本發(fā)明涉及熱電領域，具體涉及一種內(nèi)置匯聚式換熱器的熱電發(fā)電機及關鍵參數(shù)獲取方法。

背景技術：

1、集成換熱器的熱電發(fā)電機，能實現(xiàn)了從翅片與熱管系統(tǒng)中保存的余熱向電能的轉(zhuǎn)化，不僅實現(xiàn)了能源循環(huán)利用，還促進了清潔能源技術的發(fā)展。

2、而換熱器在運作過程中，其內(nèi)部氣流通道往往維持著固定的孔徑設計，這種靜態(tài)結(jié)構在面對氣流持續(xù)后向流動時，會遇到熱量吸收不均的問題：前部氣流攜帶的大量熱能被管壁迅速吸收并轉(zhuǎn)化為熱能存儲或初步利用，而隨著氣流深入，其攜帶的剩余熱量因前段吸收而減少，導致?lián)Q熱器后段可資利用的余熱資源下降，進而通過塞貝克效應(即熱電效應)產(chǎn)生的電能也隨之減弱，限制了整體能源轉(zhuǎn)換效率的提升。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術中提到的問題，本發(fā)明提出一種內(nèi)置匯聚式換熱器的熱電發(fā)電機及關鍵參數(shù)獲取方法，通過設置的氣流管道孔徑不斷增加可以大大增強廢氣與換熱器之間的換熱，實現(xiàn)熱電半導體整體的最佳輸出，有效提升了熱電發(fā)電機的輸電性能，

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

3、本發(fā)明一種內(nèi)置匯聚式換熱器的熱電發(fā)電機，包括：

4、氣流管道，所述氣流管道包括中置氣流管道以及前后置氣流管道，所述中置氣流管道設于換熱器內(nèi)并與換熱器貼合相連，中置氣流管道的孔徑沿熱流流動方向不斷增加，所述中置氣流管道前后兩端與前后置氣流管道相連；

5、熱電模塊，所述換熱器每個面沿長度方向貼合設有至少一個熱電模塊；

6、液冷板，所述液冷板與熱電模塊貼合相連。

7、作為本發(fā)明進一步改進，中置氣流管道入口側(cè)半徑為r1，中置氣流管道出口側(cè)半徑為r2，其中r2滿足下列關系式：

8、

9、式中：l為換熱器邊的寬度；m為換熱器最外層翅片厚度；

10、其中r1滿足下列關系式：

11、

12、作為本發(fā)明進一步改進，中置氣流管道的孔徑沿熱流方向以匯聚角θi均勻增加，其中θi滿足下列關系式：

13、θi＝θ0+iδθ

14、式中，θ0為匯聚角的初始大小，δθ為匯聚角的變化步長；

15、其中δθ滿足下列關系式：

16、

17、所述中置氣流管道入口側(cè)半徑r1、出口側(cè)半徑大小為r2以及匯聚角θi滿足下列關系式：

18、r2＝r1+q?tanθi

19、式中：q為換熱器長度。

20、作為本發(fā)明進一步改進，所述換熱器的內(nèi)翅片厚度為ti，相鄰內(nèi)翅片間距為di，最外層翅片厚度為m；

21、換熱器每個邊分布的翅片個數(shù)相等，均為n1，其中n1＝1，2，3，……；

22、換熱器每個邊的寬度均為l，l滿足下列關系式：

23、l＝n1(ti+di)

24、作為本發(fā)明進一步改進，內(nèi)翅片厚度滿足以下關系式：

25、ti＝t0±iδt

26、式中：t0為內(nèi)翅片初始厚度，δt為內(nèi)翅片厚度變化步長，其中

27、相鄰內(nèi)翅片之間間距滿足以下關系式：

28、

29、式中：d0為內(nèi)翅片初始間距，δd為內(nèi)翅片間距變化步長，其中

30、作為本發(fā)明進一步改進，內(nèi)翅片初始厚度與相鄰內(nèi)翅片初始間距滿足下列關系式：

31、

32、當i變化時，滿足ti+di＝t0+d0。

33、作為本發(fā)明進一步改進，所述熱電模塊包括陶瓷板、銅片、p型半導體以及n型半導體；所述p型半導體和n型半導體之間通過銅片連接，其中銅片上下兩端與陶瓷板貼合相連；

34、其中熱電模塊長度為p，其中p<q，q為換熱器長度。

35、作為本發(fā)明進一步改進，所述換熱器每個面上分布有數(shù)量相同的熱電模塊，個數(shù)均為n2，其中n2＝1，2，3，……；

36、數(shù)量相同的熱電模塊等間距分布，間距為k，k滿足以下關系式：

37、q＝n2p+(n2+1)k

38、作為本發(fā)明進一步改進，沿x軸，y軸以及z軸三個方向的熱電模塊的參數(shù)如下：

39、x軸方向上的p型半導體與n型半導體個數(shù)相等，第i列p型半導體的厚度為li，第i+1列n型半導體的厚度為li+1，其中l(wèi)i＝li+1；

40、相鄰p型半導體與n型半導體之間的間距為d；

41、y軸方向上的陶瓷板、p型半導體、n型半導體以及銅片的長度均為w；

42、z軸方向上的陶瓷板的高度為h1，銅片的高度為h2，p型半導體與n型半導體的高度均為h3。

43、一種內(nèi)置匯聚式換熱器的熱電發(fā)電機的關鍵參數(shù)獲取方法，包括以下步驟：

44、s1：設置邊界條件：下層陶瓷板底面設置為高溫邊界th，上層陶瓷板頂面設置為低溫邊界tc；

45、滿足ii＝ii+1，式中：ii為第i列p型半導體流過電流，ii+1為第i+1列n型半導體流過電流；

46、s2：計算溫差產(chǎn)生的第i列p型半導體的電壓ui,p，計算公式如下：

47、ui,p＝|αp|(th,i-tc)

48、式中：αp為p型半導體的塞貝克系數(shù)，th,i為p型半導體的熱端溫度；

49、s3：計算溫差產(chǎn)生的第i+1列n型半導體的電壓ui+1,n，計算公式如下：

50、ui+1,n＝|αn|(th,i+1-tc)

51、式中：αn為n型半導體的塞貝克系數(shù)；th,i+1為n型半導體的熱端溫度；

52、s4：計算溫差產(chǎn)生的第i+1列n型半導體的電阻ri+1,n和第i列p型半導體的電阻ri,p,計算公式如下：

53、

54、式中：ρn為n型半導體的電阻率；a為n型半導體與p型半導體的橫截面積h3*w；

55、

56、式中，ρp為p型半導體的電阻率；a為n型半導體與p型半導體的橫截面積h3*w；

57、s5：計算n型半導體的電流ii+1,n和p型半導體的電流ii,p，計算公式如下：

58、

59、根據(jù)步驟s1中的邊界條件，可得到th,i+1＝th,i，獲取匯聚角θi最優(yōu)值；

60、s6：根據(jù)匯聚角θi最優(yōu)值，選取內(nèi)翅片厚度ti與相鄰內(nèi)翅片間距di值，由第i列p型半導體以及第i+1列n型半導體的電壓和內(nèi)阻計算得到單個熱電模塊的輸出功率，計算公式如下：

61、

62、迭代得到最大輸出功率，獲取內(nèi)翅片厚度ti與相鄰內(nèi)翅片間距di最優(yōu)值。

63、本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術，取得了以下的技術效果：

64、本發(fā)明通過引入?yún)R聚角，使得中置氣流管道沿匯聚角延伸，延伸過程中孔徑逐漸變大，孔徑變化過程中，能有效降低因熱流溫度梯度導致的熱能損失，提高輸出電流，使得熱能在換熱器內(nèi)部實現(xiàn)更為均勻、高效的匯聚與傳導；

65、本發(fā)明中的關鍵參數(shù)獲取方法，根據(jù)輸出功率調(diào)整翅片厚度與間距的策略，能實現(xiàn)換熱面積的最大化利用與熱量傳遞效率的最優(yōu)化；不僅增強了換熱器的熱交換能力，還進一步提升了熱電發(fā)電機的整體輸出性能，實現(xiàn)了能源利用效率的提高。