基于塞貝克效應的汽車發動機冷卻系統集熱器設計

楊子木

（山東大學能源與動力工程學院，濟南 250002）

主題詞：溫差發電 流固耦合 冷卻系統 集熱器 能量回收

0 前言

隨著社會的發展和科技的進步，我國汽車的保有量迅速持續增加，但一直以來汽車運行過程中都存在能量利用率低的問題。汽車發動機在運行過程中產生的熱量，蘊含在汽車尾氣中的有30%～45%，被冷卻系統帶走的熱量約占30%[1]。運用溫差發電技術，通過熱電轉化，可以有效提高能源利用率，且重型汽車因其布置空間足、尾氣流量大、行駛工況較單一等特點可進一步發揮溫差發電的優勢。現有的系統問題在于廢熱通道、換熱器等部件的內部結構不夠合理，熱電模塊的連接方式不夠完善，導致發電效率低，能量利用率不高，忽視了冷卻系統中水冷端與散熱片蘊含的可回收的豐富能量。

一方面利用廢氣與冷卻系統之間的溫差，產生塞貝克效應進行發電，大幅度提高兩者之間的發電效率。另一方面，利用水冷端與散熱片之間的溫差，產生塞貝克效應進行發電。兩者溫差發電系統結合，合理設計集熱器以保持溫差，并將產生的電能高效轉為與車載電源相匹配的直流電能，供汽車使用，以減輕發動機負載。

1 設計方案構想

商業溫差發電片在工作中達到最大輸出功率時，一般熱源和冷源溫差為333～473 K。發動機的水冷裝置溫度大約在353～483 K之間，廢氣溫度最高可達773～873 K[2]。

綜合以上數據，提出設想如下。

1.1 溫差發電部分

在廢氣以及水冷裝置之間加裝第一部分的溫差發電裝置，如圖1所示。以廢氣端為熱源，水冷端為冷源。選用適用于該工況的溫差發電片，可以將汽車廢氣中的余熱轉換成與汽車車載電源相匹配的直流電能。

圖1 半導體溫差發電裝置結構示意

其中，用半導體材料制作溫差發電模塊，溫差發電裝置如圖2所示。發動機提供溫度在773～873 K的廢氣作為熱源，在發動機缸體上方的廢氣閥處安裝溫差發電裝置，使發動機冷卻系統中的高溫廢氣在流經溫差發電裝置的換熱器時，與換熱器充分接觸，提高換熱器溫度，即提高熱源溫度，吸收汽車水冷裝置的熱量。

圖2 溫差發電器

在水冷裝置處加裝第2部分的溫差發電裝置。熱源為水冷端，冷源為散熱片，采用風機強制散熱，理論上此處工作溫差保持在20～30 K即可[3]，為保證熱電片的工作效率，可以使其溫差保持在40～50 K，甚至更大。

通過半導體溫差發電裝置使發動機廢氣的部分熱能轉化為與車載電源相匹配的直流電能，可用于車內供電。對于長途運輸的冷藏車而言，此部分電可定時補充冷載貨車的原電瓶用電。此外，若此部分與汽車車載電源相匹配的電能儲存在備電系統，可將其作為車載電源在人為或事故不工作時和故障時啟用的第二個制冷動力源。

1.2 集熱器部分

每一部分溫差發電裝置的熱源以及冷源應加上集熱器，如圖3所示，使得熱源和冷源之間的溫差盡量保持恒定，從而讓發電時輸出的電動勢保持穩定[4]。

結合現有集熱器，其內部結構為矩形盒結構[1]，在此基礎上增加擋板。利用擋板，將集熱器中能量回收裝置的內部空間分成有限的幾部分，其內部擋板呈現集中不同的排列方式，如圖3所示。其中圖3(a)中擋板相互平行；圖3(b)中6個擋板對稱分布，對稱的2個擋板為1組，3組擋板分別于中軸線成60°、45°和30°；圖3(c)中擋板分布為2個V型，出口位置處2擋板之間的距離等于出口的直徑；圖3(d)結構與(b)結構中擋板的分布基本一致，(d)結構的換熱器在離入口不遠處多加1個擋板。

圖3 集熱器及其內部擋板排列方式示意

2 集熱器的流固耦合計算

2.1 模型構建

由于計算過程中，同時涉及到流體和固體，所以需要利用ANSYS軟件進行流固耦合計算。利用ANSYS軟件中Workbench模塊的流體計算模塊，并增加固體計算模塊，這兩種模塊之間可以實現數據的相互傳輸，且流體模塊的計算結果可作為固體模塊計算的邊界條件，如圖4所示。

首先進行流體模塊的計算，在計算時只需對流體經過的部分建立網絡模型，由于圖3所示各種不同結構的集熱器所建立的模型基本相同，以圖3中(a)所示結構為例，利用ANSYS軟件中的Gambit模塊給出網格模型，如圖5所示。其中流體入口和出口位置已經標出，后續示意圖中出口、入口位置相同。

圖4 流固耦合

圖5 流體計算網絡模型

根據所研究的流體（冷卻液，動力粘度0.001 1 Pa·s，密度1 010 kg/m3)以及發動機冷卻水流速，考慮到發動機大多數時間在中等負荷的工況下運行，以發動機中等負荷的運行工況為例（節氣門開度在40%左右），輸入其入口溫度358 K，入口速度0.5 m/s，出口壓力101 300 Pa[5]，在Fluent模塊依次設置邊界條件，流動過程采用k-ε湍流模型，利用能量方程，假設為穩態計算。

完成流體計算之后，關閉Fluent模塊，進入Model模塊（在Static Structure中），然后禁用冷卻液幾何模型，只分析裝置外壁，并將上述流體計算的所得的相關數據作為邊界條件傳遞給固體計算。

因為冷卻系統集熱器的材料是鋁合金，所以需要構建鋁合金材料，修改Engineering data模塊中的工程材料數據，增加鋁合金材料Aluminum，密度為2 700 kg/m3，楊氏模量為7.2×1010，泊松比為0.33。

2.2 結果分析

經過流體計算后，可得出如圖6所示的幾種不同內部結構的集熱器表面溫度的對比圖。由圖可知，圖6(a)的表面溫度分布不夠均勻，原因是其擋板結構使得流入的液體需要經過多次折返才能達到出口，從而讓液體在集熱器內停留時間較長，導致散熱較多，使得各部分存在溫差；圖6(d)結構的集熱器整體溫度較低，因為其在入口附近設置垂直于流速方向的擋板，讓剛剛流入的液體流速下降，從而使冷卻液在集熱器中的平均流動速度降低；圖6(c)結構的集熱器溫度分布總體均勻，但是由于靠近邊界的兩個斜擋板使得流體在邊界附近流動時間較長，在邊界附近散失更多熱量，故邊界附近溫度較低。相比而言，圖6(b)結構的擋板布置，對流體有一定的導流作用，使得流體在集熱器內充分流動，充分換熱，換熱器內溫度分布更為均勻，更為理想，因此從溫度分布效果來看，采用圖6(b)結構方式。

圖6 溫度分布示意

3 風機強制散熱和集熱器壓差的影響

3.1 風機強制散熱的影響

集熱器工作過程中，跟隨汽車的行駛，附近風速也會發生變化，且強制散熱可能增加發動機的整體能耗，為此對不同風速條件下的冷卻系統工作狀態進行比較分析。不同風速條件下個部件溫度的如表1所示。

表1 不同風速條件下各部件溫度

由表1可知，當風速升高時，冷端溫度和熱端溫度同時降低，但是溫差保持在36℃左右，溫差發電的能力變化不大，而實際應用過程中，增大強制風冷的風速可能會導致發動機整體能耗增加，為此，應在熱端和冷端溫差保持基本恒定的前提下，盡量減小強制風冷的風速，以提高溫差發電的效率。

3.2 集熱器壓差的影響

廢氣進入集熱器后，壓力損失主要有沿程損失和局部損失兩種，廢氣的流動依靠發動機排氣系統的驅動，因此會影響發動機的背壓，影響排氣性能，從而影響整機功率。為此，在滿足溫度分布效果的前提下，集熱器進出口的壓差越小越好[3]。

圖7給出了廢氣在不同進口流速下4種集熱器的進出口壓差，可以看出，集熱器進出口壓差隨進口流速減小而減小，這是因為廢氣進口流速增加時，其摩阻系數也隨之增加，廢氣在集熱器內流動過程中沿程損失增大，從而壓力損失增大，導致進出口壓差增大。4種集熱器在進口流速較大時，進出口壓差差距較大，從大到小依次為V字型擋板、水平擋板、對稱擋板、對入口加擋板，這是因為V字型擋板直接阻擋了廢氣的向出口的流動，并多次改變廢氣在集熱器種的流向，使之局部損失和沿程損失均增大；水平擋板阻擋了廢氣向出口流動，使之壓力損失增大；對稱擋板和對入口加擋板分布對廢氣向出口的流動起到導向作用，因此壓力損失較小。另外，在進口流速較大之時，對稱擋板和對入口加擋板集熱器中壓差的差距不大，而上述計算中，進口流速取0.5 m/s，在此流速之下，對稱擋板和對入口加擋板集熱器中的進出口壓差更小。綜合溫度分布和壓力損失來看，對稱擋板結構的集熱器是最佳選擇。

圖7 不同進口速度下四種集熱器進出口壓差比較

4 創新點與市場推廣前景

4.1 合理利用廢氣和冷卻水之間的溫差

基于溫差發電原理，即兩種不同的金屬材料組成閉合回路，回路中會產生電流，通過半導體溫差發電裝置，將汽車廢氣中的余熱轉換成與電源相匹配的直流電能，供汽車電器設備使用。而溫差發電關鍵的一點就是如何利用溫差。由于商業發電片最高工作溫度一般不超過473 K，在333～373 K達到最大輸出功率，發動機水冷裝置溫度為353～373 K，廢氣最高溫度可達773～873 K，溫差發電裝置直接連在水冷裝置和廢氣之間顯然不夠合理，計劃用兩個溫差發電裝置。第一，在廢氣以及水冷裝置之間加第一部分的溫差發電裝置，熱端為廢氣端，冷端為水冷端。第二，在水冷裝置處加第二部分的溫差發電裝置。熱源為水冷端，冷源為散熱片。散熱采用風機強制散熱，可以使工作溫差保持在20～30 K。

4.2 合理設計溫差發電結構

關于發電材料的形狀設計。在材料體積相等的情況下，溫差發電裝置設計為六面體結構可以顯著提高輸出功率[6]。關于發電材料的長度設計，當熱流密度保持恒定時，溫差發電片尺寸越短，輸出的功率和發電效率越小；在熱源和冷源溫差保持基本恒定時，溫差發電片尺寸越大，輸出功率越小[7]。然后運用有限元分析得出一個最佳溫差發電片的尺寸。

4.3 合理設計集熱器結構

關于集熱器結構的設計，方案是使用正方體結構，將內部設計成對稱隔板模式，從而最大程度上保持熱源和冷源之間的溫差。

4.4 市場推廣前景

在2008年之前，我國溫差發電技術關注度不高，專利數量較少。2014年至2016年期間，我國的半導體溫差發電技術有了較大發展[8]，尤其是汽車產量增多，工業生產和汽車尾氣的排放量增多，新型的能源使用方式亟待開發。我國相關專利申請以高校為主，說明高校重視對溫差發電技術的研發。但目前尚未形成規模化、市場化的產業鏈，專利極少用于企業的生產和應用，發動機的能量回收特別是冷卻系統的能量回收市場仍有很大的潛力。