液化天然气（LNG）汽车冷能和尾气余热的温差发电系统研究

【摘要】：近年来,我国汽车产业取得了飞速地发展，汽车已然成为人们日常生活必不可少的交通工具，随着汽车保有量的增加，导致燃料的需求不断增加，同时汽车排放对环境造成的污染也不容忽视。为应对这一系列问题,各国政府不断完善限制机动车对环境污染的法律法规,各种汽车先进技术的研究单位也投资大量资金和科研力量进行新型能量转换装置的开发。 利用汽车废热进行温差发电的系统成为各大企业、高校及其研究机构的关注热点，该装置可以将汽车排放的尾气中的废热转换为电能,有效地解决了内燃机对燃料燃烧能量的利用率低的问题，从另一个角度可以视为提高了汽车的燃油利用率,而且进气温度的升高可以减少部分有害排气的排放量,具有很好的应用前景和重要的社会价值。 本文在对国内外LNG汽车方面研究分析的基础上,发现液化天然气（LNG）汽车作为一种新能源汽车受到各国政府的大力推广，但目前利用汽车尾气废热的温差发电系统存在的输出功率小、转换效率低等缺点,而LNG汽车自身具备的低温冷源为提高温差发电装置的输出功率提供了良好的条件，但需要对温差发电装置在LNG汽车上的应用可靠性及性能进行分析，首先对装置中与废热回收利用率紧密相关的换热器进行流-固耦合分析,仿真能够通过多种方式来改善温差发电模块安装表面的温度分布情况，分析其对传统排气系统的影响，为增大温差发电模块冷热端的温差提供有效途径。以对流体力学的学习为前提,利用UG建立了三种不同内部结构的尾气温差发电装置换热器三维模型,运用ANSYS Fluent有限元分析软件进行多物理场的耦合分析,据此分析汽车尾气温差发电装置换热器通道内的高温气体流动与传热过程。通过分析相关机构的研究方法，获得对应的有限元模型和边界条件,经过软件计算收敛后得到了三种换热器温度、压力和流场仿真结果,对比光滑表面、“一”字肋片和“人”字肋片三种换热器通道仿真结果，分析得到三者中最优的换热器结构，得到其温差发电模块安装表面的温度分布云图，确定合理的模块安装方式，为后续的仿真计算提供了基础条件，并考虑接触热阻对模块端面温度的影响，从接触热阻影响因素着手对接触传热进行优化。 另外，本文对该汽车尾气温差发电装置进行热-固和热-电耦合分析,加载换热器热-流耦合分析得到的温度载荷,分析得到了汽车尾气温差发电器件的应力和应变云图，并与以冷却水为冷源的温差发电单元仿真结果进行对比，结果表明,本文所研究的汽车尾气温差发电装置满足使用要求,可以为今后的相关研究提供参考。 【关键词】：LNG汽车 温差发电模块 多场耦合 数值模拟
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U463.6;TM913
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 研究的背景及意义11-13
• 1.2 温差发电材料的研究进展13-17
• 1.2.1 温差发电材料类型14-16
• 1.2.2 提高温差发电材料转换效率的方法16-17
• 1.3 温差发电装置的研究进展17-21
• 1.3.1 国外研究17-19
• 1.3.2 国内研究19-20
• 1.3.3 主要研究单位20-21
• 1.4 本文主要研究内容21-23
• 第二章 温差发电装置理论研究23-33
• 2.1 温差发电的基本原理23-26
• 2.1.1 Seebeck 效应23-24
• 2.1.2 Peltier（帕尔贴）效应24-25
• 2.1.3 Thomson（汤姆逊）效应25
• 2.1.4 温差发电材料的优值系数25-26
• 2.2 温差发电的传热基本控制方程26-27
• 2.3 输出功率和转换效率表达方式27-30
• 2.3.1 输出功率27-28
• 2.3.2 转换效率28-30
• 2.4 输出功率和效率的影响因子30-31
• 2.4.1 传导热对输出功率和转换效率的影响30
• 2.4.2 汤姆逊热对输出功率和转换效率的影响30-31
• 2.5 本章小结31-33
• 第三章 换热器及强化换热设计方法33-41
• 3.1 液化天然气汽车（LNGV）冷能利用方式33-35
• 3.2 换热器的特点及作用35-36
• 3.3 强化传热技术36-38
• 3.3.1 强化传热技术发展与分类36-37
• 3.3.2 增加换热面积的措施37-38
• 3.4 最小传热单元数设计法38
• 3.5 接触热阻对换热器的影响38-39
• 3.6 本章小结39-41
• 第四章 温差发电换热器的流-固耦合传热分析41-57
• 4.1 Fluent 仿真软件介绍41-42
• 4.2 建立流-固耦合分析模型42-44
• 4.2.1 建立平板式换热器几何模型42-44
• 4.2.2 划分网格44
• 4.3 流-固耦合传热边界条件确定44-47
• 4.3.1 控制方程44-45
• 4.3.2 流体物性参数选择45
• 4.3.3 仿真边界条件的确定45-47
• 4.4 流-固耦合分析47-52
• 4.4.1 热端换热器温度场仿真结果分析47-50
• 4.4.2 换热器流场仿真分析50-51
• 4.4.3 换热器压力场分析51-52
• 4.4.4 温差发电模块的布置方式52
• 4.5 接触热阻对温差发电模块的端部温度影响52-55
• 4.5.1 不同 V 型槽角度对传热的影响53-54
• 4.5.2 不同沟槽形状对传热的影响54-55
• 4.6 本章小结55-57
• 第五章 温差发电器件热-电-固耦合分析57-71
• 5.1 ANSYS 软件介绍57-58
• 5.2 温差发电材料参数特性58-60
• 5.3 模块热-电-固耦合仿真结果分析60-65
• 5.3.1 温差发电装置建模及参数设置60-62
• 5.3.2 热电器件的温度场分析62-63
• 5.3.3 冷端温度对热电器件热应力的影响63-64
• 5.3.4 热电器件热电耦合分析64-65
• 5.4 温差电源控制系统结构65-69
• 5.5 本章小结69-71
• 第六章 总结与展望71-73
• 6.1 总结71-72
• 6.2 展望72-73
• 参考文献73-77
• 致谢77-79
• 攻读硕士学位期间发表的学位论文79

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