固定式柴油发电机排气废热回收系统中耦合传热与热电性能的实验研究

《International Journal of Heat and Fluid Flow》：Experimental study of coupled heat transfer and thermoelectric performance in an exhaust waste heat recovery system for a stationary diesel generator

　　

耦合热效应主导了排气式TEG的性能表现。降低排气流动阻力和改善冷却措施能够提升TEG的输出功率。TN#2相比TN#1将TEG的最大功率提升了39.3%。冷侧冷却强烈影响着热电模块两侧的温度差。实验为固定式柴油发电机余热回收系统的设计提供了指导。

**引言**

近年来，全球能源需求日益增长，环境污染问题愈发严重，吸引了世界范围内研究者开发可持续的能源生产与利用解决方案。正如众多研究指出的，内燃机（ICE）仍然是主要的发电动力来源之一，但其运行过程中伴随着巨大的能量损失（Gürbüz等人，2022年）。近期研究表明，排气余热回收系统的性能受换热器内部热工与流场特性影响显著，其中温度分布、流动均匀性和瞬态工况条件决定了可用于能量转化的热量大小（Srivastava和Sahoo，2025年；Farhat等人，2022年）。因此，深入理解这些热流耦合过程已成为开发更高效热电余热回收系统的关键步骤。目前，内燃机的整体燃油利用率仍然较低，通常仅为25%至40%（Ren和Peng，2018年）。此外，汽油发动机的制动热效率一般为25%至33%，而柴油发动机性能略优，效率约为35%至40%（Tao等人，2009年）。这表明约60%至75%的输入能量散失到环境中，主要通过冷却系统的热传递（20%至30%）和排气中的热损失（30%至45%）损失掉。

此前的研究探讨了热电发电机在汽车及其他动力源中的应用。例如，包括福特、本田和宝马在内的知名汽车制造商已加大对基于排气余热回收（WHR）技术的研究投入，以提升整车能效（Lan等人，2022年；Hussain等人，2009年；Ochieng等人，2022年；Riffat和Ma，2003年）。Orr等人（2014年）报道了将工业烘干型热源与热电发电机（TEG）集成设计与制造的成果，实现最大电输出功率约6W，转化效率接近1.4%。在相关研究中，Singh等人（2011年）研究了利用热管辅助热电发电机（TEG）系统从太阳能湖中提取储存热能的方法，采用16个热电模块组成的阵列，实现总功率输出3.2W。

热电发电机（TEG）通过塞贝克效应将冷热端之间的温度梯度转化为电能。产生的开路电压与温差成正比，可表示为：

V = S(Th ? Tc)

其中S为塞贝克系数，Th和Tc分别代表热侧和冷侧温度（Mohammed等人，2024年；Karri等人，2011年）。TEG的性能受热电材料特性的强烈影响，通常使用无量纲品质因数进行评价：

ZT = S2σT/k

其中σ为电导率，k为热导率，T为绝对温度（Olabi等人，2022年）。较高的ZT值意味着优异的热电性能，需要同时具备高塞贝克系数和电导率以及低热导率——而这些参数往往相互关联，难以同时优化。

因此，TEG系统的整体转化效率不仅取决于材料本身的固有属性，还受外部工况的影响，包括温度梯度、热接触电阻和负载匹配等。由此，大量研究致力于提升材料性能和优化系统级设计以满足实际应用需求。特别是，许多研究采用了先进的数值模拟方法来模拟传热过程、电输出和耦合热电行为，从而在变化的工况下对TEG系统进行系统的性能评估和设计优化。Thermal Science期刊发表的一项研究建立了耦合CFD模型，分析了柴油发动机排气式TEG系统的排气流动、温度分布和发电性能，证明换热器优化可显著提升热能利用率和功率输出（Xiao和Zhang，2020年）。类似地，Zhang等人（2024年）提出了CFD-有限元耦合模型，评估了热泄漏对热电性能的影响，揭示了传导、对流和辐射热损失会显著降低有效温度梯度和整体转化效率。

最近，Luo等人建立了环形热电发电机的全耦合热-流-电-力多物理场模型，证明传热、流体流动、发电和热应力之间的相互作用对能量转化效率和结构可靠性均有显著影响（Luo等人，2025年）。在相关研究中，Gull等人建立了经实验验证的瞬态多物理场模型用于热电余热回收，强调热源耦合热流行为在决定热电性能方面起着主导作用（Gull等人，2025年）。此外，Luo等人研究了排气条件波动下热电发电机的动态特性，证明排气温度的时间变化对电输出的影响远大于排气质量流量的变化（Luo等人，2024年）。Lee和Kim通过重构排气流动场和温度场，进一步提升了排气式TEG的热性能，表明改善流动均匀性可有效降低热阻、改善向热电模块的传热并提高能量收集效率（Lee和Kim，2025年）。这些近期研究共同表明，准确预测和优化TEG性能需要综合考虑耦合传热与流体流动现象，而非仅关注电学特性。尽管这些研究为TEG系统优化和多物理场行为提供了有价值的见解，但大多数主要依赖数值模拟或受控实验条件，而实际固定式柴油发电机工况下的实验验证仍然有限。因此，有必要进行进一步的实验研究以评估基于TEG的排气余热回收系统的实际性能和可行性。

多项实验研究评估了热电发电机（TEG）在余热回收应用中的可行性和性能。Ge等人（2022年）对热电发电系统进行了实验研究，探讨了热源温度、气流速率和热电模块数量对电输出性能的影响。结果表明，输出功率随热源温度和气流速率的增加而增大，而在低流量条件下需要适当数量的模块才能达到最大发电功率。Zhao等人（2021年）实验研究了用于汽车排气余热回收的中间流体热电发电机系统，结论认为中间流体配置改善了温度均匀性并增强了热电转化性能。Sharma等人（2022年）对基于柴油发动机排气的TEG系统进行了实验研究，采用安装在方形不锈钢排气管上的热电模块，报告电功率随发动机负载的增加而增大，满载时达到约37W。Albatati和Attar（2021年）对半挂卡车排气热回收TEG系统进行了分析和实验研究，实验验证确认优化热设计参数可显著提升功率输出和系统整体效率。此外，Ramírez-Restrepo等人（2021年）实验评估了与固定式柴油发动机集成在不同转速和扭矩工况下的热电发电机性能，发现较高的排气温度在热电模块两侧产生更大的温度梯度，从而增强发电功率。尽管这些研究证明了基于TEG的余热回收系统的技术可行性，但大多数聚焦于汽车发动机或实验室规模实验，鲜有研究考察TEG系统与小型柴油发电机在实际工况下的集成性能特征。

尽管许多研究通过数值模拟和实验方法探讨了热电余热回收系统，近期实验研究越来越多地聚焦于通过优化换热器设计来提升热管理和传热性能。Patil和Majumder（2024年）证明在排气换热器中引入翅片可显著增强对流换热，从而增大热电模块两侧的温度差并提高电输出。类似地，He等人（2015年）优化了排气式热电发电机的冷侧换热器，证明改善冷却性能和温度均匀性可有效提升热电发电功率。

尽管取得了上述进展，实际固定式柴油发电机工况下的热电余热回收实验研究仍然有限。此前的研究主要依赖数值模拟来优化热电模块、换热器和系统配置，而现有实验研究主要在实验室条件或汽车应用下评估电输出。系统考察发电机运行负载、排气热工条件、热电模块传热、冷却性能和电功率输出之间耦合效应的实际固定式柴油发电机组实验研究仍然匮乏。

与汽车应用相比，固定式柴油发动机为热电发电机（TEG）集成提供了更合适的平台，因为其受空间、重量和安装复杂度的限制较小。然而，针对固定式柴油发电机TEG系统开发和实验验证的研究，特别是在越南——这类发动机仍广泛用于分布式发电和农业应用的国家——仍然非常有限。

为弥补上述研究空白，本研究对一种排气式TEG系统在老旧型号固定式柴油发电机实际工况下的余热回收进行了实验研究。研究考察了两种实验配置，分别标记为TN#1和TN#2。TN#1代表初始TEG配置，而TN#2是一种改进配置，对排气流动和冷却布置进行了修改以增强热能和热电性能。与以往主要关注数值分析、实验室规模热源或汽车应用的研究不同，本研究系统地考察了实际固定式柴油发电机组中发电机运行工况、排气热工特性、热电模块传热、冷侧冷却和电功率输出之间的耦合效应。因此，本研究的创新之处在于实验表征了这些耦合热-电相互作用，并评估了排气流动和热管理布置的改进如何影响TEG性能。研究结果为实际排气式TEG系统中主导的传热机制提供了新的实验见解，并为固定式柴油发电机余热回收系统的热设计和优化提供了实用指导。

**研究片段**

**TEG系统设计考虑**

TEG系统旨在从固定式柴油发动机回收排气余热，同时维持稳定且实用的运行条件。主要设计目标是保持热电模块（TEM）热侧和冷侧之间足够大的温度差，该温度差直接通过塞贝克效应影响电功率输出。因此，主要设计考虑因素包括有效的排气侧传热、充足的……

**实验设备与测量系统**

本研究使用的实验装置包括：制造完成的TEG设备、电气负载设备、温度测量系统、排气气体测量装置、冷却水流量传感器和数据采集单元。整个实验系统旨在评估所提出的TEG在实际柴油发动机运行条件下的热学和电学性能。

用于TN#1和TN#2实验模型的热电发电机设备已开发完成……

**结果与讨论**

图6展示了TN#1实验模型中不同排气温度条件下TEG输出功率随冷却水温度变化的规律。总体而言，在所有工况下，TEG输出功率随冷却水温度的升高而降低。相反，较高的排气温度由于热电模块两侧的温度差更大，产生了更大的电功率输出。具体而言，TEG的最大功率输出为52.28W……

**结论**

本研究对实际运行条件下的固定式柴油发电机排气式热电发电机（TEG）余热回收进行了实验研究。开发了两种配置：TN#1为初始配置，TN#2为改进配置，具有更低的排气流动阻力、额外的冷却翅片以及52个TEG-4006热电模块（加热块每侧各26个模块）。结果表明，电输出随……的增加而增大。

**利益冲突声明**

作者声明没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

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