冷卻方式對發動機冷卻系統溫差發電器的影響

馬宗正，閆修鵬，王新莉，劉大成

(河南工程學院機械工程學院,河南 鄭州 451191)

由于溫差發電技術在能量回收過程中無噪聲和振動，為此基于溫差發電技術對發動機廢棄能量的回收已經有較多的研究[1-4]。在能量回收過程中關鍵是如何實現溫差發電所需要的較大溫差[5-8]。如果熱源利用發動機排氣系統[9]，熱端的溫度足夠高(排氣系統的溫度能達到600 ℃以上)，但是由于一般的市售溫差發電片自身不可能承受超過220 ℃以上的溫度，所以不可能利用太高的溫度[10]；如果熱端利用冷卻系統的余熱能量，由于溫差發電片體積較小，熱端和冷端存在較大的熱量交換，因此主要的問題是如何保證冷端溫度[11]。

目前，冷端一般采用外部冷卻的方式，比如自然風冷、強制風冷及水冷。已有的研究結果表明，如果采用自然風冷，在車速為90 km/h和120 km/h的情況下，溫差發電片的熱端溫度可控制在225 ℃以下，當環境溫度為20 ℃時冷端溫度不超過80 ℃，此時的轉換效率在2.5%～3.2%之間[12]；如果冷卻方式為強制風冷或者水冷，可以實現更大的溫差，進而提升溫差發電器的轉換效率[13]。但是當采用強制散熱方式時，由于冷卻同時對熱端也有一定的影響，有可能會出現兩端溫度同時降低的現象，進而使得溫差發電器兩端的溫差有所下降[14]。

可見，采用不同冷卻方式對于溫差發電器有著較大的影響。此外，鑒于臺架試驗需要耗費大量的人力、物力，且參數也不易控制，為此本研究在一模擬試驗臺上對不同冷卻方式影響溫差發電器兩端溫差的規律進行了研究。

1 發動機冷卻系統能量回收模擬試驗臺

試驗臺整體結構見圖1。試驗臺整體可以分成三部分，測量顯示部分、溫差發電器和冷卻系統模擬部分。其中，測量顯示部分主要測取冷端溫度、熱端溫度以及溫差發電片輸出電壓和電流；溫差發電器用于實現冷卻系統能量的回收，主要包括集熱器、散熱器、溫差發電模塊；冷卻系統模擬部分主要包括保溫箱、水泵、溫控儀和風機，保溫箱和溫控儀共同實現水溫的控制，水泵用于實現冷卻水的循環，風機用于模擬冷卻風扇[15]。

圖1 模擬試驗臺示意

另外，為了能夠模擬發動機大小循環過程，在管路中增加了兩個三通閥門，小循環時循環水只在保溫箱、水泵以及管路中流動，大循環時循環水在保溫箱、水泵、溫差發電器及管路中流動，從而模擬實際發動機工作過程。

2 試驗方法

在實際應用過程中，溫差發電器需要安裝到車輛上，一般是處于發動機艙內部，冷卻時一般利用冷卻風扇進行冷卻[11]，當冷卻風扇不工作時，可以利用車輛行駛過程中產生的風進行冷卻，為此綜合考慮風扇散熱和自然冷卻，試驗過程中選擇了9.5 m/s，14.0 m/s和15.5 m/s 3種不同風速。

溫差發電器兩端的溫度采用K型熱電偶測量(鎳鉻-鎳硅材質，一級精度)；風速采用GM8901風速儀進行測量，設備精度見表1。

表1 儀器測量范圍及精度

溫差發電器在實際工作過程中，關注的重點是如何能夠產生更多的電能。由式(1)可知，其輸出電壓的大小與塞貝克系數、溫差發電器兩端溫差有關，而對于選定的溫差發電片來說，塞貝克系數為定值，因此在實際應用中只須關注溫差發電片兩端的溫差。

(1)

式中：α為塞貝克系數；V0為開路電壓；TH為溫差發電片熱端溫度；TC為溫差發電片冷端溫度。

3 試驗結果分析

3.1 加熱過程的變化

圖2示出在冷卻水加熱到98 ℃、環境溫度為17 ℃時，打開三通閥后冷卻水、冷端和熱端溫度的變化曲線。由圖可知，當三通閥打開后，冷卻水溫度迅速下降，之后冷卻水、熱端和冷端溫度迅速升高，這表明保溫箱中的水快速進入溫差發電器中，使得溫差發電器兩端溫度快速升高。當冷端和熱端溫度升高到一定數值后就不再增加， 熱端基本維持在91 ℃，冷端維持在82 ℃。冷端和熱端的溫差只有9 ℃，而冷卻水的溫度則高達97 ℃。

圖2 加熱過程中溫差發電器兩端溫度的變化

模擬冷卻液的水溫與溫差發電器熱端存在溫差的原因在于兩者之間的不銹鋼殼體，在常溫狀態下不銹鋼材料的導熱系數為16 W/(m·K)，相當于在冷卻水和溫差發電器熱端存在著熱阻，進而使得熱量傳遞過程中有損失，導致冷卻水和溫差發電器熱端之間存在一定的溫差。

1）MBR間歇產水控制。當MBR池液位高于最低液位，產水泵每運行8 min，停止運行2 min。產水泵停止運行期間，MBR池底鋪設的曝氣裝置將繼續進行，通過氣水振蕩清洗，緩解MBR周邊的污泥濃度累積，保持MBR表面的清潔。

對于溫差發電器來說，冷端和熱端均為陶瓷材料，內部為半導體材料，導熱系數都較低，可以看作不良熱導體，通過熱傳導傳遞的能量相對較少；但是由于溫差發電器冷端和熱端的距離較近(4 mm)，此時熱輻射作用不可忽視，因此會使得冷端的溫度不斷上升，同時由于冷端和散熱片相接觸，一部分熱量會散發到空氣中，當冷端得到的熱量和散發的熱量平衡時，溫度不再變化。由于熱端能量較大，散熱能力相對較弱，使得溫差發電器兩端溫差較小。

同時也可以發現，冷端溫度和環境溫度相差較大，主要在于冷端散熱能力較弱，不能夠把熱量及時傳遞出去，造成冷端與環境溫度相差較大。

3.2 風速對溫差發電器溫差的影響

如前所述，冷端溫度與環境溫度過高造成溫差發電器兩端溫差較小，而在實際車輛運行過程中溫差發電器肯定要受到風的影響，因此對不同風速條件下溫差發電器兩端溫差的變化情況進行了研究。

試驗過程中分別設置了3種不同風速狀態進行測試，其中冷卻風通過風機提供，并通過風速儀測定實際風速對風機進行調整，達到設定風速。冷卻方式的示意見圖3。

圖3 強制風冷示意

表2示出不同風速對溫差發電器兩端溫差的影響對比。由表2可知，當利用風機對溫差發電器進行強制冷卻時，溫差發電器冷端的溫度大幅降低，由原來的82 ℃下降至43 ℃以下，其兩端的溫差則由原來的9 ℃提高到36 ℃左右，可見，采用強制風冷方式可以顯著提升溫差發電器兩端溫差。

表2 不同風速下測量結果

還可以發現，采用強制風冷時，熱端和冷端溫度同時下降，熱端由原來的91 ℃下降至80 ℃以下， 下降了10 ℃以上。主要原因在于熱端的集熱器為不銹鋼，當利用風機進行強制冷卻時，也提高了其表面的散熱能力，使得熱端溫度也下降，從而出現熱端和冷端溫度同時下降的現象。但是，雖然熱端和冷端的溫度都會下降，而冷端溫度的下降更加明顯，從而使得溫差發電器兩端的溫差顯著增大，有利于溫差發電器輸出功率的提升。

當采用強制風冷時，能量傳遞的主要形式是對流傳熱，對流傳熱受散熱面積、對流傳熱系數及溫差的影響，當風速由9.5 m/s變到15.5 m/s時，相對于風速由0 m/s變到9.5 m/s，此時風速的改變對傳熱系數及溫差發電器表面和環境溫差的影響較小，從而使得溫度的變化不明顯，并且由于熱端和冷端同時受到影響，致使溫差變化較小。

3.3 風向對溫差發電器溫差的影響

在前述分析中，冷卻風扇位于側面，如果改變溫差發電器的位置，則可實現正面強制風冷，參考實際電腦CPU冷卻方式，其冷卻風扇也正對散熱片，為此采用兩種方式(見圖4)對比了冷卻風向對溫差發電裝置的影響。

圖4 不同風向對比

表3示出正面吹風條件下不同風速對于溫差發電器溫差影響的測試結果。由表3可見，當風速為9.5 m/s時，溫差發電器兩端溫差為46.4 ℃，當風速進一步提升后，溫差變化不大。可見采用正面強制風冷時效果較好，但是此時只能夠對一邊的散熱片進行冷卻。

表3 正面風測量結果

同時還發現，當正面吹風時，相對于側向吹風熱端溫度上升，而冷端溫度下降，冷端溫度下降了6 ℃，熱端溫度大約上升了3 ℃。

3.4 熱管對溫差發電器溫差的影響

由以上幾項試驗可見，采用散熱方式進行冷卻雖然可行，但是仍然存在冷端與環境溫度相差較大的問題，可見冷端冷卻仍然有改善空間。

圖5 采用熱管散熱示意

為了解決該問題，將散熱系統進行了改進，把溫差發電片冷端的連接方式改變為熱管連接，其連接示意見圖5。需要說明的是，如果按照設計全部采 用熱管連接所有的冷端散熱片，需要專門的加工企業加工，本研究從試驗的角度出發，僅對單片溫差發電片采用熱管連接散熱方式進行了試驗。冷端直接與銅板接觸，通過熱管連接散熱片和銅板，此時可以增加散熱器面積，所采用的散熱片單片面積為40 mm×30 mm，共計26個散熱面，增加的總散熱面積為3.12 cm2。

測量過程和前述方法相同，也是采用風機冷卻的方法模擬風速的影響，冷卻方式采用側面冷卻。測試結果見表4。由表4可見，采用熱管后，當散熱面積增加3 cm2左右時，溫差可以提高大約5 ℃。

表4 采用熱管后測量結果

由此可見，采用熱管連接增加散熱片面積的方法可以提高溫差發電器兩端的溫差，但是當再提高風速時，冷端溫度和熱端溫度都會降低，使得實際溫差變化不大，此時可以考慮增加熱管的長度，只冷卻散熱片。

4 結論

a) 當開啟大循環時，溫差發電器兩端溫度同時升高，壁面材料熱阻的存在使得冷卻水和熱端存在溫差，溫差發電器兩端距離較近使得兩端溫差較低；

b) 采用強制風冷方式雖然能夠導致冷端和熱端溫度同時降低，但是由于冷端溫度降低更加明顯，從而可以有效提升溫差發電器兩端溫差；

c) 相對于側面強制風冷，采用正面強制風冷方式更具有優勢，但是只能夠冷卻單面;

d) 采用熱管連接冷端和散熱片的方法可以降低冷端溫度，從而擴大溫差發電器兩端溫差。