天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室, 天津 300072
2017年05月12日 收稿; 2017年07月03日 收修改稿
基金项目: 科技部973计划（2011CB707203）和中日国际合作项目（2016YFE0118600）资助
通信作者: 李彦哲, E-mail: timduncanlyz@tju.edu.cn
摘要: 近年来，利用半导体温差发电技术回收与利用高温汽车尾气余热的方式得到广泛关注。搭建一套模拟汽车尾气排气的试验系统。通过在尾气通道核心流区域填充不同孔密度的泡沫金属强化传热，研究温差发电器回收汽车尾气余热并将其转换成电能这种方式对性能的影响。
关键词: 温差发电泡沫金属强化传热核心流
Experimental study of the influence of partially-filled foam metal on the performance of thermoelectric generator
WANG Shixue, LIANG Zhaojun, ZHAO Yulong, LI Yanzhe
Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy of Ministry of Education, Tianjin University, Tianjin 300072, China
Abstract: In recent years, semiconductor thermoelectric generation technology applied on waste heat recovery and recycle of high-temperature exhaust gas has gained wide attention. In this work we construct a testing system to simulate the vehicle exhaust, and study performance of the thermoelectric generator, that recovers the waste heat from automobile exhaust gas and converts it into electricity, by enhancing the heat transfer using foam metals with different hole densities filled in the core flow area.
Key words: thermoelectric power generationfoam metalheat transfer enhancementcore flow
伴随着汽车工业的迅猛发展，汽车使用量日益增加，由此带来的环境恶化及能源紧缺等问题成为限制人类可持续发展的障碍。同时，由于内燃机的效率只有30%~40%，燃油中大约有60%的能量通过冷却水和尾气散失[1]。若能回收这部分能量，将显著提高能源利用率，减少不可再生能源的消耗，提高内燃机的燃油经济性，降低制造和使用成本[2]。在种种余热回收方式中，半导体温差发电以其无化学反应、无机械移动、无噪音、无污染、无磨损、重量轻、使用寿命长等优点成为目前余热回收的主要方式[3]，这也使得提高半导体温差发电的性能及其相关方面的研究成为国内外关注的焦点。
尽管利用汽车尾气余热进行热电转换的研究开展了许多年，但其发电效率还很低，这严重制约着这种车用余热回收方式的应用与发展，因此相关的研究需要进一步的探索。
温差发电器的理论最大热电转换效率一般表示如下
| ${\eta _{{\rm{max}}}} = \frac{{{T_{\rm{h}}} - {T_{\rm{c}}}}}{{{T_{\rm{h}}}}}\left[ {\frac{{{{\left( {1 + Z\bar T} \right)}^{\frac{1}{2}}} - 1}}{{{{\left( {1 + Z\bar T} \right)}^{\frac{1}{2}}} + \frac{{{T_{\rm{c}}}}}{{{T_{\rm{h}}}}}}}} \right],$ | (1) |
| $\bar T = \left( {{T_{\rm{h}}} + {T_{\rm{c}}}} \right)/2,$ | (2) |
| $Z = \frac{{{\alpha ^2}}}{{\rho \kappa }} = \frac{{{\alpha ^2}\sigma }}{\kappa },$ | (3) |
通过式(1)~式(3)可知，要提高热电转换效率，除提高热电材料的优值系数以外，另一个最直接的方法就是强化冷热两端与热电模块的换热强度。Wang等[4]设计一种用于热电发电系统的新型的填充泡沫金属的板式换热器。经测定，新型的换热器的换热效率可达83.56%，在温差为13.8 ℃时，16组热电对所能产生的最大开路电压为108.1 mV，且随着热电对数目的增多，开路电压呈线性增长，为低品位热能的回收利用提供了新思路。李博和徐江荣[5]在排气管道中填充蜂窝状多孔介质，并在孔中布置U型热电材料β-FeSi2，实验结果表明可以有效提高通道内温度梯度，从而增大温差发电器的输出功率和效率。胡智超[6]设计一种新型相变温差发电系统，并在此基础上填充泡沫金属镍进行强化传热实验，实验结果显示，泡沫金属的添加可以使相变材料的相变过程进行的时间大大缩短，强化换热效果良好，同时使得整个装置内的温度分布更加均匀，更有利于温差发电器的热电转换。另外，一些独立的强化换热研究也同样提供了有益的借鉴。王晓鲁等[7]通过实验对两种板翅结构和泡沫铜、泡沫镍对对流换热的影响进行研究，结果表明：在孔隙率相近时，这几种方式对对流换热均能起到强化作用，但是泡沫铜、镍的强化效果要好于板翅结构，而泡沫铜、镍的流动阻力要高于板翅结构。由以上可知，通过在废热管道中添加泡沫金属材料可以增强热电片与尾气之间的换热，从而增大冷热两端的温差，也可使废气通道壁面的温度分布更加均匀，提高温差发电装置的输出功率和效率。但是，当尾气通道内部全部填充泡沫金属后，通道内过大的压降将引起发动机输出功率的降低，削弱余热回收的效果，甚至会引起系统整体能量利用效率的降低。Mohamad[8]比较在圆管内流场核心流区域部分填充及全部填充多孔介质时其换热性能的变化，结果发现当管内多孔介质填充比为1.0时，管内流场的温度均匀性要弱于填充比为0.4与0.6时。所以当多孔介质完全充满整个流场时将削弱换热效果。这种只在流场核心部分填充多孔介质的换热强化方式称作核心流强化传热。
管内核心流强化传热是一种用于流体的强化传热方法。在管道内核心区填充泡沫金属, 可以使得管内填充泡沫金属区域流场的温度分布更加均匀, 从而在管壁的边界流区域制造出一个较大的温度梯度达到强化传热的效果。其优点在于可以以小幅的流动阻力增加获得大幅流体与壁面换热能力的提升。综合上述****的研究，采用矩形通道内核心流区域部分填充泡沫金属的方式对通道进行强化换热，并将这种核心流传热强化方式应用在温差发电器上尚未见报道。所以，本文建立一套模拟汽车排气的高温余热利用实验系统，对使用光滑气体通道以及核心流区域部分填充泡沫金属进行强化换热的温差发电器进行实验研究，并分析泡沫金属的孔密度对温差发电器性能与压降的影响。
1 实验装置介绍温差发电模块的布置形式有很多种，一般有平板式、圆筒式等[9]。虽然汽车排气管均为圆形或椭圆形，但方形管结构的设计更有利于温差发电片的安放，并且在方形管内部容易增加扰流结构，强化发电器热端换热，因此本实验采用方形结构通道布置温差发电模块，如图 1所示。热电模块(TEHP1-12656-0.3)放置于矩形通道与冷却水箱之间，外部通过弹簧夹具的柔性联接将整个温差发电器夹紧，这样可以保证温差发电模块冷热面能够充分的接触，同时也可提高温差发电器的稳定性与抗震性。冷却水箱中的冷却水采取下进上出的方式充满整个箱体以达到最佳的冷却效果。
Fig. 1
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| 图 1 温差发电器二维结构示意图 Fig. 1 Schematic of two-dimensional structure of thermoelectric generator 图 1 温差发电器二维结构示意图 Fig. 1 Schematic of two-dimensional structure of thermoelectric generator --> | |
表 1、表 2、表 3分别给出温差发电器气体通道尺寸、冷却水通道尺寸及热电模块的基本参数。
Table 1
 表 1 温差发电器气体通道结构尺寸Table 1 Structure size of thermoelectric generator gas channel
| 表 1 温差发电器气体通道结构尺寸Table 1 Structure size of thermoelectric generator gas channel | ||||||||||||
Table 2
表 2 温差发电器冷却水通道结构尺寸Table 2 Structure size of thermoelectric generator cooling water channel
| 表 2 温差发电器冷却水通道结构尺寸Table 2 Structure size of thermoelectric generator cooling water channel | ||||||||||||
Table 3
表 3 热电模块基本参数Table 3 Basic parameters of thermoelectric module
| 表 3 热电模块基本参数Table 3 Basic parameters of thermoelectric module |
实验系统如图 2所示。首先启动变频式空压机输出空气，经过储气罐稳压后，通过节流阀调节流量并送入回热器，在回热器中与来自实验段的高温排气进行换热，经预热后进入两组功率各10 kW的加热器加热，通过调压器调整加热功率以达到实验所设定的加热温度。经过加热的高温空气进入矩形通道与壁面换热，一部分热量经热电模块转换为电能，同时通过调节外接电阻测量输出电压与输出电流，并据此计算输出功率。矩形通道出口的高温排气进入回热器与来自空压机的空气进行换热，然后排出室外。回热器的设置使得室温空气在进入加热器之前温度得到提升，既可以降低系统加热器的额定功率，还可以节约加热所需的能量。矩形通道壁面两侧各布置一排4块热电模块，模块的冷端与冷却水通道相接触，冷却水由水泵从一个容量为450 L的水箱里抽取，并循环使用。因冷却水箱容量较大，且实验过程中发电器启动至达到输出稳定状态所需时间较短，冷却水的温度基本保持不变。
Fig. 2
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| 1 空气压缩机;2 稳压罐；3 节流阀；4 气体流量计；5 回热器；6 加热器；7 加热器；8 调压器；9 调压器；10 压力表；11 压力表；12 温差发电器；13 电脑；14 数字采集仪；15 液体流量计；16 节流阀；17 水泵；18 冷却水箱；19 气体通道；20 冷却水通道；21 热电模块。 图 2 试验系统图 Fig. 2 Test system 图 2 试验系统图 Fig. 2 Test system --> | |
高温气体通道进出口温度、冷却水进出口温度及热电模块的冷热端温度均用热电偶进行实时测量，并用数据采集仪对温度及模块的开路电压进行采集与记录，空气与冷却水的流量分别用流量计(DY025/AFX015G)测量，矩形通道进出口设有压力表(TRD-3051GP5E22M3B3)测量其压力并计算压差。
2 实验结果分析2.1 无填充通道本文首先使用光滑通道，测量进气流量60 m3/h，进气温度300 ℃时温差发电器的性能。由于热电模块对称布置于方形通道两侧，图 3只是给出其单侧热电模块的相关参数。
Fig. 3
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| 图 3 发电器单侧模块的相关参数及性能 Fig. 3 Parameters and performance of modules on the unilateral of generator 图 3 发电器单侧模块的相关参数及性能 Fig. 3 Parameters and performance of modules on the unilateral of generator --> | |
从图 3(a)、3(b)中可以看出，沿着气体流动方向，温差发电片的冷热端温差及开路电压并非一直下降，靠近出口端的第4片模块的冷热端温差及开路电压均有所升高。一般来说，当高温流体流过实验通道时，由于实验通道外侧被冷却水不断冷却，因此整个实验通道内气体温度沿流动方向是降低的。但实际上，当实验通道两端存在不安装散热装置部分时，尽管气体通道内温度降低，但两侧的金属壁面作为扩展吸热面会向实验段进行横向的热传导，因此发电器两端模块的表面温度会有一定的升高，这一点在近出口侧表现得尤为明显，也是第4模块热端表面温度较第3模块为高的原因。
图 3(c)、3(d)为温差发电器的输出功率及其随外接电阻的变化关系。当外接电阻为零时，输出功率为零，随着外接电阻的增大，输出功率逐渐增大，当外接电阻与温差发电器内部电阻相同时，输出功率达到最大值，这一点与一般电路表现相同，外接电阻继续增大，输出功率降低。
2.2 部分填充泡沫金属如前所述，汽车尾气余热温差发电器中，由于高温端属于气固间对流换热，换热温差较大，严重影响温差发电器的性能，强化其高温端的换热对于提高温差发电器的性能具有明显效果。为此，本文提出利用核心流强化换热的方式提高高温端换热性能。图 4为本文中气体通道内部分填充泡沫金属的结构示意图。图 5为实验所用泡沫金属之一(孔密度20 PPI)。本文采用填充厚度为10 mm(占通道体积50%)的泡沫铜进行实验，其孔隙率为98%，孔密度分别为10、20、40 PPI。一方面利用金属的高导热性以及均温性提高管内流体换热能力，另一方面，由于是不完全填充，可以有效降低通道的压力损失。实验的进气流量60 m3/h、进气温度300 ℃，与2.1节相同。
Fig. 4
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| 图 4 填充泡沫金属的温差发电器示意图 Fig. 4 Schematic of thermoelectric generator filled with foam metal 图 4 填充泡沫金属的温差发电器示意图 Fig. 4 Schematic of thermoelectric generator filled with foam metal --> | |
Fig. 5
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| 图 5 泡沫金属(孔密度20 PPI) Fig. 5 Foam metal 图 5 泡沫金属(孔密度20 PPI) Fig. 5 Foam metal --> | |
图 6(a)、6(b)、6(c)为，在进气温度300 ℃，进气流量60 m3/h下，通道内填充不同孔密度(10、20、40 PPI)的金属泡沫铜的温差发电器的沿程热电模块的冷热端温差、沿程开路电压及发电器的输出功率与无填充通道的对比。如图所示，温差发电器气体通道内填充不同孔密度的泡沫金属对沿程热电模块的冷热端温差、开路电压以及温差发电器的输出功率均有较大影响。首先，泡沫金属的填充明显提高了温差发电器热电模块的冷热端温差、开路电压及输出功率。尤其是最大输出功率根据填充泡沫金属孔密度的不同，最大可以提高2倍。其原因在于填充泡沫金属后，由于泡沫金属骨架的高导热性及高比表面积，使得通道内气体温度分布更加均匀，且换热面积及换热量均增大，从而提高了通道内气体与壁面的有效换热系数。填充孔密度为10 PPI与20 PPI的泡沫金属的换热器的实验结果相近。分析认为，由于10 PPI与20 PPI的孔密度比较相近，因此对换热器的影响差别不大，所以结果比较相近。当填充泡沫金属孔密度为40 PPI时的温差发电器的性能要高于填充20 PPI与10 PPI的温差发电器。这是由于气体在通过高孔密度的泡沫金属时遇到了更多的金属骨架，受到的扰动增强，因此气体在通道内的湍动加剧，所以壁面的换热系数提高。如图 6(d)所示，壁面换热系数随泡沫金属孔密度的升高而升高。填充泡沫金属后，壁面与流体间的换热系数从45 W/(m2·K)提高到90 W/(m2·K)以上，达2倍之多。另外随着泡沫金属孔密度增大，通道内气体流动阻力增大，填充泡沫金属区域的气体温度梯度进一步减小。且随着孔密度增大，换热面积增大，从而提高了气体与通道壁面的换热量及有效换热系数，导致模块冷热端的温差加大，温差发电的整体性能增强。
Fig. 6
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| 图 6 部分填充泡沫金属的温差发电器的性能变化 Fig. 6 Performance changes of thermoelectric generator partially filled with foam metal 图 6 部分填充泡沫金属的温差发电器的性能变化 Fig. 6 Performance changes of thermoelectric generator partially filled with foam metal --> | |
图 7为前述条件下，温差发电器进出口端压降随泡沫金属孔密度的变化。由图可知，金属泡沫铜的填充明显增大了温差发电器进出口端的压降，当填充孔密度为10 PPI时，其压降增大4倍以上，而当填充孔密度40 PPI时，其压降相较于无填充通道增大近7倍。因此，对于使用汽车尾气作为热源的温差发电系统，通过填充泡沫金属强化热端换热虽然可以提高发电器的性能，同时也会造成发动机排气背压的上升。因此，在设计温差发电器时，要考虑发电器整体的输出效率，以整个系统的有效利用率作为优化指标，或者通过送风泵弥补气体通道的压降，此时应以温差发电器的输出功率除去泵功，即，净功的最大化作为系统的优化设计指标。对此，后续的研究工作将予以关注。
Fig. 7
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| 图 7 温差发电器压降 Fig. 7 Pressure drop of thermoelectric generator 图 7 温差发电器压降 Fig. 7 Pressure drop of thermoelectric generator --> | |
3 结论本文以利用半导体温差发电回收汽车尾气余热为背景，以强化高温气体与半导体模块热端之间的换热进而提高温差发电器的性能为目的，通过实验探讨了核心流强化传热对温差发电器性能的影响。结果表明，由于泡沫金属的填充，温差发电器气体通道壁面的换热系数从45 W/(m2·K)提高到90 W/(m2·K)以上，达2倍之多。同时，温差发电器热电模块的热端温度、开路电压及输出功率明显提高。尤其是最大输出功率在填充孔密度40 PPI的泡沫金属时，提高2倍多。另外，泡沫金属的填充同时会增加温差发电器进出口端的压降。当填充孔密度10 PPI泡沫金属时，其压降增大4倍以上，当填充孔密度40 PPI泡沫金属时，其压降增大近7倍。因此，设计温差发电器时，建议以净功的最大化作为系统的设计指标。
参考文献
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