發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)溫差發(fā)電模擬試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)與開發(fā)

馬宗正;徐平;張乾助;李文良;寧少川;董少華;王紅毅;王新莉【摘要】開發(fā)了用于模擬發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)溫差發(fā)電的試驗(yàn)臺，實(shí)現(xiàn)了冷熱端溫度和輸出電壓的顯示利用該試驗(yàn)臺進(jìn)行了初步試驗(yàn)，研究結(jié)果顯示:由于集熱器存在一定的熱阻使得熱端溫度低于冷卻水溫度，而散熱器沒有外部冷卻導(dǎo)致散熱效果較差使得冷端溫度高于環(huán)境溫度;而當(dāng)采用風(fēng)機(jī)冷卻時(shí)，溫差會變大，溫差發(fā)電片輸出電壓明顯升高;但當(dāng)風(fēng)速升高時(shí)，由于冷端和熱端溫度同時(shí)下降，變化效果不明顯.％Thetestplatformforsimulatingthermoelectricgenerationoftheenginecoolingsystemisdeveloped,andthetemperatureandtheoutputvoltageofthehotandcoldterminalsarerealized.Basedonthistestplatform,thepreliminarytestsarecarriedout.Theresearchresultsshowthatasthecollectorhasacertainthermalresistance,thethermalendtemperatureislowerthanthecoolingwatertemperature,andtheradiatorwithouttheexternalcoolingleadstothepoorheatdissipation,whichmakesthecoldendtemperaturehigherthantheambienttemperature.Whenthefanisusedforcooling,thetemperaturedifferencebecomeslarger,andtheoutputvoltageofthethermoelectricgeneratorisincreasedobviously.Butwhenthewindspeedrises,thechangingeffectisnotobviousbecausethetemperaturesofthecoldendandthehotenddecreaseatthesametime.【期刊名稱】《實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理》【年(卷)，期】2017(034)009【總頁數(shù)】5頁(P90-94)【關(guān)鍵詞】發(fā)動機(jī);冷卻系統(tǒng);溫差發(fā)電;模擬試驗(yàn)臺【作者】馬宗正;徐平;張乾助;李文良;寧少川;董少華;王紅毅;王新莉【作者單位】河南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南鄭州451191;河南工程學(xué)院土木工程學(xué)院，河南鄭州451191;河南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南鄭州451191;河南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南鄭州451191;河南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南鄭州I451191;河南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南鄭州451191;河南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院河南鄭州451191;河南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南鄭州451191【正文語種】中文【中圖分類】TM913;U464從發(fā)動機(jī)熱平衡角度分析，燃料能量的60%左右會被發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)和尾氣帶走［1］,這部分能量如果能夠進(jìn)行回收利用將相當(dāng)可觀［2］。溫差發(fā)電技術(shù)是一種基于塞貝克效應(yīng)的技術(shù)，由于溫差發(fā)電技術(shù)的無噪聲和無振動等特點(diǎn)，使得其在發(fā)動機(jī)能量回收中有了大量的應(yīng)用,特別是在發(fā)動機(jī)尾氣能量回收方面［3-6］。針對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)能量，已有研究表明基于溫差發(fā)電的溫差發(fā)電器完全可以取代發(fā)動機(jī)的散熱器，并且在怠速工況下能量回收效率可達(dá)到10%［7］。但是由于其工作效率受到負(fù)載、內(nèi)阻、熱端溫度和冷端溫度的影響［8］,還需要進(jìn)一步的研究。如果進(jìn)行實(shí)際的臺架試驗(yàn)，需要耗費(fèi)大量的人力物力［9-10］,且參數(shù)也不易控制。為此，開發(fā)了一套發(fā)動機(jī)冷卻能量回收的溫差發(fā)電模擬試驗(yàn)臺,以便對溫差發(fā)電技術(shù)的能量回收技術(shù)進(jìn)一步研究。實(shí)際發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)和能量回收系統(tǒng)（溫差發(fā)電器）見圖1,溫差發(fā)電器是串入冷卻系統(tǒng)中的，即溫差發(fā)電器與原有散熱器為串聯(lián)關(guān)系。采用此種結(jié)構(gòu),一是能夠充分利用發(fā)動機(jī)冷卻液的余熱進(jìn)行發(fā)電,二是保留原有散熱器使發(fā)動機(jī)的散熱能力不下降。因此模擬試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)，主要是發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)，同時(shí)增加溫差發(fā)電系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)需要能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)的調(diào)整和數(shù)據(jù)的測量，因此和實(shí)際的發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)還要有一定的區(qū)別。試驗(yàn)臺整體結(jié)構(gòu)如圖2所示,整體分成3部分，即測量顯示部分、溫差發(fā)電器部分和冷卻系統(tǒng)模擬部分。其中，測量顯示部分主要包括冷端溫度、熱端溫度，以及溫差發(fā)電片的輸出電壓和電流的測量值和顯示；溫差發(fā)電器用于實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)能量的回收，其主要包括集熱器、散熱器、溫差發(fā)電模塊,具體結(jié)構(gòu)見圖3；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(jī)，保溫箱和溫控儀共同實(shí)現(xiàn)水溫的控制，水泵用于實(shí)現(xiàn)冷卻水的循環(huán),風(fēng)機(jī)模擬冷卻風(fēng)扇。2.1測量顯示部分電壓和電流的測量采用萬用表測量即可，此處主要的設(shè)計(jì)是關(guān)于冷端溫度和熱端溫度的測量與顯示。安裝時(shí)，溫差發(fā)電片和散熱器以及集熱器之間需要緊密接觸，如圖4所示，因?yàn)楫?dāng)溫差發(fā)電片和散熱器以及集熱器之間存在縫隙的時(shí)候，會影響熱量的傳遞。因此在溫差發(fā)電片與冷端和熱端接觸面布置臺灣泰仕生產(chǎn)的扁平K型熱電偶，該熱電偶測溫部分寬3.7mm,厚0.28mm,精度±1.5°C,反應(yīng)時(shí)間2.50s,能夠滿足測量的要求；同時(shí)為使溫差發(fā)電片與冷端和熱端接觸良好，在溫差發(fā)電片與散熱器及冷卻水容器接觸面填涂硅膠，增加導(dǎo)熱性能。還需要說明的是,為了能夠演示溫差發(fā)電過程，在顯示部分還增加了一只12V白熾燈泡,通過其亮度的變化來展示溫差發(fā)電輸出功率的變化情況，如圖5所示。2.2溫差發(fā)電器由于目前沒有成熟的針對該結(jié)構(gòu)的溫差發(fā)電設(shè)計(jì)方法,并且主要考慮相關(guān)影響因素對溫差發(fā)電的影響，因此在設(shè)計(jì)時(shí)采用了類似三明治結(jié)構(gòu)的能量回收裝置，其中集熱器與發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)相連接，用于實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)冷卻水能量的回收，組成溫差發(fā)電器的熱源部分；散熱片為溫差發(fā)電器的散熱部分，作為溫差發(fā)電器的冷源；中間部分為溫差發(fā)電片，其他為連接結(jié)構(gòu)。集熱器尺寸為(長X寬X高)350mmx350mmx30mm,溫差發(fā)電片尺寸為40mmx40mmx3.8mm,單面集熱器可以布置25片溫差發(fā)電片。溫差發(fā)電器實(shí)物圖見圖6。對于發(fā)動機(jī)能量回收裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)來說，主要目的是盡量使能量回收裝置的表面溫度保持均勻，這樣溫差發(fā)電片的輸出電壓基本一致,有利于能量的整體輸出。為此結(jié)合現(xiàn)有散熱器的基本結(jié)構(gòu)，在考慮冷卻系統(tǒng)阻力的基礎(chǔ)上，在能量回收裝置內(nèi)部增加隔板,即利用隔板把能量回收裝置內(nèi)部空間分成幾部分。采用數(shù)值計(jì)算的方法對比分析了如圖7所示的幾種結(jié)構(gòu)[11],其中(a)為平行擋板模式,平行分布3個(gè)擋板，擋板之間為水平關(guān)系；(b)為中間對稱分布著6個(gè)擋板，兩兩擋板按一定的角度分布，分別與中軸線呈60。、45。和30°;(c)內(nèi)部呈2個(gè)V字形分布，出口位置擋板之間的距離和出口直徑一樣。圖8為幾種不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的能量回收管表面溫度的對比圖，由圖可知，第一種裝置溫度有變化，最高溫度為85°C,最低溫度83°C,可見變化范圍較小；其他兩種內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果基本一致,總體說第二種更均勻一些。為此采用第二種結(jié)構(gòu)方式。根據(jù)前期的研究結(jié)果表明，由于溫差發(fā)電片較薄,集熱器和散熱器之間熱量傳遞較為明顯,使得兩端的溫差較低[12],為此在布置溫差發(fā)電片以外的區(qū)域全部貼隔熱材料，從而降低冷端和熱端的熱量傳遞。2.3冷卻系統(tǒng)模擬部分保溫箱和溫控儀共同實(shí)現(xiàn)水溫的控制。在發(fā)動機(jī)實(shí)際工作過程中,一般冷卻液的溫度不超過110°C,在本試驗(yàn)臺中采用的冷卻液是純水，為此采用杭州時(shí)域電子生產(chǎn)的恒溫控制器(見圖9),將溫度控制在85~100C,其中加熱棒和溫度傳感器置于保溫桶中，控制儀安裝于測量顯示區(qū)域。一般車用發(fā)動機(jī)的水泵都是采用離心式水泵，流量一般在0~600L/min的范圍內(nèi)可調(diào),而溫差發(fā)電系統(tǒng)主要考慮的是溫度和溫差，為此在本試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)過程中采用了電動定量泵,流量為200L/min。冷卻系統(tǒng)另外一個(gè)重要的部件就是冷卻風(fēng)扇，在實(shí)際發(fā)動機(jī)中用于散熱，但是在本試驗(yàn)中溫度控制由恒溫控制器實(shí)現(xiàn)，因此冷卻風(fēng)扇的作用已經(jīng)不存在，此處采用風(fēng)機(jī)的作用是模擬車輛行進(jìn)過程中的空氣流動。為此采用了三檔潔霸鼓風(fēng)機(jī)，該機(jī)有3個(gè)不同的檔位，可以模擬風(fēng)速的變化。另外，為了避免管路中存在空氣，在集熱器的上表面增加了一個(gè)放氣孔。最終的實(shí)物圖見圖10。在完成試驗(yàn)臺的組裝后進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)，主要考察了系統(tǒng)加熱過程中溫度變化以及強(qiáng)制風(fēng)冷條件下風(fēng)速對于溫差發(fā)電效率的影響。3.1加熱過程的變化圖11為冷卻水加熱過程中水溫、冷端與熱端溫度的變化趨勢圖，由圖可知,當(dāng)環(huán)境溫度為17°C時(shí),加熱過程中冷卻水的溫升過程，與熱端、冷端的溫升過程基本保持—致；不同點(diǎn)是在冷卻水溫度達(dá)到97C后熱端溫度保持在92C,而冷端溫度大約維持在83C。冷卻水和熱端溫度有溫差的原因在于冷卻水與熱端之間為集熱器壁面，該壁面材料為不銹鋼，常溫條件下不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)只有16W/(mK)相當(dāng)于冷卻水與熱端之間有一固定熱阻，從而產(chǎn)生一定的溫度差，因而導(dǎo)致冷卻水的溫度和熱端溫度不一致。對于溫差發(fā)電片的冷端來說，雖然其冷端和熱端都為陶瓷材料，核心材料是半導(dǎo)體材料，其熱傳導(dǎo)性能較差，但是由于加熱過程中持續(xù)時(shí)間較長，熱量還是會通過溫差發(fā)電片從熱端傳遞到冷端，從而使得冷端溫度跟隨熱端一起升高；但是由于冷端與一定面積的散熱片相連，會有一部分熱量通過熱量交換傳遞到周圍的空氣當(dāng)中，當(dāng)溫度升高到一定程度，冷端獲取的熱量與傳遞給散熱片的熱量相等時(shí)，溫度不再上升。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，由于散熱器散熱效果有限，不能夠把熱量及時(shí)地傳遞出去，造成冷端與環(huán)境溫度相差較大。3.2強(qiáng)制風(fēng)冷對溫差發(fā)電裝置的影響車輛實(shí)際運(yùn)行過程中也存在風(fēng)速的變化,為此對不同風(fēng)速條件下溫差發(fā)電裝置的變化進(jìn)行了分析。試驗(yàn)過程中風(fēng)速由風(fēng)速儀測量。表1為不同風(fēng)速條件下各溫度的對比，由表1可知，當(dāng)采用強(qiáng)制風(fēng)冷時(shí)，熱端溫度從92°C下降至80°C以下，冷端溫度從83°C下降至43^左右，兩端溫差從10°C增大到40^左右。雖然采用強(qiáng)制風(fēng)冷時(shí)，會同時(shí)降低兩端溫度，但是冷端的溫度下降更為明顯使得溫差發(fā)電片兩端的溫差增大,有利于提高輸出功率，因此在實(shí)際應(yīng)用過程中風(fēng)冷是提高溫差發(fā)電片效率必須要考慮的因素。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)速從9.5m/s升高到15.5m/s時(shí)，熱端溫度從79.1°C下降至77.5C泠端溫度從43.1°C下降至41.8°C,但是兩端溫差基本保持在36^左右，變化不大，從而使得實(shí)際發(fā)電效率變化不大。主要原因是由于集熱器采用不銹鋼材料，散熱片采用的鋁合金材料，強(qiáng)制風(fēng)冷時(shí)會同時(shí)提高其散熱能力,從而會出現(xiàn)冷端和熱端溫度同時(shí)降低的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致溫差變化不大。本文介紹了發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)溫差發(fā)電試驗(yàn)臺，分別從模擬試驗(yàn)臺的總體結(jié)構(gòu)、模擬試驗(yàn)臺的測量顯示部分、溫差發(fā)電器、冷卻模擬部分等方面對設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了介紹,并且利用該模擬試驗(yàn)臺進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)。該系統(tǒng)能夠在不需要發(fā)動機(jī)實(shí)際工作的情況下進(jìn)行溫差發(fā)電過程的模擬,對于研究發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)溫差發(fā)電技術(shù)有一定的幫助?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】王建昕.汽車發(fā)動機(jī)原理[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012.馬宗正，徐平，邵鳳翔，等.溫差發(fā)電在發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)能量回收中的應(yīng)用[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016(4):63-68,87.RoweDM.ThermoelectricsanEnvironmentallyfriendlysourceofelectricalpower[J].RenewableEnergy,1999,16(4):1251-1256.GrandeurD,CraneS,HungB,etal.Automotivewasteheatconversiontoelectricpowerusingskutterudite,TAGS,PbTeandBiTe[C]//ProceedingsoftheThermoelectrics.Vinna:IEEEpress,2006:343-348.WooBC,LeeHW.Relationbetweenelectricpowerandtemperaturedifferenceforthermoelectricgenerator[J].InternationalJournalofModernPhysics,2003,17(8/9):1421-1426.馬宗正，王新莉.基于溫差發(fā)電技術(shù)的發(fā)動機(jī)能量回收研究[J].電源技術(shù),2014,138(10):1975-1978.NyambayarB,S