内有更高的温度值，如果负担得起这样的新材料可能会打开新的机会应用在热电汽车上。

对于一个给定的TE材料，ZT材料在大多数的TE材料中有最佳的温度操作范围。因此，对于汽车余热回收的TE设备的适用性和性能将取决于所选择的材料的适当的工作温度范围。从发动机冷却液热量流动，相对较低的温度（100和130℃之间）使用容易可用的Bi2Te3材料。然而，更高的效率，这可能通过使用更高Tsh中从实现发动机排气气流，将需要替代材料。TE材料的最新进展如基于Zn4Sb3半导体表明相对高效的排气驱动TE的可能性设备可能变得可行。例如，p型Zn3.2Cd0.8Sb3有品质因数在250℃的1.4（ZT）[7]，其可以向上邻近翻译成的热效率8％，取决于冷端的温度。这个与p型的Bi2Te3材料，其中有一个比较仅为0.4 ZT在250℃。然而，相对经济实惠的Bi2Te3具有1.05的ZT在较低温度下（约90℃）和有限高温可操作性因此更适合用于从发动机吸取热量冷却液流动。其他高温材料如的PbTe和SiGe这是目前可用的可能适用于高温废气的应用，但在比目前较新的材料低效率正在开发的[5]

另一种方法来优化热电在更宽的温度范围内表现通过分割所述热电元件进行。Kang等。 [8]采取这样的方法通过使该模块优化了三个热电材料：硅锗为TE元素的最热的一面， PbTe的中间温度，Bi2Te3在TE的冷却器侧。这种分段方法模块化设计允许较大的温度提供的元素保持适当的高度差。 Kang等[8]根据宣称效率高达17％这个3级分段元素，但这样的方法从汽车成本和重量视角来看都可能太昂贵。

随着热电材料的继续改进，很多人就落实现有合作热电技术应用到汽车内部废热回收系统进行研究。其中第一个研究从所使用的内燃发动机回收废热对于移动应用程序研究。 [1]。从该研究中可以得出机动车辆的废热源的分析结论，排气系统提供了最具潜力基于TE-热回收的可用的高Delta;T。该研究进一步评估使用Bi2Te3，PbTe和SiGe的用于在排气热交换器（在涡轮增压器的下游），得出的结论是Bi2Te3提供了最佳的可操作性，尽管它的性能的限制了最大操作温度。原型热电发电机72个13W的Bi2Te3热电包括模块和测试表明，最大输出功率1千瓦[2]，比交流发电机要求稍小的车辆，从14升，350马力康明斯NTC发动机 。

在另一项研究中[3]。开发了一种热电发生器，用于汽油发动机的车辆灵活运用从排气系统的废热。使用硅锗模块的热交换效率发生器估计在主排气的11％与所产生的功率的气体能量通量的0.9％从排气到冷却剂的热通量。 这个意味着在热 - 冷侧温度差563K的模块的最大电功率大约1.2W。分析表明增强性能的同时需要改进传热以及TE材料的特性。

Menchen等。 [4]提出的把热电模块集成一个消声器组件放在重型柴油卡车上。 另一个方法是由Svensson等建议。 [9]。 其办法涉及包装用催化转化器热离子能量转换器（TEC）。他们预测，他们可以把热通量的25％转换成电力。不过，这个数字是未经证实的，因为实验还没有被完成。

本研究在他们的基础上解决并优化内燃机余热回收问题，但不同于大多数以前的研究中，本研究通过观察与生产电力修改后的散热器集成热电模块开始。调查部分散热器的动机是，比较排气系统的换热器与散热器的热通量和实惠的TE材料的相容性，简单研究得出的。在这样的事实下，Bi2Te3具有ZT散热器特性的温度附近的一个最大和散热器为有效的热交换一个成熟的技术，散热器被选为本研究废热源的光。

不用通常的方法去回收废热能量的原因在与其更加能分析系统性能和成本的问题。要正确地从回收废热尾气，可能会需要开发类似的一个紧凑式换热器散热器（也许与消音器一体）。这样的热交换器将清楚地提高发动机的回压，并可能比修改散热器设计增加更多的成本。此外，没有一个当前子系统中的汽车沿车的下侧提供一致的气流。因此，虽然高Tsh中热电可以是更优，但是有效性在冷端的传热可能是不可靠的。因此，初步结论绘制的散热器可能提供了一个更具成本效益的系统办法回收余热（尽管类似对尾气余热回收评估正在进行中与本研究平行）。

这项研究中调查系统的一小部分的概念模式在图1中示出。图1显示了通过散热器管衬有热电耦合发动机热的冷却剂流。冷却剂的热流动通过热电耦合到散热器翅片，把热量散到环境中。由于空气侧传热通常呈现给热流最大热电阻，另外周围的冷却剂流动（如在图1中示出）不会过度降低废热回收的热传递。目前初步研究旨在建立模型，优化所建议的在图1的TE模块的集成，和满足发动机的性能或电力需求时修改散热器设计的与最小的损失。

模拟目标：热电材料 - 一个实现热电装置在汽车上应用（其中成本和体积的限制是至关重要的）的严峻挑战包括获得足够的余热回收，值得TE设备的额外费用。在本文中承认一个假设，即可以执行交流发电机的功能的TE设备，同时能满足少附件的发动机的需求，使其附加费用有价值。然后设计使得系统重量不会明显增加而且不会损害系统性能的热电装置就变得很有挑战性了。例如在发动机冷却剂回路的设计。这包括优化汽车动力装置的要求限制的范围内添加TE性能。

温差发电的优化模块已被Rowe等详细说明。 [10]。 他们的研究主要集中在无约束的优化和得出的结论是具有更长热电腿获得更高的转换效率。然而，分析还表明，对于给定的温度差，每单位表面积的TE输出功率是高于由于较高的热通量更短的腿（由于热流较低的电阻）。对于当前的积分与热电模块的分析散热器。然而，分析是由以下事实变得复杂更高的效率与更长的TE腿实现（即，较厚模块），这导致更高的成本和较差的热传递特性散热器。如在图2中可以看出，如在图2中可以看出，如果TE模块变得太厚，从热发动机的冷却剂流动到外部气流的热传导率路径可能显著损害散热器性能。平衡良好的性能和适当的散热器操作是这项模拟研究的重要组成部分。

冷却系统（散热器）传热 - 要了解与汽车散热器热电一体化的挑战，散热器的设计原则有一定的了解，以及必须建发动机缸体立操作。散热器在设计时不仅要保持足够的热交换有效性，在发动机工作范围内从排出必要的热，而且要最大限度地降低成本。散热器中流过冷却液水或者乙二醇并且带有延伸的表面管系统。通过汽车的运动驱动空气把冷却液中的热量在其回到气缸之前冷却。

冷却剂为50/50的水/乙二醇混合物其温度必须保持低于120℃，以避免汽化的线条。实际的冷却剂的工作温度将随着发动机的转速而变化。而同样的环境温度引擎盖，引擎盖下的典型温度大约在37℃，这意味着一个与汽车散热器集成TE设备具有大约80℃的最高工作Delta;T。

为了得到通过TE模块的最热通量散热器内集成以及最高操作温度，得出的结论是在TE模块的周边必须放置冷却水，在图1中所建议的使用高散热管截面纵横比，这样的置管也有利从制造的角度来看。此外，由于需要许多的散热器来消散冷却剂中的热量，因此有大量的表面积来安装热电模块的散热器管。安装在热电模块散热器管将改变的散热器的标准设计。这是在我们的调查非常重要的，散热器仍然能够执行其正常功能。

这样的热电散热器的成功的关键下面将进一步讨论。

在对热电评估不同的设计散热器，几个标准被放置在散热器设计，以评估其是否合适。 这些标准，在此列出，强调对系统的需求设计汽车电厂一级的办法组件。

1. 散热器必须能够散热同时也能够储热。
2. 散热器风扇的尺寸不能增加气流通过散热器。散热器风散功率的增加会减少热电模块中所产生的能量。

3．水泵不得增加显著的尺寸，类似于风扇，原因如上述（2）。

4. 引起的散热器气动阻力必须保持尽可能接近库存。对于具有0.35的风阻系数汽车，约10％的气动阻力来源于前格栅和引擎盖下的散热器[11]

5.散热器重量的增加应尽可能少。虽然热电可以允许交流发电机（通常约5千克）的重量减少，因此预计会有重量略有上升，这应该同时不影响散热器的性能或热电模块被最小化。

热电散热器的可行性取决于它取代车辆的交流发电机的能力。该交流发电机提供有关辅助电源1-2KW设备和充电12伏的电池。该发电机是直接逃跑的皮带驱动装置车辆的发动机。其效率从60％的变化低速下降到30％，在高的速度。由于发动机的效率提供这种电源发电机是小于30％，的整体效率发电机的能量转换过程可以低至为10〜15％。因此，对于150千瓦的发动机，多达10至20燃料的能量千瓦可以保存如热电散热器取代的交流发电机。热电散热器必须提供一个类似的功率量到的发电机。此外，该热电散热器没有运动部件，因此，几乎不需要额外的维护，在一个显著改善维修密集交流发电机。

建模方法：为了评估活力（在性能方面）的一个热电散热器，数值模型开发了详细的奇异矩形管和包括传热以从外部空气流延长的传热表面（即，翅片）。该该模型的几何形状由小节中指示图1在假设之间的中点两个相邻的散热器管是绝热的表面。尽管这种假设不占管不同的性能接近的两端散热器，大量管子表明这种差异可能是微不足道的。

该模型是配置成使得所述散热器可以可以具有或不具有热电层仿照模块周围的散热器管。没有的情况下该热电被用来验证模型针对已知散热器的操作条件。 该模型已经设计的，因为它可以用于这样的方式特定的几何或操作的优化相关的余热回收及参数作为散热器的热回收。

该模型在Matlab开发和使用与流体迎风差分有限体积法建模和中央有限差分固相热传导。为流体变量属性并且，使用了热电固体。因此，该模型由非线性微分代数的方程，这是使用一种迭代求解技术基于使用牛顿拉夫逊法数值雅可比。如所描述的模型方程以下详细包含两者的详细分析散热器的热传递以及热电能量转换过程。

以下假设是为造型制作单矩形散热器：

1.冷却剂管的出口是绝热的，并且入口在一个固定的温度。

2.冷却剂流的入口和出口的影响假设最小，因此，忽略不考虑其影响。

3. 在横跨翅片空气温度的上升被假定为具有对传热系数的影响可忽略。

4．假设一薄的非导电的绝缘层（例如表面的Al2O3氧化物层），热电材料从金属冷却剂通道到所述翅片钎焊外金属层是绝热的。薄层具有排出传热的影响可以忽略。

5.由于涉及到相对低的温度下，忽视辐射换热。

散热器造型：的复杂的几何形状汽车散热器要求的性能，如与内部和外部的流动相关的压力降和传热基于依赖于相关性全局几何参数，如液压直径，阻塞系数sigma;和总的外部热出让面积在。对sigma;的计算，这是最小自由流动区，岙，散热器矩阵的比例散热器核心迎风面积，阿拉德，取决于是否有散热器管及是否多行管是在线或交错。用于计算和敖sigma;其次与以前文献[12]。

要计算使用相关的散热片的热传递和准一维流动模型，该模型利用外部水力直径，DEXT，总热量出让面积，AHT，总面积页片，AFIN。外部然后水力直径可以计算为[13]

AHT取决于所有的翅片

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