[发明专利]一种平板式温差发电器及其热电发电组件分区布置方法

权利要求书

1.一种平板式温差发电器的热电发电组件分区布置方法，包括如下步骤：

第一步，确定平板式温差发电器整体尺寸、预期参数，以及所用温差发电片尺寸：

(1)集热端面板长a₁、宽b₁、厚度c₁；

(2)温差发电片长a₂、宽b₂；

(3)隔热板长a₁、宽b₃、厚度c₃；

(4)平板式温差发电器预期功率P；

第二步，基于已提出平板式温差发电器的整体尺寸，在每个集热端面板上基于中线对称预布置两行温差发电片；当车辆废气通过平板式温差发电器的时候，同一列对称的两片温差发电片的热端温度总是一致的；在平板式温差发电器的集热箱中，以同一行每两个温差发电片之间的中线为分区的界限，从集热箱的废气入口处开始以每列温差发电片的位置进行分区，记为u₁、u₂、……、u_n，n为所分区域的数量，

区域的长度L由具体设计的平板式温差发电器集热端面板长a₁和所分区域的数量n决定:

第三步，确定匹配的发动机参数，实验得到发动机在低载低负荷、高载高负荷、中载城市工况、中载高速工况四种工况下的平板式温差发电器入口温度T_1i，测量得到四种工况下的平板式温差发电器出口温度T_2i，i＝1,2,3,4分别表示低载低负荷、高载高负荷、中载城市工况、中载高速工况四种工况；

确定四种工况下尾气流经区域u₁、u₂、……、u_n时的物理属性和所处区域的几何参数：

(1)尾气的物理属性为：密度ρ_i、导热系数λ_i、比热容c_pi，入口处的气体参数为：质量流量

(2)计算流经集热箱的尾气总质量m_i

A＝(b₁-2c₃)×b₃

式中，表示体积流量，V_i表示流经集热箱的尾气体积，A表示截面面积；

(3)假设尾气流经集热箱的速度不变，则流经集热箱各个区域的尾气质量m_ti：

所述m_t1表示低载低负荷工况下流经集热箱各个区域的尾气质量；

第四步，计算四种工况下的平板式温差发电器废气流体消耗的总热量Q_总i：

Q_总i＝c_pim_iΔT_总i

ΔT_总i＝T_1i-T_2i

所述Q_总1表示低载低负荷工况下平板式温差发电器废气流体消耗的总热量；

第五步，假设每段区域废气流体消耗的热量相等，则四种工况下每段区域废气流体消耗的热量Q_ti：

所述Q_t1表示低载低负荷工况下平板式温差发电器每个区域废气流体消耗的热量；

第六步，计算四种工况下区域u₁与u₂之间截面的温度T_p1i：

Q_ti＝c_pim_tiΔT_t1i

ΔT_t1i＝T_p1i-T_1i

再依次计算得到各区域之间截面的温度T_p1i、T_p2i、……、T_p(n-1)i，所述T_p11表示低载低负荷工况下第1区域与第2区域之间截面的温度，所述T_p(n-1)4表示中载高速工况下第n-1区域与第n区域之间截面的温度；

第七步，计算四种工况下各区域的内壁面温度：

各区域的对流换热量与废气消耗的热量相等，根据如下传热学公式确定各区域的内壁面温度T_b1i、T_b2i、……、T_bni：

C＝2×(b₁+b₃)

Nu_ni＝0.023Re_ni^0.8Pr_ni^m

其中，D_h表示水力直径，C表示横截面的周长，μ_ni表示动力粘度，μ₀＝1.7894×10^-5表示15℃时的粘度，T_rni表示各区域的平均废气温度，B为常数，Re_ni表示雷诺数，v_i表示废气流经集热箱的流速，Pr_ni表示普朗特数，Nu_ni表示努塞尔数，m＝0.3为常数，h_ni表示废气与内壁面之间的对流换热系数；

计算区域u₁中的内壁面温度T_b1i：

Q_t1＝h_1iA'₁ΔT_n1i

其中A'_n表示各区域壁面、翅片与流体的接触面积；

区域u₁中的ΔT_n1i为：

ΔT_n1i＝T_b1i-T_r1i

依次计算得到各区域的内壁面温度T_b1i、T_b2i、……、T_bni，所述T_b11表示低载低负荷工况下第1区域的内壁面温度，所述T_bn4表示中载高速工况下第n区域的内壁面温度；

第八步，计算各区域外壁面温度T_w1i、T_w2i、……、T_wni：

集热箱壁面长和宽各均超过厚度的十倍，其平壁两侧温度均匀、稳定，“边效应”已减小到可作“大平壁”处理，各区域的内外壁面传热量与废气消耗的热量相等；

ΔT_wni＝T_bni-T_wni

其中，λ_a为壁面材料的导热系数，A_n为各区域内外壁面的导热面积；

所述T_w11表示低载低负荷工况下第1区域的外壁面温度，所述T_wn4表示中载高速工况下第n区域的外壁面温度；

第九步，依据四个工况下每个分区的外壁面温度值得到每个分区的外壁面温度范围，据此温度范围选择该范围下热电转化效率最高的温差发电组件，匹配布置到各个区间中。