基于汽车尾气的恒温差发电系统分析研究

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1、基于汽车尾气的恒温差发电系统分析研究AnalysisofConstantTemperatureDifferencePowerGenerationSystemBasedontheExhaustHeat作者姓名：胡智超领域（方向）：动力工程指导教师：韩永强教授类别：工程硕士答辩日期：2015年6月4日III摘要基于汽车尾气的恒温差发电系统分析研究近几年我国汽车产业发展势头迅猛，汽车需求量与日俱增，随着汽车产业的发展的同时也带来一系列的问题：石油消耗量增大，排放污染增加，因此节能减排被提上了重要议程。许多先进的技术不断的被开发和利用到

2、汽车产业中。受当前发动机技术的限制，燃油燃烧的热量只有大约30%-40%被利用，其余大部分以尾气的形式排入大气，基于此种情况，温差发电作为一项重要的技术应用到汽车尾气余能回收领域，它不但能够将尾气中的热能转换成电能，实现余能回收，提高能源利用率，同时还可以改善环境，带来巨大的经济效益。当前国内在温差发电领域相对成熟的温差发电系统鲜少，众所周知，汽车不同工况下排气具有脉动性，排气温度不稳定,无法提供稳定的热源，对发电器发电性能有极大地影响。依据传热学理论和相变储能技术,相变材料可以在相变时吸热或放热来储能或释能，但是大部分相变材料

3、导热系数低，因此本文选用高导热填充物（泡沫金属镍）作为强化换热中介与高温排气进行换热,既提高排气余热回收率又减小了发电装置的体积。本文结合相变蓄热技术与温差发电技术，对相变蓄热新型温差发电系统展开了研究。相关内容和主要工作如下：1.系统阐述温差发电技术理论，对尾气余热发电系统的发电模型进行了理论性计算分析。同时了解高性能，高可靠性温差发电片的技术指标，购买了试验所用的温差发电组件，并搭建温差发电组件的测试平台，开展了不同电路拓扑结构组合下温差发电片的性能测试实验。得出以下结论：（1）单体温差发电器的输出电压随温差的增大而逐渐升高

4、，而且随着温差的不断增大，输出电压的增长速度逐渐变小，最后趋于不变。（2）单体发电器的输出功率随着负载电阻的增加先增大后减小，当负载电阻达到匹配电阻即发电模块内阻时，发电模块的输出功率达到最大，所以选择合适的匹配电阻可以有效提高发电器的输出效率。（3）对多片温差发电器具体采用何种连接方式更有效，需视发电片内阻及外界负载情况而定。I2.新型相变温差发电系统结合了相变蓄热技术和温差发电技术，并填充了泡沫金属镍作为强化换热介质。而相变蓄热器是相变温差发电系统的关键因素，其蓄热放热速率影响到整个系统的性能，因此本文针对加强蓄热装置换热方

5、面建立了新型蓄热器数学模型及定性条件，运用Fluent软件对相变蓄热装置进行了模拟分析，研究了不同工况不同时间不同位置下的相变材料的蓄放热特性.同时分析了不同孔隙率泡沫金属对相变蓄热特型的影响规律。结果表明:（1）增大传热温差和添加泡沫金属可以大大提高相变蓄热放热速率.（2）相变材料随着距离内壁热源的距离增大，传热速率逐次降低。（3）在熔化过程中，相变材料随着时间的推进，传热速率逐次降低，在凝固过程中，传热速率逐次降低。（4）95%金属孔隙率的相变材料完成整个熔化过程的时间最短，但是孔隙率对熔化凝固时间影响在5min以内。3.为

6、了验证自行设计的相变蓄热器的数值仿真结果，开展了填充泡沫金属镍的相变蓄热实验来验证泡沫金属对相变蓄热过程中的强化换热效果。设计了新型相变蓄热器，完成了相变蓄热材料的填充，搭建了实验平台，进行了蓄热放热实验。实验结果如下：（1）在蓄热过程中，对比在同一纵截面，不同横截面的1#和2#，发现距离内壁越远，温度升高的越慢，最高温度越小，并且温差随着时间越拉越大，最大温差可以达到100K左右。对比在同一横截面，不同纵截面的1#和3#，可以发现温度随着时间变化的趋势大体是一致的，两位置的温差在初始阶段温度逐渐升高，随时间增加，温差慢慢增大。

7、（2）实验和模拟的初始温度虽然有着30K的差异，但是随着时间的进行，在两种工况下温度的变化曲线整体趋势基本一致，越靠近内壁的PCM的相变蓄热过程更趋向于一致化，并对试验和模拟的差异进行了分析。关键词：汽车余热；温差发电；泡沫金属；相变蓄热器；相变蓄热/放热特性。IIABSTRACTAnalysisofConstantTemperatureDifferencePowerGenerationSystemBasedontheExhaustHeatInrecentyears,chineseautomotiveindustrydevelo

8、pedrapidly.Thedemandforthecarincreased,alongwiththedevelopmentoftheautomotiveindustryalsobroughtaseriesofproblems:increasedoilconsu