汽車尾氣溫差發電裝置中熱電模塊的散熱方式研究

邢號彬，范文，王計廣，陸磊

(武漢理工大學汽車工程學院，湖北武漢430070)

近年來隨著半導體材料技術的發展，熱電轉換模塊的成本不斷降低，轉換效率不斷提升。溫差發電技術日益受到重視，成為節能減排技術的研究熱點。溫差發電技術具有簡單、無噪聲、安全、可靠等特點，是廢熱回收與利用的可靠手段［1］。

目前國外已經有較多成熟的溫差發電產品，也有許多相關的應用研究。但國內在溫差發電方面所進行的研究還處于起步階段，與國外還有較大的差距［2－5］。

內燃機的熱效率僅有35%左右，這就意味著絕大部分能量損失于發動機的冷卻水和排放的高溫尾氣中。若將發動機的尾氣廢熱進行再利用，可以進一步提高汽車的能源利用率，從而提升整車的燃油經濟性［6］。

1 尾氣發電的意義

汽車尾氣廢熱溫差發電裝置主要包括熱電轉換模塊、氣箱和冷卻水箱等。其工作原理是將熱電轉換模塊布置在氣箱表面，模塊的熱端與氣箱表面相接觸，冷端與水箱表面相接觸。通過兩端的溫差產生電能。溫差發電的效率與熱電模塊的性能、兩端的溫差及其在廢氣通道箱體上的布置形式有關。

目前，溫差發電需要解決的關鍵問題之一就是冷端的散熱問題。熱能在模塊的冷端積聚，熱量無法迅速地散失，導致模塊冷端的溫度上升。而良好的散熱方式能夠使模塊冷端的溫度基本保持恒定。筆者主要針對風冷與水冷兩種散熱方式進行了軟件仿真與實驗研究。

2 風冷和水冷的比較

熱量傳導形式有三種:熱傳導、熱對流和熱輻射。水冷散熱系統中主要是排氣管壁與模塊、冷卻水箱之間的熱傳導換熱和對流換熱。風冷散熱系統中主要是排氣管壁與模塊、散熱片之間的熱傳導換熱，散熱片與空氣的傳導換熱和輻射換熱。

液體的單位熱容較氣體要大很多，因而液冷比風冷有更好的冷卻效果。研究表明液冷換熱系數比自然風冷散熱要大100倍以上，因此國內外在汽車尾氣廢熱發電中基本上都采用水冷系統。

可以推導其傳熱公式為:

(1)氣流體傳遞給廢熱通道內壁的對流換熱熱流量Qh和輻射換熱熱流量Qf

(2)廢熱通道壁的導熱熱流量Q2

Q2= λA(t1－ t2)/δ

(3)廢熱通道外壁與水之間的對流換熱熱流量Q3Q3= α3A(t2－Tb)

其中:λ為導熱系數，W/(m·K);

A為垂直于導熱方向的物體截面面積，m2;

δ為廢熱通道壁厚，m;

t1為內表面壁溫，℃;

t2為外表面壁溫，℃;

αh為對流換熱系數，此處為廢熱通道壁表面對氣流體的換熱系數，W/(m2·K);

Cs為輻射系統的輻射系數，W/(m2·K4)。

2.1 水冷系統

水冷散熱系統是指通過冷卻水箱來帶走熱電轉換模塊冷端的熱量。水冷系統一般由熱能交換器、水循環系統、水箱和水泵組成。溫差發電的水冷系統一般與發動機的冷卻系統直接相接。在常溫下水的導熱系數是0.54 W/(m·K)，而鋁的導熱系數是237 W/(m·K)。但是，流動的水就會有極好的導熱性，也就是說，水冷散熱器的散熱性能與其中散熱液 (水或其他液體)流速成正比。而且水的熱容量比較大，在標準大氣壓下，水在15℃時的比熱容是4.186 J/(g·℃)，在100℃時的比熱容是2.051 J/(g·℃)，隨著溫度的升高，水的比熱容逐漸下降。這就使得水冷制冷系統在低溫時有著很好的熱負載能力。

2.2 風冷系統

風冷散熱系統是指在模塊冷端加裝散熱片，通過氣流帶走模塊冷端的熱量。與水冷散熱系統相比，風冷散熱系統結構比較簡單，易于安裝。主要包括散熱片和緊固裝置。汽車在正常速度 (60 km/h，即16.7 m/s)下行駛時，空氣的流速約為17 m/s。此外，相對于水冷散熱，風冷散熱的散熱片的面積大約是水冷散熱的30倍，風速是水的流速的5倍左右。這些都有利于提高散熱能力。

此外，風冷散熱系統無需借助于發動機的冷卻系統，對發動機的影響幾乎為零，減輕了發動機的負載，有利于提高車輛的燃油經濟性。

3 實驗與仿真結果及分析

目前，汽車尾氣廢熱溫差發電系統仍然處于試驗研究階段。在實際裝車前，需要先利用廢熱溫差發電的實驗臺架進行實驗論證。某型號的模塊在試驗臺架上獲得的在風冷和水冷兩種冷卻方式下的冷端溫度如圖1所示。

圖1表明水冷與風冷兩種散熱方式下冷端的溫度相比，在熱端溫度120℃以下時，兩者的散熱效果基本相同，在120～200℃范圍內，水冷的散熱效果要比風冷稍微好一些。在熱端溫度為200℃左右時，兩種方式下冷端溫差僅為13℃左右。

在試驗后的分析中發現，熱電偶測得溫度與紅外熱熱像儀獲得圖像分析出的溫度存在不一致現象。通過仔細的分析比較發現，紅外熱像儀測得高溫區域和低溫區域中測得的溫度比較準確，在靠近高溫區域的范圍內誤差較大。

選擇20個節點的Solid87元素，定義材料屬性，在ANSYS中進行建模并劃分網格。設置邊界條件，求解。查看散熱片的溫度分布和熱應力分布［7］。

通過仿真結果可以發現，熱量在散熱片的中間部位集中，因此我們再設計散熱片的時侯要注意考慮散熱片的厚度以及間距，通過合理的設計，使熱量更加均勻，減小散熱片的熱應力，提高使用壽命。

4 結論

相對于水冷散熱，風冷散熱更能反映出在實際工況下的溫差發電裝置的狀態。風冷散熱在帶走大量熱量的同時，也會使排氣管的最高溫度明顯降低。就冷卻效果而言，水冷與風冷兩種散熱方式在熱端溫度120℃以下時，兩者的散熱效果基本相同，在120～200℃范圍內，水冷的散熱效果要比風冷稍微好一些，但是相差不大。

【1】鄧亞東，范韜，郭殉，等.汽車尾氣溫差發電裝置及熱電模塊的布置研究［J］.武漢理工大學學報:信息與管理工程版，2010，32(2).

【2】董桂田.汽車發動機排氣廢熱的溫差發電［J］.北京節能，1997(4).

【3】徐立珍，李彥，楊知，陳昌和.汽車尾氣溫差發電的實驗研究［J］.清華大學學報:自然科學版，2010(2).

【4】張征，曾美琴，司廣樹.溫差發電技術及其在汽車發動機排氣余熱利用中的應用［J］.能源技術，2004(3).

【5】Snyder G J，Toberer E S.Complex thermoelectric materials［J］.Nature Materials，2008，7(2):105 －114.

【6】鄭文波，王禹，吳知非，等.溫差發電器熱電性能測試平臺的搭建［J］.實驗技術與管理，2006，23(11).

【7】付娟.某半導體致冷器冷熱端散熱翅片的優化設計［J］.電子機械工程，2009，25(6).