汽车尾气的余热发电及有效利用

蒋小强，谢爱霞，丁锦宏，何 武，李建莹

(1.福建工程学院生态环境与城市建设学院，福建福州350108；2.广东海洋大学工程学院，广东湛江524025)

汽车尾气的余热发电及有效利用

蒋小强1，谢爱霞2，丁锦宏2，何 武2，李建莹2

(1.福建工程学院生态环境与城市建设学院，福建福州350108；2.广东海洋大学工程学院，广东湛江524025)

基于热电偶温差发电原理，对汽车尾气废热进行回收，将排气中所含低品位能源转换为电能；为了使电能充分利用，结合热电制冷原理，设计一车载冰箱，将冷端置于车载冰箱中，实现汽车冰箱冷冻冷藏的功能。通过对废热回收、温差发电、半导体制冷及冰箱结构进行设计和计算，完成了新型车载冰箱的设计工作。该设计具有结构简单、坚固耐用、无运动部件、无噪声、使用寿命长等优点，同时还可降低尾气废气温度，减少温室效应，节省能耗，提高汽车经济性。

余热发电；汽车尾气；热电制冷

随着社会现代化的迅速发展，能源的需求大量增加，以致能源紧缺变得更加严重，汽车工业是我国国民经济的支柱产业之一，伴随着汽车工业的发展，车辆消耗的能源也与日剧增，使得车辆的节能备受关注。一方面，汽车的动力转换效率仅为40%(柴油机动力输出的功一般只占燃油燃烧总热量的30%～42%，而汽油机只有25%～30%)，以废热形式排出车外的能量占总能量的58%～70%(柴油机)或者70%～75%(汽油机)，主要包括循环冷却水带走的热量和尾气带走的热量，废气余热温度高，带走热量占燃料总能量的25%～45%(柴油机)或者30%～40%(汽油机)，一般可以利用的废热量为燃烧总热量的16%左右。另一方面，随着汽车工业的发展和人们物质生活水平的提高，车载冰箱逐渐走向汽车市场。世界上许多高档汽车上已经采用OEM方式嵌入配套汽车冰箱，这是真正意义上的汽车冰箱。欧美、日本、许多较专业的爱好者和国防军队都需要车载冰箱，车载冰箱也经常用于医疗药物运输中的临时保存。汽车尾气余热能量可用于车载冰箱系统的驱动能源，冬季还可以制热供暖，减少暖气能源消耗量，既可以满足人们对汽车舒适性的要求，也可以提高汽车的经济性。

温差发电是一种绿色环保的发电方式，温差发电技术具有结构简单、坚固耐用、无运动部件、无噪声、使用寿命长等优点，同时降低尾气排气温度，降低全球温室效应[1]。热电制冷冰箱是靠空穴和电子在运动中直接传递热量来实现的，它与现在的压缩式和吸附式制冷相比具有无泄漏、无污染、无噪声、无磨损以及灵活调整等优点，通过联合两个系统设计，将大大提高整车动力性能。

1 总体系统设计

1.1 总体原理分析

汽车运行时，发动机的尾气废热不断地从废气通道排出，温度高达600～650℃，通过扰流子，废气温度均匀分布在废气通道表面，形成温差发电的热源。发动机冷却水一部分通过设计水箱箱体维持在85℃，形成温差发电的冷端。温差发电热电堆系统在两端产生电动势，产生的电功率利用在两方面，一方面提供热电制冷热电堆功耗，另一方面提供风机运作，在风机的作用下，汽车室内的冷流体排风量来冷却热电制冷热端的发热，冷流体以湍流掠过肋片，带走热端发热量，确保正常运行。当汽车不运行时，电源来自蓄电池，蓄电池可以利用家庭交流电进行充电，避免汽车熄火时不制冷的短板。热电制冷热电堆在冷板制冷，提供车载冰箱的制冷量，承担其冷负荷，温度采集器采用为电脑控制的自动调节，根据冰箱内部温度和热端温度，微机进行平衡温度计算。同时，在冬季易于改装成供暖装置，图1为工作原理图。

图1 系统总体设计原理

1.2 温差发电系统

1.2.1 设计原理

将两种半导体的一端结合一起并使之处于高温状态 (热端)，另一端开路且处于低温状态(冷端)，则在冷端存在开路电压，这个效率称为塞贝克效应，温差发电是利用热电材料的塞贝克效应，它是温差发电技术的理论基础。当结点的温度差在一定范围内时，存在如下关系：

一个典型的温差发电器主要由P、N型半导体元件和负载组成，如图2所示。

图2 典型温差发电器半导体元件

半导体元件工作时，输出功率可由负载电阻获得，即：

功率为：

一个平PN连结所能产生的电动势有限，将多个PN连结串并联起来就可得到足够的电压，成为一个温差发电机。这样的温差发电完全没有转动，因此非常可靠。

1.2.2 热电材料的选择

根据汽车尾气温度以及热电偶参数综合考虑，本设计中温差发电采用半导体碲化铅(PbTe)，是具有棉心立方体晶格结构的共价金属间化合物，其熔点为922℃，过量的铅合成N型碲化铅PbTe，过量的碲形成碲化铅，两者均为掺杂的半导体，各参数见表1。

表1 半导体碲化铅参数

一般发动机冷却循环水冷端维持在85℃，而热端温度可达650℃，根据式(1)计算可得Δ=0.187 V，所以通过串并联结合，可以产生可观的电源功率。

1.2.3 结构设计

温差发电系统中，废热通道是一个很重要的载体，其基本结构如图3所示。一般的废热通道内部为空腔结构，由于发动机排气管高速排出的尾气在箱体内停留的时间短，无法将更多的尾气热量传至箱体表面，导致箱体温度分布不均匀。为了延长汽车尾气在通道内的停留时间，必须在通道内部设计扰流结构，使尾气热量充分传到通道表面[2]。废气通道长度为300 mm，宽度为150 mm，高为50 mm，废气通道管径为50 mm。

图3 废热通道结构

根据废气通道尺寸设计以及热电偶尺寸，热电偶在废气通道长方向排一行为15对，宽方向4行为一个单元完整小串联电偶，宽方向一侧排布3个类似这样的热电偶并联，同理，另一侧也是一样排布。相当于6个单元完整串联电偶电阻并联而成。

冷端采用循环冷却水，把热电偶的热端放在排气通道与冷却水箱之间，使其处于较为稳定的温度，且具有便于安装及加紧容易等优点。如图4所示，主要结构包括半导体热电模块、废气通道箱体和冷却水箱，半导体热电模块布置在废气通道箱和冷却水箱之间，废气通道箱储存发动机的排气余热，给热电偶模块提供650℃高温，即模块的热源，冷却水由水泵控制，不断循环流动，维持85℃低温，即模块的冷源。而每个热电偶是采用串并联方式连接起来。通常在热电偶模块的两端固定用于导热、绝缘的陶瓷片或者导热绝缘布[3]。

图4 温差发电总体结构

1.3 热电制冷系统

1.3.1 设计原理

电流流过两种不同导体的界面时，从外界吸收能量，或向外界放出能量，实验表明，接点处的换热量与电流成正比，即：

根据制冷原理可得，当电流通过电偶对时，热电元件内还要放出焦耳热。焦耳热与电流的平方成正比，即：

3.5 3 0 岁以上的男性开始关注心脏问题,且随年龄增加,选择心脏检查的项目增多,此现象符合医学建议。

计算证明，有一半的焦耳热传给热电元件的冷端，引起热电制冷效应降低。

由于半导体的导热，从电堆热端还要传给冷端一定的热量：

根据式(6)、(7)、(8)得热电制冷单元的制冷量：

电偶对工作时，电源既要对电阻做功，又要克服热电势做功，故消耗的功率为：

由式(9)、(10)可得制冷系数：

热电制热单元发热量：

帕尔帖效应与塞贝克效应都是温差电效应，二者有密切联系，事实上，它们互为发效应，一个是说电偶有温差存在时会产生电动势，一个是说电偶中有电流通过时会产生温差。温差电动势α与帕尔帖系数直接存在下述关系：

1.3.2 设计材料

由于导体帕尔贴效应比普通的金属电偶强得多，能够在冷结点处表现明显的制冷效应，故本设计热电制冷器的基本单元是半导体电偶。组成电偶的材料一个是P型半导体(空穴型)，一个是N型半导体(电子型)。依制冷性能数优化的原则设计电堆，能量转换的效率高，耗电少，热端散热少。本设计采用的是国产应用较为成熟的三元碲化铋-碲化锑固溶体合金，P型的材料是碲化铋-碲化锑(Bi2Te3-Sb2Te3)固溶体合金，N型的材料是碲化铋-硒化铋(Bi2Te3-Bi2Sc3)，在200 K附近优值系数维持在4×10-3，具体参数见表2。

表2 三元碲化铋-碲化锑固溶体合金

1.3.3 结构设计

在热电制冷中，由于一对基本电偶的制冷量很小，实际使用时为了满足指定的冷量，需要将许多电偶连成热电堆，本设计采用71对热电偶制冷，以7对为一行，总共10行分布，其中制冷设备主要由热电堆、导热的电绝缘层、冷板和散热器组成[4]，见图5。

图5 热电制冷设备的结构

冷板起导出冷量的作用。冷板应与被冷却物体保持良好的热电接触，接触面具有良好的导热性和电绝缘性。

散热器起到热端散热作用，采用汽车空气排风冷却，散热器可做成带翅片的表面，翅型为片状。图6为散热器结构示意图，本设计为铝制平肋片，尺寸为50 mm×30 mm×2 mm。总共为45片，分3行，每1行为15片肋片。

图6 散热器结构示意图

为了使同一侧结点的热量都能汇集在金属板 (冷板或散热器)上，而又保证各热电偶元件之间相互的电隔离性，在热堆冷端与冷板之间、电堆热端与散热器之间用一层能导热却不导电的物质隔开，该隔层即导热的电绝缘层。云母片、涂漆层或不导电的金属氧化物膜片都可以作为导热的电绝缘层材料。该层厚度越小越好，因为它夹在电堆结点与热交换器之间，将产生附加热阻和附加温差。通常每层引起的附加温差都在2 K以上。

风机冷却散热器，带走热量，使其冷却热电堆热端，根据经验选型为DC 4 V/1.5 A，外径为100 mm的风机。

根据制冷量和冰箱冷负荷的计算公式，确定制冷量与冰箱内胆的宽、深、高的关系；选取各表面的绝热层厚度，根据安装位置设定冰箱的宽、深，最后根据所列关系式求冰箱高度。考虑贮物方便，取内胆宽为0.32 m，则内胆深为0.38 m，算得高度为0.47 m，取0.40 m。

2 理论设计及校核

2.1 理论设计

根据废气通道尺寸以及热电偶尺寸，热电偶一行为15对，4行为一个单元完整小串联电偶，废气通道一侧为3个类似这样的热电偶并联，同理，另一侧也是一样排布。相当于6个电阻并联而成。

依据制冷性能数优化的原则设计电堆，则能量转换的效率高，耗电少，热端散热少。确定电堆的元件尺寸和需用电偶数目，计算一个电偶的值：

求出电阻压降(或工作电流)的优化值，以及在该条件下的性能最佳。

电源内电阻存在，电动势压降为：

根据电动势压降可知负载电压：

确定热电制冷热电偶数为：

串联电阻为：

单个热电偶制冷量：

总的制冷量为：

单个热电偶输出电源功率：

总的电源输出功率：

热端发热功率：

热电制冷热端吸收热量，根据式(12)可知，总的热电发热功率为92.57 W，散热器散热量等于热电制冷热端的发热量，使热端维持在设计温度。尺寸为50 mm×30 mm×2 mm，则计算其表面传热系数时，按流体横掠平板模式来计算[5]：

空气定性温度：(35.22+26)/2=30.61℃，35.22℃为冷流体最终温度，26℃为冷流体最初温度。故空气热导率=0.026 7 W/(m·℃)，空气的粘度为μ=0.000 016 m2/s。

因为风机采用的半径为100 mm，冷流体通过风机作用下，空气流速为1 m/s，则得：

冷流体处于紊流状态。

根据式(14)，得α=21.21 W/(m·℃)。

2.2 校核计算

2.2.1 排风量温度校核计算

新风量为总送风的10%，所以排风量为总风量的10%，则15 m3/h每人，本设计汽车设计送风量为30 m3/h。排风干球温度为26℃，故流体最终温度为：

2.2.2 冷却水箱冷端温度校核

根据能量平衡方程可知热电堆冷端放热量：

冷端冷却水带走热量为：

冷却水循环流量为：

考虑冷却水水温变化不影响发动机冷却影响，则：

2.2.3 散热器散热校核计算

根据传热学肋片传热方式，列出肋片散热系数方程：

安装部分示意图见图7和图8。

图7 温差发电剖面图

图8 冰箱整体剖面图

3 结束语

基于温差发电原理，利用汽车尾气的高温与环境低温的温差获取电源并进行应用，具有以下优点：

(1)直接为半导体冰箱提供能源，减少了能源转换环节，实现尾气废热回收和车载冰箱供能相结合；

(2)为实现冰箱供冷的连续性和稳定性设置了蓄能装置，可在汽车停止排气时为车载冰箱继续提供能源。

[1]吴业正.制冷原理及设备[M].西安：西安交通大学出版社，2010.

[2]杨世铭，陶文铨.传热学[M].4版.北京：高等教育出版社，2012.

[3]董桂田.汽车发动机排气废热温差发电[J].北京节能，1997(4)：7-10.

[4]梁雪，张永恒.便携式车载冰箱设计[J].甘肃科技，2011，22(11)：32-33.

[5]陈玉忠.微型热电制冷散热器工作状态特性分析[J].华东船舶工业学院学报，2002，16(1)：62-65.

Waste heat power generation and efficient use of utomobile exhaust

Based on the principle of the thermocouple thermoelectric power generation,automobile exhaust waste heat was recovered,low-grade energy contained in the exhaust gas was converted to electrical energy;in order to make full use of electricity,combined with thermoelectric cooling principle,a car refrigerator was designed,and the cold side was put into car refrigerator to realize the function.Through the waste heat recovery, thermal power generation,semiconductor refrigeration and freezer structural design and calculation,the design work was completed for a new car refrigerator.This design has simple,rugged,no moving parts,no noise,long life and other advantages, while reducing exhaust gas temperature,reducing greenhouse gas emissions,saving energy and improving vehicle economy.

waste heat power generation;vehicle exhaust;thermoelectric cooling

TM 913

A

1002-087 X(2016)06-1280-04

2015-12-15

福建省自然科学基金(2015J05089)；福州市科技计划项目(2015-G-65)

蒋小强(1980—)，男，湖南省人，博士，讲师，主要研究方向为制冷空调节能技术。