解凍冷源溫差發(fā)電模擬實驗裝置的設(shè)計與開發(fā)

馬宗正，馬登軍，王士龍，趙亞兵，王志強，郝劉濤

(河南工程學(xué)院 機械工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

冷庫等場所的冷凍產(chǎn)品一般采用自來水沖洗的方法解凍，解凍后的自來水會以廢水的形式直接排放[1-3]，此時廢水的溫度較低，蘊藏著大量的低溫能量即冷能。文獻[4]表明在冷凍產(chǎn)品的解凍過程中，1 t產(chǎn)品的溫度從-18 ℃上升到5 ℃能夠釋放387 000 kJ的冷能，如果回收這部分能量則將產(chǎn)生非?？捎^的效益。

目前冷能的利用形式較為多樣，包括深冷空氣分離[5]、冷凍倉庫[6]、干冰制造[7]、海水淡化[8]、發(fā)電[9-10]等低溫能量回收方法，其中溫差發(fā)電方法能夠基于塞貝克效應(yīng)直接把溫差轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，具有無振動、無污染等特點，有著較為廣泛的應(yīng)用[11]。特別是針對LNG冷能的回收，Sun等[12]研究表明，當冷端溫度為130 K、熱端溫度為290 K 時，溫差發(fā)電系統(tǒng)的熱轉(zhuǎn)換效率能夠達到9%，表明低溫條件下溫差發(fā)電效率比常溫下更高，同時輸出電動勢受到冷端溫度的影響。在采用上述相同材料時，文獻[13]的研究結(jié)果表明當冷端溫度為-70～-60 ℃時，溫差發(fā)電系統(tǒng)的輸出電動勢最大。Zhao等[14]將溫差發(fā)電技術(shù)與LNG 空氣加熱蒸發(fā)器相結(jié)合，液相區(qū)和兩相區(qū)的發(fā)電效率約為3.48%，與采用熱電發(fā)電裝置的空溫式汽化器相比，該裝置的氣化過程縮短了77.6%，總產(chǎn)量大幅提升。

雖然解凍溫差發(fā)電能夠收獲可重復(fù)利用的能源，但目前尚未見此類裝置設(shè)計的相關(guān)報道。因此，設(shè)計一款解凍冷源能量回收的溫差發(fā)電模擬實驗裝置，對研究解凍冷源能量回收有著重要意義。

1 模擬實驗臺的總體結(jié)構(gòu)

該模擬實驗臺設(shè)計的基本思路是讓與解凍水性質(zhì)相同的流體循環(huán)起來，形成溫差發(fā)電器的冷端，采用散熱器從周圍環(huán)境中吸收熱量，形成溫差發(fā)電器的熱端，從而在溫差發(fā)電器兩端形成溫差，能夠?qū)ν廨敵鲭娔堋?/p>

圖1 解凍冷能回收模擬實驗臺Fig.1 Diagram of LNG cold energy recovery simulation system

模擬實驗裝置包括3個部分(如圖1所示)：溫差發(fā)電系統(tǒng)、解凍水模擬系統(tǒng)和測量顯示系統(tǒng)。其中：測量顯示系統(tǒng)用于測量溫差發(fā)電器冷端和熱端的溫度，由傳感器、數(shù)顯儀表組成；溫差發(fā)電器基于溫差發(fā)電片實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化，將熱能轉(zhuǎn)化為電能，主要由溫差發(fā)電片、集熱器和散熱片組成；解凍水模擬系統(tǒng)用于模擬冷凍產(chǎn)品解凍過程中的低溫水，主要由保溫桶、水泵組成。

2 模擬實驗臺的設(shè)計

2.1 解凍水模擬系統(tǒng)

冷庫等場所的冷凍產(chǎn)品一般采用自來水沖洗的方法進行解凍，所以一般解凍水呈現(xiàn)冰水混合物的狀態(tài)。通過在保溫桶中加冰塊的方式模擬解凍水，在實驗過程中有專人觀察保溫桶內(nèi)部的冰塊情況，確保其為冰水混合物狀態(tài)。

整個解凍水循環(huán)管路如圖2所示，主要由基礎(chǔ)支架(作為各個部件安裝的載體)、保溫桶(儲存冷源)、連接管(負責(zé)冷源的輸送)等組成。

同時，為了能夠讓集熱器和保溫桶內(nèi)部的狀態(tài)保持一致，利用水泵泵水的方式將保溫桶內(nèi)部的冰水導(dǎo)入集熱器中。由于冰的密度小于水，冰會懸浮在水的上部，所以把泵的進水口開在保溫桶的底部，確保不會有冰堵塞管路，本實驗選用電動定量泵，出水量為200 L/min。

2.2 溫差發(fā)電系統(tǒng)

溫差發(fā)電器的基本功能是實現(xiàn)冷能和熱能的收集，并在溫差發(fā)電模塊兩端形成溫差，目前一般采用類似三明治的結(jié)構(gòu)，即溫差發(fā)電片處于中間，冷源和熱源分別在溫差發(fā)電片的兩側(cè)(此時要注意溫差發(fā)電片的正反面)，收集冷能的部分為集熱器，收集熱能的部分為散熱器，具體如圖3所示。同時，為了增加溫差發(fā)電片的布置數(shù)量，集熱器一般采用立方體結(jié)構(gòu)，使冰水混合物可從其內(nèi)部流過，在其兩面都布置溫差發(fā)電片，散熱器選擇與溫差發(fā)電片尺寸一致的散熱片。

圖2 解凍水箱Fig.2 Thawing tank

圖3 溫差發(fā)電器模型Fig.3 Schematic of thermo generator model

集熱器尺寸為500 mm×350 mm×20 mm，溫差發(fā)電片尺寸為40 mm×40 mm×2.8 mm，散熱片尺寸為40 mm×40 mm×5 mm，單面集熱器可以布置25片溫差發(fā)電片，兩面共計50片，具體布置結(jié)構(gòu)見圖4。

集熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)對于其表面溫度的均勻性有著較大影響，為了便于加工，本設(shè)計參考文獻[11]，采用了空腔結(jié)構(gòu)。

2.3 測量顯示系統(tǒng)

如前所述，測量顯示系統(tǒng)的基本作用是完成對溫差發(fā)電器冷端溫度、熱端溫度、解凍水溫度、輸出電壓、輸出電流等數(shù)據(jù)的測量，其中溫差發(fā)電器冷端溫度、熱端溫度、解凍水溫度采用熱電偶測量。為了減少熱電偶對測試過程的影響，本設(shè)計采用扁平熱電偶，即臺灣泰仕公司生產(chǎn)的扁平K型熱電偶，該熱電偶的測試端寬度只有3.7 mm，厚度只有0.28 mm，輸出電壓和電流用萬用表測量，采用的是勝利儀器公司生產(chǎn)的VC890C+型萬用表，完成的實物如圖5所示。為了能夠演示輸出電能，增加了一個12 V的白熾燈，通過亮度變化來展現(xiàn)輸出電能的變化。

圖4 溫差發(fā)電器Fig.4 Thermo generator

圖5 展示電能輸出的白熾燈Fig.5 The light of showing power output

3 實驗結(jié)果

在完成實驗裝置的組裝后進行了相關(guān)實驗，實驗過程中，保持冰水混合物的流量不變且外部無風(fēng)，考察了溫差發(fā)電片冷端溫度和熱端溫度的變化情況，以及冷端溫度變化對溫差發(fā)電片電壓造成的影響。為了能夠進行定量分析，只對單片溫差發(fā)電片進行了測量，溫差發(fā)電片熱端溫度、冷端溫度和電壓的變化情況如表1所示。

由表1可知，隨著冰的不斷解凍，冷端和熱端溫度逐漸趨近，熱端溫度從11.7 ℃降至7.8 ℃，冷端溫度從3.6 ℃升至9.7 ℃，與此同時產(chǎn)生的電壓也逐漸變小。原因在于溫差發(fā)電片自身有一定的導(dǎo)熱性能，冷端和熱端的距離較短，也可以通過周圍的空氣傳遞熱量，從而使得冷端和熱端的溫度同時升高。實驗結(jié)果也表明，采用溫差發(fā)電技術(shù)進行冷凍水的能量回收是可行的，但是如果不采用其他輔助方式，溫差發(fā)電片兩端溫差較小。

實驗還對溫差和輸出電壓之間的關(guān)系進行了研究，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，輸出電壓隨著溫差的升高而升高，當溫差為2 ℃時輸出電壓為70.8 mV，當溫差為7.6 ℃時輸出電壓為190.0 mV，溫差和輸出電壓基本成正比。利用擬合法可得到擬合曲線為y=15.15+23.28x，其中y表示輸出電壓(mV)，x表示溫差(℃)。

表1 溫差對電壓的影響Tab.1 Effort of temperature difference on voltage

圖6 溫差對電壓的影響Fig.6 Effort of temperature difference on voltage

由此可見，溫差發(fā)電片的塞貝克系數(shù)在低溫條件下基本保持不變，在實際使用過程中，輸出電壓的數(shù)值可以直接利用塞貝克系數(shù)與溫差的乘積得到。

4 結(jié)語

針對冷庫等場所的解凍水，設(shè)計了一款節(jié)能冷能溫差發(fā)電模擬實驗裝置，并在其基礎(chǔ)上進行了相關(guān)實驗，實驗結(jié)果表明輸出電壓隨著溫差的升高而升高，溫差和輸出電壓基本成正比。要實現(xiàn)實際生產(chǎn)應(yīng)用，還需要考慮提高溫差發(fā)電片兩端的溫差，比如利用自然風(fēng)等。