CN105957956A - 一种利用强化介质纳米流体降低热电器件冷端温度的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用强化介质纳米流体降低热电器件冷端温度的系统，包括：汽车尾气通道、安装在汽车尾气通道周围的若干套热电系统和与热电系统配套的独立散热装置，散热装置中的工作介质采用纳米流体为工作介质。本发明设计的独立的冷端换热器不仅不会影响汽车发动机冷却系统的负载，同时还可以有效控制热电器件冷端温度。本发明采用纳米流体能够有效增强冷端散热，降低热电器件冷端温度，有效提高热电器件转换效率。本发明中汽车尾气通道和换热器间使用具有高导热性的热界面材料，有利于建立有效的热传导通道，使换热器的作用得到充分地发挥。

Description

一种利用强化介质纳米流体降低热电器件冷端温度的系统
技术领域
本发明涉及一种降低热电器件冷端温度的系统，具体涉及一种利用强化介质纳米流体降低热电器件冷端温度的系统。
背景技术
随着环境污染和能源紧缺形势的逐渐严峻，探寻清洁环保的新型能源和新的能源转换方式已成为目前各研究机构和能源企业关注的重点。在众多新能源转换技术中，热电发电(TEG)系统以其静态操作、环境友好、高可靠性等优点，吸引了众多研究者的兴趣。热电发电系统是利用半导体的Seebeck效应将热能转化为电能的热能利用系统，当热电器件两端存在温差时，会生成电势差，并在通路情况下伴有电流产生。TEG系统可以将余热废热最大限度的合理利用，是低位热源再利用的新技术。热电器件两端温差和热电材料物性是影响热电发电系统转换效率的两大重要因素。早在1961年，美国国家航空航天局就实现了热电技术在航天器上的应用，但由于较低的转换效率，进一步发展受到限制。随着材料科学的发展，热电技术的转换效率得到了较大的提高。同时，TEG系统两端的温差是提高热电转换性能的关键因素。在TEG系统热端热流量或者温度一定情况下，如果热量在TEG系统的冷端积聚，无法迅速有效地散发掉，将使TEG系统冷端的温度上升，导致冷热端的温差下降，从而影响TEG系统的效率。理论研究发现，热电器件的发电效率ηTE可以由公式表示(Energy Conversionand Management 2014 78:634-640)，其中K为热电器件的热导，R和RL分别为热电器件的电阻和负载电阻，T1和T2分别为热端和冷端的温度，α为热电器件的P型和N型材料的Seeback系数之差。从公式可以看出，强化冷端换热，增大冷热端温差是提高热电转换效率的有效途径。目前以汽车尾气发电为代表的利用工业余废气发电的TEG系统的冷端大多采用水冷冷却，并且把水冷系统直接接入汽车发动机的冷却系统，既增加了发动机的负载，又不能对冷端进行有效的散热。
发明内容
针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种利用强化介质纳米流体降低热电器件冷端温度的系统。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种利用强化介质纳米流体降低热电器件冷端温度的系统，所述利用强化介质纳米流体降低热电器件冷端温度的系统包括：汽车尾气通道、安装在汽车尾气通道周围的若干套热电系统和与热电系统配套的独立散热装置，散热装置中的工作介质采用纳米流体为工作介质。
在本发明的具体实施例中，所述热电系统包括：含相变材料的储能装置、p型和n型热电材料构成的热电器件，冷源换热器、热电器件热端与汽车尾气通道贴紧，含相变材料的储能装置在热电器件热端靠近汽车尾气通道，储能装置与热电器件热端之间用一层薄的绝热材料隔离，热电器件四周以及热电器件中的热电臂之间用绝热材料包裹，所述热电器件内部绝热材料靠近热电器件冷端1/6～1/2处放置空气隔离层。
在本发明的具体实施例中，所述热电器件内部绝热材料靠近热电器件冷端1/3处放置空气隔离层。
在本发明的具体实施例中，所述纳米流体为指把金属或非金属纳米粉体分散到水、醇、油这些传统换热介质中，制备成的均匀、稳定、高导热的换热介质，纳米流体基液包括水基、有机溶剂基以及合成油基，纳米粒子包括Cu、ZnO、TiO2、石墨烯、碳纳米管。
在本发明的具体实施例中，所述散热装置为板翅式换热器。
在本发明的具体实施例中，所述板翅式换热器为铝基板翅式换热器、镍基板翅式换热器或铜基板翅式换热器。
在本发明的具体实施例中，所述相变材料包括无机类相变材料、金属或合金类相变材料、有机类相变材料、复合相变材料、改性相变材料。
在本发明的具体实施例中，所述无机类相变材料有结晶水合盐类、熔融盐类中的一种或几种的混合物；所述有机类相变材料为石蜡或醋酸中的一种或几种的混合物。
在本发明的具体实施例中，所述热电系统包括两套，对称分布在汽车尾气通道周围。
在本发明的具体实施例中，所述汽车尾气通道和热电器件间填加热界面材料。
本发明的积极进步效果在于：本发明提供的利用强化介质纳米流体降低热电器件冷端温度的系统中独立冷端换热器不仅不会影响汽车发动机冷却系统的负载，同时还可以有效控制热电器件冷端温度。
本发明采用纳米流体能够有效增强冷端散热，降低热电器件冷端温度，有效提高热电器件转换效率。
本发明中汽车尾气通道和换热器间使用具有高导热性的热界面材料，建立有效的热传导通道，使换热器的作用得到充分地发挥。
附图说明
图1-1本发明中热电器件在汽车尾气应用结构示意图。
图1-2本发明中热电系统的结构示意图。
图2本发明中热电发电器件冷端不同工况对应对流换热系数。
图3热电发电器件冷端不同工况对应电势差。
图4热电发电器件冷端纳米流体冷却功率提高的百分比。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
图1-1本发明中热电器件在汽车尾气应用结构示意图。图1-2本发明中热电系统的结构示意图，如图1-1和1-2所示：本发明提供的利用强化介质纳米流体降低热电器件冷端温度的系统包括：汽车尾气通道100、安装在汽车尾气通道100周围的若干套热电系统200和与热电系统200配套的独立散热装置300，热电系统200和散热装置300中的工作介质采用纳米流体为工作介质。
汽车发动机冷却系统与传统汽车冷却系统一致：汽车发动机的冷却装置以水冷却为主；使用气缸水道内的循环水冷却，把水道内受热的水引入散热器(水箱)，通过风冷却后再返回到水道内。热电器件冷端不再采用和汽车发动机公用一个冷却系统，而是采用独立的散热器。
本发明中，汽车尾气经输送管路到达电磁阀400和三通管500，通过电磁阀400和三通管500控制汽车尾气进入热电系统200热端换热器的量，剩余汽车尾气经汽车尾气排放系统直接排放到空气中。进入热电器件热端换热器的汽车尾气在与换热器进行充分的热交换之后进入汽车尾气排放系统排放到空气中。热端换热器吸收热量后温度升高并将热量传递到热电器件热端，热电器件冷端换热器采用板翅式换热器，冷却工质纳米流体流经换热器时进行充分的热交换，带走热电器件冷端热量从而降低冷端温度。
本发明中热电系统200包括：含相变材料的储能装置1、p型和n型热电材料构成的热电器件3，冷源换热器4、热电器件3热端与汽车尾气通道贴紧，含相变材料的储能装置1在热电器件热端靠近汽车尾气通道，储能装置1与热电器件3热端之间用一层薄的绝热材料隔离，热电器件3四周以及热电器件3中的热电臂之间用绝热材料5包裹，热电器件内部绝热材料靠近热电器件冷端1/6～1/2处放置空气隔离层6，一般可以选1/3处放置空气隔离层6。
热电器件3内部绝热材料5靠近热电器件冷端。
发动机排放含余热的废气经电磁阀和三通管控制后，经过四周排布热电器件的发电区域与热电器件热端进行充分热交换之后排出，冷端采用独立的散热器系统。依据纳米流体基本热物理特性和流动特性以及汽车尾气排放系统空间结构，选取合适的换热器结构，同时利用小型泵保证纳米流体具有合适的流速和流量。通过调整换热器换热能力和纳米流体流速以及流量，控制热电器件冷端的温度。
本发明中，纳米流体是指把金属或非金属纳米粉体分散到水、醇、油等传统换热介质中，制备成均匀、稳定、高导热的新型换热介质，因为在原液中加入纳米颗粒和分散剂，使得液体随着温度的提高，纳米液的比热容大幅增大，传热性能大幅提高，并且越高温传热性能越好，有利于散热。这样使得纳米流体与热电器件冷端，散热器传热效率，散热系统的散热效率大幅提高。采用纳米流体能够有效增强冷端散热，降低热电器件冷端温度，有效提高热电器件转换效率。纳米流体基液包括水基、有机溶剂基以及合成油基等，纳米粒子包括Cu、ZnO、TiO2、石墨烯、碳纳米管等。
本发明中，依据纳米流体物性选取合适的换热器，采用板翅式换热器，一定程度上导致纳米流体内颗粒间的碰撞作用和微对流会更加明显，因此能充分发挥出纳米流体强化传热的特点。该系统是以小型水泵作为循环动力，换热工质经过水泵加压后，通过调节阀获得所需要的流量。经过热电器件冷端换热后，换热工质的温度升高，再经过冷却器来降温，最后流回水箱。
本发明中，热端换热器是汽车尾气热电发电系统中关键部件，要求具有体积小、重量轻、效率高的性能。尾气换热时由于热容量小、流通时间短、接触面积小和冷热流体温差小等特点导致换热系数低，换热量小，进而限制了尾气热电发电系统的容量和效率。因此，为了提高换热系数，强化换热，同时不影响发动机性能，选取内部交错直翅片的板翅式换热器。具体地，本发明中的板翅式换热器可以选为铝基板翅式换热器、镍基板翅式换热器或铜基板翅式换热器等。
本发明中，汽车尾气通道与热电器件之间填加热界面材料，热电器件冷热端和换热器之间存在极细微的凹凸不平的空隙，如果将它们直接安装在一起，它们间的实际接触面积只有换热器底座面积的10％，其余均为空气间隙。因为空气热导率较低，是热的不良导体，将导致热电器件与换热器间的接触热阻非常大，严重阻碍了热量的传导，最终造成换热器的效能低下。使用具有高导热性的热界面材料填充满这些间隙，排除其中的空气，在热电器件和换热器间建立有效的热传导通道，可以大幅度降低接触热阻，使换热器的作用得到充分地发挥。选取的热界面材料包括导热粘胶、弹性导热布、导热凝胶、相变型导热胶、导热膏及导热带等。
本发明中的相变材料包括无机类相变材料、金属或合金类相变材料、有机类相变材料、复合相变材料、改性相变材料。无机类相变材料有结晶水合盐类、熔融盐类中的一种或几种的混合物；所述有机类相变材料为石蜡或醋酸中的一种或几种的混合物。
本发明中的热电系统200包括两套，对称分布在汽车尾气通道100周围(参见图1)。
图2本发明中热电发电器件冷端不同工况对应对流换热系数，图3热电发电器件冷端不同工况对应电势差，图4热电发电器件冷端纳米流体冷却功率提高的百分比。下面是结合图2-4给出三个具体的实施例子：
实施例一
以水和CuO-水纳米流体作为冷端冷却工质，设定冷却流体入口温度22℃，流体当量直径为10mm×10mm。由图2不同流速下冷却液换热系数可知，在相同流速下，纳米流体作为改善流体换热性能的新型换热介质，对流体界面的对流换热系数也有较大的强化作用。流速为0.5m/s时，由水作为冷却液时的对流换热系数1707W/m.K，而使用纳米流体时增大为2182W/m.K。纳米流体与水分别作为冷却液时TEG系统的输出数据。如图3所示，由于纳米流体的强化传热作用，在0.001到0.5m/s的流速下，纳米流体趋向于有更好的输出电势差。热电发电系统输出电势依赖于冷却液的换热能力。流速0.001m/s时，纳米流体将TEG系统输出电势差提高了10.55％，随着速度的增加，提高比例陡降；增大到0.02m/s时，逐渐趋于平缓。
实施例二
以水和碳纳米管-水纳米流体作为冷端冷却工质，设定冷却流体入口温度22℃，流体当量直径为10mm×10mm。由于TEG系统功率、效率与热电发电器件温度的依赖性，当冷却液水流速由0.001增大到0.05m/s之间时，输出功率由0.647增大到1.68。与此同时，热电发电系统效率由0.0792增加到0.129。在固定热电发电系统热端温度时，冷端冷却液流速是影响TEG系统输出功率与系统效率的重要因素。如图4所示，纳米流体的强化换热效果，使TEG系统在速度0.001m/s时输出功率提高了22.7％、系统效率提高了11％。
实施例三
采用纳米铜和环氧树脂制备的热界面材料作为热电器件和换热器之间换热介质，纳米铜颗粒掺杂质量份额为70wt％时的纳米铜/环氧树脂热界面材料导热系数为1W/mk左右。在热电器件和换热器之间界面接触压力为1MPa时，未添加热界面材料的情况下，热电器件与换热器之间的接触热阻为330mm2K/W，而添加70wt％时的纳米铜/环氧树脂热界面材料后，接触热阻降低到20mm2K/W左右，大大降低了两者之间的接触热阻，提高了换热性能。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种利用强化介质纳米流体降低热电器件冷端温度的系统，其特征在于：所述利用强化介质纳米流体降低热电器件冷端温度的系统包括：汽车尾气通道、安装在汽车尾气通道周围的若干套热电系统和与热电系统配套的独立散热装置，散热装置中的工作介质采用纳米流体为工作介质。
2.根据权利要求1所述的利用强化介质纳米流体降低热电器件冷端温度的系统，其特征在于：所述热电系统包括：含相变材料的储能装置、p型和n型热电材料构成的热电器件，冷源换热器、热电器件热端与汽车尾气通道贴紧，含相变材料的储能装置在热电器件热端靠近汽车尾气通道，储能装置与热电器件热端之间用一层薄的绝热材料隔离，热电器件四周以及热电器件中的热电臂之间用绝热材料包裹，所述热电器件内部绝热材料靠近热电器件冷端1/6～1/2处放置空气隔离层。
3.根据权利要求2所述的利用强化介质纳米流体降低热电器件冷端温度的系统，其特征在于：所述热电器件内部绝热材料靠近热电器件冷端1/3处放置空气隔离层。
4.根据权利要求2或3所述的利用强化介质纳米流体降低热电器件冷端温度的系统，其特征在于：所述纳米流体为指把金属或非金属纳米粉体分散到水、醇、油这些传统换热介质中，制备成的均匀、稳定、高导热的换热介质，纳米流体基液包括水基、有机溶剂基以及合成油基，纳米粒子包括Cu、ZnO、TiO2、石墨烯、碳纳米管。
5.根据权利要求1所述的利用强化介质纳米流体降低热电器件冷端温度的系统，其特征在于：所述散热装置为板翅式换热器。
6.根据权利要求5所述的利用强化介质纳米流体降低热电器件冷端温度的系统，其特征在于：所述板翅式换热器为铝基板翅式换热器、镍基板翅式换热器或铜基板翅式换热器。
7.根据权利要求2所述的利用强化介质纳米流体降低热电器件冷端温度的系统，其特征在于：所述相变材料包括无机类相变材料、金属或合金类相变材料、有机类相变材料、复合相变材料、改性相变材料。
8.根据权利要求7所述的利用强化介质纳米流体降低热电器件冷端温度的系统，其特征在于：所述无机类相变材料有结晶水合盐类、熔融盐类中的一种或几种的混合物；所述有机类相变材料为石蜡或醋酸中的一种或几种的混合物。
9.根据权利要求1所述的利用强化介质纳米流体降低热电器件冷端温度的系统，其特征在于：所述热电系统包括两套，对称分布在汽车尾气通道周围。
10.根据权利要求2所述的利用强化介质纳米流体降低热电器件冷端温度的系统，其特征在于：所述汽车尾气通道和热电器件间填加热界面材料。
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