馬宗正，閆修鵬，王新莉，劉大成

(河南工程學(xué)院機械工程學(xué)院,河南 鄭州 451191)

由于溫差發(fā)電技術(shù)在能量回收過程中無噪聲和振動，為此基于溫差發(fā)電技術(shù)對發(fā)動機廢棄能量的回收已經(jīng)有較多的研究[1-4]。在能量回收過程中關(guān)鍵是如何實現(xiàn)溫差發(fā)電所需要的較大溫差[5-8]。如果熱源利用發(fā)動機排氣系統(tǒng)[9]，熱端的溫度足夠高(排氣系統(tǒng)的溫度能達到600 ℃以上)，但是由于一般的市售溫差發(fā)電片自身不可能承受超過220 ℃以上的溫度，所以不可能利用太高的溫度[10]；如果熱端利用冷卻系統(tǒng)的余熱能量，由于溫差發(fā)電片體積較小，熱端和冷端存在較大的熱量交換，因此主要的問題是如何保證冷端溫度[11]。

目前，冷端一般采用外部冷卻的方式，比如自然風(fēng)冷、強制風(fēng)冷及水冷。已有的研究結(jié)果表明，如果采用自然風(fēng)冷，在車速為90 km/h和120 km/h的情況下，溫差發(fā)電片的熱端溫度可控制在225 ℃以下，當(dāng)環(huán)境溫度為20 ℃時冷端溫度不超過80 ℃，此時的轉(zhuǎn)換效率在2.5%～3.2%之間[12]；如果冷卻方式為強制風(fēng)冷或者水冷，可以實現(xiàn)更大的溫差，進而提升溫差發(fā)電器的轉(zhuǎn)換效率[13]。但是當(dāng)采用強制散熱方式時，由于冷卻同時對熱端也有一定的影響，有可能會出現(xiàn)兩端溫度同時降低的現(xiàn)象，進而使得溫差發(fā)電器兩端的溫差有所下降[14]。

可見，采用不同冷卻方式對于溫差發(fā)電器有著較大的影響。此外，鑒于臺架試驗需要耗費大量的人力、物力，且參數(shù)也不易控制，為此本研究在一模擬試驗臺上對不同冷卻方式影響溫差發(fā)電器兩端溫差的規(guī)律進行了研究。

1 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)能量回收模擬試驗臺

試驗臺整體結(jié)構(gòu)見圖1。試驗臺整體可以分成三部分，測量顯示部分、溫差發(fā)電器和冷卻系統(tǒng)模擬部分。其中，測量顯示部分主要測取冷端溫度、熱端溫度以及溫差發(fā)電片輸出電壓和電流；溫差發(fā)電器用于實現(xiàn)冷卻系統(tǒng)能量的回收，主要包括集熱器、散熱器、溫差發(fā)電模塊；冷卻系統(tǒng)模擬部分主要包括保溫箱、水泵、溫控儀和風(fēng)機，保溫箱和溫控儀共同實現(xiàn)水溫的控制，水泵用于實現(xiàn)冷卻水的循環(huán)，風(fēng)機用于模擬冷卻風(fēng)扇[15]。

圖1 模擬試驗臺示意

另外，為了能夠模擬發(fā)動機大小循環(huán)過程，在管路中增加了兩個三通閥門，小循環(huán)時循環(huán)水只在保溫箱、水泵以及管路中流動，大循環(huán)時循環(huán)水在保溫箱、水泵、溫差發(fā)電器及管路中流動，從而模擬實際發(fā)動機工作過程。

2 試驗方法

在實際應(yīng)用過程中，溫差發(fā)電器需要安裝到車輛上，一般是處于發(fā)動機艙內(nèi)部，冷卻時一般利用冷卻風(fēng)扇進行冷卻[11]，當(dāng)冷卻風(fēng)扇不工作時，可以利用車輛行駛過程中產(chǎn)生的風(fēng)進行冷卻，為此綜合考慮風(fēng)扇散熱和自然冷卻，試驗過程中選擇了9.5 m/s，14.0 m/s和15.5 m/s 3種不同風(fēng)速。

溫差發(fā)電器兩端的溫度采用K型熱電偶測量(鎳鉻-鎳硅材質(zhì)，一級精度)；風(fēng)速采用GM8901風(fēng)速儀進行測量，設(shè)備精度見表1。

表1 儀器測量范圍及精度

溫差發(fā)電器在實際工作過程中，關(guān)注的重點是如何能夠產(chǎn)生更多的電能。由式(1)可知，其輸出電壓的大小與塞貝克系數(shù)、溫差發(fā)電器兩端溫差有關(guān)，而對于選定的溫差發(fā)電片來說，塞貝克系數(shù)為定值，因此在實際應(yīng)用中只須關(guān)注溫差發(fā)電片兩端的溫差。

(1)

式中：α為塞貝克系數(shù)；V0為開路電壓；TH為溫差發(fā)電片熱端溫度；TC為溫差發(fā)電片冷端溫度。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 加熱過程的變化

圖2示出在冷卻水加熱到98 ℃、環(huán)境溫度為17 ℃時，打開三通閥后冷卻水、冷端和熱端溫度的變化曲線。由圖可知，當(dāng)三通閥打開后，冷卻水溫度迅速下降，之后冷卻水、熱端和冷端溫度迅速升高，這表明保溫箱中的水快速進入溫差發(fā)電器中，使得溫差發(fā)電器兩端溫度快速升高。當(dāng)冷端和熱端溫度升高到一定數(shù)值后就不再增加， 熱端基本維持在91 ℃，冷端維持在82 ℃。冷端和熱端的溫差只有9 ℃，而冷卻水的溫度則高達97 ℃。

圖2 加熱過程中溫差發(fā)電器兩端溫度的變化

模擬冷卻液的水溫與溫差發(fā)電器熱端存在溫差的原因在于兩者之間的不銹鋼殼體，在常溫狀態(tài)下不銹鋼材料的導(dǎo)熱系數(shù)為16 W/(m·K)，相當(dāng)于在冷卻水和溫差發(fā)電器熱端存在著熱阻，進而使得熱量傳遞過程中有損失，導(dǎo)致冷卻水和溫差發(fā)電器熱端之間存在一定的溫差。

1）MBR間歇產(chǎn)水控制。當(dāng)MBR池液位高于最低液位，產(chǎn)水泵每運行8 min，停止運行2 min。產(chǎn)水泵停止運行期間，MBR池底鋪設(shè)的曝氣裝置將繼續(xù)進行，通過氣水振蕩清洗，緩解MBR周邊的污泥濃度累積，保持MBR表面的清潔。

對于溫差發(fā)電器來說，冷端和熱端均為陶瓷材料，內(nèi)部為半導(dǎo)體材料，導(dǎo)熱系數(shù)都較低，可以看作不良熱導(dǎo)體，通過熱傳導(dǎo)傳遞的能量相對較少；但是由于溫差發(fā)電器冷端和熱端的距離較近(4 mm)，此時熱輻射作用不可忽視，因此會使得冷端的溫度不斷上升，同時由于冷端和散熱片相接觸，一部分熱量會散發(fā)到空氣中，當(dāng)冷端得到的熱量和散發(fā)的熱量平衡時，溫度不再變化。由于熱端能量較大，散熱能力相對較弱，使得溫差發(fā)電器兩端溫差較小。

同時也可以發(fā)現(xiàn)，冷端溫度和環(huán)境溫度相差較大，主要在于冷端散熱能力較弱，不能夠把熱量及時傳遞出去，造成冷端與環(huán)境溫度相差較大。

3.2 風(fēng)速對溫差發(fā)電器溫差的影響

如前所述，冷端溫度與環(huán)境溫度過高造成溫差發(fā)電器兩端溫差較小，而在實際車輛運行過程中溫差發(fā)電器肯定要受到風(fēng)的影響，因此對不同風(fēng)速條件下溫差發(fā)電器兩端溫差的變化情況進行了研究。

試驗過程中分別設(shè)置了3種不同風(fēng)速狀態(tài)進行測試，其中冷卻風(fēng)通過風(fēng)機提供，并通過風(fēng)速儀測定實際風(fēng)速對風(fēng)機進行調(diào)整，達到設(shè)定風(fēng)速。冷卻方式的示意見圖3。

圖3 強制風(fēng)冷示意

表2示出不同風(fēng)速對溫差發(fā)電器兩端溫差的影響對比。由表2可知，當(dāng)利用風(fēng)機對溫差發(fā)電器進行強制冷卻時，溫差發(fā)電器冷端的溫度大幅降低，由原來的82 ℃下降至43 ℃以下，其兩端的溫差則由原來的9 ℃提高到36 ℃左右，可見，采用強制風(fēng)冷方式可以顯著提升溫差發(fā)電器兩端溫差。

表2 不同風(fēng)速下測量結(jié)果

還可以發(fā)現(xiàn)，采用強制風(fēng)冷時，熱端和冷端溫度同時下降，熱端由原來的91 ℃下降至80 ℃以下， 下降了10 ℃以上。主要原因在于熱端的集熱器為不銹鋼，當(dāng)利用風(fēng)機進行強制冷卻時，也提高了其表面的散熱能力，使得熱端溫度也下降，從而出現(xiàn)熱端和冷端溫度同時下降的現(xiàn)象。但是，雖然熱端和冷端的溫度都會下降，而冷端溫度的下降更加明顯，從而使得溫差發(fā)電器兩端的溫差顯著增大，有利于溫差發(fā)電器輸出功率的提升。

當(dāng)采用強制風(fēng)冷時，能量傳遞的主要形式是對流傳熱，對流傳熱受散熱面積、對流傳熱系數(shù)及溫差的影響，當(dāng)風(fēng)速由9.5 m/s變到15.5 m/s時，相對于風(fēng)速由0 m/s變到9.5 m/s，此時風(fēng)速的改變對傳熱系數(shù)及溫差發(fā)電器表面和環(huán)境溫差的影響較小，從而使得溫度的變化不明顯，并且由于熱端和冷端同時受到影響，致使溫差變化較小。

3.3 風(fēng)向?qū)夭畎l(fā)電器溫差的影響

在前述分析中，冷卻風(fēng)扇位于側(cè)面，如果改變溫差發(fā)電器的位置，則可實現(xiàn)正面強制風(fēng)冷，參考實際電腦CPU冷卻方式，其冷卻風(fēng)扇也正對散熱片，為此采用兩種方式(見圖4)對比了冷卻風(fēng)向?qū)夭畎l(fā)電裝置的影響。

圖4 不同風(fēng)向?qū)Ρ?/p>

表3示出正面吹風(fēng)條件下不同風(fēng)速對于溫差發(fā)電器溫差影響的測試結(jié)果。由表3可見，當(dāng)風(fēng)速為9.5 m/s時，溫差發(fā)電器兩端溫差為46.4 ℃，當(dāng)風(fēng)速進一步提升后，溫差變化不大?？梢姴捎谜鎻娭骑L(fēng)冷時效果較好，但是此時只能夠?qū)σ贿叺纳崞M行冷卻。

表3 正面風(fēng)測量結(jié)果

同時還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)正面吹風(fēng)時，相對于側(cè)向吹風(fēng)熱端溫度上升，而冷端溫度下降，冷端溫度下降了6 ℃，熱端溫度大約上升了3 ℃。

3.4 熱管對溫差發(fā)電器溫差的影響

由以上幾項試驗可見，采用散熱方式進行冷卻雖然可行，但是仍然存在冷端與環(huán)境溫度相差較大的問題，可見冷端冷卻仍然有改善空間。

圖5 采用熱管散熱示意

為了解決該問題，將散熱系統(tǒng)進行了改進，把溫差發(fā)電片冷端的連接方式改變?yōu)闊峁苓B接，其連接示意見圖5。需要說明的是，如果按照設(shè)計全部采 用熱管連接所有的冷端散熱片，需要專門的加工企業(yè)加工，本研究從試驗的角度出發(fā)，僅對單片溫差發(fā)電片采用熱管連接散熱方式進行了試驗。冷端直接與銅板接觸，通過熱管連接散熱片和銅板，此時可以增加散熱器面積，所采用的散熱片單片面積為40 mm×30 mm，共計26個散熱面，增加的總散熱面積為3.12 cm2。

測量過程和前述方法相同，也是采用風(fēng)機冷卻的方法模擬風(fēng)速的影響，冷卻方式采用側(cè)面冷卻。測試結(jié)果見表4。由表4可見，采用熱管后，當(dāng)散熱面積增加3 cm2左右時，溫差可以提高大約5 ℃。

表4 采用熱管后測量結(jié)果

由此可見，采用熱管連接增加散熱片面積的方法可以提高溫差發(fā)電器兩端的溫差，但是當(dāng)再提高風(fēng)速時，冷端溫度和熱端溫度都會降低，使得實際溫差變化不大，此時可以考慮增加熱管的長度，只冷卻散熱片。

4 結(jié)論

a) 當(dāng)開啟大循環(huán)時，溫差發(fā)電器兩端溫度同時升高，壁面材料熱阻的存在使得冷卻水和熱端存在溫差，溫差發(fā)電器兩端距離較近使得兩端溫差較低；

b) 采用強制風(fēng)冷方式雖然能夠?qū)е吕涠撕蜔岫藴囟韧瑫r降低，但是由于冷端溫度降低更加明顯，從而可以有效提升溫差發(fā)電器兩端溫差；

c) 相對于側(cè)面強制風(fēng)冷，采用正面強制風(fēng)冷方式更具有優(yōu)勢，但是只能夠冷卻單面;

d) 采用熱管連接冷端和散熱片的方法可以降低冷端溫度，從而擴大溫差發(fā)電器兩端溫差。