汽车尾气热电发生器换热器的多目标优化外文翻译资料

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汽车尾气热电发生器换热器的多目标优化

关键词：

热交换器，热电发生器，CFD模拟，代理模型，多目标优化

引言

目前，热电发电机优化主要侧重于转型或改进的热交换器。这项研究旨在消除热力和压力之间的矛盾，通过翅片分布的数学优化来实现热交换器的性能。为了评估热交换器的热性质和压力损失，五个翅片参数和四个优化目标（即平均温度，纵向温度梯度，横向温度梯度和热交换器从入口到出口的平均静压降）被提出。采用一个正交阵列进行流体力学模拟，并探讨了五个翅片参数对热压性能的影响。结果表明：翅片高度对平均温度升高的影响最大（占34%）。翅片间距对四个目标的影响与翅片高度相反。据此，翅片间隔距离是唯一有利于压力下降的参数。除了纵向温差明显减小，翅片角度对四个目标以及间隔距离显示出均匀效应。四个代理模型通过第三阶响应表面方法构建，以提取五个参数和四个目标之间的变化规律。最后，使用基于归档的微遗传算法来获得最优翅片参数。尽管优化后的水平温差降低了平均温度，但水平温差从222.46℃提高到226.4℃，而纵向温差则下降从29.36℃到28.9℃.而且，压降降低了约20%，这可能对于热点发电机系统的全球改进意义不大。

1. 介绍

对于内燃机车辆来说，约有40%能量以车辆废热的形式损失。在节能环保的领域中，热点发电机（TEG)作为将废热转化为电力的工具，由于噪音低，零排放，零消费和清洁能源生产，已被全面讨论。

在过去的三十年中，在提高TEG系统的效率或最大输出功率方面已经考虑了各种方法。热电材料和热电模块配置考虑了两种有效的方法。这些方法涉及相变材料的整合，热点优值ZT值增加（其中Z是热电系数（单位：1/K），T是温度（单位：K））和热点模块参数的最佳化（例如腿长，填充分数，腿面积比率，TEG模块面积，数量和覆盖范围率）[1-6]。冷却装置，例如冷却介质选择，内部散热结构和冷却质量流量，显然提高了TEG的性能[7-9]。

实际上，废热回收的效率可能是主要的，通过保持足够的温度梯度和减少系统的热损失来改善不同工作条件下的热电模块[10]。关键在于热交换器内翅片的几何结构和分布保持温度梯度并减少热量损失。热量交换器在改善TEG效率方面起着重要作用，当不同的结构拓补和尺寸参数不同时利用。巴斯等人。[11]提出了一种六角形缸体的热量交换器，在表面上安装不连续的旋流翅片，中心体打破层状边界层和加强气体湍流。Wang等人。[12]提出了一种新型的开放式金属泡沫填充板式换热器，以及在改进方法方面（如增加入口气温）方面，Crane和Lagrandeur[13]改进了通过改变平面来实现热交换器的热分布，结构设计为带有内部折叠翅片的不锈钢设计气缸。Wen等人。[14]研究了板翅式换热器前部的流动特性，并确定均匀性和传热可以通过安装拳击挡板来加强。Liu等人。[15]设计了一种新型换热器，通过混乱的内部翅片来获得更合理的温度，热量和压力场。Lu等人。[16]研究了矩形偏置带翅片的结构参数对排气热交换器传热的影响，结果表明，最优化结果存在翅片横向间隔和翅片厚度方向，以输出最大功率。Deng等人。[17]讨论了具有不同内部结构的换热器的热特性。其结果表明，由黄铜制成的板型热交换器鱼骨形翅片实现了相对理想的热特性。Lu等人。[18]测试了三个排气热交换器在概念上与消声器组合在一起，结果显示“1出口2出口”表现出均匀的热分布和轻微的压降。Brennan和Wicksteed[19]根据压力和速度评估了六台热换器在换热器口处的型材。Wang等人。[20]设计了一个具有凹坑表面的板状热交换器，结合两个流线型的翅片来增强传热效果，减少背压。Niu等人。[21]排气通道的影响，并建议可变挡板角度沿着流动方向增加可能是在热量传递和压降方向的中间过程。

然而，上述研究主要集中在热交换器的传热或热性能改进选择不同的热换器类型或采用特殊的几何形状结构。虽然几项性能（如温度分布）得到改善或压力损失降低，温度均匀性和压力损失不容易达到TEG。通过采用不同的结构或增强措施可以提高温度均匀性。然而，这样的行动往往导致压力损失增加，因为这些适当的关系时相互影响的。因此，Wang等人。[22]首先采用代理模型和多岛遗传算法优化百叶窗结构参数，通过考虑在换热器内温度均匀性和压力下降。然而，沿纵向和横向的温度梯度的优化，对TEG很重要，没有涉及。一般来说，理想的热量交换器的特点是应该有良好的性能温度，压力和速度场。因此，对于给定的板型换热器，目前研究提出的四种最优目标，即Y1（平均温度），Y2（纵向温差），Y3（横向温差）和Y4（平均静态压降）来评估热交换器的性能。此外，还有内部翅片的五个结构参数被选为设计变量。相关性通过计算流体动力学(CFD)模拟评估参数和目标之间的关系。构建四个近似的代理模型来实现在设计参数之间数学关系的近似。最后，应用多目标优化方法获得最优组合的翅片参数。

2.建模和仿真

2.1 TEG

图1显示了TEG结构。废气流入换热器形成热端。冷却水泵入冷却水箱形成冷端。模块制成的半导体材料夹在热端之间和冷的一面;之后，由于温差产生电力。目前的研究重点在于换热器内翅片分布和尺寸的优化，以改善热交换器的热和压力性能，并提高三甘醇效率。

图1 温差发电器结构

2.2 参数定义

热交换器的三维几何模型是用三维模型构建的，尺寸如图2所示，除了五个翅片参数外， 它们被设置为可调参数以满足设计要求。换热器由黄铜制成。进气歧管和排气歧管的直径都是36毫米。热交换器的前部和后部部件呈现为楔形物结构状。空腔高度范围从36毫米到12毫米， 而宽度范围从36毫米到300毫米。楔形过境区的总长度为240毫米。两个翅片与长40毫米，角度110°的两个翅片之间使用分流热流。翅片和对称平面之间的距离是15毫米。热交换器的中间部分为长方形，尺寸为420mmtimes;300mmtimes;12mm。翅片的纵向间距为60mm，每个翅片的尺寸相当。

许多因素，特别是翅片的尺寸和分布会影响热交换器的热性能[23]。不同的翅片参数组合可能会导致在排气模式，速度，压力和温度方面的不足。因此，选择了五个关键的设计参数（见表1），并且设计参数的范围根据工程经验定义。

图 2 板型热交换器的二维结构（单位：mm）

表1 翅片参数定义：

2.3 优化目标选择

为了评估热换器的热量和压力表现，提取以下四个目标进行评估热交换器的导热和压力性能：平均温度Y1，这反映了平均热电TEG的转换能力;纵向温差Y2，它反映了纵向温度的分布 从入口到出口方向的梯度; 横向温差Y3，其反映沿翼展方向的温度均匀性和压力降之间的差异； 热交换器入口和出口之间的压降Y4，反映了热换器发动机排气的背压的影响。在这个研究中，

热交换器的温度性能由Y1，Y2和Y3表征，而压力性能则由Y4展示。应用三阶响应曲面方法来拟合四个目标和五个参数之间的关系[24]。

2.4 实验设计

科学和工程领域处理有关问题，参数分析和优化，许多实验设计（DOE）技术都被使用。基本上，能源部确保这一点，通过执行最少数量的实验，收集最大的相关信息。在这项研究中，应用一个正交阵列进行实验以获得用于近似代理模型的数据。如表2所示，翅片的五个因素用五列表示，并且每个因素被统一分成四个级别（即五个因子和四个级别）。进行十六组实验就可以可以顺利解决上述方程。另外，该功能可以保证可能的4^5=1024组实验模型的精度。可以得到五个参数的平均值，即

。

表2 热交换器的实验计划：

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