CN113271039A - 一种温差发电器温度及其非等距传热结构的参数确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种温差发电器温度及其非等距传热结构的参数确定方法，属于余热回收、热电转换技术领域。本发明的非等距传热结构为N列、N_f行传热结构，各列传热结构等间距分布，各行传热结构之间的距离沿流体流动方向依次减小，传热结构包括在盖板和底板之间设置翅片或在盖板和底板内表面设置凹陷两种形式；本发明针对非等距传热结构，还提供了非等距传热结构的参数确定方法，能够得到最优适配参数的非等距传热结构。本发明的非等距传热结构能够改善温差发电器的温度分布均匀性，提高产生电流的最小值，进而提高热电转换效率；且利用最优适配参数的非等距传热结构适合批量化生产。

Description

一种温差发电器温度及其非等距传热结构的参数确定方法

技术领域

本发明属于余热回收、热电转换领域，具体涉及一种温差发电器温度及其非等距传热结构的参数确定方法。

背景技术

我国制造汽车的数量和购买汽车的能力在世界范围内遥遥领先，但是，这种情况也让我国的石油消耗量与日俱增，排放污染大幅增加，能源危机日益显著。此外，燃油燃烧的热量大约只有30％-40％能够被利用，剩下的热能大部分都以废热的形式散出，造成了大量能量的浪费。因此，研究人员把目光聚焦于具有热电转换功能的温差发电系统。相关研究表明，温差发电器的回收效率高达5％，若能对这部分尾气热能加以回收利用，其带来的经济效益十分巨大；此外，温差发电器还具有体积小、重量轻，无运动部件，维护成本低等优点。

由于单一温差发电片所能利用的电能有限，一般将温差发电片串联在一起组成温差发电模块，温差发电片等距布置在热交换器的上下外表面。为了增强换热，一般会在换热器内增加能够增加换热面积的翅换热结构。然而，由于流体的温度会沿其流动方向发生下降，若换热器内的传热结构等距分布，则会导致温差发电模块的温度分布不均匀，进而导致由等距分布的温差发电片的热电效应产生的电流存在差异；由于温差发电片之间采取的是串联的形式，温差发电器产生的电流将受到最小电流的限制，使产生的电能不能得到最大化利用。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种温差发电器温度及其非等距传热结构的参数确定方法，提高热电转换效率，适合非等距传热结构的批量化生产。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种温差发电器，为上下对称结构，包括换热器结构，换热器结构框架由盖板、底板(6)和两侧板固连而成，且框架的前后为敞口设计，分别作为进气口和出气口；所述盖板和底板之间设置N列、N_f行传热结构，各列传热结构等间距分布，各行传热结构之间的距离沿流体流动方向依次减小。

上述技术方案中，所述传热结构包括在盖板和底板之间设置翅片或在盖板和底板内表面设置凹陷两种形式。

上述技术方案中，所述在盖板和底板之间设置翅片，具体为：翅片上下端分别与盖板、底板接触；沿流体流动方向，单行翅片的最大长度为S₂；沿垂直于流体流动方向，单列翅片的最大长度为S₃；所述翅片高度H_f等于H-2δ_h，其中H为换热器结构框架的高度，δ_h为底板或盖板的壁厚。

上述技术方案中，所述在盖板和底板内表面设置凹陷，具体为：凹陷分布在底板和盖板7的内表面，形状包括但不仅限于半球体，所述凹陷的深度为H_in，且H_in<δ_h，其中δ_h为底板或盖板的壁厚；沿流体流动方向，单行凹陷的最大长度为S₂；沿垂直于流体流动方向，单列凹陷的最大长度为S₃。

上述技术方案，还包括散热器和温差发电片，换热器结构位于上下两组温差发电片之间，温差发电片外侧为散热器。

一种温差发电器的非等距传热结构的参数确定方法，包括如下步骤：

S1，根据温差发电片和传热结构的几何约束条件，对非等距传热结构参数赋初始值；根据边界条件，得到温差发电片上的温度分布，计算温度均匀性评价指标；

S2，在初始流体质量流量不变的情况下，对传热结构的参数d_i+1-d_i进行迭代，按照S1计算出迭代后的非等距传热结构的温度均匀性评价指标；再分别对S₂、S₃进行迭代，按照S1计算出迭代后的非等距传热结构的温度均匀性评价指标；

S3，改变流体质量流量，重复S2，计算出不同质量流量的流体情况下，迭代后各非等距传热结构的温度均匀性评价指标；

S4，对S1中的温差发电片的行数、列数分别进行迭代计算，重复S2和S3，计算不同行数或不同列数的温差发电片、不同质量流量的流体情况下，迭代后各非等距传热结构的温度均匀性评价指标；

S5，计算S1-S4中所有非等距传热结构所用的材料体积，选择最优适配参数的非等距传热结构。

进一步地，所述根据温差发电片和传热结构的几何约束条件，具体为：

其中，N_Lteg为温差发电片的列数，N_Rteg为温差发电片的行数，N为传热结构垂直于流体流动方向等距分布的列数，N_f为传热结构的行数，d_l为传热结构垂直于流体流动方向的间距，d_i为传热结构沿流体流动方向非等距分布的间距，且i＝1，2，3……N_f-1；

对非等距传热结构参数赋初始值，具体为S₂＝10.25mm、S₃＝6mm、N_Lteg＝2、N_Rteg＝3、N＝5、d_l＝9mm、N_f＝8。

进一步地，所述边界条件为：进气口和出气口分别采用质量流量入口、压力出口，温差发电片与环境之间存在对流换热，在有限元分析软件中设置所述边界条件，得到温差发电片上的温度分布。

进一步地，所述温度均匀性评价指标，是将温差发电片上的温度进行离散化，对每片温差发电片在相同的位置取相同数量的温度特征点，对温度特征点的温度进行处理，得到均匀度评价指标；

式中，T_i为每片温差发电片温度的均值，n_p为每片温差发电片上所取的温度特征点的数量，T_Pi每片温差发电片上所取的特征点的温度，T_mean为所有温差发电片温度的均值，η为温度均匀性评价指标，n为温差发电片的数量。

本发明的有益效果为：本发明中温差发电器的换热器结构包括m列、n行传热结构，各列传热结构等间距分布，各行传热结构之间的距离沿流体流动方向依次减小，传热结构包括在盖板和底板之间设置翅片或在盖板和底板内表面设置凹陷两种形式；本发明的非等距传热结构能够改善温差发电器的温度分布均匀性，提高产生电流的最小值，进而提高热电转换效率。另外，本发明的非等距传热结构的参数确定方法，可以得到最优适配参数的非等距传热结构，适合非等距传热结构的批量化生产。

附图说明

图1为本发明所述温差发电器的结构示意图；

图2为本发明所述非等距传热结构(翅片形式)沿流动方向结构示意图；

图3为本发明所述非等距传热结构(翅片形式)沿垂直于流动方向结构示意图；

图4为本发明所述非等距传热结构(凹陷形式)布置示意图；

图5为本发明所述非等距传热结构参数的计算流程图；

图6为本发明所述非等距传热结构参数的间距迭代流程图；

图7为传统温差发电器与采用非等距传热结构温差发电器的温度均匀性对比图。

图中：1-散热器，2-换热器结构，3-温差发电片，4-进气口，6-底板，7-盖板，8-传热结构，9-侧板。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，一种温差发电器，为上下对称结构，具体包括散热器1、换热器结构2和温差发电片3，换热器结构2位于上下两组温差发电片3之间，温差发电片3外侧为散热器1，即整个温差发电器从上到下依次由散热器1、温差发电片3、换热器结构2、温差发电片3和散热器1叠加而成，使用时，通过夹紧装置将上述5个部件夹紧；换热器结构2包括进气口4、出气口5、底板6、盖板7、传热结构8以及侧板9，换热器结构2框架由盖板7、底板6和左右两侧板9固连而成，盖板7和底板6之间设置N列、N_f传热结构8，各列传热结构8等间距分布，各行传热结构8之间的距离沿流体流动方向依次减小，换热器结构2框架的前后面为敞口设计，分别作为进气口4和出气口；沿流体流动方向，温差发电片3边缘与进气口4、出气口的水平距离相等，为S₁＝2mm(参见图2)。

如图2-4所示，传热结构8包括增加或减少材料两种结构形式，增加或减少材料，可增大换热面积，以达到增强换热效果；增加材料，是在盖板7和底板6之间设置N列、N_f行翅片，减少材料，是在盖板7和底板6内表面设置N列、N_f行凹陷。具体为：

①翅片上端与盖板7内表面相接触，翅片下端与底板6内表面相接触，翅片截面为圆形或多边形或翅片侧面加工成任意形状，沿流体流动方向，单行翅片的最大长度为S₂；沿垂直于流体流动方向，单列翅片的最大长度为S₃；翅片高度H_f等于H-2δ_h，其中H为换热器结构2框架的高度，δ_h为底板6或盖板7的壁厚。

②凹陷分布在底板6和盖板7的内表面，形状包括但不仅限于半球体(即凹陷截面形状为圆形或多边形或其它不规则形状)，凹陷深度为H_in，且H_in<δ_h；沿流体流动方向，单行凹陷的最大长度为S₂；沿垂直于流体流动方向，单列凹陷的最大长度为S₃。

本发明的温差发电器由汽车发动机工作提供热能，高温尾气通过排气管、进气口4流至换热器结构2内部，传热结构8以对流换热的形式将流体热能传递至换热器结构框架，换热器结构框架吸收的热能通过热传导的方式传递至温差发电片3形成热端；散热器1为温差发电片提供冷端；根据塞贝克原理，温差发电片组的半导体热电偶产生电位差，完成热电转换。

如图5所示，一种非等距传热结构的参数确定方法，具体实施步骤如下：

步骤(1)，根据温差发电片和传热结构的几何约束条件，对非等距传热结构参数赋初始值，然后根据边界条件，得到温差发电片3上的温度分布，再计算出该情况下的温度均匀性评价指标。

1)根据温差发电片和传热结构的几何约束条件，对非等距传热结构参数赋初始值

式中，沿流体流动方向，单行换热结构的最大长度为S₂＝10.25mm；沿垂直于流体流动方向，单列换热结构的最大长度为S₃＝6mm；N_Lteg为温差发电片3的列数，本实施例取2；N_Rteg为温差发电片3的行数，本实施例取3；N为传热结构垂直于流体流动方向等距分布的列数，本实施例取5；传热结构8垂直于流体流动方向的间距d_l＝9mm；d_i(i＝1，2，3……N_f-1)为传热结构8沿流体流动方向非等距分布的间距；N_f为传热结构8的行数，本实施例中N_f取8。

2)边界条件

所述边界条件为：进气口4和出气口分别采用质量流量入口、压力出口，温差发电片3与环境之间存在对流换热，在有限元分析软件中设置上述边界条件，运行有限元分析软件，得到温差发电片3上的温度分布。

3)计算温度均匀性评价指标

温度均匀性评价方法是将温差发电片3上的温度进行离散化，然后对每片温差发电片3在相同的位置取相同数量的温度特征点，对温度特征点的温度进行处理，得到均匀度评价指标，具体公式如下：

式中，T_i为每片温差发电片3温度的均值；n_p为每片温差发电片3上所取的温度特征点的数量，本实施例取444个温度特征点；T_Pi每片温差发电片3上所取的特征点的温度；T_mean为6片温差发电片温度的均值；η为温度均匀性评价指标；n为温差发电片3的数量，本实施例为6片。

步骤(2)，在初始流体质量流量不变的情况下，采用单一控制变量的原则，对非等距传热结构8的参数d_i+1-d_i进行迭代，按照步骤(1)计算出迭代后的非等距传热结构的温度均匀性评价指标(参见图6)；再分别对S₂、S₃进行迭代，按照步骤(1)计算出迭代后的非等距传热结构的温度均匀性评价指标。

步骤(3)，改变流体质量流量，重复步骤(2)，计算出不同质量流量的流体情况下，迭代后各非等距传热结构的温度均匀性评价指标。

步骤(4)，对步骤(1)中的温差发电片3的行数、列数分别进行迭代计算，重复步骤(2)和步骤(3)，计算不同行数(或不同列数)的温差发电片、不同质量流量的流体情况下，迭代后各非等距传热结构的温度均匀性评价指标。

步骤(5)，计算步骤(1)-(4)中所有非等距传热结构所用的材料体积，结合经济成本(即传热结构8的材料和体积，成本越低越好)以及温度均匀性提升程度(各温差发电片之间的温度差异性，温度均匀性越高越好)，选择最优适配参数的非等距传热结构。

本实例中有限元分析软件使用的相关仿真参数在表1中列出。

表1仿真参数

图7为传统温差发电器与采用非等距传热结构的温差发电器在不同质量流量下的温度分布均匀性情况，图7展示的是参数d_i+1-d_i进行迭代时的情况，其中d_i+1-d_i＝0.75、1、1.25、1.5和1.75(单位是mm)，代表采用非等距传热结构的温差发电器在不同质量流量下的温度分布均匀性情况；而0表示传统温差发电器的在不同质量流量下的温度分布均匀性情况。从图中可以明显看出，采用非等距传热结构的温差发电器的温度均匀性较传统温差发电器有所改善，且在使用相同材料、相同材料体积(经济成本一致)的前提下，可以得到在不同质量流量下的最优适配参数的非等距传热结构，例如质量流量在40g/s时，d_i+1-d_i＝1的温度均匀性最好，此时S₂＝10.25mm、S₃＝6mm，温差发电片3的列数为2、行数为3，传热结构垂直于流体流动方向等距分布的列数为5、传热结构8垂直于流体流动方向的间距为9、传热结构8的行数为8。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种温差发电器，其特征在于，为上下对称结构，包括换热器结构(2)，换热器结构框架由盖板(7)、底板(6)和两侧板(9)固连而成，且框架的前后为敞口设计，分别作为进气口(4)和出气口；所述盖板(7)和底板(6)之间设置N列、N_f行传热结构(8)，各列传热结构(8)等间距分布，各行传热结构(8)之间的距离沿流体流动方向依次减小。

2.根据权利要求1所述的温差发电器，其特征在于，所述传热结构(8)包括在盖板(7)和底板(6)之间设置翅片或在盖板(7)和底板(6)内表面设置凹陷两种形式。

3.根据权利要求2所述的温差发电器，其特征在于，所述在盖板(7)和底板(6)之间设置翅片，具体为：翅片上下端分别与盖板(7)、底板(6)接触；沿流体流动方向，单行翅片的最大长度为S₂；沿垂直于流体流动方向，单列翅片的最大长度为S₃；所述翅片高度H_f等于H-2δ_h，其中H为换热器结构框架的高度，δ_h为底板(6)或盖板(7)的壁厚。

4.根据权利要求2所述的温差发电器，其特征在于，所述在盖板(7)和底板(6)内表面设置凹陷，具体为：凹陷分布在底板(6)和盖板(7)的内表面，形状包括但不仅限于半球体，所述凹陷的深度为H_in，且H_in<δ_h，其中δ_h为底板(6)或盖板(7)的壁厚；沿流体流动方向，单行凹陷的最大长度为S₂；沿垂直于流体流动方向，单列凹陷的最大长度为S₃。

5.根据权利要求1所述的温差发电器，其特征在于，还包括散热器(1)和温差发电片(3)，换热器结构(2)位于上下两组温差发电片(3)之间，温差发电片(3)外侧为散热器(1)。

6.一种根据权利要求1-5任一项所述的温差发电器的非等距传热结构的参数确定方法，其特征在于，包括步骤：

S1，根据温差发电片(3)和传热结构(8)的几何约束条件，对非等距传热结构参数赋初始值；根据边界条件，得到温差发电片(3)上的温度分布，计算温度均匀性评价指标；

S2，在初始流体质量流量不变的情况下，对传热结构(8)的参数d_i+1-d_i进行迭代，按照S1计算出迭代后的非等距传热结构的温度均匀性评价指标；再分别对S₂、S₃进行迭代，按照S1计算出迭代后的非等距传热结构的温度均匀性评价指标；

S3，改变流体质量流量，重复S2，计算出不同质量流量的流体情况下，迭代后各非等距传热结构的温度均匀性评价指标；

S4，对S1中的温差发电片(3)的行数、列数分别进行迭代计算，重复S2和S3，计算不同行数或不同列数的温差发电片、不同质量流量的流体情况下，迭代后各非等距传热结构的温度均匀性评价指标；

S5，计算S1-S4中所有非等距传热结构所用的材料体积，选择最优适配参数的非等距传热结构。

7.根据权利要求6所述的非等距传热结构的参数确定方法，其特征在于，所述根据温差发电片和传热结构的几何约束条件，具体为：

其中，N_Lteg为温差发电片(3)的列数，N_Rteg为温差发电片(3)的行数，N为传热结构垂直于流体流动方向等距分布的列数，N_f为传热结构(8)的行数，d_l为传热结构(8)垂直于流体流动方向的间距，d_i为传热结构(8)沿流体流动方向非等距分布的间距，且i＝1，2，3……N_f-1；

对非等距传热结构参数赋初始值，具体为S₂＝10.25mm、S₃＝6mm、N_Lteg＝2、N_Rteg＝3、N＝5、d_l＝9mm、N_f＝8。

8.根据权利要求6所述的非等距传热结构的参数确定方法，其特征在于，所述边界条件为：进气口(4)和出气口分别采用质量流量入口、压力出口，温差发电片(3)与环境之间存在对流换热，在有限元分析软件中设置所述边界条件，得到温差发电片(3)上的温度分布。

9.根据权利要求6所述的非等距传热结构的参数确定方法，其特征在于，所述温度均匀性评价指标，是将温差发电片(3)上的温度进行离散化，对每片温差发电片(3)在相同的位置取相同数量的温度特征点，对温度特征点的温度进行处理，得到均匀度评价指标；

式中，T_i为每片温差发电片(3)温度的均值，n_p为每片温差发电片(3)上所取的温度特征点的数量，T_Pi每片温差发电片(3)上所取的特征点的温度，T_mean为所有温差发电片温度的均值，η为温度均匀性评价指标，n为温差发电片(3)的数量。

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