魯紅亮，湯曉英，姚建平，肖 颷，薛小龍，柏勝?gòu)?qiáng)

(1．上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200333;

2．中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，上海 200050)

0 引言

尾氣換熱時(shí)由于熱容量小、流通時(shí)間短、接觸面積小和冷熱流體溫差小等特點(diǎn)導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)低、換熱量小［1］，限制了尾氣熱電發(fā)電系統(tǒng)的容量和效率，國(guó)際［2－3］和國(guó)內(nèi)［4－5］均做了相關(guān)的研究。為了提高尾氣熱電發(fā)電的系統(tǒng)效率，針對(duì)換熱器采用多種強(qiáng)化換熱手段是非常必要的［6］，本文對(duì)尾氣換熱器的不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬、對(duì)比，進(jìn)而選擇出合理的結(jié)構(gòu)方案。

1 尾氣換熱器結(jié)構(gòu)

為了提高尾氣換熱器的換熱量，需要對(duì)不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析并在此基礎(chǔ)上改進(jìn)。以Inclined plate 為基準(zhǔn)，在Serial A 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)得到結(jié)構(gòu)Serial B 和Serial C，其中根據(jù)具體結(jié)構(gòu)改變擋板數(shù)量，并在璧面上增加翅片得到Serial B，而Serial C 中翅片與側(cè)面壁面之間保持一定的間隙能夠促進(jìn)尾氣流動(dòng)，降低壓力損失，見圖1。

圖1 尾氣換熱器

2 網(wǎng)格

為盡量減少計(jì)算量，對(duì)Inclined plate 和Serial A結(jié)構(gòu)采用一個(gè)對(duì)稱面獲得50%的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，而由于側(cè)面壁面翅片結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，Serial B 和Serial C 則采用二個(gè)對(duì)稱面獲得25%的部分進(jìn)行建模，具體計(jì)算時(shí)則使用旋轉(zhuǎn)的方法得到50%的整體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，這四個(gè)方案的平均網(wǎng)格畸變率也都處于0．25 ～0．5 范圍內(nèi)，這就意味著網(wǎng)格質(zhì)量屬于好，見表1。

表1 網(wǎng)格

3 工況與邊界條件

對(duì)于采用1．2LP－TEC 自然吸氣汽油發(fā)動(dòng)機(jī)某型號(hào)汽車，中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部提供了車型信息和一定路況條件下的油耗數(shù)據(jù)［7］，根據(jù)文獻(xiàn)［8］提供方法，計(jì)算得到城市、郊區(qū)、綜合循環(huán)工況下時(shí)間平均尾氣流量，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率可以推算得到最大功率時(shí)的尾氣流量。發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣壓力約為0．3 ～0．5 MPa，溫度約500 ～700℃［8－9］，到達(dá)排氣管后端消聲器位置時(shí)尾氣的壓力、溫度會(huì)有一定的衰減，可分別取0．4 MPa，300 ～600℃。尾氣相當(dāng)于熱源，而熱電器件熱端則相當(dāng)于熱沉以吸收熱量。鑒于Bi2Te3器件的安全性，可以取150 ～250℃［10］。

綜合考慮尾氣流量、尾氣溫度和熱電器件熱端溫度三種因素，可以設(shè)計(jì)市區(qū)、郊區(qū)和最大功率輸出等三個(gè)工況，見表2。

邊界條件包括進(jìn)口、出口和換熱壁面，其他的則是設(shè)置對(duì)稱面和流固耦合界面。流體采用k －epsilon 湍流模型及相應(yīng)的線性壁面函數(shù)。尾氣流體區(qū)域和固體壁面區(qū)域通過流固耦合界面(Fluid solid interface)實(shí)現(xiàn)熱量傳遞。

表2 尾氣發(fā)電器工況

4 仿真結(jié)果對(duì)比分析

4．1 郊區(qū)工況下不同結(jié)構(gòu)的物理場(chǎng)比較

以郊區(qū)工況為準(zhǔn)，比較不同結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)，速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)。從圖2、圖3、圖4、圖5 中可以看出，Inclined plate 結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)在流動(dòng)方向上均勻性較好，但溫度梯度小，傳熱量也很小。而Serial A、Serial B 和Serial C 三種結(jié)構(gòu)，由于擋板的存在，增加了流體擾動(dòng)流動(dòng)，傳熱效果變好。與Serial A 相比，壁面翅片的存在使得Serial B 的速度場(chǎng)變化較大，這種結(jié)構(gòu)強(qiáng)化了換熱，同時(shí)也消耗了較多的氣流動(dòng)能。Serial C 中壁面翅片與側(cè)面保持了一定的距離，速度場(chǎng)變化比較平緩，有利于氣流在翅片中的均勻性分配。

4．2 性能對(duì)比

市區(qū)、郊區(qū)工況下的傳熱和壓降性能比較:換熱量與壓力損失從大到小的排列次序均相同，依次為Serial B，Serial C，Serial A 和Inclined plate，見圖6。

發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出功率工況下的傳熱和壓降性能比較:換熱量與壓力損失從大到小的排列次序均相同，依次為serial B，serial C，serial A 和inclined plate，見圖7。

如果不考慮換熱器效率，按照5%的熱電發(fā)電效率計(jì)算，發(fā)電量為100 W 時(shí)需要的熱量為2 000 W。顯然，在郊區(qū)工況下，由圖6 可知Inclined plate和Serial A 結(jié)構(gòu)距離2 000 W 的換熱量有較大的差距，Serial B 和Serial C 結(jié)構(gòu)則分別達(dá)到了2 495 W和2 415 W。同時(shí)，二者的壓力損失分別為70 416 Pa 和59 138 Pa，即Serial B 比Serial C 的壓力損失增大了19%，而換熱量?jī)H僅增加了3．3%。

圖2 Inclined plate 結(jié)構(gòu)

圖3 Serial plate A 結(jié)構(gòu)

圖4 Serial plate B 結(jié)構(gòu)

圖5 Serial plate C 結(jié)構(gòu)

圖6 尾氣流量為5．7 g/s，14．4 g/s 時(shí)

圖7 尾氣流量為80．1 g/s 時(shí)

5 結(jié)論

在市區(qū)工況、郊區(qū)工況和最大輸出功率工況下，通過優(yōu)化翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)，換熱量與壓力損失從大到小的排列次序均相同，依次為Serial B，Serial C，Serial A 和Inclined plate。

郊區(qū)工況下，Inclined plate 和Serial A 結(jié)構(gòu)換熱量和壓降均比較低，Serial B 和Serial C 結(jié)構(gòu)則分別達(dá)到了2 495 W 和2 415 W。同時(shí)，二者的壓力損失分別為70 416 Pa 和59 138 Pa，即Serial B 比Serial C 的壓力損失增大了19%，而換熱量?jī)H僅增加了3.3%。

［1］HL，T Wu，SQ Bai，et al． Experiment on thermal uniformity and pressure drop of exhaust heat exchanger for automotive thermoelectric generator［J］．Energy，2013(54):372 －377．

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［8］陳家瑞．汽車構(gòu)造(上冊(cè))［M］． 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000．10．

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