换热器肋片结构尺寸对热电发电器的影响 鲁池.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：143027 换热器肋片结构尺寸对热电发电器的影响 鲁 池，张 星，王世学* （天津大学机械工程学院中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津 300072） (Tel:022 Email:wangshixue_64@) 摘要：本文20-80W/(m2K)[2]，尾气中的大部分热量并不能得到有效的回收。因此，强化热端换热器的换热对于提高尾气的余热回收效果非常重要。然而，通过增加扰流元件等增强热端换热时，有可能导致发动机背压增高过大，使发动机的总体工作性能反而降低[3-5]。因此，针对不同的运行工况，研究设计一个高效、紧凑且压降较小的热端换热器，对提高汽车尾气余热回收热电发电器的整体效率至关重要。为此，许多学者进行了相关的研究。Baker等[6]比较了采用带有多孔金属泡沫热端换热器、多层并联方腔型热端换热器和多方腔蛇形串联连接型热端换热器时，热电发电器的性能，结果表明，这三种热端换热器均能使热电发电器的输出功率显著增加，但带有多孔金属泡沫热端换热器和多方腔蛇形串联连接型热端换热器下，尾气流过时的压降远远超过了发动机所允许的范围。Esarte等[7]比较了螺旋型、之字型、直肋型三种不同形状的换热器的换热效果，结果表明，之字型结构换热器虽然可获得最大温差，但是流体流过换热器时的压降较大。Thacher等[8-9]对热电发电器的热端采用锯齿错列肋片型换热器进行了研究，当汽车行驶速度为112.6km/h时，热电发电器的输出功率接近130W。实际上，采用翅片强化换热时，翅片的尺寸及排列对换热器性能均会产生影响。因此，本文在Thacher等[8-9]研究的基础上，详细分析了不同汽车行驶速度下，锯齿错列肋片的肋片间距、肋片厚度及肋片高度的尺寸变化对热电发电器的输出功率，热电转化效率的影响。 基金项目：国家973计划资助项目（批准号：2011CB707203） 1 数学模型 图1(a)为热电发电器(TEG)的侧视图，中间为热端换热器，热端换热器的两侧均有一个冷端换热器，每侧两排共16个串联连接的Bi2Te3基HZ-20热电模块均匀分布在热端换热器的两侧表面，冷端换热器、热电模块和热端换热器通过螺栓夹紧连接形成夹层结构。热电发电器运行时，冷却水和尾气以逆流的形式分别通过冷热端换热器进行换热。为简化计算，本文做了一些假设：1)热电发电器的外表面和环境绝热；2)单个模块上的冷热侧温度均分布均匀；3)忽略汤姆逊效应及接触热阻；4)冷却液和尾气均匀流过冷热端换热器；5)热电模块间的间隙绝热；6)忽略换热器上的导热热阻。  (a) (b) 图1 (a)TEG侧视图；(b)模块j的传热过程图 基于上述假设，由于热端换热器上下两侧的换热存在对称性，使得上下两侧对应位置上的热电模块拥有相同的温度分布，因此，可取一侧的热电模块进行分析。图1(b)为图1(a)中虚线标出的模块j的传热过程图。冷却水和尾气流过冷热端换热器时的能量方程分别为[9]: (1) (2) 其中，n为尾气流动方向上热电模块的总个数，n=4；Qc,j和Qh,j分别为热电模块传递给冷却水和从尾气中吸收的热量，单位W； mf1和mf2分别为冷却水和尾气的质量流量，单位kg/s；cp,f2和cp,f2分别为冷却水和尾气的比热，单位J/(kgK)；Tf1,n-j+1和Tf2,j分别为j部分进行换热的冷却水和尾气的入口温度，单位K；Tf1,n-j+2和Tf2,j+1分别为冷却水和尾气的出口温度。冷却水和尾气流过冷热端换热器时的对流换热量： (3) (4) 其中，hf1和hf2分别为冷却水和尾气流过冷热端换热器时的对流换热系数，单位W/(m2K)；Aex1和Aex2分别为冷热端换热器的总换热面积，单位m2；Th,j为模块的热端温度；Tc,n-j+1为热电模块的冷端温度。热电模块冷热端的热电能量平衡方程[9]：