熱管式船舶煙氣余熱溫差發電裝置的設計與研究

徐浩 蔣愛香 閻永龍

摘要：本文設計并搭建了利用熱管強化傳熱的船舶煙氣余熱溫差發電實驗裝置，并選取三組熱源溫度（275℃、300℃和325℃）開展實驗，驗證了該裝置的可行性，并得出熱源溫度是影響溫差發電裝置輸出性能的主要因素，為節能減排提供了方法和依據。

Abstract： A power generation experimental device by using waste heat of a ship with heat pipes to enhance heat transfer is designed and built. And experiment for different heat source temperature（275℃、300℃和325℃） is carried out to verify the feasibility of the device. The experiment results imply that the heat resource temperature is the main performance influencing factor of the thermoelectric generation device， thus can provide an effective scientific method and reliable theoretical basic for energy saving and emission reduction.

關鍵詞：船舶節能;余熱利用;溫差發電;熱管

Key words： ship energy saving;waste heat utilization;thermoelectric generation;heat pipe

中圖分類號：F407.474? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）15-0001-04

0  引言

本文結合船舶煙氣余熱的特點和熱管強化傳熱的性能，提出了通過熱管和溫差發電技術結合方式，設計一種熱管式溫差發電實驗裝置。

利用該實驗裝置對船舶煙氣余熱進行回收利用，進行了實驗并對實驗數據做出了分析，驗證了熱管式船舶煙氣余熱溫差發電裝置原理的可行性和結構的合理性。

1? 船舶煙氣余熱利用方案

船舶煙氣的來源主要是由主機柴油機和輔機柴油機產生的[1]。這里主要以主機柴油機為主進行方案設定。船舶煙氣余熱利用溫差發電系統簡圖如圖1所示，煙氣從主機排氣閥排出進入廢氣渦輪增壓器，而后經過廢氣鍋爐用于加熱水產生船舶所需的蒸汽，最終排出進入大氣。這一過程中煙氣的一部分能量被廢氣渦輪增壓器和廢氣鍋爐利用，而這部分能量可以作為溫差發電裝置的熱源。就柴油機結構來看，廢氣渦輪一般的布置位置是緊靠主機的，因此溫差發電裝置可以布置在廢氣渦輪增壓器后。

如圖1所示，構建的是船舶主機煙氣余熱溫差發電系統的結構簡圖。該系統保證了廢氣渦輪增壓器和廢氣鍋爐所需的廢氣能量，也可以利用煙氣的余熱進行溫差發電。溫差發電裝置在廢氣渦輪增壓器之后，所以不影響廢氣渦輪增壓器的使用。

實體船舶的煙管大多數都是圓筒狀，溫差發電板在圓筒形的煙管布置受熱會很不均勻。為了方便實驗研究，將煙氣模擬煙管設計成矩形狀，以便溫差發電板更好的貼合煙管外壁，使受熱比較均勻[2]。

熱管式溫差發電裝置，對船舶煙氣余熱進行利用，利用熱管強化可以加速熱量的傳遞，將煙氣中的余熱通過熱管大量傳給溫差發電片。同時也提高了溫差發電片熱端的溫度并改善了因煙管溫度不均勻的現狀，使得溫差發電片受熱變的均勻以及接觸面積增加，整體提高了溫差發電裝置系統的性能。本次研究設計的熱管式溫差發電試驗裝置如圖2所示，這種熱管式溫差發電裝置的設計，僅僅局限于實驗研究用，真正在實體船舶應用還需更多的改進和加工。

2? 實驗內容

溫差發電實驗裝置的熱源和冷源分別是模擬船舶的煙氣余熱和冷卻系統。因此冷熱源的溫度和流量波動范圍很小，屬于可控范圍，實際船舶工況相對復雜，無法完全模擬船舶實際工況[3]。

根據船舶煙氣的溫度范圍，本次實驗選擇了三個煙氣進口溫度分別是275℃、300℃和325℃作為溫差發電裝置熱源溫度。然后對這三組溫度的熱電輸出性能進行評估。為了更好的冷卻冷端溫度，采用冷卻水流向與煙氣流向方向相對的方式。實驗裝置布置的6塊溫差發電片采用串聯方式。

實驗條件：模擬煙氣流量約為135m3/h;冷卻水進口溫度保持在大約12℃;冷卻水流向與模擬煙氣流向相對;溫差發電片串聯;外加負載電阻阻值72Ω;三組溫度分別為275℃、300℃和325℃。

3? 實驗結果及數據分析

3.1 實驗結果

3.1.1 第一組實驗：熱源溫度275℃

圖3為溫差發電裝置的溫度變化曲線圖。由圖3可以看出，溫差發電裝置各個溫度隨著時間的不斷增加所呈現的趨勢基本相同。在實驗進行到1000s后，各個溫度基本趨于穩定狀態。此時，煙氣出口溫度約240℃，溫差發電片熱端平均溫度約為192℃，冷端平均溫度約為43℃。

圖4為溫差發電實驗裝置的輸出電壓和輸出功率隨熱端溫度及冷熱端溫差變化關系曲線。從圖4（a）、圖4（b）可看出，溫差發電實驗裝置輸出電壓隨著熱端溫度增加而增加，輸出功率也隨著熱端溫度的增加而增加。從圖4（c）、圖4（d）可看出，隨著溫差發電裝置冷熱端的溫差的增大，輸出電壓和輸出功率也隨之增大。在熱端溫度達到192.8℃時，冷熱端溫差為150℃，最大輸出電壓為51.76V，最大輸出功率39.42W。

3.1.2第二組實驗：熱源溫度300℃

圖5溫差發電裝置的溫度變化曲線圖。溫差發電實驗裝置各溫度參數隨時間的變化關系。從圖5可看出，溫差發電實驗裝置各溫度參數的變化趨勢基本相同，在1250s后各個參數基本趨于穩定，此時，煙氣出口溫度約為263℃，溫差發電片熱端平均溫度約為208℃，冷端平均溫度為約44℃。

圖6為溫差發電實驗裝置的輸出電壓和輸出功率隨熱端溫度及冷熱端溫差變化關系曲線。圖6（a）、圖6（b）可看出，溫差發電實驗裝置輸出電壓隨著熱端溫度增加而增加，輸出功率也隨著熱端溫度的增加而增加。從圖6（c）、圖6（d）可看出，隨著溫差發電裝置冷熱端的溫差的增大輸出電壓和輸出功率也隨之增大。在熱端溫度達到208℃時，冷熱端溫差為163.8℃，最大輸出電壓為56.09V，最大輸出功率47.22W。

3.1.3第三組實驗：熱源溫度325℃

圖7為溫差發電裝置的溫度變化曲線圖。溫差發電實驗裝置各溫度參數隨時間的變化關系。從圖7可看出，溫差發電實驗裝置各溫度參數的變化趨勢基本相同，在1250s后各個參數基本趨于穩定，此時，煙氣出口溫度約為285℃，溫差發電片熱端平均溫度約為230℃，冷端平均溫度為約48℃。

圖8為溫差發電實驗裝置的輸出電壓和輸出功率隨熱端溫度及冷熱端溫差變化關系曲線。圖8（a）、圖8（b）可看出，溫差發電實驗裝置輸出電壓隨著熱端溫度增加而增加，輸出功率也隨著熱端溫度的增加而增加。從圖8（c）、圖8（d）可看出，隨著溫差發電裝置冷熱端的溫差的增大輸出電壓和輸出功率也隨之增大。在熱端溫度達到230℃時，冷熱端溫差為181.9℃，最大輸出電壓為60.05V，最大輸出功率53.25W。

3.2數據分析

根據以上三組實驗得出的結果。可以看出，當熱源溫度從275℃升到300℃，溫差發電裝置的輸出功率提高了7.8W;熱源溫度從300℃升到325℃時，溫差發電裝置輸出功率提高了6.03W。由此可見，在相同冷卻條件和相同煙氣流量條件下，隨著熱源溫度的上升，冷端溫度基本保持穩定的狀態下，冷熱端溫差逐漸增大，從而使得整個溫差發電裝置的輸出功率提高。然而在當熱源溫度上升的同時，整個裝置的散熱損失將不斷增大，功率損失也隨之增大，使得輸出功率的增幅逐漸下降。散熱損失是影響輸出功率增幅的一部分，此外，熱源溫度的不斷增加使溫差發電片的熱端溫度不斷上升，導致溫差發電片內阻發生了變化，從而影響了溫差發電實驗裝置的輸出性能。

4? 結論

實驗研究得出了在模擬煙氣溫度分別為275℃、300℃和325℃時，熱管式船舶煙氣余熱溫差發電實驗裝置的最大輸出功率分別為39.42W、47.22W和53.25W，比理論值低7.7%、7.2%和8.1%，熱電轉換效率分別為4.8%、5.2%和5.5%，比理論值低9.4%、10.3%和11.3%。結果表明熱管式船舶煙氣余熱溫差發電裝置原理可行、結構合理，同時得出，熱源溫度是影響溫差發電裝置輸出性能的主要因素，隨著熱源溫度的升高，溫差發電裝置的輸出性能將會提高。

參考文獻：

[1]李斌.船舶柴油機[M].大連：大連海事大學出版社，2008.

[2]馬宗正，邵鳳翔，王新莉，楊安杰.發動機尾氣溫差發電裝置[J].2016.

[3]鮑亮亮，李啟明，彭文博，劉大為，金安君.汽車尾氣溫差發電裝置的設計、制作及性能測試[J].電源技術，2016.