CN110080867A - 一种混合式汽车尾气温差发电器及其长度的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合式汽车尾气温差发电器，温差发电器包括入口排气管、翅片板、冷却水箱、废气流通管路、温差发电片组和出口排气管，冷却水箱布置在两条废气流通管路之间，废气流通管路上、下表面粘贴有温差发电片组，远离冷却水箱的温差发电片组粘贴翅片板。本发明还公开了温差发电器的长度确定方法，由废气流通管路和翅片板、冷却水箱之间的温差发电片高低温端温度计算最大功率，从而计算出热电转换效率，并确定温差发电器单位长度的个数，从而确定温差发电器的长度。本发明将高温汽车废气作为温差发电片的热端，冷却水箱和翅片为温差发电片提供冷源，冷却效果好，有效提高了温差发电片的热电转换效率，同时减轻了汽车尾气对环境的污染程度。

Description

一种混合式汽车尾气温差发电器及其长度的确定方法

技术领域

本发明涉及一种混合式汽车尾气温差发电器及其长度的确定方法，属于可再生能源技术领域。

背景技术

随着汽车保有量的增长，石油等化石燃料的使用量越来越多。由于燃料利用率的低下，燃油燃烧产生的能量并没有得到充分的利用，有超过一半的能量变成废热直接排放到空气中，从而危及到人类的身体健康，并且对人类生活的环境产生深远影响，同时也造成了化石燃料的浪费。现有的针对汽车尾气的温差发电器大多是采用冷却水箱对汽车尾气进行单一的冷却，虽然这类装置得到广泛的认可，但是温差发电片的热电转换效率低。因此，提高温差发电器的热电转化率亟待解决。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提出了一种混合式汽车尾气温差发电器及其长度的确定方法，目的是为了提高温差发电器的热电转化效率。

一种混合式汽车尾气温差发电器的长度确定方法，确定温差发电器第i个单位长度上废气流通管路和翅片板之间的温差发电片高温端温度T_h3和低温端温度T_a2、废气流通管路和冷却水箱之间的温差发电片高温端温度T_h4和低温端温度T_w2；计算温差发电器在第i个单位长度上的热电转换效率η_i，设置热电转换效率下限η，令n＝i，若η_i≥η，则n＝i+1，若η_i＜η，则n＝i-1，进而求得温差发电器的长度L＝2b+2c+n×a+(n-1)d，其中单位长度a为一个温差发电片的长度，b为入口排气管或出口排气管的长度，c为边缘温差发电片与废气流通管路相应端部的距离，d为相邻温差发电片之间的间隔。

进一步，所述高温端温度其中T_a1为空气经过对流传热传到翅片板上壁面的温度，δ₁为翅片板的厚度，δ₂为温差发电片的厚度，λ₁为翅片板或废气流通管路或冷却水箱的导热系数，λ₂为温差发电片的导热系数，h_a为空气的传热系数，A_a为单位长度上空气与翅片的接触面积，A_c为单位长度上热传导的面积，T_a为空气流入翅片的初始温度；所述低温端温度所述高温端温度其中T_w为冷却水流入管道的初始温度，T_w1为冷却水流通管路的内壁温度，A_w为单位长度上冷却水与管路接触面积，h_w为冷却水的传热系数，δ₄为冷却水箱的壁厚；所述低温端温度

进一步，所述热电转换效率第i个单位长度上的最大功率单个温差发电片由于温度差产生的U＝α(T_h4-T_w2)+α(T_h3-T_a2)，单个温差发电片的塞贝克系数α＝α_pn×N，温差发电器中单位长度上的吸热量其中R为单个温差发电片的内阻，α_pn为热电偶的塞贝克系数，N为单个温差发电片的热电偶数目，c_p为尾气的比热容，为尾气的质量流量，T_h为汽车尾气在单位长度上的温差。

一种混合式汽车尾气温差发电器，包括两条废气流通管路，所述废气流通管路两端分别与入口排气管和出口排气管固连为一体，两条废气流通管路中间布置有冷却水箱，废气流通管路上、下表面粘贴有温差发电片组，远离冷却水箱的温差发电片组粘贴翅片板；所述废气流通管路为中空长方体结构，且管路上下表面均匀分布若干小孔；所述冷却水箱两侧设有冷却水流通的出入口，冷却水箱内部的冷却水流流通管路为“S”形。

本发明的有益效果是：本发明具有结构简单，体积小，使用寿命长等特点，本发明在现有的水冷式温差发电器的基础上增加了翅片，外部的散热翅片利用空气进行冷却，冷却源很容易获得，同时由于翅片采用的是导热性较好的金属片，可以增大换热表面积，提高换热效率。本发明使用水冷和风冷两种不同的冷却方式同时对高温尾气进行散热，能有效地提高温热电转化效率，也减少了对环境的污染。

附图说明

图1是本发明混合式汽车尾气温差发电器的结构示意图。

图2是本发明混合式汽车尾气温差发电器的主视图。

图3是翅片板的结构示意图。

图4是废气流通管的结构示意图。

图5是冷却水箱及内部冷却水流通管路的结构示意图。

图6是计算第i个单位长度上发电片两端温度的结构简图。

其中：1-入口排气管，2-翅片板，3-废气流通管路，4-冷却水箱，5-温差发电组，6-出口排气管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、2所示，本发明混合式汽车尾气温差发电器，由入口排气管1、翅片板2、废气流通管路3、冷却水箱4、温差发电片组5和出口排气管6组成，上下两条废气流通管路3分别与入口排气管1、出口排气管6固连为一体，入口排气管路1和出口排气管路2的尺寸结构相同；两条废气流通管路3中间布置有冷却水箱4，废气流通管路3上、下表面分别通过硅脂材料粘贴有温差发电片组5，上面一条废气流通管路3上表面的温差发电片组5表面通过硅脂材料粘贴翅片板2，下面一条废气流通管路3下表面的温差发电片组5表面通过硅脂材料粘贴翅片板2，翅片板2如图3所示，由翅片板和翅片组成，选用导热性好的材料。温差发电片组5包括两列温差发电片，每列温差发电片由若干个温差发电片串联而成。如图4所示，废气流通管路3为中空长方体结构，且管路上下表面均匀分布若干小孔，用于强化传热，增加废气散热效果；废气流通管路3选用导热性好的材料。如图5所示，冷却水箱4两侧设有冷却水流通的出入口，出入口均与水箱连通，冷却水箱4内部的冷却水流流通管路为“S”形。

一种混合式汽车尾气温差发电器的参数如下：

表1混合式汽车尾气温差发电器的参数

由于本发明是对称及平均分布的结构，可采用最小的结构单元进行方法计算，混合式汽车尾气温差发电器长度的确定方法，包括如下步骤：

第一步，确定部分已知参数：

(1)将一个温差发电片的长度定义为本发明的单位长度a(mm)、单位长度的个数n(n≥1，n取整数)，入口排气管或出口排气管的长度b(mm)，第一个或最后一个温差发电片距离废气流通管路3最左端或最右端的长度c(mm)，相邻温差发电片之间的间隔为d(mm)；

(2)翅片板2的厚度δ₁(mm)、空气的传热系数h_a[W/(m²*K)]、汽车高温尾气的传热系数h_h[W/(m²*K)]、尾气的比热容c_p[J/(kg*℃)]、尾气的质量流量废气流通管路的壁厚δ₃(mm)、冷却水的传热系数h_w[W/(m²*K)]、冷却水箱4的壁厚δ₄(mm)、翅片板2和废气流通管路3以及冷却水箱4的导热系数均为λ₁[W/(m*K)]；

(3)热电偶的塞贝克系数α_pn(μV/K)、单个温差发电片的热电偶数目N、温差发电片的导热系数λ₂[W/(m*K)]、单个温差发电片的内阻R(Ω)、温差发电片的厚度δ₂(mm)；

(4)汽车尾气流入温差发电器的初始温度T_h(K)、冷却水流入管道的初始温度T_w(K)、空气流入翅片的初始温度T_a(K)、汽车尾气在单位长度上的温差为ΔT_h(K)；

(5)单位长度上空气与翅片的接触面积A_a(mm²)，单位长度上冷却水与管路的接触面积A_w(mm²)，单位长度上废气与管路的接触面积A_h(mm²)，单位长度上热传导的面积都相等为A_c(mm²)。

第二步，确定第i(i＝1,2,……,n)个单位长度上废气流通管路3和翅片板2之间温差发电片两端的温度T_h3(高温端)和T_a2(低温端)、废气流通管路3和冷却水箱4之间温差发电片两端的温度T_h4(高温端)和T_w2(低温端)。

确定其他参数：空气经过对流传热传到翅片板2上壁面的温度为T_a1、废气流入第i个单位长度的温度T_hi(K)、废气流通管路3上方和下方的内壁温度分别为T_h1(K)和T_h2(K)、冷却水流通管路的内壁温度T_w1(K)、流过单位长度后废气的温度T_hi'(K)、第i个单位长度上废气流通管路的平均温度其中：

T_hi＝T_h-(i-1)ΔT_h (1)

T_hi'＝T_hi-ΔT_h (2)

在y方向上，以废气流通管路3的中心线分为上下两部分，根据单位长度上能量守恒，有：

化简得：

第三步，计算过程：

(1)由翅片板2、废气流通管路3和冷却水箱4的宽度一致，且他们的宽度是确定的(本实施取值100mm)，沿宽度方向平行排列两组完全一样的温差发电片，当温差发电片的内阻和负载阻抗相等时，第i个单位长度上的最大功率P_i为：

其中，单个温差发电片由于温度差产生的U＝α(T_h4-T_w2)+α(T_h3-T_a2)，单个温差发电片的塞贝克系数α＝α_pn×N；

(2)温差发电器中单位长度上的吸热量Q为高温尾气流过过程中放出的热量：

(3)基于上述公式，温差发电器在第i个单位长度上的热电转换效率η_i为：

第四步，单位长度的个数n的确定方法

由于随着n的增大，废气的温度降低，由第二步中计算温差发电片两端的温度，可知废气流通管路3和翅片板2之间的温差发电片与废气流通管路3和冷却水箱4之间的温差发电片两端的温差都减小，从而单位长度上的最大功率P_i减小。由于尾气在单位长度上的温差ΔT_h不变，因此单位长度上的吸热量Q不变，随着n的增加，单位长度上的热电转换效率η_i减小。若效率过小则会导致材料的浪费，并且温差发电片的也没有得到充分的利用，因此效率η_i设有下限η，令n＝i(i≥1)，若η_i≥η，则n＝i+1；若η_i＜η，则n＝i-1；进而可得温差发电器的长度L＝2b+2c+n×a+(n-1)d。

该方法的实施例为：

确定参数值：单位长度a＝40mm，入口排气管和出口排气管的长度b＝75mm，第一个或最后一个温差发电片距离废气流通管路3最左端或最右端的长度c＝14mm，翅片板2的厚度δ₁＝10mm，空气的传热系数h_a＝3.42W/(m²×K)，汽车高温尾气的传热系数h_h＝165W/(m²×K)，尾气的比热容c_p＝1074J/(kg×℃)、尾气的质量流量废气流通管路的壁厚δ₃＝2mm，冷却水的传热系数h_w＝14000W/(m²×K)，冷却水箱的壁厚δ₄＝1.5mm，翅片板2、废气流通管路3和冷却水箱4的导热系数λ₁＝273W/(m×K)，热电偶的塞贝克系数α_pn＝540μV/K，单个温差发电片的热电偶的数目N＝127，温差发电片的导热系数λ₂＝2.4W/(m×K)，单个温差发电片的内阻R＝4Ω，温差发电片的厚度δ₂＝3.8mm，汽车尾气流入温差发电器的初始温度T_h＝593K，冷却水流入管道的初始温度T_w＝363K，空气流入翅片的初始温度T_a＝298K，汽车尾气在单位长度上的温度差为ΔT_h＝5K，单位长度上空气与翅片的接触面积A_a＝2000mm²，单位长度上冷却水与管路的接触面积A_w＝550mm²，单位长度上废气与管路的接触面积A_h＝2000mm²，单位长度上热传导的面积都相等为A_c＝2000mm²。假定热电转换效率的下限η＝3.5％，

令n＝1，T_a1＝342.21K，T_a2＝347.75K，T_h3＝587.15K，T_w1＝363.037K，T_w2＝363.82K，T_h4＝589.36K，P₁＝254.17W，Q＝6128W，η₁＝4.2％＞η；

令n＝2，T_a1＝341.65K，T_a2＝347.12K，T_h3＝583.48K，T_w1＝363.036K，T_w2＝363.80K，T_h4＝583.25K，P₂＝244.29W，Q＝6128W，η₂＝4.0％＞η；

令n＝3，T_a1＝340.89K，T_a2＝346.26K，T_h3＝578.51K，T_w1＝363.035K，T_w2＝363.78K，T_h4＝577.13K，P₃＝233.47W，Q＝6128W，η₃＝3.81％＞η；

令n＝4，T_a1＝340.13K，T_a2＝345.41K，T_h3＝573.54K，T_w1＝363.034K，T_w2＝363.75K，T_h4＝571.01K，P₄＝222.89W，Q＝6128W，η₄＝3.64％＞η；

令n＝5，T_a1＝339.38K，T_a2＝344.56K，T_h3＝568.63K，T_w1＝363.033K，T_w2＝363.73K，T_h4＝564.89K，P₅＝212.61W，Q＝6128W，η₁＝3.47％＜η。

因此n＝4，进而可得长度L＝350mm。

本发明的工作流程：车辆运行过程中产生的废气由入口排气管1进入温差发电器，经由两条废气流通管路3，再到出口排气管6排除降温后的废气。同时，冷却水流经“S”形管路，作为温差发电片的冷端，温差发电片在高温废气和低温冷却水的温差下产生直流电，以作其他用途。

综上所述，仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种混合式汽车尾气温差发电器的长度确定方法，其特征在于，确定温差发电器第i个单位长度上废气流通管路(3)和翅片板(2)之间的温差发电片高温端温度T_h3和低温端温度T_a2、废气流通管路(3)和冷却水箱(4)之间的温差发电片高温端温度T_h4和低温端温度T_w2；计算温差发电器在第i个单位长度上的热电转换效率η_i，设置热电转换效率下限η，令n＝i，若η_i≥η，则n＝i+1，若η_i＜η，则n＝i-1，进而求得温差发电器的长度L＝2b+2c+n×a+(n-1)d，其中单位长度a为一个温差发电片的长度，b为入口排气管(1)或出口排气管(6)的长度，c为边缘温差发电片与废气流通管路(3)相应端部的距离，d为相邻温差发电片之间的间隔。

2.根据权利要求1所述的混合式汽车尾气温差发电器的长度确定方法，其特征在于，所述高温端温度其中T_a1为空气经过对流传热传到翅片板(2)上壁面的温度，δ₁为翅片板(2)的厚度，δ₂为温差发电片的厚度，λ₁为翅片板(2)或废气流通管路(3)或冷却水箱(4)的导热系数，λ₂为温差发电片的导热系数，h_a为空气的传热系数，A_a为单位长度上空气与翅片的接触面积，A_c为单位长度上热传导的面积，T_a为空气流入翅片的初始温度。

3.根据权利要求1或2所述的混合式汽车尾气温差发电器的长度确定方法，其特征在于，所述低温端温度

4.根据权利要求1或2所述的混合式汽车尾气温差发电器的长度确定方法，其特征在于，所述高温端温度其中T_w为冷却水流入管道的初始温度，T_w1为冷却水流通管路的内壁温度，A_w为单位长度上冷却水与管路接触面积，h_w为冷却水的传热系数，δ₄为冷却水箱的壁厚。

5.根据权利要求3所述的混合式汽车尾气温差发电器的长度确定方法，其特征在于，所述低温端温度

6.根据权利要求5所述的混合式汽车尾气温差发电器的长度确定方法，其特征在于，所述热电转换效率第i个单位长度上的最大功率单个温差发电片由于温度差产生的U＝α(T_h4-T_w2)+α(T_h3-T_a2)，单个温差发电片的塞贝克系数α＝α_pn×N，温差发电器中单位长度上的吸热量其中R为单个温差发电片的内阻，α_pn为热电偶的塞贝克系数，N为单个温差发电片的热电偶数目，c_p为尾气的比热容，为尾气的质量流量，ΔT_h为汽车尾气在单位长度上的温差。

7.一种混合式汽车尾气温差发电器，其特征在于，包括两条废气流通管路(3)，所述废气流通管路(3)两端分别与入口排气管(1)和出口排气管(6)固连为一体，两条废气流通管路(3)中间布置有冷却水箱(4)，废气流通管路(3)上、下表面粘贴有温差发电片组(5)，远离冷却水箱(4)的温差发电片组(5)粘贴翅片板(2)。

8.根据权利要求7所述的混合式汽车尾气温差发电器，其特征在于，所述废气流通管路(3)为中空长方体结构，且管路上下表面均匀分布若干小孔。

9.根据权利要求7所述的混合式汽车尾气温差发电器，其特征在于，所述冷却水箱(4)两侧设有冷却水流通的出入口，冷却水箱(4)内部的冷却水流流通管路为“S”形。