一种汽车尾气温差发电器的热交换腔室的结构设计方法技术

本发明专利技术公开了一种汽车尾气温差发电器的热交换腔室的结构设计方法，步骤1，测量汽车尾气温差发电器各部分的导热热阻；步骤2，测量并计算换热系数；步骤3，测量温差发电片的冷、热端温度；步骤4，计算汽车温差发电器的输出功率；步骤5，计算汽车温差发电器因增大扩张比而引起的排气背压损失；步骤6，计算渐缩式温差发电系统的净输出功率P

【技术实现步骤摘要】
一种汽车尾气温差发电器的热交换腔室的结构设计方法


[0001]本专利技术涉及一种汽车尾气温差发电器的结构设计方法，特别提供了一种汽车尾气温差发电器的热交换腔室的结构设计方法。

技术介绍

[0002]温差发电器是一种基于塞贝克效应发展起来的能源回收技术，其原理是当温差发电片两端产生温差时，闭合回路中就会产生电流，从而实现热量的有效回收。由于温差发电器具有无运动组件、安全、无污染和结构简单等特点，可以直接将热电转换成电能，有助于实现环保低碳目标。应用于汽车尾气的温差发电器，热端直接利用汽车尾气，冷端采用风冷或者水冷系统，其产生的电能可以直接用于车内电器系统或者存储于蓄电池中。
[0003]温差发电器包括进气口、扩张腔、安装在扩张腔外表面的温差发电模块以及出气口，温差发电模块两侧分别连接扩张腔和散热器；
[0004]温差发电器的扩张腔腔室结构对温差发电效率有着明显的影响，现有温差发电器的内部结构研究多为在扩张腔腔室内安装翅片以捕获更过的热量；通常，腔室内上下壁面之间的距离或直径与进气口的直径的比值，称为扩张比，其同样对温差发电器的换热发电效率有着很大的影响，进气口直径相对于腔室内上下壁面之间的距离或直径过小，则腔室内换热效率慢；进气口直径相对于腔室内上下壁面之间的距离或直径过大，则腔室内尾气流动过快造成能源浪费，同时换热效率也明显降低；因此对扩张比进行优化，使温差发电器最大效率的进行换热发电，是目前亟待解决的难题。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：提出一种汽车尾气温差发电器的热交换腔室的结构设计方法，通过改变扩张比来有效提高温差发电器的净输出功率，进而优化温差发电器的性能。
[0006]技术方案：一种汽车尾气温差发电器的热交换腔室的结构设计方法，具体步骤如下：
[0007]步骤1，测量汽车尾气温差发电器换热器底板、散热器底板和陶瓷板和PN结的导热热阻；
[0008]步骤2，测量并计算空气对扩张腔表面的对流换热系数以及冷却水对散热器表面的对流换热系数；
[0009]步骤3，测量温差发电片的热端温度T
h
和冷端温度T
c
；
[0010]步骤4，计算汽车温差发电器的输出功率P
output
；
[0011]步骤5，计算汽车温差发电器因增大扩张比而引起的排气背压损失；
[0012]步骤6，计算渐缩式温差发电系统的净输出功率P
net
；
[0013]步骤7，比较净输出功率和的大小，若则继续增大扩张比m，重复以上步骤，直到
△
P
net
<0。
[0014]进一步的，所述步骤1具体如下：
[0015]扩张腔底板的导热热阻为：
[0016][0017]式中，δ
h2
为与下陶瓷板相接触的扩张腔厚度，λ
h2
为换热器底板的热导率，A
h2
为扩张腔底板的横截面积；
[0018]散热器底板的导热热阻为：
[0019][0020]式中，δ
c2
为与上陶瓷板相接触的散热器底板的厚度，λ
c2
为散热器底板的热导率，A
c2
为散热器底板的横截面积；
[0021]陶瓷板的导热热阻为：
[0022][0023]式中，δ
ce
为陶瓷板的厚度，λ
ce
为陶瓷板的热导率，A
ce
为陶瓷板的横截面积；
[0024]PN结的导热热阻为：
[0025][0026]式中，δ
PN
为P型或N型半导体的厚度，N为PN结的对数，λ
P
为P型半导体的热导率，λ
N
为N型半导体的热导率，A
PN
为单个P型或N型半导体的横截面积。
[0027]进一步的，所述步骤2具体如下：
[0028]计算空气对扩张腔表面的对流换热系数以及冷却水对散热器表面的对流换热系数：
[0029]根据Gnielinski经验公式，努赛尔系数表达式为：
[0030][0031]f＝(1.82lgRe
‑
1.64)
‑2，其中Re为雷诺数；
[0032]雷诺数其中ρ为空气或水的密度，ν为空气或水的流速，D为水力直径，μ为空气或水的动力粘度；
[0033]扩展腔中的湿周为2(b+H)，水力直径其中b为扩展腔宽度，H为扩张腔高度；
[0034]普朗特数其中μ为空气或水的动力粘度，c为空气或水的比热容，λ为空气或水的热导率；
[0035]空气或水的流速其中为空气或水的质量流量，ρ为空气或水的密度，A为空气或水的过流断面面积；
[0036]空气对换热器表面的对流换热系数或冷却水对散热器表面的对流换热系数为其中Nu为努赛尔数，D为水力直径，λ为空气或水的热导率；
[0037]联立以上，可得空气对扩张腔表面的对流换热系数h
a
与扩张比m之间的关系：
[0038][0039]进一步的，所述步骤3具体如下：
[0040]测量温差发电片的热端温度T
h
和冷端温度T
c
：
[0041]得出换热器从空气中吸收的热量为：
[0042][0043]式中，h
a
为空气和换热器表面的对流换热系数，A
a
为空气和换热器表面的接触面积，T
ai
和T
ao
分别是空气的进口和出口温度，T
h2
为扩张腔底板的温度；
[0044]冷却水从散热器中带走的热量为：
[0045][0046]式中，h
w
为冷却水和散热器表面的对流换热系数，A
w
为冷却水和散热器表面的接触面积，T
wi
和T
wo
分别是冷却水的进口和出口温度，T
c2
为散热器底板的温度。
[0047]温差发电系统工作过程中，空气和水的内能的改变量分别近似等于扩张腔的吸热量和散热器的散热量，可以计算如下：
[0048][0049][0050]式中，c
a
为空气的比热容，为空气的质量流量，c
w
为冷却水的比热容，为冷却水的质量流量。
[0051]从温差发电系统的总热阻出发，扩张腔的吸热量和散热器的散热量可以计算如下：
[0052][0053][0054]其中，R
h
＝R
ce
+R
h2
，R
c
＝R
ce
+R
c2
，
[0055]式中，T
h
为温差发电片的热端温度，T
c
为温差发电片的冷端温度，R
ce
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种汽车尾气温差发电器的热交换腔室的结构设计方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1，测量汽车尾气温差发电器换热器底板、散热器底板和陶瓷板和PN结的导热热阻；步骤2，测量并计算空气对扩张腔表面的对流换热系数以及冷却水对散热器表面的对流换热系数；步骤3，测量温差发电片的热端温度T
h
和冷端温度T
c
；步骤4，计算汽车温差发电器的输出功率P
output
；步骤5，计算汽车温差发电器因增大扩张比而引起的排气背压损失；步骤6，计算渐缩式温差发电系统的净输出功率P
net
；步骤7，比较净输出功率和的大小，若则继续增大扩张比m，重复以上步骤，直到
△
P
net
<0。2.根据权利要求1所述的汽车尾气温差发电器的热交换腔室的结构设计方法，其特征在于：所述步骤1具体如下：扩张腔底板的导热热阻为：式中，δ
h2
为与下陶瓷板相接触的扩张腔厚度，λ
h2
为换热器底板的热导率，A
h2
为扩张腔底板的横截面积；散热器底板的导热热阻为：式中，δ
c2
为与上陶瓷板相接触的散热器底板的厚度，λ
c2
为散热器底板的热导率，A
c2
为散热器底板的横截面积；陶瓷板的导热热阻为：式中，δ
ce
为陶瓷板的厚度，λ
ce
为陶瓷板的热导率，A
ce
为陶瓷板的横截面积；PN结的导热热阻为：式中，δ
PN
为P型或N型半导体的厚度，N为PN结的对数，λ
P
为P型半导体的热导率，λ
N
为N型半导体的热导率，A
PN
为单个P型或N型半导体的横截面积。3.根据权利要求2所述的汽车尾气温差发电器的热交换腔室的结构设计方法，其特征在于：所述步骤2具体如下：计算空气对扩张腔表面的对流换热系数以及冷却水对散热器表面的对流换热系数：根据Gnielinski经验公式，努赛尔系数表达式为：
f＝(1.82lgRe
‑
1.64)
‑2，其中Re为雷诺数；雷诺数其中ρ为空气或水的密度，ν为空气或水的流速，D为水力直径，μ为空气或水的动力粘度；扩展腔中的湿周为2(b+H)，水力直径其中b为扩展腔宽度，H为扩张腔高度；普朗特数其中μ为空气或水的动力粘度，c为空气或水的比热容，λ为空气或水的热导率；空气或水的流速其中为空气或水的质量流量，ρ为空气或水的密度，A为空气或水的过流断面面积；空气对换热器表面的对流换热系数或冷却水对散热器表面的对流换热系数为其中Nu为努赛尔数，D为水力直径，λ为空气或水的热导率；联立以上，可得空气对扩张腔表面的对流换热系数h
a
与扩张比m之间的关系：。4.根据权利要求1所述的汽车尾气温差发电器的热交换腔室的结构设计方法，其特征在于：所述步骤3具体如下：测量温差发电片的热端温度T
h
和冷端温度T
c
：得出换热器从空气中吸收的热量为：式中，h
a
为空气和换热器表面的对流换热系数，A
a
为空气和换热器表面的接触面积，T
ai
和T
ao
分别是空气的进口和出口温度，T
h2
为扩张腔底板的温度；冷却水从散热器中带走的热量为：式中，h
w
为冷却水和散热器表面的对流换热系数，A
w
为冷却水和散热器表面的接触面积，T
wi
和T
wo
分别是冷却水的进口和出口温度，T
c2
为散热器底板的温度；温差发电系统工作过程中，空气和水的内能的改变量分别近似等于扩张腔的吸热量和散热器的散热量，可以计算如下：
式中，c
a
为空气的比热容，为空气的质量流量，c
w
为冷却水的比热容，为冷却水的质量流量；从温差发电系统的总热阻出发，扩张腔的吸热量和散...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪若尘，贾永飞，陈杰，孙东，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：