冷却方式对发动机冷却系统温差发电器的影响

马宗正，闫修鹏，王新莉，刘大成

(河南工程学院机械工程学院,河南 郑州 451191)

由于温差发电技术在能量回收过程中无噪声和振动，为此基于温差发电技术对发动机废弃能量的回收已经有较多的研究[1-4]。在能量回收过程中关键是如何实现温差发电所需要的较大温差[5-8]。如果热源利用发动机排气系统[9]，热端的温度足够高(排气系统的温度能达到600 ℃以上)，但是由于一般的市售温差发电片自身不可能承受超过220 ℃以上的温度，所以不可能利用太高的温度[10]；如果热端利用冷却系统的余热能量，由于温差发电片体积较小，热端和冷端存在较大的热量交换，因此主要的问题是如何保证冷端温度[11]。

目前，冷端一般采用外部冷却的方式，比如自然风冷、强制风冷及水冷。已有的研究结果表明，如果采用自然风冷，在车速为90 km/h和120 km/h的情况下，温差发电片的热端温度可控制在225 ℃以下，当环境温度为20 ℃时冷端温度不超过80 ℃，此时的转换效率在2.5%～3.2%之间[12]；如果冷却方式为强制风冷或者水冷，可以实现更大的温差，进而提升温差发电器的转换效率[13]。但是当采用强制散热方式时，由于冷却同时对热端也有一定的影响，有可能会出现两端温度同时降低的现象，进而使得温差发电器两端的温差有所下降[14]。

可见，采用不同冷却方式对于温差发电器有着较大的影响。此外，鉴于台架试验需要耗费大量的人力、物力，且参数也不易控制，为此本研究在一模拟试验台上对不同冷却方式影响温差发电器两端温差的规律进行了研究。

1 发动机冷却系统能量回收模拟试验台

试验台整体结构见图1。试验台整体可以分成三部分，测量显示部分、温差发电器和冷却系统模拟部分。其中，测量显示部分主要测取冷端温度、热端温度以及温差发电片输出电压和电流；温差发电器用于实现冷却系统能量的回收，主要包括集热器、散热器、温差发电模块；冷却系统模拟部分主要包括保温箱、水泵、温控仪和风机，保温箱和温控仪共同实现水温的控制，水泵用于实现冷却水的循环，风机用于模拟冷却风扇[15]。

图1 模拟试验台示意

另外，为了能够模拟发动机大小循环过程，在管路中增加了两个三通阀门，小循环时循环水只在保温箱、水泵以及管路中流动，大循环时循环水在保温箱、水泵、温差发电器及管路中流动，从而模拟实际发动机工作过程。

2 试验方法

在实际应用过程中，温差发电器需要安装到车辆上，一般是处于发动机舱内部，冷却时一般利用冷却风扇进行冷却[11]，当冷却风扇不工作时，可以利用车辆行驶过程中产生的风进行冷却，为此综合考虑风扇散热和自然冷却，试验过程中选择了9.5 m/s，14.0 m/s和15.5 m/s 3种不同风速。

温差发电器两端的温度采用K型热电偶测量(镍铬-镍硅材质，一级精度)；风速采用GM8901风速仪进行测量，设备精度见表1。

表1 仪器测量范围及精度

温差发电器在实际工作过程中，关注的重点是如何能够产生更多的电能。由式(1)可知，其输出电压的大小与塞贝克系数、温差发电器两端温差有关，而对于选定的温差发电片来说，塞贝克系数为定值，因此在实际应用中只须关注温差发电片两端的温差。

(1)

式中：α为塞贝克系数；V0为开路电压；TH为温差发电片热端温度；TC为温差发电片冷端温度。

3 试验结果分析

3.1 加热过程的变化

图2示出在冷却水加热到98 ℃、环境温度为17 ℃时，打开三通阀后冷却水、冷端和热端温度的变化曲线。由图可知，当三通阀打开后，冷却水温度迅速下降，之后冷却水、热端和冷端温度迅速升高，这表明保温箱中的水快速进入温差发电器中，使得温差发电器两端温度快速升高。当冷端和热端温度升高到一定数值后就不再增加， 热端基本维持在91 ℃，冷端维持在82 ℃。冷端和热端的温差只有9 ℃，而冷却水的温度则高达97 ℃。

图2 加热过程中温差发电器两端温度的变化

模拟冷却液的水温与温差发电器热端存在温差的原因在于两者之间的不锈钢壳体，在常温状态下不锈钢材料的导热系数为16 W/(m·K)，相当于在冷却水和温差发电器热端存在着热阻，进而使得热量传递过程中有损失，导致冷却水和温差发电器热端之间存在一定的温差。

1）MBR间歇产水控制。当MBR池液位高于最低液位，产水泵每运行8 min，停止运行2 min。产水泵停止运行期间，MBR池底铺设的曝气装置将继续进行，通过气水振荡清洗，缓解MBR周边的污泥浓度累积，保持MBR表面的清洁。

对于温差发电器来说，冷端和热端均为陶瓷材料，内部为半导体材料，导热系数都较低，可以看作不良热导体，通过热传导传递的能量相对较少；但是由于温差发电器冷端和热端的距离较近(4 mm)，此时热辐射作用不可忽视，因此会使得冷端的温度不断上升，同时由于冷端和散热片相接触，一部分热量会散发到空气中，当冷端得到的热量和散发的热量平衡时，温度不再变化。由于热端能量较大，散热能力相对较弱，使得温差发电器两端温差较小。

同时也可以发现，冷端温度和环境温度相差较大，主要在于冷端散热能力较弱，不能够把热量及时传递出去，造成冷端与环境温度相差较大。

3.2 风速对温差发电器温差的影响

如前所述，冷端温度与环境温度过高造成温差发电器两端温差较小，而在实际车辆运行过程中温差发电器肯定要受到风的影响，因此对不同风速条件下温差发电器两端温差的变化情况进行了研究。

试验过程中分别设置了3种不同风速状态进行测试，其中冷却风通过风机提供，并通过风速仪测定实际风速对风机进行调整，达到设定风速。冷却方式的示意见图3。

图3 强制风冷示意

表2示出不同风速对温差发电器两端温差的影响对比。由表2可知，当利用风机对温差发电器进行强制冷却时，温差发电器冷端的温度大幅降低，由原来的82 ℃下降至43 ℃以下，其两端的温差则由原来的9 ℃提高到36 ℃左右，可见，采用强制风冷方式可以显著提升温差发电器两端温差。

表2 不同风速下测量结果

还可以发现，采用强制风冷时，热端和冷端温度同时下降，热端由原来的91 ℃下降至80 ℃以下， 下降了10 ℃以上。主要原因在于热端的集热器为不锈钢，当利用风机进行强制冷却时，也提高了其表面的散热能力，使得热端温度也下降，从而出现热端和冷端温度同时下降的现象。但是，虽然热端和冷端的温度都会下降，而冷端温度的下降更加明显，从而使得温差发电器两端的温差显著增大，有利于温差发电器输出功率的提升。

当采用强制风冷时，能量传递的主要形式是对流传热，对流传热受散热面积、对流传热系数及温差的影响，当风速由9.5 m/s变到15.5 m/s时，相对于风速由0 m/s变到9.5 m/s，此时风速的改变对传热系数及温差发电器表面和环境温差的影响较小，从而使得温度的变化不明显，并且由于热端和冷端同时受到影响，致使温差变化较小。

3.3 风向对温差发电器温差的影响

在前述分析中，冷却风扇位于侧面，如果改变温差发电器的位置，则可实现正面强制风冷，参考实际电脑CPU冷却方式，其冷却风扇也正对散热片，为此采用两种方式(见图4)对比了冷却风向对温差发电装置的影响。

图4 不同风向对比

表3示出正面吹风条件下不同风速对于温差发电器温差影响的测试结果。由表3可见，当风速为9.5 m/s时，温差发电器两端温差为46.4 ℃，当风速进一步提升后，温差变化不大。可见采用正面强制风冷时效果较好，但是此时只能够对一边的散热片进行冷却。

表3 正面风测量结果

同时还发现，当正面吹风时，相对于侧向吹风热端温度上升，而冷端温度下降，冷端温度下降了6 ℃，热端温度大约上升了3 ℃。

3.4 热管对温差发电器温差的影响

由以上几项试验可见，采用散热方式进行冷却虽然可行，但是仍然存在冷端与环境温度相差较大的问题，可见冷端冷却仍然有改善空间。

图5 采用热管散热示意

为了解决该问题，将散热系统进行了改进，把温差发电片冷端的连接方式改变为热管连接，其连接示意见图5。需要说明的是，如果按照设计全部采 用热管连接所有的冷端散热片，需要专门的加工企业加工，本研究从试验的角度出发，仅对单片温差发电片采用热管连接散热方式进行了试验。冷端直接与铜板接触，通过热管连接散热片和铜板，此时可以增加散热器面积，所采用的散热片单片面积为40 mm×30 mm，共计26个散热面，增加的总散热面积为3.12 cm2。

测量过程和前述方法相同，也是采用风机冷却的方法模拟风速的影响，冷却方式采用侧面冷却。测试结果见表4。由表4可见，采用热管后，当散热面积增加3 cm2左右时，温差可以提高大约5 ℃。

表4 采用热管后测量结果

由此可见，采用热管连接增加散热片面积的方法可以提高温差发电器两端的温差，但是当再提高风速时，冷端温度和热端温度都会降低，使得实际温差变化不大，此时可以考虑增加热管的长度，只冷却散热片。

4 结论

a) 当开启大循环时，温差发电器两端温度同时升高，壁面材料热阻的存在使得冷却水和热端存在温差，温差发电器两端距离较近使得两端温差较低；

b) 采用强制风冷方式虽然能够导致冷端和热端温度同时降低，但是由于冷端温度降低更加明显，从而可以有效提升温差发电器两端温差；

c) 相对于侧面强制风冷，采用正面强制风冷方式更具有优势，但是只能够冷却单面;

d) 采用热管连接冷端和散热片的方法可以降低冷端温度，从而扩大温差发电器两端温差。