含螺旋纽带的环形热电发电机性能优化方法

1.本发明涉及热电转换废热回收技术领域，具体涉及一种含螺旋纽带的环形热电发电机性能优化方法。


背景技术：

2.随着全球能源危机以及碳排放超标的问题日益严重，对绿色清洁能源的研究成为当今的一个热门研究方向。热电发电机（thermoelectric generator，teg）是一种基于塞贝克效应而可以把热能直接转换为电能的设备，具有绿色环保、无噪声、可靠性好等诸多优点。对提高能源利用率、改善能源结构具有重要意义。
3.但是，目前环状热电发电器件输出功率和转换效率仍然比较低，限制了其发展，优化热电发电机的设计对于提高其实际应用价值和促进商业化进程十分重要。热电效率可以表示为：其中，为卡诺效率（carnot efficiency），为冷热端的平均温度，zt值为热电材料的热电优值。从公式中可知，提高热电发电器件性能的途径主要有两种：一种是通过提高热电材料的热电优值，一种是改进热电发电器件冷热端的温差。
4.关于从材料层面提升热电材料的zt值研究广泛。例如：专利号为cn202011069673.4（公开号：cn112342619a，公开日：2021.02.09）的发明专利公开了一种分梯度铸锭制备热电材料以料优化载流子浓度的方法；专利号为cn201910920684.x（公开号：cn110642232a，公开日：2020.01.03）的发明专利公开了一种优化n型bi2te3基热电材料组织和性能的方法。
5.在汽车尾气废热回收的背景下，汽车尾气温度限定了热侧的工作温度区间，这导致了所选用的热电材料及其zt值几乎是确定的.因此，采用强化传热的手段来改善热电来提升热电发电机的整体性能是一种非常有潜力的手段，因为这可以提升热端温度来增大热电发电机两端的温差。具体体现为：专利号为cn201910324672.0的发明专利（公开号：cn110348037a，公开日：2019.10.18）提供了一种汽车尾气热电转化装置电气拓扑结构的优化方法，运用遗传算法得到最优拓扑结构;专利号为cn202011119994.0（公开号：cn112311279a，公开日：2021.02.02）的发明提供了一种用于流体余热回收的温差发电模块及其结构优化方法, 通过改变热电半导体的横截面积，有效地提高用于流体余热回收的温差发电模块的输出性能，提高温差发电模块的热电转换效率。
6.上述专利围绕平板型热电发电机展开，但是对于汽车尾气管道等圆柱形热源，一般将热电发电机的形状做成环形，相较于平板型热电发电机，环形热电发电机可以更好的贴合汽车排气管道，从而消除几何不匹配引起的接触热阻，减少热量损耗，更具优势。
7.目前关于环形热电发电机强化传热方面的探索研究并未充分展开。限于其发电效率和热电装置的投入成本，针对换热器的过渡改造不但会增加改造成本，而且会增加排气背压，导致系统净功率下降。由于环形汽车尾气管的高度对称性，为环形热电发电机探索一种改造简单、成本低廉、实用性强的强化传热方式成为亟待解决的问题。


技术实现要素：

8.为解决以上问题，本发明提供一种含螺旋纽带的环形热电发电机性能优化方法，通过在热端换热器中内置一条螺旋纽带，用以增强热电模块热端换热器的热传递速率和热均匀性，并通过多目标遗传算法得到螺旋纽带的最优几何参数，从而最大化热电发电机的净功率输出和转换效率。
9.本发明采用的技术方案是：一种含螺旋纽带的环形热电发电机性能优化方法，包括以下步骤：s1：参数化建模，考虑流-热-电各个物理场的相互耦合，在comsol中建立含螺旋纽带的环形热电发电机的三维数值模型；并设置好控制螺旋纽带的三个几何参数，分别为；半径r，长度l，纽率aa；s2：确定环形热电发电机性能评价指标，螺旋纽带在增强传热的同时也会导致摩擦阻力增大，即提升输出效率的同时也会导致压降损耗增大；为了衡量强化传热措施对环形热电发电机输出性能的影响，必须综合考虑总输出功率p
out
和压降损耗p
loss
，提出了用净功率p
net
和转换效率作为衡量热电性能的两个指标，并确定净功率与转换效率的数学方程式；s3：联合仿真优化，结合comsol的多物理场耦合仿真功能与matlab的数据处理与优化功能进行联合优化仿真；在comsol中做计算，计算带螺旋纽带的环形热电发电机的净功率与转换效率的值，并将计算结果传到matlab，在matlab中调用遗传算法工具箱，获得螺旋纽带最优几何参数，以及对应的净功率和转换效率的最大值。
10.作为优选，步骤s1中，还包括以下步骤：步骤s11：确定带螺旋纽带的环形热电发电机的几何结构；步骤s12：确定环形热电发电机冷热两端流体的参数。
11.进一步的，步骤s11中，带螺旋纽带的环形热电发电机包括换热器和热电偶，热交换器包括中间承载热空气的管状通道以及外侧的圆环形冷却水通道，在管状通道与圆环形冷却水通道之间设有环形热电偶；在热端管状换热器中内置一条螺旋扰流带用以增强换热，达到优化热电性能的目的；环形热电发电机有6环，每环包含12对环形热电偶；一个热电偶由p/n型半导体支腿，导电铜片以及陶瓷片构成；所述环形热电偶以热并联，电串联的形式连接起来；热电偶高度为5mm；热电偶单腿角度为10
°
，单腿与单腿之间角度为5
°
；环与环之间的间隔为2mm；初始螺旋纽带的长度l为100mm，半径r为2mm,纽率aa为100，由steel aisi 4340制成。
12.进一步的，所述步骤s12中，冷热两端流体的物理特性如下：
。
13.作为优选，步骤s2中，还包括以下步骤：步骤s21：作为整体传热增强的热性能因素取决于传热系数和摩擦损失；分别通过努塞尔数nu和摩擦系数
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来衡量添加螺旋纽带后的传热性能与摩擦阻力；步骤s22：采用净功率和转换效率来衡量添加螺旋纽带后环形热电发电机的输出性能提升。
14.进一步的，步骤s21中，努塞尔数nu和摩擦系数
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的表达式分别为：式中：h表示平均传热系数，ti 和to表示空气的入口和出口温度，a表示换热器内表面积，tw表示内壁平均温度,tb表示空气平均温度，d代表水力直径,k表示导热系数；vin表示流体入口平均速度，可通过后处理计算获得。
15.进一步的，步骤s22中，考虑添加螺旋纽带后，由于沿程的摩擦阻力增加而导致的压降损耗的表达式为：式中表示空气的体积流量；环形热电发电机的输出功率表达式为：式中i代表热电系统的输出电流，r
l
为负载电阻，净功率的表达式为：效率的表达式为：。
16.作为优选，所述步骤s3中，还包括以下步骤：s31：运行matlab遗传算法，生成设计变量,三个设计变量分别为螺旋纽带的几何参数：长度l,半径r,纽率aa；s32：matlab传递变量到comsol；
s33：comsol中参数化建模，生成三维有限元模型并进行仿真计算,计算两个目标函数值，分别为环形热电系统的净功率和转换效率；s34：将comsol仿真结果传到matlab；s35：判断是否达到优化结果，如果得到最优值，则输出结果，如果没有达到最优值，遗传算法迭代出下一代的尺寸参数，传递到comsol做计算，循环往复，直至达到最优值。
17.本发明取得的有益效果是：本发明将螺旋纽带与环形热电发电机结合，相较于其他环形热电换热器优化方法，螺旋纽带作为一种最方便的强化传热技术，本身加工制造相对简单，成本低廉，易于安装，使用方便，非常适用于对旧有换热器进行技术改造。此外，本发明利用comsol与matlab的联合仿真实现了从热电系统的性能角度表征和优化螺旋纽带的设计，赋予了螺旋纽带新的应用场景和环形热电发电机潜在的商用价值。
附图说明
18.图1为本发明的流程图；图2为带螺旋纽带的环形热电发电机整体结构示意图；图3为单个热电偶的结构示意图；图4为对照组与实验组的结构对比示意图；图5为对照组与实验组在不同雷诺数下的努塞尔数与摩擦系数；图6为对照组与实验组在不同雷诺数下的输出功率和压降损耗；图7为对照组与实验组在不同雷诺数下的净功率和转换效率；图中：1、圆环形冷却水通道；2、螺旋纽带；3、承载热空气的管状通道；4、环形热电偶；5、导电铜片；6、陶瓷片。
具体实施方式
19.下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。
20.如图1所示的一种含螺旋纽带的环形热电发电机性能优化方法，该方法包括以下步骤：s1：参数化建模，考虑流-热-电各个物理场的相互耦合，在comsol中建立含螺旋纽带的环形热电发电机的三维数值模型。并设置好控制螺旋纽带的三个几何参数，分别为；半径r,长度l,纽率aa。
21.进一步的，所述步骤s1还包括以下步骤：步骤s11：确定带螺旋纽带的环形热电发电机的几何结构；该环形热电发电机由换热器和热电偶组成，热交换器包括中间承载热空气的管状通道以及外侧的圆环形冷却水通道，在两者之间有72对环形热电偶。本发明的特别之处在于在热端管状换热器中内置了一条螺旋纽带用以增强换热，达到优化热电性能的目的。
22.环形热电发电机有6环，每环包含12对环形热电偶。一个热电偶由p/n型半导体支腿，导电铜片以及陶瓷片构成。所述环形热电偶以热并联，电串联的形式连接起来。热电偶高度为5mm。热电偶单腿角度为10
°
，单腿与单腿之间角度为5
°
。环与环之间的间隔为2mm。
23.确定初始螺旋纽带的三个参数：长度l为97mm.半径r为2mm,纽率aa为100，由steel aisi 4340制成。添加螺旋纽带是为了保持更多的热量传给热电偶，而不是从出口流失。螺
旋纽带是一种结构简单且实用的强化换热扰流元件，插入管内的纽带使流体沿纽带产生螺旋扭动，可以加快热量在流体与管壁之间的传递速度，扩大传热面积，增强对流传热。从而提升热电发电机的热端温度，增大热电偶两端的温差。
24.步骤s12：确定环形热电发电机冷热两端流体的物理特性,结果见表1；步骤s2：确定环形热电发电机性能评价指标，螺旋纽带在增强传热的同时也会导致摩擦阻力增大，即提升输出效率的同时也会导致压降损耗增大。为了衡量强化传热措施对环形热电发电机输出性能的影响，必须综合考虑总输出功率p
out
和压降损耗p
loss
，提出了用净功率p
net
和转换效率作为衡量热电性能的两个指标，并确定了净功率与转换效率的数学方程式。
25.为了便于阐述，将热端圆管形换热器中不含螺旋纽带的环形热电发电机设为对照组，在热端换热器中增添了螺旋纽带的改进型环形热电发电机设为实验组。实验组中螺旋纽带的具体参数为：长度l为0.097m,半径r为0.02m,纽率aa为100。其他几何参数均与对照组一致。热气的入口温度为673.15 k，入口速度为8.3814 m/s。
26.步骤s21：通常，作为整体传热增强的热性能因素取决于传热系数和摩擦损失。良好的强化传热装置应在增加的传热系数和摩擦阻力之间进行合理的权衡。分别通过努塞尔数nu和摩擦系数
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来衡量添加螺旋纽带后的传热性能与摩擦阻力；努塞尔数nu和摩擦系数
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的表达式分别为：式中h表示平均传热系数，t
i 和 to表示空气的入口和出口温度，a表示换热器内表面积，tw表示内壁平均温度,tb表示空气平均温度，d代表水力直径,k表示导热系数；v
in
表示流体入口平均速度，可通过后处理计算获得；如图5所示，对照组和实验组的努塞尔数nu 随雷诺数 re的增大都呈线性增长趋势，相同雷诺数 re下，实验组的努塞尔数 nu 比对照组要高出 33%～60%，这说明实验组的传热性能要明显优于光管。
27.实验组的摩擦系数
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随雷诺数 re 的增大出现明显下降的趋势，对照组中摩擦系数
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整体变化不明显。实验组的摩擦系数
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比对照组要高出 167%～205%，实验组的管内流体摩擦阻力明显大于对照组。
28.步骤 s22：为了进一步直观的说明问题，采用净功率和转换效率来衡量添加螺旋纽带后环形热电发电机的输出性能提升。如图5为不含螺旋纽带的环形热电发电机与内置螺旋纽带的环形热电发电机在不同雷诺数下净功率与转换效率。
29.考虑添加螺旋纽带后，由于沿程的摩擦阻力增加而导致的压降损耗的表达式为：式中表示空气的体积流量。
30.环形热电发电机的输出功率表达式为：式中i代表热电系统的输出电流，r
l
为负载电阻，净功率的表达式为：效率的表达式为：如图6所示，实验组与对照组的热电系统输出功率均随雷诺数的增大而提升，并且实验组的热电发电机输出功率明显高于对照组。说明螺旋纽带的确有助于提升环形热电发电机的输出性能。当换热器中不含螺旋纽带时，压降损耗均在0.1w以下，且随雷诺数变化不明显，几乎可以忽视，然而添加螺旋纽带后，随着雷诺数的增加，压降损耗在不断变大，且变化趋势越来越明显。
31.如图7所示，两组环形热电发电机的转换效率均随雷诺数的增大而增大，但实验组的转换效率明显高于对照组。说明在不同雷诺数下，通过添加螺旋纽带都可以改善转换效率。而净功率的变化趋势则出现了转折，实验组的热电发电机净功率呈现先增后减的趋势，而对照组的热电发电机净功率则一直增大。当雷诺数小于12000时，添加螺旋纽带会带来效率和功率的双重增益，改善效果更加显著。
32.步骤s3：结合comsol的多物理场耦合仿真功能与matlab强大的数据处理与优化功能进行联合优化仿真。在comsol中做计算，计算带螺旋纽带的环形热电发电机的净功率与转换效率的值，并将计算结果传到matlab，在matlab中调用遗传算法工具箱，获得螺旋纽带最优几何参数，以及对应的净功率和转换效率的最大值。
33.步骤s31：运行matlab遗传算法，生成设计变量,三个设计变量分别为螺旋纽带的几何参数：长度l，半径r, 纽率aa。
34.步骤s32：matlab传递变量到comsol步骤s33：comsol中参数化建模，生成三维有限元模型并进行仿真计算,计算两个目标函数值，分别为环形热电系统的净功率和转换效率。
35.步骤s34：将comsol仿真结果传到matlab步骤s35：判断是否达到优化结果，如果得到最优值，则输出结果，如果没有达到最优值，遗传算法迭代出下一代的尺寸参数，传递到comsol做计算，循环往复，直至达到最优
值。
36.表2列出了不含螺旋纽带，含初始螺旋纽带，以及含优化后的螺旋纽带三种情况下的环形热电发电机的净功率和转换效率以及对应的三个几何参数根据表2可以看出，通过在环形热电发电机换热器管道中内置螺旋纽带可以明显提升净功率和转换效率，并且通过comsol与matlab的联合优化可以进一步优化提升环形热电发电机的输出性能，获得螺旋纽带的最优几何配置。
37.说明本发明所述的一种含螺旋纽带的环形热电发电机性能优化方法及系统是有效的，实现了从热电系统的性能角度表征和优化螺旋纽带的设计，赋予了螺旋纽带新的应用场景和环形热电发电机潜在的商用价值。
38.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要结构特征。本发明不受上述实例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。