基于ANSYS的溫差發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

陳秋燕,郭明山,李曉波,劉婭瓊,陸 穎,王越鴻,劉天陽,姜小鑫,張建峰,張曉晨

(1.上海船用柴油機(jī)研究所，上海 200090；2. 船舶與海洋工程動力系統(tǒng)國家工程實(shí)驗(yàn)室，上海 200090)

1 引言

在環(huán)境污染不斷加劇的嚴(yán)峻形勢下，節(jié)能環(huán)保需求日趨突出，如何在綠色環(huán)保的前提下更加高效地利用能源是當(dāng)前關(guān)注的熱點(diǎn)。我國是世界航運(yùn)大國，2019年我國造船量占世界總造船量的42.8%，手持訂單量世界第一，船舶柴油機(jī)作為船舶動力系統(tǒng)核心部件在工作中會釋放大量的熱，這些熱量往往沒有經(jīng)過回收利用就被釋放掉了，不僅不利于散熱，而且浪費(fèi)了能源[1]。

本文主要以WHM6460C550-5型柴油機(jī)為研究對象，基于大功率柴油機(jī)能量綜合利用技術(shù)研究及驗(yàn)證項(xiàng)目，對排氣余熱溫差熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行研究和驗(yàn)證，提出合理的排氣余熱溫差熱電轉(zhuǎn)換關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)方案，保證較高的溫差熱電轉(zhuǎn)換效率，提高柴油機(jī)排氣余熱利用率。

2 柴油機(jī)溫差熱電系統(tǒng)

2.1 柴油機(jī)輸入?yún)?shù)

以實(shí)驗(yàn)室WHM6460C550-5型柴油機(jī)為對象，開展了蓄熱式溫差熱電系統(tǒng)研究，柴油機(jī)參數(shù)見表1。

表1 柴油機(jī)溫差熱電設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)

2.2 溫差熱電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1為柴油機(jī)溫差熱電系統(tǒng)示意圖，柴油機(jī)排氣源產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)入集成蓄熱式熱能管理與熱電轉(zhuǎn)換模塊，由于溫差作用而在溫差熱電片系統(tǒng)中產(chǎn)生的電能通過電源管理模塊進(jìn)行功率調(diào)節(jié)并存儲于蓄電池中；做完功后的煙氣通過排氣管進(jìn)入煙囪。

圖1 溫差熱電系統(tǒng)

3 溫差熱電反應(yīng)裝備設(shè)計(jì)

3.1 溫差熱電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

溫差熱電系統(tǒng)工作原理為利用熱電片兩端溫度差產(chǎn)生熱勢差發(fā)電，保證溫差熱電片兩邊溫度較大的溫差是設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)[2]；在熱電片熱端加裝蓄熱體，利用蓄熱體的大熱容和強(qiáng)換熱特性，將柴油機(jī)排氣源的大部熱量存儲于蓄熱體中，保證熱電片熱端溫度的穩(wěn)定性；另外除熱電轉(zhuǎn)換器件與冷端和熱端貼合區(qū)域外，冷端和熱端之間的縫隙處采用納米保溫板材料填充，以減少熱量由熱端向冷端傳遞，以維持穩(wěn)定的熱勢差。

設(shè)計(jì)的溫差熱電裝置，熱端換熱區(qū)，耐高溫蓄熱材料填充于不銹鋼高溫?zé)煹纼?nèi)，縫隙處用石墨紙?zhí)畛?；冷端換熱區(qū)，采用不銹鋼水冷管緊密排布，并與不銹鋼導(dǎo)熱板殼體焊接，不銹鋼導(dǎo)板殼體與水冷管之間灌入導(dǎo)熱油，具體外形結(jié)構(gòu)見圖 2。

圖2 反應(yīng)器封裝結(jié)構(gòu)尺寸示意

3.2 仿真驗(yàn)證

3.2.1 熱端仿真驗(yàn)證

煙氣排氣溫度約為400 ℃，為保障熱端穩(wěn)定，在高溫側(cè)安置蓄熱體，蓄熱體和熱電片之間安放換熱銅板，模擬柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況下溫差熱電熱端溫度狀況[3](圖3)。

圖3 蓄熱體及銅板截面溫度分布

由圖3可知，在靠近銅換熱板的區(qū)域，蓄熱體的溫度由400℃降低到282℃，而遠(yuǎn)離銅換熱板區(qū)域的溫度基本維持在400 ℃。

進(jìn)行反應(yīng)器內(nèi)流場仿真，由圖4可知，由于為蜂窩型蓄熱體作用，柴油機(jī)排氣在高溫?zé)煹乐械牧鲃酉鄬鶆?，可以與耐高溫蓄熱材料進(jìn)行充分換熱。 由以上可知安裝蓄熱體的熱端性能穩(wěn)定，保溫良好。

圖4 柴油機(jī)排氣流動示意

3.2.2 冷端仿真驗(yàn)證

溫差熱電系統(tǒng)冷端主要采用水冷卻方式，管路蛇形排布，不銹鋼導(dǎo)板殼體與水冷管之間灌入導(dǎo)熱油，具體結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 冷端換熱管結(jié)構(gòu)尺寸示意

通過ANSYS仿真模擬不銹鋼換熱板和水冷壁截面溫度分布，由圖6可知，不銹鋼和換熱管壁溫度基本保持一致，60 ℃左右，冷端溫度穩(wěn)定。

圖6 冷卻水在水冷管中的流動示意

為了進(jìn)一步確定溫度的分布及穩(wěn)定性，仿真與熱電片相連的不銹鋼換熱板區(qū)域的溫度分布情況，由溫度分布如圖7所示，與熱電片相連的銅導(dǎo)板表面溫度主要分布于66 ℃(339K)到60 ℃(333K)之間，溫度波動較小。

圖7 不銹鋼換熱板區(qū)域的溫度分布

4 結(jié)論

采用冷端結(jié)構(gòu)為蛇形換熱管結(jié)構(gòu)，內(nèi)置導(dǎo)熱油，熱端采用蓄熱體結(jié)構(gòu)，冷熱端增加導(dǎo)熱系數(shù)較高的銅板的溫差熱電系統(tǒng)，冷熱端換熱穩(wěn)定，可滿足溫差大、溫度穩(wěn)定的設(shè)計(jì)要求。