利用回收尾气发电制冷的汽车主动式热电空调性能研究

袁晓红， 徐 斌， 蒋易强， 蔡 灿

(1.乐山职业技术学院机电工程系， 四川 乐山 614000； 2.武汉大学动力与机械学院， 湖北 武汉 430072)

汽车及其他大型车辆的迅速增长，使得CO2排放问题得到了越来越多的关注。由于传统化石燃料在汽车发动机中的使用热效率较低，将近55%～80%的能量被浪费在冷却水和汽车尾气排放上。这不仅造成了较大的能源浪费，同时也大大增加了有害物质的排放。因此，为了缓解汽车环境污染问题，提高能源的利用效率，热电热回收技术被逐渐引用至汽车领域，并得到许多学者的关注。同其他废热回收技术相比，热电热回收技术具有无运动原件、结构紧凑、耐用性好、环境友好等优点，是汽车尾气余热回收技术的重要研究方向之一，具有较大的市场前景[1-6]。

在此之前，国内外已经有一些学者对汽车尾气热电回收技术进行了探索，并取得了一些成果。Orr等对汽车热电耦合热管回收系统进行调研，发现热管能够有效减小热阻，提高热电发电系统的整体效率[2]。Meng等依据热电热回收系统的物理模型，优化分析了在有限尺寸下的系统性能，结果表明热电冷热端温差的不均匀性对系统性能影响很大[7]。涂小亮等[8-9]实验分析了发电装置结构参数对热电性能的影响，提出了提高发电装置输出性能及效率的优化方案。

就国内外研究来看，目前对汽车热电热回收系统的研究较多，主要集中在热电系统传热强化以及系统结构优化上，而对汽车尾气发电直接驱动热电制冷的研究还鲜见报道。同时，以往的研究也并未考虑室外以及车内环境温度差异对系统的影响。因此，本文提出了一种汽车主动式热电空调，利用尾气余热发电驱动热电制冷片制冷，并且建立了该主动式热电空调的热力学模型，研究了不同废气温度、室外环境温度以及车内温度需求下该系统的工作性能，为实际应用提出了建议。

1 主要结构及热力学模型

1.1 主动式热电空调系统

该汽车主动式热电空调主要由热电制冷片(TEC)和热电发电片(TEG)组合而成，其主要原理如图1所示。热电发电片一端布置在圆形排气通道上，另一端通过换热器与室外空气接触。由于热电发电片的两端有较大的温差，根据半导体温差发电原理，TEG能够进行发电。在发电的过程中，TEG一端能够将废气中的热能吸收，回收废气中的浪费热(热端)，另一端将多余的能量排放到大气中(冷端)，产生的电能通过电线供给热电制冷片，使得热电制冷片能够进行制冷。热电制冷片一侧经由换热器和室内环境接触(冷端)，另一侧经由换热器和室外环境接触(热端)。当TEG供应的电流流经TEC，TEC能够在冷端不断吸收车内环境中的热能，降低车内温度，以实现夏季降温的目的，并且通过TEC热端将多余的能量排到大气中。

图1 主动式热电空调系统原理示意图

1.2 热力学模型

为了简化热电制冷系统的理论分析，不考虑制冷片以及风道能量损失。假设与热电制冷片和热电发电片冷热端相接触的换热器热导系数分别为KL1、KL0、KH1以及KH0,则热电发电片的热平衡方程为：

(1)

(2)

热电制冷片的热平衡方程为：

(3)

(4)

式(1)—(4)中：变量Qg,c,Qg,h分别为热电发电片冷端散热量和热端吸热量，单位为W；变量Qc,h,Qc,c分别为热电制冷片热端的散热量和冷端制冷量，单位为W；变量Tg,h,Tg,c,Tc,h,Tc,c分别代表热电发电片的热端温度、冷端温度和热电制冷片的热端温度以及冷端温度，单位为K；变量S、K、R分别表示热电片的赛贝克系数(V/K)、总热导(W/K)和总电阻(Ω)，其中下角标g表示发电片，c表示制冷片；I表示热电发电片的发电电流，单位为A；变量KH1、KH0、KL1、KL0 分别代表热电发电片冷端热导、热端热导和热电制冷片的热端热导、冷端热导，单位为W/K；车内需要控制的环境温度TL0，尾气排气温度TH0，以及大气环境温度Ta，单位均为K。

由于制冷片的电能是由发电片供应，因此根据能量守恒定律，可知二者电压相等，即

Ug=Uc

(5)

由热电发电片和热电制冷片电压公式可知：

Ug=Sg(Tg,h-Tg,c)-IRg

(6)

Uc=Sc(Tc,h-Tc,c)+IRc

(7)

由公式(5)—(7)联立可得发电电流表达式为

(8)

为了有效显示该主动式热电空调的热性能，采用制冷片制冷量Qc,c以及系统效率COP来表征系统热性能的好坏。其中制冷片制冷量Qc,c表示制冷片从汽车车厢内部环境中吸收的热量；COP定义为Qc,c和发电量Qg,h的比值，其表达式如下：

(9)

2 结果和讨论

在以下的数值分析中，热电发电片和热电制冷片换热器的热导系数如下：KH0=60 W/K,KH1=15 W/K,KL0=120 W/K,KL1=240 W/K。热电发电片的物理参数为：Sg=0.026 V/K,Kg=1.95 W/K,Rg=0.13 Ω。热电制冷片的物理参数为：Sc=0.026 V/K,Kc=1.95 W/K,Rc=0.13 Ω[10-11]。

2.1 尾气温度对热电空调性能的影响

在工况条件Ta=303 K以及TL0=295 K下, 图2和图3分别显示了发电电流、热电制冷片制冷量Qc,c以及系统效率COP随汽车尾气温度从400 K到600 K的变化趋势。

图2 发电电流随尾气温度变化曲线

从图2可以看出，随着尾气温度的增大，发电电流呈现线性增大的趋势。当尾气温度从400 K增大到600 K时，发电电流从9.46 A变化到29.39 A。这表明尾气温度越大，所能回收的电能越多。换句话说，高温的尾气如果不加以回收利用，必然会降低发动机的热效率。图3表明了热电制冷片制冷量以及系统效率随尾气温度变化曲线。从图中可以看出，热电制冷片制冷量随着尾气温度的增大，呈现近似线性增加的趋势，与图2相比，其增加幅度近似相同。而根据公式(4)可知，实际上制冷量与电流呈二次函数关系，但由于热电制冷片的电阻较小，产生的焦耳热远小于帕尔贴热，因此制冷量的增加幅度并不是一样的。同时图3反映了系统效率随尾气温度的增大呈现先增大后减小的趋势，在汽车尾气温度达到420 K时，存在最大的系统效率，为0.114。这主要是因为当尾气温度处于相对较低的温度时，热电制冷片的制冷量增幅较热电发电片的吸热量更大，致使COP更大。而当温度超过420 K时，热电发电片的热端吸热量比热电制冷片的制冷量更大，因此导致COP越来越小。由此可见，尾气温度是影响主动式热电空调的重要参数，尾气温度能够有效改善热电空调的性能。

图3 热电制冷片制冷量以及系统效率随尾气温度变化曲线

2.2 室外环境温度对热电空调性能的影响

在工况条件TH0=400 K以及TL0=295 K下, 图4和图5分别显示了发电电流、热电制冷片制冷量Qc,c以及系统效率COP随室外环境温度从29 ℃到35 ℃的变化趋势。

由图4和图5可知，发电电流、制冷量以及系统效率均随室外环境温度的增大而呈现线性减小的趋势。从图4来看，当室外环境温度从29 ℃变化到35 ℃，发电电流从9.63 A减小到8.63 A。这主要是因为环境温度的增高，导致热电发电片和热电制冷片同环境的换热能力下降。正如图5所示，在换热器与环境热导不变的条件下，环境温度越高，热电制冷片的制冷量逐渐下降，同环境的热交换能力也越差。因此导致热电发电片的发电量减弱，发电电流也逐渐减小。由图5可以看出，由于发电电流减小，热电制冷片的制冷量逐渐减弱，制冷量从28.68 W/29℃减小到19.08 W/35℃。对应的系统效率也从0.12减小到0.08。很明显，环境温度对热电制冷片和热电发电片的正常工作都有很大的影响，通过影响散热端进而间接影响整个热电系统性能。

图4 发电电流随室外环境温度变化曲线

图5 热电制冷片制冷量以及系统效率

2.3 车内温度对热电空调性能的影响

在工况条件THO=400 K以及Ta=303 K下, 图6和图7分别显示了发电电流、热电制冷片制冷量Qc,c以及系统效率COP随车内需求温度从18 ℃到25 ℃的变化趋势。

图6 发电电流随车内温度变化曲线

由图6—7可知，随着车内需求温度的升高，发电电流、热电片制冷量以及系统效率也随之增加，表明要维持室内较低的温度时，其对应的发电电流、制冷量以及系统效率都较小。从图6来看，在车内需求温度从18 ℃升高到25 ℃过程中，发电电流从9.21 A增长到9.65 A。很明显，相比较于图2，发电电流的变化并不大。而从图7来看，最大系统效率和最小系统效率仅差0.038。这主要是由于热电发电片两端的冷热源温度不变，发电片冷热端温度变化也并不大，因此产生的发电电流差异较小，使得热电发电片的吸热量和热电制冷片的制冷量变化不显著，进而导致整个热电制冷系统效率变化差异较小。

图7 热电制冷片制冷量以及系统效率随车内温度变化曲线

2.4 可行性分析

根据前面分析可知，单个热电发电片驱动热电制冷片工作所能产生的最大制冷量为80 W左右，制冷量相对较小，因此为了提高制冷量，满足更大的制冷需求，常常利用若干个发电片驱动一个制冷片形成一个主动式热电空调单元，此时应满足以下电流公式：

Ic=nIg

(10)

式中，Ic和Ig分别代表热电制冷片和热电发电片的电流，单位为A。

热电发电片(TEG)和热电制冷片(TEC)的连线如图8所示，可知若干个热电发电片发电供应一个热电制冷片制冷。

图8 TEC-TEG连线示意图

图9显示了在条件工况条件THO=400 K,THL0=295 K以及Ta=303 K下,热电制冷片制冷量以及系统效率随热电发电片的数目n的变化曲线。从图9可以看出，随着n的增加，制冷量和系统效率都呈现先增加后减小的趋势，存在最优的n使得制冷量和系统效率达到最大。当n=6时，达到最大制冷量以及最大系统效率，分别为109.92 W和0.46。

图 9 热电制冷片制冷量以及系统效率随TEG

3 结论

本文提出了一种汽车主动式热电空调，利用尾气余热发电驱动热电制冷片制冷，对汽车室内进行供冷，并且建立了该主动式热电空调的热力学模型，研究了不同室内环境温度、不同废气温度以及不同室内温度需求下，该系统的工作性能，得到如下的结论：

1)利用热电发电片对汽车高温尾气进行热回收发电，然后驱动热电制冷片实现汽车制冷需求具有很好的可行性，能较大提高汽车发动机的热效率。

2)主动式热电空调性能受室外环境温度、废气温度以及室内环境温度多种因素的影响，其中尾气温度对发电电流以及制冷量的影响较大。

3)随着环境温度的增加，发电电流、制冷量、系统效率减小，而随着车内需求温度的增加，发电电流、制冷量、系统效率增大。

4)增加热电发电片能够有效提高制冷量和系统效率，n=6时，达到最大制冷量以及最大系统效率，分别为109.92 W和0.46。