汽車尾氣的余熱發電及有效利用

蔣小強，謝愛霞，丁錦宏，何 武，李建瑩

(1.福建工程學院生態環境與城市建設學院，福建福州350108；2.廣東海洋大學工程學院，廣東湛江524025)

汽車尾氣的余熱發電及有效利用

蔣小強1，謝愛霞2，丁錦宏2，何 武2，李建瑩2

(1.福建工程學院生態環境與城市建設學院，福建福州350108；2.廣東海洋大學工程學院，廣東湛江524025)

基于熱電偶溫差發電原理，對汽車尾氣廢熱進行回收，將排氣中所含低品位能源轉換為電能；為了使電能充分利用，結合熱電制冷原理，設計一車載冰箱，將冷端置于車載冰箱中，實現汽車冰箱冷凍冷藏的功能。通過對廢熱回收、溫差發電、半導體制冷及冰箱結構進行設計和計算，完成了新型車載冰箱的設計工作。該設計具有結構簡單、堅固耐用、無運動部件、無噪聲、使用壽命長等優點，同時還可降低尾氣廢氣溫度，減少溫室效應，節省能耗，提高汽車經濟性。

余熱發電；汽車尾氣；熱電制冷

隨著社會現代化的迅速發展，能源的需求大量增加，以致能源緊缺變得更加嚴重，汽車工業是我國國民經濟的支柱產業之一，伴隨著汽車工業的發展，車輛消耗的能源也與日劇增，使得車輛的節能備受關注。一方面，汽車的動力轉換效率僅為40%(柴油機動力輸出的功一般只占燃油燃燒總熱量的30%～42%，而汽油機只有25%～30%)，以廢熱形式排出車外的能量占總能量的58%～70%(柴油機)或者70%～75%(汽油機)，主要包括循環冷卻水帶走的熱量和尾氣帶走的熱量，廢氣余熱溫度高，帶走熱量占燃料總能量的25%～45%(柴油機)或者30%～40%(汽油機)，一般可以利用的廢熱量為燃燒總熱量的16%左右。另一方面，隨著汽車工業的發展和人們物質生活水平的提高，車載冰箱逐漸走向汽車市場。世界上許多高檔汽車上已經采用OEM方式嵌入配套汽車冰箱，這是真正意義上的汽車冰箱。歐美、日本、許多較專業的愛好者和國防軍隊都需要車載冰箱，車載冰箱也經常用于醫療藥物運輸中的臨時保存。汽車尾氣余熱能量可用于車載冰箱系統的驅動能源，冬季還可以制熱供暖，減少暖氣能源消耗量，既可以滿足人們對汽車舒適性的要求，也可以提高汽車的經濟性。

溫差發電是一種綠色環保的發電方式，溫差發電技術具有結構簡單、堅固耐用、無運動部件、無噪聲、使用壽命長等優點，同時降低尾氣排氣溫度，降低全球溫室效應[1]。熱電制冷冰箱是靠空穴和電子在運動中直接傳遞熱量來實現的，它與現在的壓縮式和吸附式制冷相比具有無泄漏、無污染、無噪聲、無磨損以及靈活調整等優點，通過聯合兩個系統設計，將大大提高整車動力性能。

1 總體系統設計

1.1 總體原理分析

汽車運行時，發動機的尾氣廢熱不斷地從廢氣通道排出，溫度高達600～650℃，通過擾流子，廢氣溫度均勻分布在廢氣通道表面，形成溫差發電的熱源。發動機冷卻水一部分通過設計水箱箱體維持在85℃，形成溫差發電的冷端。溫差發電熱電堆系統在兩端產生電動勢，產生的電功率利用在兩方面，一方面提供熱電制冷熱電堆功耗，另一方面提供風機運作，在風機的作用下，汽車室內的冷流體排風量來冷卻熱電制冷熱端的發熱，冷流體以湍流掠過肋片，帶走熱端發熱量，確保正常運行。當汽車不運行時，電源來自蓄電池，蓄電池可以利用家庭交流電進行充電，避免汽車熄火時不制冷的短板。熱電制冷熱電堆在冷板制冷，提供車載冰箱的制冷量，承擔其冷負荷，溫度采集器采用為電腦控制的自動調節，根據冰箱內部溫度和熱端溫度，微機進行平衡溫度計算。同時，在冬季易于改裝成供暖裝置，圖1為工作原理圖。

圖1 系統總體設計原理

1.2 溫差發電系統

1.2.1 設計原理

將兩種半導體的一端結合一起并使之處于高溫狀態 (熱端)，另一端開路且處于低溫狀態(冷端)，則在冷端存在開路電壓，這個效率稱為塞貝克效應，溫差發電是利用熱電材料的塞貝克效應，它是溫差發電技術的理論基礎。當結點的溫度差在一定范圍內時，存在如下關系：

一個典型的溫差發電器主要由P、N型半導體元件和負載組成，如圖2所示。

圖2 典型溫差發電器半導體元件

半導體元件工作時，輸出功率可由負載電阻獲得，即：

功率為：

一個平PN連結所能產生的電動勢有限，將多個PN連結串并聯起來就可得到足夠的電壓，成為一個溫差發電機。這樣的溫差發電完全沒有轉動，因此非常可靠。

1.2.2 熱電材料的選擇

根據汽車尾氣溫度以及熱電偶參數綜合考慮，本設計中溫差發電采用半導體碲化鉛(PbTe)，是具有棉心立方體晶格結構的共價金屬間化合物，其熔點為922℃，過量的鉛合成N型碲化鉛PbTe，過量的碲形成碲化鉛，兩者均為摻雜的半導體，各參數見表1。

表1 半導體碲化鉛參數

一般發動機冷卻循環水冷端維持在85℃，而熱端溫度可達650℃，根據式(1)計算可得Δ=0.187 V，所以通過串并聯結合，可以產生可觀的電源功率。

1.2.3 結構設計

溫差發電系統中，廢熱通道是一個很重要的載體，其基本結構如圖3所示。一般的廢熱通道內部為空腔結構，由于發動機排氣管高速排出的尾氣在箱體內停留的時間短，無法將更多的尾氣熱量傳至箱體表面，導致箱體溫度分布不均勻。為了延長汽車尾氣在通道內的停留時間，必須在通道內部設計擾流結構，使尾氣熱量充分傳到通道表面[2]。廢氣通道長度為300 mm，寬度為150 mm，高為50 mm，廢氣通道管徑為50 mm。

圖3 廢熱通道結構

根據廢氣通道尺寸設計以及熱電偶尺寸，熱電偶在廢氣通道長方向排一行為15對，寬方向4行為一個單元完整小串聯電偶，寬方向一側排布3個類似這樣的熱電偶并聯，同理，另一側也是一樣排布。相當于6個單元完整串聯電偶電阻并聯而成。

冷端采用循環冷卻水，把熱電偶的熱端放在排氣通道與冷卻水箱之間，使其處于較為穩定的溫度，且具有便于安裝及加緊容易等優點。如圖4所示，主要結構包括半導體熱電模塊、廢氣通道箱體和冷卻水箱，半導體熱電模塊布置在廢氣通道箱和冷卻水箱之間，廢氣通道箱儲存發動機的排氣余熱，給熱電偶模塊提供650℃高溫，即模塊的熱源，冷卻水由水泵控制，不斷循環流動，維持85℃低溫，即模塊的冷源。而每個熱電偶是采用串并聯方式連接起來。通常在熱電偶模塊的兩端固定用于導熱、絕緣的陶瓷片或者導熱絕緣布[3]。

圖4 溫差發電總體結構

1.3 熱電制冷系統

1.3.1 設計原理

電流流過兩種不同導體的界面時，從外界吸收能量，或向外界放出能量，實驗表明，接點處的換熱量與電流成正比，即：

根據制冷原理可得，當電流通過電偶對時，熱電元件內還要放出焦耳熱。焦耳熱與電流的平方成正比，即：

3.5 3 0 歲以上的男性開始關注心臟問題,且隨年齡增加,選擇心臟檢查的項目增多,此現象符合醫學建議。

計算證明，有一半的焦耳熱傳給熱電元件的冷端，引起熱電制冷效應降低。

由于半導體的導熱，從電堆熱端還要傳給冷端一定的熱量：

根據式(6)、(7)、(8)得熱電制冷單元的制冷量：

電偶對工作時，電源既要對電阻做功，又要克服熱電勢做功，故消耗的功率為：

由式(9)、(10)可得制冷系數：

熱電制熱單元發熱量：

帕爾帖效應與塞貝克效應都是溫差電效應，二者有密切聯系，事實上，它們互為發效應，一個是說電偶有溫差存在時會產生電動勢，一個是說電偶中有電流通過時會產生溫差。溫差電動勢α與帕爾帖系數直接存在下述關系：

1.3.2 設計材料

由于導體帕爾貼效應比普通的金屬電偶強得多，能夠在冷結點處表現明顯的制冷效應，故本設計熱電制冷器的基本單元是半導體電偶。組成電偶的材料一個是P型半導體(空穴型)，一個是N型半導體(電子型)。依制冷性能數優化的原則設計電堆，能量轉換的效率高，耗電少，熱端散熱少。本設計采用的是國產應用較為成熟的三元碲化鉍-碲化銻固溶體合金，P型的材料是碲化鉍-碲化銻(Bi2Te3-Sb2Te3)固溶體合金，N型的材料是碲化鉍-硒化鉍(Bi2Te3-Bi2Sc3)，在200 K附近優值系數維持在4×10-3，具體參數見表2。

表2 三元碲化鉍-碲化銻固溶體合金

1.3.3 結構設計

在熱電制冷中，由于一對基本電偶的制冷量很小，實際使用時為了滿足指定的冷量，需要將許多電偶連成熱電堆，本設計采用71對熱電偶制冷，以7對為一行，總共10行分布，其中制冷設備主要由熱電堆、導熱的電絕緣層、冷板和散熱器組成[4]，見圖5。

圖5 熱電制冷設備的結構

冷板起導出冷量的作用。冷板應與被冷卻物體保持良好的熱電接觸，接觸面具有良好的導熱性和電絕緣性。

散熱器起到熱端散熱作用，采用汽車空氣排風冷卻，散熱器可做成帶翅片的表面，翅型為片狀。圖6為散熱器結構示意圖，本設計為鋁制平肋片，尺寸為50 mm×30 mm×2 mm。總共為45片，分3行，每1行為15片肋片。

圖6 散熱器結構示意圖

為了使同一側結點的熱量都能匯集在金屬板 (冷板或散熱器)上，而又保證各熱電偶元件之間相互的電隔離性，在熱堆冷端與冷板之間、電堆熱端與散熱器之間用一層能導熱卻不導電的物質隔開，該隔層即導熱的電絕緣層。云母片、涂漆層或不導電的金屬氧化物膜片都可以作為導熱的電絕緣層材料。該層厚度越小越好，因為它夾在電堆結點與熱交換器之間，將產生附加熱阻和附加溫差。通常每層引起的附加溫差都在2 K以上。

風機冷卻散熱器，帶走熱量，使其冷卻熱電堆熱端，根據經驗選型為DC 4 V/1.5 A，外徑為100 mm的風機。

根據制冷量和冰箱冷負荷的計算公式，確定制冷量與冰箱內膽的寬、深、高的關系；選取各表面的絕熱層厚度，根據安裝位置設定冰箱的寬、深，最后根據所列關系式求冰箱高度。考慮貯物方便，取內膽寬為0.32 m，則內膽深為0.38 m，算得高度為0.47 m，取0.40 m。

2 理論設計及校核

2.1 理論設計

根據廢氣通道尺寸以及熱電偶尺寸，熱電偶一行為15對，4行為一個單元完整小串聯電偶，廢氣通道一側為3個類似這樣的熱電偶并聯，同理，另一側也是一樣排布。相當于6個電阻并聯而成。

依據制冷性能數優化的原則設計電堆，則能量轉換的效率高，耗電少，熱端散熱少。確定電堆的元件尺寸和需用電偶數目，計算一個電偶的值：

求出電阻壓降(或工作電流)的優化值，以及在該條件下的性能最佳。

電源內電阻存在，電動勢壓降為：

根據電動勢壓降可知負載電壓：

確定熱電制冷熱電偶數為：

串聯電阻為：

單個熱電偶制冷量：

總的制冷量為：

單個熱電偶輸出電源功率：

總的電源輸出功率：

熱端發熱功率：

熱電制冷熱端吸收熱量，根據式(12)可知，總的熱電發熱功率為92.57 W，散熱器散熱量等于熱電制冷熱端的發熱量，使熱端維持在設計溫度。尺寸為50 mm×30 mm×2 mm，則計算其表面傳熱系數時，按流體橫掠平板模式來計算[5]：

空氣定性溫度：(35.22+26)/2=30.61℃，35.22℃為冷流體最終溫度，26℃為冷流體最初溫度。故空氣熱導率=0.026 7 W/(m·℃)，空氣的粘度為μ=0.000 016 m2/s。

因為風機采用的半徑為100 mm，冷流體通過風機作用下，空氣流速為1 m/s，則得：

冷流體處于紊流狀態。

根據式(14)，得α=21.21 W/(m·℃)。

2.2 校核計算

2.2.1 排風量溫度校核計算

新風量為總送風的10%，所以排風量為總風量的10%，則15 m3/h每人，本設計汽車設計送風量為30 m3/h。排風干球溫度為26℃，故流體最終溫度為：

2.2.2 冷卻水箱冷端溫度校核

根據能量平衡方程可知熱電堆冷端放熱量：

冷端冷卻水帶走熱量為：

冷卻水循環流量為：

考慮冷卻水水溫變化不影響發動機冷卻影響，則：

2.2.3 散熱器散熱校核計算

根據傳熱學肋片傳熱方式，列出肋片散熱系數方程：

安裝部分示意圖見圖7和圖8。

圖7 溫差發電剖面圖

圖8 冰箱整體剖面圖

3 結束語

基于溫差發電原理，利用汽車尾氣的高溫與環境低溫的溫差獲取電源并進行應用，具有以下優點：

(1)直接為半導體冰箱提供能源，減少了能源轉換環節，實現尾氣廢熱回收和車載冰箱供能相結合；

(2)為實現冰箱供冷的連續性和穩定性設置了蓄能裝置，可在汽車停止排氣時為車載冰箱繼續提供能源。

[1]吳業正.制冷原理及設備[M].西安：西安交通大學出版社，2010.

[2]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].4版.北京：高等教育出版社，2012.

[3]董桂田.汽車發動機排氣廢熱溫差發電[J].北京節能，1997(4)：7-10.

[4]梁雪，張永恒.便攜式車載冰箱設計[J].甘肅科技，2011，22(11)：32-33.

[5]陳玉忠.微型熱電制冷散熱器工作狀態特性分析[J].華東船舶工業學院學報，2002，16(1)：62-65.

Waste heat power generation and efficient use of utomobile exhaust

Based on the principle of the thermocouple thermoelectric power generation,automobile exhaust waste heat was recovered,low-grade energy contained in the exhaust gas was converted to electrical energy;in order to make full use of electricity,combined with thermoelectric cooling principle,a car refrigerator was designed,and the cold side was put into car refrigerator to realize the function.Through the waste heat recovery, thermal power generation,semiconductor refrigeration and freezer structural design and calculation,the design work was completed for a new car refrigerator.This design has simple,rugged,no moving parts,no noise,long life and other advantages, while reducing exhaust gas temperature,reducing greenhouse gas emissions,saving energy and improving vehicle economy.

waste heat power generation;vehicle exhaust;thermoelectric cooling

TM 913

A

1002-087 X(2016)06-1280-04

2015-12-15

福建省自然科學基金(2015J05089)；福州市科技計劃項目(2015-G-65)

蔣小強(1980—)，男，湖南省人，博士，講師，主要研究方向為制冷空調節能技術。