热电发电机组低温余热收集系统的实验与仿真外文翻译资料

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热电发电机组低温余热收集系统的实验与仿真

摘要

在这个案例研究中，一个回收废热的系统由24个热电发电机组（TEG）组成，用于将来自汽车排气管的热量转换为电能。对该系统中的热电模块进行模拟和实验以评估这些应用的可行性。在模拟结果的基础上设计了一个溅落模块，以统一内部热场，从而提高TEG模块的性能。除了模拟，系统的设计和组装。测量系统连接到排气管的中间。系统的开路电压和最大功率输出表征为温差的函数。通过这些模拟和实验，展示了商用TEG模块产生的功率。总结这个案例研究和我们以前的工作，结果奠定了低温废热发电系统的基础性发展，提高了车辆的TEG效率。

关键词：余热，复原，热电，发电机，排气管，仿真

1. 引言

由于越来越重视环境保护，热电技术的应用得到了广泛的研究。热电发生器（TEG）可以以简单可靠的方式提供热电能量转换。另外，TEG模块具有很多优点，比如没有移动部件，相当环保。由于这些优点，使用TEG收集废热已在许多工业领域中进行了全面讨论。在过去的30年中，人们越来越关注利用这种热电技术来提高废热回收效率，使用各种热源，如地热能，发电厂，汽车和其他工业发热过程。

然而，热电发电的主要挑战是其热电转换效率相对较低。世界各地的研究小组正在努力提高BiTe，ZnBe，CeFeSb，SiGe等热电材料的固有转换效率，甚至是新型纳米线或纳米线热电材料。不知何故，纳米材料的比例在我们的日常生活中很难实际应用，所以它还处于发展阶段。在余热回收发电的情况下，汽车中有许多概念设计。他们中的大多数使用BiTe基散装热电材料，因为它是商业可用的。 Hi-Z Technology试图发现并提高热电模块的效率。 HZ-14模块基于Bi2Te3，理论和实验效率约为5％;Hi-Z的实用设备的目标是效率约20％。想象一下，如果更换1千瓦，那么TEG装置的效率就会达到12％到30％的油耗。对于热电技术在汽车中的应用，Hsiao和Chang构建了一个数学模型来预测连接到废热回收系统的TEG模块的性能。结果表明，TEG模块在排气管上比在散热器上表现出更好的性能。最近，Thacher等人通过串联16个BiTe基TEG模块，研究了轻型卡车尾气余热回收的可行性，该模块在高速下表现出良好的性能。之后，Niu 将56个BiTe基TEG模块串联连接，以显示使用TEG进行低温废热回收的潜力。其中也显示出良好的转换效率（eta;asymp;4.44％）。为了提高性能，Gou提出了许多建议以获得更好的性能，如提高废热温度和TEG模块串联，将散热器表面面积扩大到适当范围，并增强冷端传热能力。

在之前的研究中，我们构建了一个热电阻网络来分析一对热电臂，这有助于更准确地预测功率输出。此外，还构建了一个仿真模型来研究热场分布和系统功率输出预测，实验验证了这些结果。在这项研究中，对以前工作的进一步分析是提出了相关的热电方程，并且用仿真结果选择合适的散热器。这项研究的具体问题是将废热能量转化为电能，尤其是在车辆和摩托车中运用。如以下各节所述，我们设计、模拟和制造了回收废热的系统来实现回收能量的目标。

1. 实验设置

这种废热回收系统设计用于汽车排气管。TEG模块（TMH400302055，Wise Life Technology，台湾）串联电气连接，但热并联，这些模块布置在废气通过的铝制热交换器的两个表面上。图1显示了实验余热回收系统的示意图。配备一些测量仪器来构建这个实验装置。使用电源（HP 6032A系统电源）来驱动这些风扇来冷却散热器。T型热电偶嵌入TEG模块的热端和冷端，以便在测量时记录温度。高功率电阻器阵列串联到用于捕获优化的功率输出的匹配负载的系统。电流表和电压表连接起来，分别测量电路中的电流和电压通过外部负载电阻。

图1.实验余热回收系统示意图

1：汽车排气管 2：用于通过排气的换热器 3：TEG模块 4：散热片 5：轴流风机 6：热电偶 7：电源 8：高功率电阻器阵列 9：电流表 10：电压表.

1. 模拟分析

3.1系统架构

在先前研究的第一代余热回收系统的基础上继续研究，第二代余热回收系统的构建增加了原来的尺寸，如图2所示。尺寸从27厘米增加到54厘米，长17〜23.6厘米，高23.6〜29.6厘米。另外，TEG模块的数量从8个增加到24个。

表1显示了这些系列仿真中每个元素的边界条件和尺寸。这些热管理解决方案的系统设计通过使用市场上可买到的计算流体动力学（CFD）软件FloTherm来支持。所选择的TE模块的局限性限制了允许热端工作流体温度通常小于573K。因此，这个573 K的特定温度被选为仿真中的排气温度。对于冷却空气的外部流动，轴流式风扇（Minebea-Matsushita 2410ML-04 W-B86）的流速为（根据供应商的数据表）。 因此，在环境温度设置为300K时，仿真考虑了该速度的风扇流量。

图2.第二代余热回收系统的原型

表1这些系列仿真中的边界条件

3.2 热场分布

值得注意的是，在系统组装之前，模拟将有助于加强进一步的设计。对于这种特定情况，车辆排气管的直径为65毫米，但该废热回收系统的热交换器设计为236毫米宽。当排气流经排气管进入系统时会突然膨胀，导致热交换器内热量分布不均匀。也就是说，大部分热源集中在热交换器的中部，而只有少部分热量通过两侧，如图3a所示。这将严重影响TEG模块的整体性能。相应地，连接到两侧的TEG模块比中央行附着的TEG模块要差得多。为了改善这种现象，倾斜块在突然进入的入口处被引入，如图3b或图4c所示。倾泻块将热源分成三部分使得热分布更均匀的部件，并且预期两侧的TEG模块的性能得到改善。

在图3a和b的仿真过程中，环境温度分配为300 K.但是，系统中可能积聚热量，环境温度会在短时间内增加。无论这种瞬态现象如何，图3都是在稳态运行结果中捕获的。

图3稳定状态热场分布示意图：（a）和（b）分别研究了在入口突然膨胀时没有和带有滑块的铝换热器。

1. 测量

4.1系统设置

为了估算此案例研究的输出性能，建立了废热回收系统，如图4所示。图4a显示了本应用中使用的具有199对TE支管的TEG模块。表2列出了一对TE臂的几何特征和传输特性。图4b和c分别显示了出口和入口盖的照片。值得注意的是，由于模拟结果，倾斜块安装在入口处。图4d显示了作为热交换器提取废热能的19鳍结构铝散热器的照片。图4e显示了半成品系统的照片。TEG模块上的铜散热器和轴流式风扇（美蓓亚 - 松下2410ML-04 W-B86）应降低TEG冷端的温度，以产生更大的温度差异。图4e也显示了用于固定和定义TEG模块位置的胶木框架。这种胶木框架被认为是有效隔热材料，以防止热能损失。图4f显示了废热回收系统的照片。两个19鳍结构铝散热器相互组装，作为废气通过的热交换器。与先前研究中讨论的无翅片结构相比，翅片结构更有效地进行热交换。在这个系统中，有24个TEG模块夹在散热片和热交换器之间。表1列出了每种元件的其他详细尺寸。为了降低热接触电阻，在TEG模块的两侧均匀涂抹了热界面材料（导热油脂）。

图4.废热回收系统示意图：（a）TEG模块。（b）插座盖。（c）带倾斜块的突然膨胀入口。（d）19鳍结构铝散热器。（e）和（f）是半成品和完全完成的系统。

表2 一对TE臂的几何特征和运输特性

4.2单个TEG模块测试

在进行系统性能测试之前，应通过测试单个TEG模块来实现性能预测。TEG测量系统用于测量TEG模块的性能。引入加热器/铜板/ TEG模块/铜板/液体冷却系统的夹层结构（从上到下）以测量单个TEG模块。因此TEG模块被夹在两块铜板之间。将两个热电偶分别插入这两个铜板中以测量TEG模块的热侧和冷侧之间的温差。从水循环冷却器供应冷却剂（水）以保持冷端温度（Tc）。对于应用于TEG模块的温差

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