摘 要

利用温差发电技术有效利用汽车尾气废热能够降低燃油消耗和环境污染。相对于平板式结构，环形热电发电模块与排气管匹配良好。环形换热器是其中的重要组成部分，其设计至关重要。本文在光管环形换热器（原方案）基础上，为强化换热，更有效地利用尾气废热，提出7种换热器方案：方案A（只布置中心扰流体），方案B（只布置三段式翅片），方案C（三段式翅片布置在换热器内壁面上再加中心扰流体），方案D（三段式翅片布置在中心扰流体上），方案E（只布置单段式翅片），方案F（单段式翅片布置在换热器内壁面上再加中心扰流体），方案G（单段式翅片布置在中心扰流体上）。基于ANSYS Fluent建模仿真，对上述8种方案的换热器内部速度分布、壁面温度分布、壁面平均温度、壁面温度分布均匀性、换热器压降等进行了分析。

结果表明：在压降不是很大时，换热器内部布置的翅片相对较多且相对复杂时，扰流效果更好，从而更有效地提高强化换热的效果；中心扰流体能够提前使尾气与壁面接触，增加尾气与壁面的接触，也会有效地提高强化换热的效果；翅片布置在中心扰流体上的强化换热效果比翅片布置在内壁面加中心扰流体的相对更好。

根据所得结果，提出两条优化建议：第一，分析结果中8种方案的压降都不是很大，温度均匀性提升也不明显，因此还有很大提升空间，为了进一步提升扰流效果，更有效地利用尾气废热，翅片与中心扰流体的数量和复杂程度还能再加强，如在方案D的基础上再增加翅片的数量或对方案D中的翅片施以一定的角度使结构复杂化，这样的强化换热效果将更好；第二，方案A比方案B的换热效果好，但分析结果很相近，而与方案B相比只是相对简单的方案E其结果却相差较远，因此可以在方案B的基础上增加翅片的数量或对翅片施以一定的角度使结构复杂化，扰流效果将增强，再与方案A比较，或许只布置相对复杂化翅片的换热器比只布置中心扰流体的换热效果要好。

关键词：尾气废热；环形；换热器；强化换热；翅片和中心扰流体

ABSTRACT

The use of thermoelectric power generation technology to effectively utilize automobile exhaust gas waste heat can reduce fuel consumption and environmental pollution. The annular thermoelectric power generation module and the exhaust pipe are well matched with respect to the flat structure. Ring heat exchangers are an important part of them, and their design is crucial. In this paper, based on the light pipe toroidal heat exchanger (original scheme), in order to enhance heat transfer and use exhaust gas waste heat more effectively, seven heat exchanger schemes are proposed: scheme A (only central disturbance fluid is arranged), scheme B (only layout Three-stage fin), option C (three-stage fins are placed on the inner wall of the heat exchanger plus central disturbance fluid), option d (three-stage fins are placed on the central disturbance fluid), scheme E (only Arrange single-stage fins), option F (single-segment fins are placed on the inner wall of the heat exchanger plus central disturbance fluid), and scheme G (single-segment fins are placed on the central disturbance fluid). Based on the fluent modeling and simulation of ANSYS, the internal velocity distribution, wall temperature distribution, wall average temperature, wall temperature distribution uniformity, heat exchanger pressure drop, etc. of the above eight schemes were analyzed.

The results show that the pressure drop is when the fins are arranged in a large amount and relatively complicated, the spoiler effect is better, so that the effect of enhanced heat transfer is more effectively improved; the central disturbing fluid can make the exhaust gas contact the wall surface in advance, and increase the exhaust gas. Contact with the wall surface will also effectively enhance the effect of enhanced heat transfer.The enhanced heat transfer effect of the fins on the central scrambling fluid is relatively better than that of the fin arrangement on the inner wall surface plus the center disturbing fluid.

According to the results obtained, two optimization suggestions are proposed. Firstly, the pressure drop of the eight schemes in the analysis results is not very large, and the temperature uniformity improvement is not obvious, so there is still much room for improvement. In order to further improve the spoiler effect, More efficient use of exhaust gas waste heat, the number and complexity of fins and centrally disturbed fluids can be further enhanced, such as increasing the number of fins on the basis of the scheme d or applying a certain angle to the fins in the scheme d The structure is complicated, and the enhanced heat transfer effect will be better. Secondly, the heat transfer effect of the first scheme is better than that of the scheme B, but the analysis results are similar, but compared with the scheme B, it is a relatively simple scheme, but the result is different. Farther, so you can increase the number of fins on the basis of the scheme B or apply a certain angle to the fin to complicate the structure, the spoiler effect will be enhanced, and then compared with the scheme A, perhaps only the relatively complicated fins are arranged. The heat exchanger is better than the heat transfer effect of only the center disturbing fluid.

Key words:exhaust waste heat; ring; heat exchanger; enhanced heat transfer; fin and center disturbing fluid

目录

摘 要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国内外研究现状 2

1.3本研究主要研究内容 4

第2章 物理模型 5

2.1环形汽车尾气热电发电系统换热器的设计与验证 5

2.1.1光管环形换热器（原方案）的设计 5

2.1.2数学模型的简化与选择 5

2.1.3控制方程 7

2.1.4边界条件设置 8

2.1.5验证 9

2.2强化换热 10

2.2.1强化换热的方法 10

2.2.2其余方案的设计 11

2.3本章小结 12

第3章 基于Fluent的仿真计算及结果分析 14

3.1概述 14

3.2仿真结果分析 14

3.2.1温度与速度分析 14

3.2.2壁面温度分布均匀性分析 21

3.2.3压降分析 22

3.3本章小结 24

第4章 总结与展望 25

总结 25

展望 25

参考文献 26

致谢 28

第1章 绪论

1.1研究背景

中国能源资源总量丰富，但人口众多，能源资源分布广泛却不均衡且能源资源开发难度较大，所以人均能源资源拥有量在世界上依旧处于较低水平。而且化石能源储量有限，因此提高能源利用率、积极寻找节能方法以及开发新能源已成为当务之急。其中温差发电材料科学的快速发展吸引了国内外较大的关注，其所带来的温差发电技术是一种利用高、低温热源之间的温差进行发电、对废热进行开发的技术，而在我们周围就有太多的"余热"可以利用，如废气热、太阳热等。在能源需求日益增长的今天，它的出现能有效地利用原本无用的能源，节约成本并且无污染，因此温差发电技术成为了世界各国的研究热点。

温差发电器是一种对温差发电技术的新型应用，其有着无污染、无噪音、可高效转换能量的特点。由于半导体的温差电动势较大，因此大都是用它来制作温差发电器。现在它在各方面都有着相应的应用，如日常方面，同位素温差发电器在地面和海洋开发中的应用主要有灯塔、航标、海底声纳等。环保方面主要在于对低级热的利用。所谓的低级热包括工业废热、汽车排气管的余热、太阳热等，热源的温度范围很广。采用温差发电技术可以有效地利用低级热，开发出无污染的清洁能源。温差发电器甚至在军事方面的雷达、导航设备等和航天方面的飞船上都被使用。

其中对汽车尾气余热进行温差发电的研究，能够极大提升汽车的节能减排。随着经济的增长，中国机动车保有量不断上升，据统计^[1]，在2018年全国新注册机动车就有3172万辆，而机动车总保有量已达3.27亿辆，截止至2018年底，全国汽车保有量已达2.4亿辆，比2017年多增加了2285万辆，增长了10.51%。可以预见，未来机动车总量还会进一步上升。而众所周知，汽车产业是典型的高能耗产业。在这庞大的汽车保有量中，传统内燃机车辆依旧占大多数。但是这些以汽油和柴油为燃料的传统内燃机车辆其能量利用率却并不高，根据相关研究^[2]，汽车发动机目前的热能利用率约为30%，其余大部分热能则是以冷却水和尾气等方式带出发动机，而这其中又有大约40%的热能以尾气余热的形式被排放到空气中，这不仅可能造成极大的污染，还浪费了大量的能量。国家大力提倡绿色环保、节能减排，汽车排放法规同样越来越严厉，开发汽车尾气余热温差发电器，可以有效地将汽车尾气中的热能转化成电能，有利于提高内燃机的能源利用率，达成节能减排的目的。

1.2国内外研究现状

自从1821年Secbeck发现塞贝克效应，许多国家就开始对温差发电技术进行大量研究。1947年，第一台温差发电器终于问世。在这之后许多国家的政府和公司都有投入资金用于开发温差发电技术，使得全球范围内掀起了研发这种绿色电源的浪潮。如前苏联先后制造了1000多个同位素温差发电器，这些温差发电器多用于卫星电源、灯塔和导航标识等方面，美国也不甘落后，自1961年起在二十多项空间任务中使用了同位素温差发电器做电源，例如著名的阿波罗登月计划、伽利略飞船等。1997年，美国成功地发射了有同位素温差发电器作电源的探测土星的卡西尼行星际飞船。2006年，发射了同样用温差发电器作电源的探测冥王星的新视野号飞船。

在企业方面，早在1990年，美国Hi-Z公司就进行了载重汽车余热温差发电器的开发计划，其为热电转换研制了一种热电模块，并在2001年将研制的热电模块装备在250KW康明斯柴油机的温差发电装置上^[3]。1998年，日本Nissan汽车公司研制中心开发了SiGe合金热电转换模块，在道路试验中，其热电转换装置的转换效率达到11%^[4-5]。2004年美国通用汽车公司研发的轻型卡车尾气发电项目的温差发电装置在其公司生产的Sierra轻型皮卡上得到成功应用^[6]，在FTP工况下可节省燃油达3%-4%。并且2005年之后研制的Skutterudites材料的温差发电模块能有效地提高燃油经济性达5%^[7]。2009年大众汽车公司研发出装有热电发电装置的原型汽车，其不仅可以减少约5%的燃料消耗量，通过热电模块转换的电能还能满足30%的整车电气需求量^[8,9]。
随着对能源需求的加剧，各个国家也愈发重视温差发电这项发展前景广阔的技术。如果此项技术能够成功应用在汽车上，那么将能有效地利用废热以减少能源消耗，极大地缓解能源危机。总的来说，目前对于温差发电技术的研究，国外已经到了实用化的程度，特别是在关于汽车方面的应用，其研究更是发展快速。

与国外相比，我国对温差发电技术领域的研究起步较晚，才刚刚处于初步研究阶段，而且还是处于理论研究阶段，这与我国的国情以及对这方面的科研投入是有着很大关系的。过去很长一段时间里我国在温差发电技术产品的自主创新方面基本为零。最近一些年来，由于能源的紧缺以及对环保的要求，国家也开始投入温差发电技术，在国家的大力支持下，温差发电技术取得了长足的进步。

武汉理工大学的邓亚东等^[10]基于对汽车尾气温差发电装置热场数值模拟的分析，提出了一种能够改善温差发电装置热端和冷端温度分布均匀性的集成结构，将装置的热电转换性能最大化程度地发挥出来，有利于温差发电装置全面车载的实现。上海交通大学的全睿等^[11]首先构建汽车尾气余热热电转换台架试验装置 ，再通过初期的试验，分析并讨论发动机在不同转速的情况下分流器对尾气出口温度的影响因素，并测试了在不同气体流场结构下集热器的表面温度分布和热电转换模块的输出性能，最后综合初期试验结果和实际经验提出对系统设计与集成的改进措施。

但无论是国外还是国内，由于气体自身热导率低，热容小，与传热面进行热交换，其传热系数不高，所以温差发电装置的热量转换效率并不是很高，因此研究者都在想方设法地提高汽车尾气的传热效率。Musial等^[12]研究的重点是建立一个数值模型，确定分散锥对换热器温度分布的影响和对换热器能量转换效率的影响。因为分散元件的作用是混合气流，改善内部换热器翅片之间的流动，以加强换热。试验最后获得了较好的传热比和热电模块热侧的最佳温度分布，结果清晰地表明，分散锥的存在使热电发电机的效率提高至少25%。上海工程技术大学的胡伟平^[13]从结构方面提出一种新型平板式温差发电器矩形换热通道，为强化尾气与通道壁面间的对流换热强度，其在通道内壁面加入了平直翅片，然后对不同换热管道进行试验，结果表明光滑管道的壁面平均温度、开路电压负载功率均要低于翅片管，其中某种类型翅片管是最高的。武汉理工大学的袁晓红^[14]针对温差发电装置热端与冷端温度特性开展研究，包括热端仿真及温度场研究等，并综合各种数据和分析结果设计出层叠平板式温差发电装置，有效地提高了对尾气废热的利用。

但这些多是在平板式温差发电装置的基础上进行改进设计的，由于是平板式，不仅结构简单，还有利于温差发电模块的布置，是目前研究最深入和应用最广泛的类型，但是平板式温差发电装置与排气管无法完全接触，匹配性能方面不是很良好，会使传热效率降低。而环形汽车尾气热电发电系统与排气管匹配良好的优良性能，开始得到国内外学者和企业的关注。其中Shen等^[15]以恒定热流条件下的环形热电模块为研究对象，研究形状参数、外部载荷、热通量，冷端传热能力和臂高等因素对系统性能的影响，并与恒温条件下的性能进行比较，通过分析，得出表征环形热电模块几何特征参数的环形参数不受其他参数影响的结论。现在对环形汽车尾气热电发电系统的研究成果并不多，但它的优良性能已经开始吸引各学者对其展开研究。本文亦旨在设计一款环形尾气换热器，使其可以更有效地利用尾气废热。

1.3本研究主要研究内容

环形汽车尾气热电发电系统由于无运动部件、可靠性高和与排气管匹配良好的优良性能，开始得到国内外学者和企业的关注。尾气换热器（即排气管）一方面由于直接影响热电发电模块热端温度及其分布，影响AAETGS性能，另一方面由于影响尾气压降，影响发动机性能，因而其设计至关重要。基于此，本设计基于ANSYS建模仿真，旨在设计一款环形尾气换热器，使其可以更有效地利用尾气废热。主要工作包括强化尾气换热器传热手段的提出和验证。本研究的主要内容如下：

1. 针对目前平板式热电发电系统需要改进的情况，提出一种环形汽车尾气热电发电系统，为强化换热，在原方案的基础上提出另7种换热器方案。
2. 基于ANSYS Fluent建模仿真，对上述8种方案的换热器内部速度分布、壁面温度分布、壁面平均温度、壁面温度分布均匀性、换热器压降等进行了分析。
3. 根据所得结果，提出可行的改进优化建议。

第2章 物理模型

2.1环形汽车尾气热电发电系统换热器的设计与验证

2.1.1光管环形换热器（原方案）的设计

本文研究的光管环形换热器（原方案）的外形如图2.1所示，其分为两端尾气进出口部分、渐扩渐缩部分和中间的主体部分，主要尺寸^[16]如下：换热器的总长为960mm，进出口段长度为50mm，直径为60mm，渐扩渐缩部分的高度为80mm，中间的主体部分为700mm，直径为80mm。本文主要研究的是中间主体部分，因此只有中间主体部分的壁面能进行热交换，进出口段与渐扩渐缩部分的壁面设定为不参与热交换。

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