一种用于汽车尾气热电发电机的分裂式翅片及其结构参数确定方法

本发明属于换热器板式翅片结构优化，具体涉及一种用于汽车尾气热电发电机的分裂式翅片及其结构参数确定方法。

背景技术：

1、目前，汽油动力汽车在全球范围内广泛使用，然而，内燃机的效率相对较低，仅有约25％的燃料能量被有效利用，其余的能量则以废热的形式散失。为了应对全球变暖和过度使用化石燃料的问题，一种有效的解决方案是采用回收技术和能源转换，以重新利用这些废热能源。在汽车废热回收领域，热电发电机因其无移动部件、无污染和噪音、以及能够将废热直接转化为电能的特性而受到广泛认可。

2、然而，应用最广泛的传统板式换热器存在温度分布不均匀与吸热效率不足的问题，从而影响了热电发电机的输出功率。为解决这一问题，优化换热器结构成为提高汽车热电发电机输出性能的重要途径之一。换热器结构的优化涉及对换热器本身的优化和应用内部附加组件。现有技术中，对换热器本身的优化利用对换热器分区设置渐缩角，以确保各热电模块在相同的温度下运行，从而提高了热电发电机的输出功率。而在内部附加组件方面，广泛应用的是板式翅片，通过安装翅片来增加换热器与汽车尾气的热接触面积，从而进一步提高热电发电机的输出功率。然而，板式翅片的也存在一定的缺陷。其长方体结构使翅片各段热接触面积与吸热效率保持一致。但是汽车排气温度沿热流流动方向逐渐降低。两种因素相结合就会导致板式翅片前端温度要显著高于后端的温度，从而影响热电模块在热电发电机中的功率输出均匀性，进而降低了热电发电机整体性能。同时由于翅片吸热效率较低，热电发电机的的输出功率也很大的提升空间。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种用于汽车尾气热电发电机的分裂式翅片及其结构参数确定方法，该分裂式翅片可克服传统板式翅片传热效率低、传热面积不足的问题，以提高换热器热侧温度与温度均匀性，进而提高汽车尾气热电发电机的输出功率与转化效率。

2、本发明采取的技术方案为：

3、一种用于汽车尾气热电发电机的分裂式翅片，包括一级翅片，所述一级翅片的端部沿着汽车尾气流动方向以一级翅片中轴线对称延伸分裂成2个二级翅片；

4、每一个二级翅片的端部沿着汽车尾气流动方向以二级翅片中轴线延伸分裂成2个三级翅片，合计4个三级翅片；

5、每一个三级翅片的端部沿着汽车尾气流动方向以三级翅片中轴线延伸分裂成2个四级翅片，合计8个四级翅片；

6、.....

7、每一个i-1级翅片的端部沿着汽车尾气流动方向以三级翅片i-1中轴线延伸分裂成2个i级翅片，合计2i-1个i级翅片；

8、每一个i级翅片的端部沿着汽车尾气流动方向以i级翅片中轴线延伸分裂成2个i+1级翅片，合计2i个i+1级翅片；

9、延伸分裂成的一级翅片、二级翅片、三级翅片、.....i级翅片、i+1级翅片，相邻级翅片之间通过分裂区域x进行过渡连接。

10、所述一级翅片为长l1，厚a1，高b的铝制长方体；

11、二级翅片为长l2，厚a2，高b的铝制长方体；

12、.....；

13、i级翅片为长li，厚ai，高b的铝制长方体；

14、i+1级翅片为长li+1，厚ai+1，高b的铝制长方体；

15、l1、l2……li、li+1的值可相等也可不等。

16、所述一级翅片、二级翅片、三级翅片、.....i级翅片、i+1级翅片中，所述一级翅片具有最大的厚度，随着分裂次数的增加，翅片的厚度沿着分裂次数逐渐减小。

17、所述二级翅片的厚度a2是一级翅片的厚度a1的m1倍；

18、二级翅片的厚度a3是二级翅片的厚度a2的m2倍；

19、.....；

20、n+1级翅片的厚度an+1是n级翅片厚度an的mn倍；

21、其中：2≤n≤i+1；m取值在0.1至0.5之间。

22、所述一级翅片、二级翅片、三级翅片、.....i级翅片、i+1级翅片中，下级翅片沿上级翅片的中轴线进行对称排列；

23、一级翅片、二级翅片、三级翅片、.....i级翅片、i+1级翅片构成的分裂式翅片关于一级翅片的中轴线对称。

24、所述分裂区域x用于连接上下两级翅片，分裂区域x的沿尾气流动方向的长度为d；此外定义分裂角α，该分裂角α用于定量描述翅片向两侧分裂的程度，即分裂倾斜方向与翅片中轴线的夹角。

25、所述分裂区域x的两侧开有高度为e的通气口，以确保汽车尾气流经时顺利通行；通气口4高度e为翅片高度b的p倍，其中，p取值在0.2至0.8之间；

26、同时，在上、下两级翅片的连接处设置了圆角，以使汽车尾气平滑流过，从而降低汽车尾气的压降。

27、所述分裂式翅片安装在汽车尾气热电发电机中，汽车尾气热电发电机包括热电模块、水冷板、换热器；热电模块夹在换热器与水冷板之间；水冷板内部设置有s型冷却水通道；换热器与水冷板的材料都为铝。分裂式翅片等间距地安装在换热器的尾气流道中，并且翅片高度b与尾气流道高度相同。

28、一种用于汽车尾气热电发电机的分裂式翅片的结构参数的确定方法，包括以下步骤：

29、s1.先确定最终所需分裂次数i，并根据热电模块的分布行数确定各级翅片的长度，然后确定一级翅片的厚度a1与间距g1：

30、s1.1.先将分裂次数设置为n＝0，将翅片安装在换热器中；

31、s1.2.翅片厚度a1在0.5～3.0mm的范围内每隔0.5mm取一个值，记为a1j；

32、s1.3.翅片间距g1在1.0～6.0mm的范围内每隔1.0mm取一个值，记为g1i；

33、s1.4.记录在不同厚度a1j与间距g1i下，热电发电机的输出功率

34、

35、其中：下标h代表从1到n的第h个热电模块，uh为第h个热电模块所产生的输出电压，rl为热电模块所外接的负载电阻值；

36、s1.5.记录在不同厚度a1j与间距g1i下，热电发电机的背压损失

37、

38、其中，ρ为汽车尾气的密度，mex为汽车尾气的质量流量，δpex为汽车尾气的压降，可以通过测量换热器入口与出口处的压力并相减得到；

39、s1.6.计算在不同厚度a1j与间距g1i下，一级翅片的净功率输出

40、

41、净功率最大的情况下所对应的a1j与g1i即为一级翅片的厚度与间距；

42、s2.确定一级翅片的厚度与间距之后，再令n＝1确定二级翅片的最佳参数：

43、s2.1.先确定分裂区域x1的分裂角α1与二级翅片厚度a2：

44、s2.1.1.分裂角α1的范围为并且每隔取一个值，记为α1j；

45、s2.1.2.m1取值为0.1～0.5，并且每隔0.1取一个值，记为m1i，即二级翅片的厚度a2i＝m1i*a1；

46、s2.1.3.记录在不同分裂角α1j与厚度a2i的情况下系统的输出功率与背压损失并计算相关的净功率输出选定净功率最大的情况下所对应的α1j与a2i即为分裂区域x1的分裂角α1与二级翅片厚度a2；

47、s2.2.再确定分裂区域x1的通气口高度e1的值：

48、s2.2.1.通气口高度e1为翅片高度b的p1倍，p1在0.2～0.8的范围内每间隔0.1变化一次，记为e1i；计算不同e1i情况下热电发电机的输出功率pout与背压损失pb，并计算相关的净功率输出pnet，选定净功率输出最大的情况下所对应的e1i即为e1的值；

49、s3.重复步骤s2，依次确定剩下翅片的结构参数的最优值。

50、所述各级翅片的长度l1、l2……，li、厚度a1、a2……，ai、分裂角α1、α2……，αi、通气口5的高度e1、e2……，ei根据上述步骤都得到确定，并且该步骤确保在不同分裂次数下，每级翅片的结构参数都能最大化净输出功率。

51、利用电压电压均匀性y来判断分裂式翅片的有效性：

52、

53、其中，uave为各个热电模块的输出电压的平均值，使用分裂式翅片的热电发电机的电压均匀性应大于使用普通板式翅片的热电发电机的电压均匀性。

54、所述的汽车尾气质量流量mex与入口温度是由汽车在功率燃油经济性测试(hwfet)驾驶循环下得到的数据的平均值所确定。

55、本发明一种用于汽车尾气热电发电机的分裂式翅片及其结构参数确定方法，技术效果如下：

56、1)本发明提供一种用于汽车尾气热电发电机的分裂式翅片，与传统板式翅片相比，通过将翅片向两侧对称分裂，提高了翅片与汽车尾气的热接触面积，显著提高了换热器的传热效率，从而提高了热电模块热端温度，进一步提高了其输出功率。此外，分裂翅片的数量沿着汽车尾气流动方向逐渐增加，并且厚度逐渐减小；这样的设计不仅增加了翅片的热接触面积，同时降低了汽车尾气的压降；这种改进有助于减轻汽车尾气温度沿热流流动方向逐渐降低导致的热电模块热侧温度分布不均匀的现象。因此，本发明的分裂式翅片显著提高了热电发电机的输出功率与转化效率，进一步提升了其整体输出性能。

57、2)本发明分裂式翅片的结构参数的确定方法，可以针对具体的汽车排气质量流量与温度确定分裂式翅片的最优参数。利用本发明提出的参数确定方法优化的分裂式翅片可平衡热电发电机的总输出功率和各种损失，使热电发电机的净功率在相应的排气质量流量与温度下达到最高。此外，本研究提出的分裂式翅片结构参数确定方法具有操作简便和易于理解的特点。在完成步骤s1和步骤s2之后，后续步骤的执行与步骤s2极为相似。

58、步骤s1用于确定分裂次数与一级翅片的最佳厚度与间距。通过确定分裂次数可确定分裂式翅片的整体结构。利用步骤s1，可以计算出不同厚度与间距组合下热电发电机的总输出功率和损耗，进而确定一级翅片的最优参数，以最大化热电发电机的净功率。经过步骤s1的优化，热电发电机在一级翅片配置下可展现出最佳性能。

59、步骤s2用于确定二级翅片的厚度、分裂区域的分裂角和通气口高度。通过该步骤，在步骤s1确定的最优一级翅片参数基础上，进一步优化二级翅片的厚度、分裂角度和通气口高度，以实现热电发电机净功率的最大化。此外，该步骤操作简单，重复该步骤即可获得整个分裂式翅片的最佳结构。在该结构下热电发电机能发挥出最高性能。