汽车发动机废气余热热电转换装置结构优化设计

摘要

随着社会经济的发展，人们对能源需求的与日俱增，能源问题日见突出，节能减排以及开发新能源都已经成为当前人类科学研究的重点。汽车工业需要消耗大量的能源，且是环境污染的主要来源之一，因此汽车行业的节能减排就显得尤为重要了。而单纯的从改善发动机性能来实现汽车的节能减排无疑这是一个很困难的任务，我们期望于利用温差发电技术来实现发动机废气热能与电能的转换，把废气余热转换成电能储存到蓄电池中来为汽车提供动力或电力来源。这对于汽车的节能减排具有非常重要的意义。在现有热电材料的限制下，要把温差发电技术广泛应用于汽车行业，那么我们就只能从结构入手提高温差发电器的转换效率以期望其达到装车所需要的要求。本文就是从结构入手对一种新温差发电器进行了研究，根据强化传热的原理，对温差发电器进行了理论分析及数学建模，在这个基础上对它进行了计算仿真和优化，寻找在现有材料限制下的，具有较大功率输出及热能转换效率高的温差发电器结构。
　　 本文的主要工作包括：首先介绍了温差发电技术的发展历程，研究分析了温差发电技术的发展态势，明确了目前国内外在这方面研究的现状，对本次研究的内容和意义分别做了说明。然后分别对温差发电的基本原理以及当前应用于温差发电的热电材料作了介绍，并对温差发电技术在汽车上面的应用作了可行性分析，对温差发电器在汽车上的布置位置进行了研究。然后建立了温差发电器的数学模型，对热电转换效率作了推导，利用ANSYS软件对单个热电偶作了计算分析，研究了热电偶臂长l、横截面边长s对热电偶块输出功率、热电转换效率以及热应力的影响，通过对热电偶结构尺寸的优化，提出了一种新结构尺寸的温差发电器。最后分析比较了传统热电装置结构的优缺点，依据强化传热的机理提出了一种新的热电装置结构，通过FLUENT软件对其做了计算分析，对流换热决定热量传递的关键因素是速度场的变化，通过比较各个方案的速度云图得到了一种较为理想的温差发电器结构。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 温差发电的发展历程

1.3 温差发电技术的发展态势

1.3.1 国内外温差发电技术的研究现状

1.3.2 国内外研究成果

1.4 本论文的研究内容及意义

第2章 温差发电的工作原理

2.1 温差发电的基本原理

2.1.1 塞贝克效应

2.1.2 珀尔贴效应

2.1.3 汤姆逊效应

2.1.4 焦耳效应

2.1.5 傅里叶效应

2.1.6 开尔文关系式

2.2 汽车上的温差发电技术

2.3 温差发电的半导体材料

2.3.1 半导体温差发电材料

2.3.2 氧化物温差电材料

2.3.3.Skutterudite类温差电材料

2.4 本章小结

第3章 温差发电组件的基本理论框架

3.1 温差发电组件的基本理论框架

3.2 热电模块温差发电模型

3.3 热电转换效率

3.4 温差发电模型单个热电模块的布置

3.5 HZ-20型热电模块温差发电系统

(1)热电模块HZ-20的实验拟合数据

(2)陶瓷片的实验拟合数据

(3)温差发电系统模型

3.6 单个热电偶的计算分析

3.6.1 ANSYS软件介绍

3.6.2 建模以及参数设置

3.6.3 结果分析

3.7 本章小结

第4章 温差发电装置结构分析

4.1 传统的温差发电器结构

4.1.1 平铺式温差发电器结构

4.1.2 圆桶式温差发电器结构

4.1.3 对流换热介绍

4.2 发动机排气的能量及其利用

4.3关键技术--强化传热机理分析

4.3.1 扩大传热面积A

4.3.2 增大温差发电器冷热两端的平均温度差△T

4.3.3 提高温差发电器的传热系数

4.3.4 强化传热机理分析

4.4 新型温差发电器结构及其布置位置

4.4.1 新型温差发电器结构

4.4.2 温差发电器的布置位置

4.5 新结构的数值分析

4.5.1 仿真工具介绍

4.5.2 温差发电器流场的数学模型

4.5.3 模型仿真与结果分析

4.6 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 展望

参考文献

致谢