一种分区渐缩式汽车尾气温差发电器及其渐缩角确定方法技术

本发明专利技术提供了一种分区渐缩式汽车尾气温差发电器及其渐缩角确定方法，热端换热器根据上下相对的温差发电模块分为n个区域，沿着入口端盖到出口端盖方向，每个区域上下两侧壁面尾端向内倾斜，与尾气流动方向形成n个渐缩角，渐缩角沿着渐缩方向依次增大；渐缩角确定方法中，首先将第一个区域D

A method to determine the taper angle of the automobile exhaust gas temperature difference generator

【技术实现步骤摘要】
一种分区渐缩式汽车尾气温差发电器及其渐缩角确定方法
本专利技术属于温差发电领域，具体涉及一种分区渐缩式汽车尾气温差发电器及其渐缩角确定方法。
技术介绍
目前大多数内燃机型发动机工作过程中，大约60％～65％的能量通过冷却水及汽车尾气带走，其中尾气的废热占30％以上，造成了巨大的能源浪费。温差发电技术是利用塞贝克效应将热能直接转化为电能的一种新型绿色环保的能源技术。由于温差发电器工作时具有无化学反应发生、无污染、无运动部件、无噪音、寿命长等优点，获得了广泛关注。传统的平板式温差发电器工作时，由于换热器热端温度分布不均匀，影响温差发电器的输出功率，为解决此问题，现有技术中利用温差发电模块分区布置的方法，根据区域温度不同选取最佳的热电材料，或者根据温度分布调节各区域热电半导体的横截面积和高度来减小温度不均匀性带来的影响。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种分区渐缩式汽车尾气温差发电器及其渐缩角确定方法，各温差发电模块工作在相同温度下，大幅提高温差发电器的输出功率和热电转化效率，减少生产成本。本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。一种分区渐缩式汽车尾气温差发电器，包括热端换热器，热端换热器两端设有加工为一体的入口端盖和出口端盖，入口端盖和出口端盖分别与排气管连接；所述热端换热器根据上下相对的温差发电模块分为n个区域；沿着入口端盖到出口端盖方向，每个区域上下两侧壁面尾端向内倾斜，与尾气流动方向形成n个渐缩角；所述渐缩角沿着渐缩方向依次增大。上述技术方案中，每个区域的上下侧内部集热壁面上间隔布置平板导热翅片。上述技术方案中，还包括冷端散热器，所述冷端散热器内部设有冷却水流动管道。上述技术方案中，所述冷却水流动管道采用四通道水路。一种分区渐缩式汽车尾气温差发电器的渐缩角确定方法，包括如下步骤：S1，确定第一个区域D1的渐缩角α1S1.1，渐缩角α1在0～3°范围内每间隔取一个值，记为α1j，其中S1.2，确定每个渐缩角α1j下区域D1的温差发电模块的输出功率其中：I为热电效应下产生的电流，RL为温差发电模块的负载电阻，α为温差发电模块的塞贝克系数，Th为热端温度，Tc为冷端温度，Rin为温差发电模块的总内阻；所述热端温度Th和冷端温度Tc由能量守恒定律得到，具体为：Ae＝w0*(l0/cos(α1j))其中，Qh为热端吸热量，Qc为冷端散热量，Ae为尾气流过热端换热器的有效对流换热面积，Aw为冷却水流过冷端散热器的有效对流换热面积，Afin为尾气与导热翅片的有效对流换热面积，Th2为换热器集热板内侧表面温度，Tc2为散热器冷却水管道内侧表面温度，Rh为换热器集热板和热端陶瓷板的导热热阻之和，Rc为散热器底板和冷端陶瓷板的导热热阻之和，ce为尾气的比热容，Rte为温差发电模块的等效热阻，Te1为第一区域的出口温度值，he为尾气对热端换热器表面的对流换热系数，Te0为热端换热器入口温度；所述λ为热导率，Nu为努赛尔系数，水力直径其中过流断面面积A＝(A0+A1)/2＝(h0-l0*tg(α1j))*w0，A0为第一个区域D1的入口截面面积，A1为第一个区域D1和第一个区域D2的中间截面面积，l0、w0、h0分别为未进行渐缩处理的热端换热器的长、宽、高；S1.3，确定渐缩角α1j造成的泵气损失Ploss为：其中：为热端换热器尾气质量流量，ζ为渐缩引起的局部阻力系数，v为尾气的平均流速，且ρ为尾气密度；S1.4，区域D1各个渐缩角α1j下的净输出功率Pnet＝Poutput-Ploss；S1.5，净输出功率Pnet与渐缩角α1的关系曲线最高点所对应的渐缩角，即为区域D1的渐缩角；S2，确定区域D1的渐缩角α1时，得到在渐缩角α1下区域D1热端换热器的吸热量Qh1、区域D2的入口温度值Te1、连接区域D1和D2的中间截面面积A1，使Qh2＝Qh1，确定区域D2的渐缩角度α2，使各区域热端换热器的吸热量相等，依次确定区域D3、D4…，Dn的渐缩角。进一步地，所述渐缩角度α2通过以下公式获取：Ae＝w0*(l0/cos(α2))其中：Te2为第二区域的出口温度值。进一步地，所述热端换热器入口温度Te0和尾气质量流量根据汽车在城市道路行驶时低负荷、中负荷、高负荷工况占比确定的。更进一步地，所述低负荷、中负荷、高负荷工况的占比分别设定为20％、70％、10％。本专利技术的有益效果为：本专利技术的温差发电器与传统温差发电器相比，通过将热端换热器各区域分别渐缩一定的角度，既提高了热端换热器的集热量，有效提高温差发电模块的热端温度；渐缩角沿着入口端盖到出口端盖的方向依次增大，使得各区域的换热量相等，各温差发电模块工作在相同温度下，从而大幅提高温差发电器的输出功率和热电转化效率，减少生产成本，优化了温差发电器的输出性能。附图说明图1为本专利技术所述分区渐缩式汽车尾气温差发电器结构示意图；图2为本专利技术所述分区渐缩式汽车尾气温差发电器正视图；图3为本专利技术所述热端换热器内部结构示意图；图4为本专利技术所述冷端散热器结构示意图；图5为本专利技术所述温差发电模块结构示意图；图6为本专利技术所述各区域渐缩角度确定方法流程图；图7为本专利技术所述温差发电器各部分热阻示意图；图8为本专利技术所述温差发电器区域D1的净输出功率Pnet与渐缩角α1的关系变化曲线图；图9为本专利技术所述各区域渐缩角度示意图。附图标记如下：1-入口端盖，2-热端换热器，3-出口端盖，4-冷端散热器，5-温差发电模块，6-平板导热翅片，7-陶瓷板，8-铜导电片，9-PN结，10-热端换热器集热板，11-冷端散热器底板。具体实施方式下面结合附图以及具体实施例对本专利技术作进一步的说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。如图1所示，本专利技术一种分区渐缩式汽车尾气温差发电器，包括热端换热器2、冷端散热器4、温差发电模块5、入口端盖1和出口端盖3，热端换热器2采用平板式，热端换热器2上下侧面依次设置温差发电模块5和冷端散热器4，然后利用夹具夹紧；热端换热器2两端设有与热端换热器2加工为一体的入口端盖1和出口端盖3，入口端盖1和出口端盖3分别与排气管连接在一起。热端换热器2用于吸收尾气热流中的废热，为温差发电模块5提供热端工作温度；冷端散热器4为温差发电模块5提供冷端工作温度；温差发电模块5在冷热端温差作用下发生塞贝克热电效应，将热能转化为电能。本实例中温差发电器安装在汽车排气管的尾气后处理器和一级消声器之间。上下相对的温差发电模块5对应的热端换热器2划分为一个区域，共n个区域；为了提高输出功率同时让各个区域的换热量相等、热端温度分布均匀，沿着入口端盖1到出口端盖3的方向，每个区域上下相对的两侧壁面向内倾斜，与尾气流动方向形成的倾斜角度记为渐缩角，相应区域的渐缩角记为αn本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种分区渐缩式汽车尾气温差发电器，其特征在于，包括热端换热器(2)，热端换热器(2)两端设有加工为一体的入口端盖(1)和出口端盖(3)，入口端盖(1)和出口端盖(3)分别与排气管连接；所述热端换热器(2)根据上下相对的温差发电模块(5)分为n个区域；沿着入口端盖(1)到出口端盖(3)方向，每个区域上下两侧壁面尾端向内倾斜，与尾气流动方向形成n个渐缩角；所述渐缩角沿着渐缩方向依次增大。/n

【技术特征摘要】
1.一种分区渐缩式汽车尾气温差发电器，其特征在于，包括热端换热器(2)，热端换热器(2)两端设有加工为一体的入口端盖(1)和出口端盖(3)，入口端盖(1)和出口端盖(3)分别与排气管连接；所述热端换热器(2)根据上下相对的温差发电模块(5)分为n个区域；沿着入口端盖(1)到出口端盖(3)方向，每个区域上下两侧壁面尾端向内倾斜，与尾气流动方向形成n个渐缩角；所述渐缩角沿着渐缩方向依次增大。


2.根据权利要求1所述的分区渐缩式汽车尾气温差发电器，其特征在于，每个区域的上下侧内部集热壁面上间隔布置平板导热翅片(6)。


3.根据权利要求1所述的分区渐缩式汽车尾气温差发电器，其特征在于，还包括冷端散热器(4)，所述冷端散热器(4)内部设有冷却水流动管道。


4.根据权利要求3所述的分区渐缩式汽车尾气温差发电器，其特征在于，所述冷却水流动管道采用四通道水路。


5.一种根据权利要求1-4任一项所述的分区渐缩式汽车尾气温差发电器的渐缩角确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，确定第一个区域D1的渐缩角α1
S1.1，渐缩角α1在0～3°范围内每间隔取一个值，记为α1j，其中
S1.2，确定每个渐缩角α1j下区域D1的温差发电模块的输出功率



其中：I为热电效应下产生的电流，RL为温差发电模块的负载电阻，α为温差发电模块的塞贝克系数，Th为热端温度，Tc为冷端温度，Rin为温差发电模块的总内阻；
所述热端温度Th和冷端温度Tc由能量守恒定律得到，具体为：






Ae＝w0*(l0/cos(α1j))+Afin



其中，Qh为热端吸热量，Qc为冷端散热量，Ae为尾气流过热端换热器的有效对流换热面积，Aw为冷却水流过冷端散热器的有效对流换热面积，Afin为尾气与导热翅片的有效对流换热面积，Th2为换热器集热板内侧表面温度，Tc2为散热器冷却水管道内侧表面温度，Rh为换热器集热板和...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪若尘，陈杰，罗丁，余未，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32