李 鑫 杜红显

（1.华北水利水电大学机械学院，河南 郑州 450008；2.海马轿车有限公司，河南 郑州 450016）

汽车尾气热电回收系统的热交换器研究综述

李 鑫1杜红显2

（1.华北水利水电大学机械学院，河南 郑州 450008；2.海马轿车有限公司，河南 郑州 450016）

为了增加汽车内燃机的效率以减少CO2的排放，近20年来围绕汽车尾气废热的热电回收的研究越来越多，热交换器作为汽车尾气热电回收系统的重要组成部分，对于热电系统的效率及其所能发出的功率会产生很大的影响，本文对近些年来国内外关于汽车尾气热电回收系统中的热交换器的研究进行了综述。

热交换器；效率；背压；材料

1 引言

如今，应用在汽油车，柴油车和混合电动车上的内燃机的燃料效率大概仅仅只有25%，然而大约有40%的能量浪费在汽车尾气的废热里[1]。当前对轻型汽车的废热能的评估是在20KW到400KW之间，废热能的大小根据发动机的大小及其扭矩-速率情况而变。仅在美国，240，000，000轻型乘用车每年通过尾气管流失掉的能源相当于450亿加仑的汽油[2]。轻型乘用车的汽车尾气在500到900℃，一般在600到700℃之间，而重型汽车的尾气在500到650℃之间[2]。这些温度在周期性的柴油机的颗粒过滤器和其他后处理设备的再生期间会得到进一步的提升[3]。有报道称，仅仅通过把汽车尾气废热的10%转化为电能，内燃机的燃油经济性将会增加20%[4]。以前的研究已表明，如果发电所需要的机械能量能够减少大约6%，那么，由于来自于交流发电机阻力的机械损失的减少，燃料的消耗将会减少10%[5]。

化石燃料的不断枯竭以及各种环境问题的出现促使人们不断探索提高能源利用率的途径。围绕汽车尾气废热利用的研究也越来越多。目前，汽车尾气回收的技术主要有：温差发电，有机郎肯循环，六冲程发动机，涡轮增压。与其他技术相比，温差发电技术具有免维修、运行无噪音、可靠性高，不涉及运动部件和复杂的机械部件等优点[6]。因此，引起越来越多研究者的关注。如图1所示，一个典型的温差发电系统主要有热交换器、热电模块、散热器和装配单元组成，热交换器和散热器利用装配单元（弹簧和螺栓）把热电模块夹在中间。其中，热交换器又称热交换器，用于收集汽车尾气的废热，并把汽车尾气的热能传递给热电模块的热端。[7]整个汽车尾气的热电回收系统的效率取决于热交换器的效率和热电模块的效率，如表达式（1）所示。

图1 汽车温差温差发电系统的典型结构

在温差发电系统中，热电换器的效率高低直接影响系统效率的高低，同时也影响着系统所能发出的电功率。因此，在对汽车尾气的热交换器的研究中，围绕提高其效率的研究最多。

2 热交换器的设计

2.1 热交换器内部结构的研究

为了减少对汽车尾气处理中三元催化剂的影响（三元催化剂工作需要高温）同时又尽可能多的回收汽车尾气的热量。汽车尾气的热交换器位于三元催化剂和消声器之间[8]。空腔结构的热交换器的效率很低，并且温度分布不均匀，主要集中在中心轴线附近。热交换器结构的优化是通过以下原理来实现的。第一是增加尾气与热交换器的对流面积；第二是增加尾气在热交换器中的流通路径来增加尾气和热交换的对流时间；第三是设置紊流结构，破坏空腔结构的热交换器的边界层热阻。

[9]对交换器的换热性能进行了数字模拟研究，建立如图2所示的模型，利用FLUENT软件模拟得出的结果图3所示，由此可见，添加翅片可以大大提高热交换器的效率[9][10]。又进一步对于翅片的高度、翅片之间的间距进行了优化。

图2 温差发电器结构示意图

图3 不同通道传热量随尾气速度的变化

把热交换器内部结构改为蛇形流场结构，内部采用挡板改变尾气流向路径，如图4所示。并且为了减少挡板对尾气流动的阻力，选定挡板的高度略低于热交换器内腔的高度，挡板的长度为热交换器宽度的一半，挡板间的距离大于10 cm，挡板上开部分栅格小孔。采用热成像红外线热像仪对改进后的热交换器的表面温度进行热成像实验，实验结果显示，蛇形结构的热交换器器表面温度从热交换器入口到齐出口方向呈良好的单调下降趋势，且各点温度分布的均匀性也明显提高，因此蛇形结构的热交换器可减少同一组并联的热电模块之间由于热端温度不同造成电压差异而形成的环流[11]。

图4 热交换器内部的蛇形流场结构

在热交换器内部布置了挡板，并且利用计算机流体动力学模拟软件FLUENT和实验对挡板的布置方式进行了优化。通过对“非”字形和鱼骨形的内部结构的模拟结果发现，具有鱼骨形内部结构的热交换器的温度分布更均匀，性能更好。[苏楚齐]开发如图5所示的结构（在尾气流动的方向上依次布置开有圆孔的挡板，这些圆孔大小不等并相互错开），并对该热交换器进行了模拟和实验研究，结果发现，该结构与空腔结构的相比，热交换器的表面温度显著提高，并且温度分布也比较均匀。

图5 具有带孔挡板的热交换器

2.2 热交换器壁厚、数量、外形的研究

通过对具有相同内部结构但壁厚不同的热交换器进行模拟优化，模拟和结果表明，在一定范围内，热交换器的壁厚越小，温度分布越均匀，并且最小温度也越高[12][13]。当把几个宽度相同的热交换器和散热器交错叠放到一起，并且与原来的热交换器相比总体积不变时，这种多个平行的对流配置增加了增加了热传递表面积，提高了对于尾气的收集利用[14]。指出，当把温差发电器应用到轿车上时，温差发电系统的质量和空间成为关键因素。并且用CAD软件对横截面分别为三角形、矩形、六边形的热交换器进行了建模，用FLUENT软件对三种模型进行了计算机流体力学分析。FLUENT分析结果表明，矩形模块的表面温度低于其他两个模块的表面温度，符合热电模块的要求（热端最大温度为220℃），并且从速率云图可以清楚地发现，在矩形的热交换器上尾气能够均匀分布在整个轮廓。

2.3 热交换器所产生的背压

内部鳍片，紊流器和波纹形的表面是消除热边界层影响的最有效的方案[15]。但是，此时必须考虑用于尾气流通的自由横截面积，自由横截面积过小可能会引起发动机性能的下降[9]。对具有光滑通道热交换器和翅片通道的热交换器的压力降进行了模拟研究，结果如图6所示，可见，翅片通道的压力降比光滑通道的压力降高出很多。一般来讲，翅片的分布越密集、高度越大，对尾气的阻力也就越大。因此，当热交换器的内部设置有挡板、翅片或者金属泡沫时，要综合考虑热交换器的效率和对发动机排气系统产生的背压。

图6 不同通道的压力降

2.4 热交换器的材料

除了热交换器内部结构，热交换器材料也会对其集热效率产生很大的影响[7][16]。对两种不同的材料制成的热交换器的性能进行了实验研究[16]，研究结果发现，在其他条件相同的条件下，在40、60、80、110SLPM四种尾气流速下，铝制的热交换器的系统效率和发电功率都比不锈钢制的热交换器要高出30%-40%。因为铝的热导率为237W/mk，而不锈钢的仅仅为15W/mk。但此实验结果是在热交换器壁厚为4mm的条件下测得的，理想条件下，为了减少材料热导率对热交换器性能的影响，热交换器的壁厚应尽可能的薄一些。热交换器常用的材料有铝、不锈钢和铜。铝的质量密度最小27 70 kg/m3，并且导热性也很高174W/mK，是最常用的热调换器材料，但其熔点低923K，当汽车尾气的温度过高时就不能使用；铜的热导率最高386 174 W/mK，熔点高1293K，但其质量密度大8 950 kg/m3；不锈钢的熔点高1 670 K，但是其热导率很低15W/mK，质量密度也大8 055 kg/m3。对于热交换器材料的选择要根据具体的情况来定，综合考虑材料的热导率、质量密度和熔点。

2.5 污垢对热交换器性能的影响

也对沉积在热交换器壁上面的污垢对热交换器性能的影响进行了实验研究[16]，研究结构表明，与没有污垢的热交换器相比，有污垢的铝制的和不锈钢制的热交换器的系统效率和总，功率都有所降低，总的发电功率减少5%-10%。该实验估计污垢沉积层的厚度为0.1mm，与热交换器的壁厚4mm相比很小，对热交换器性能的影响较小。但是，所有沉积物的热导率很低，在0.15到0.68W/mK之间[17]，发现，当热交换器的壁厚很薄，为0.71 mm时，即使很小一层沉积物也会大大影响热交换器的性能。与EGR系统中的热交换器相似，汽车尾气温差发电系统的热交换器的性能也将受尾气污垢的影响，这需要我们的进一步研究。

2.6 新型的汽车尾气热交换器

由于汽车的运行工况复杂，汽车尾气的流速和温度的变化也很大，针对这种情况，[18]中提出了如图7所示的热交换器，该热交换器收集汽车尾气的废热，然后把热量传递给有75%的氦气和25%的氙气组成的工作流体，利用泵使该工作流体在第二个环路里循环，并把该工作流体中的热量传递给温差发电器的热端。[19]指出，当前商业化的热电模块的工作温度低于250℃，所以不能让热电模块和汽车尾气直接接触，一种降低尾气温度并且不减少其势能的方法是在尾气和热电模块之间添加一些热管，如图8所示，通过调节热管中流体的相变压力来实现对热电模块热端最大温度的控制，这种热管适合具有大热负载变化的发动机，比如增程发动机。[20]对热交换器的消声性能进行了研究，验证了把热交换器和消声器集成到一起的可行性。

图7 汽车尾气热电回收系统方框图

图8 以热管作为热交换器的汽车尾气温差发电系统示意图

3 结语

作为汽车尾气温差发电系统的重要部件，热交换器的研究最多，热交换器设计时考虑的因素也很多。对于其内部结构的设计，既要提高其集热效率，又要考虑到对发动机产生的背压等负面影响；热交换器材料的选择既要考虑材料的导热系数，又要考虑材料的熔点、质量密度、强度和刚度等；热调换器的设计甚至还要考虑热电模块的温度限制。因此，对于交换器的设计优化应以不同的汽车类型为基础，做到具体情况具体分析。另外，新型的热交换器也给我们的研究提供了新的思路。汽车尾气热交换器性能的不断提高定能推动汽车尾气温差发电系统的商业化进程。

[1]J.Yang，“Potential applications of thermoelectric waste heat recovery in the automotive industry，”International Conference on Thermoelectrics，June 2005，pp.155-159.

[2]Hendricks TJ，Lustbader JA.Advanced thermoelectric pow⁃er system investigations for light-duty and heavy duty applica⁃tions：Part I.In：Proceedings of the 21st international conference on thermoelectrics.2002.

[3]Teng H，Regner G，Cowland C.Waste heat recovery of heavy-duty diesel engines by organic Rankine cycle Part I：hy⁃brid energy system of diesel and Rankine engines.In：SAE paper 2007-01-0537；2007.

[4]Yang J.Potential applications of thermoelectric waste heat recovery in the automotive industry.In：International conference on thermoelectrics；June 2005.p.155-9.

[5]Vazquez J，Sanz-Bobi M，Palacios R，Arenas A.State of the art of thermoelectric generators based on heat recovered from the exhaust gases of autombiles.In：Proceedings of the seventh European workshop on thermoelectrics；2002.

[6]Technologies to recover exhaust heat from internal com⁃bustion engines.

[7]Enhancing Heat Recovery for Thermoelectric Devices.

[8]汽车尾气余热热电转换装置设计与初期试验.

[9]车用温差发电装置换热性能的数值模拟研究.

[10]Model of Heat Exchangers for Waste Heat Recovery from Diesel Engine Exhaust for Thermoelectric Power Generation.

[11]Thermal Optimization of the Heat Exchanger in the Ve⁃hicularWaste-Heat Thermoelectric Generations.

[12]串联式汽车尾气温差发电系统台架试验.

[13]Model of Heat Exchangers for Waste Heat Recovery from Diesel Engine Exhaust for Thermoelectric Power Generation.

[14]EXPERIMENTAL STUDY ON WASTE HEAT RECOV⁃ERY FROM AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE USING THERMOELECTRIC TECHNOLOGY.

[15]THERMAL DESIGN OF AUTOMOBILE EXHAUST BASED THERMOELECTRIC GENERATORS：OBJECTIVES AND CHALLENGES.

[16]Effect of heat exchangermaterial and fouling on thermo⁃electric exhaust.

[17]Sluder C，Storey J，Youngquist A.ULSD and B20 hydro⁃carbon impacts on EGR cooler performance and degradation.Soc Automot Eng 2009.01-2802.

[18]Automotive Waste Heat Conversion to Electric Power us⁃ing Skutterudite，TAGS，PbTe and BiTe.

[19]Modeling of Thermoelectric Generator with Heat Pipe As⁃sist for Range Extender Application.

[20]Acoustic Optimization of Automotive Exhaust Heat ther⁃mal generator.

U463

A

1671-0037（2014）08-67-3

李鑫（1989.8-），男，在读研究生，研究方向：CAD及其仿真技术。

杜红显（1967.8-），男，本科，工程师，研究方向：汽车制造工艺。