汽车尾气温差发电装置冷热端传热性能仿真与优化

摘要

汽车在行驶过程中，约40%的能量以高温尾气的形式被排放到大气中，不仅带来了能源的损失而且造成了环境的热污染。若将尾气余热能量加以利用，对汽车在节能与环保方面有着重要作用，对国家的可持续发展战略具有深远的意义。汽车尾气温差发电技术是利用温差发电材料的塞贝克效应将汽车尾气的余热部分转换成电能，是汽车尾气余热利用的研究热点之一。 汽车尾气温差发电装置的热电转换效率主要由温差发电材料性能和温差发电装置冷热端的温差值决定，本文针对汽车尾气温差发电系统的冷热端展开工作。针对温差发电集热系统，通过数值计算，分析了不同型式、不同结构参数的集热器的集热性能；针对温差发电装置的冷端，提出以甲醇重整制氢作为冷却方式，通过数值计算分析其冷却性能，并与其它冷却方式进行比较。主要工作和结论如下： 首先利用GT-Power软件进行发动机模拟仿真，得到不同工况下尾气速度和温度等相关参数，并建立了不同结构型式集热器的三维物理模型，利用CFD软件进行数值计算，并验证了网格的独立性；并引用文献中的实验数据，将数值计算结果与实验结果进行对比，验证了模型的正确性以及数值计算方法应用于温差发电集热器优化研究的可行性。 然后通过数值计算分析了五种集热器在不同发动机工况、不同翅片间距下的集热性能，结果表明，集热器内部安装翅片，起到了扰流和增大换热面积的作用，强化了换热性能，且换热能力随着翅片间距的减小而增大；错开型集热器集热效果最好，金字塔型集热器的集热效果稍低于错开型，但金字塔型集热器表面温度均匀性最好且进出口压降值较低。综合考虑集热器集热效率、表面温度均匀性、进出口压降以及结构复杂度等因素，翅间距为8.5mm的金字塔型集热器性能最优。 最后分析了风冷、水冷和液化天然气冷能系统作为温差发电装置冷端的优缺点，提出使用甲醇重整制氢反应系统作为发电装置冷端的冷却方法。针对冷端，建立甲醇蒸汽重整制氢反应器的二维模型，并进行数值计算。结果表明：当反应器壁面温度为473K时，甲醇的转化率为70.8%，氢气质量分数为0.073，反应器内部平均温度为350K，有利于温差发电装置冷端的形成；该工况下甲醇重整制氢冷却方式的温差发电模块输出功率约为1.92W，产生的氢气可用于氢燃料电池，按照氢燃料电池效率40%计算，1kg氢气大约能产生13.2kWH的电量。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 余热温差发电系统基本原理及装置概述

2.1 温差发电基本理论

2.1.1 塞贝克效应

2.1.2 帕尔贴效应

2.1.3 汤姆逊效应

2.1.4 三大效应基本关系

2.1.5 温差电材料性能评估准则

2.2.1 温差发电装置的组成

2.2.2 温差发电模块简介

2.2.3 平板式温差发电装置

2.2.4 圆筒式温差发电装置

2.3 强化传热方法

2.3.1 提高传热系数

2.3.2 增大换热面积

2.3.3 增大发电装置冷热端平均传热温差

2.4 小结

第3章 尾气温差发电装置热端数值模拟

3.1.1 ICEM CFD软件概述

3.1.2 FLUENT软件概述

3.2 基本控制方程

3.3.1 模型建立

3.3.2 集热器网格划分

3.3.3 网格独立性验证

3.4 尾气相关参数

3.4.1 发动机基本参数

3.4.2 发动机模型建立

3.4.3 汽车尾气物性参数选择

3.5.1 模型假设

3.5.2 边界条件的设置

3.6 模型验证

3.7 小结

第4章 不同结构型式的集热器性能分析比较

4.1.1 镂空型集热器

4.1.2 导流型集热器

4.1.3 直翅型集热器

4.1.4 错开型集热器

4.1.5 金字塔型集热器

4.2 集热器性能比较

4.3 小结

第5章 尾气温差发电装置冷端研究

5.1.1 风冷系统

5.1.2 水冷系统

5.1.3 液化天然气冷能系统

5.2 甲醇水蒸汽重整制氢吸热反应系统

5.2.1 甲醇重整概述

5.2.2 反应热能相关计算

5.3.1 物理模型

5.3.2 数学模型

5.3.3 数值计算方法

5.3.4 网格划分和边界条件设置

5.4 结果讨论

5.5 四种冷却方式的对比

5.6 小结

第6章 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表学术论文

致谢