基于ANSYS的溫差發電系統設計分析

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.上海船用柴油機研究所，上海 200090；2. 船舶與海洋工程動力系統國家工程實驗室，上海 200090)

1 引言

在環境污染不斷加劇的嚴峻形勢下，節能環保需求日趨突出，如何在綠色環保的前提下更加高效地利用能源是當前關注的熱點。我國是世界航運大國，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，船舶柴油機作為船舶動力系統核心部件在工作中會釋放大量的熱，這些熱量往往沒有經過回收利用就被釋放掉了，不僅不利于散熱，而且浪費了能源[1]。

本文主要以WHM6460C550-5型柴油機為研究對象，基于大功率柴油機能量綜合利用技術研究及驗證項目，對排氣余熱溫差熱電轉換技術進行研究和驗證，提出合理的排氣余熱溫差熱電轉換關鍵技術和系統集成技術方案，保證較高的溫差熱電轉換效率，提高柴油機排氣余熱利用率。

2 柴油機溫差熱電系統

2.1 柴油機輸入參數

以實驗室WHM6460C550-5型柴油機為對象，開展了蓄熱式溫差熱電系統研究，柴油機參數見表1。

表1 柴油機溫差熱電設計輸入參數

2.2 溫差熱電系統設計

圖1為柴油機溫差熱電系統示意圖，柴油機排氣源產生的高溫煙氣進入集成蓄熱式熱能管理與熱電轉換模塊，由于溫差作用而在溫差熱電片系統中產生的電能通過電源管理模塊進行功率調節并存儲于蓄電池中；做完功后的煙氣通過排氣管進入煙囪。

圖1 溫差熱電系統

3 溫差熱電反應裝備設計

3.1 溫差熱電系統結構

溫差熱電系統工作原理為利用熱電片兩端溫度差產生熱勢差發電，保證溫差熱電片兩邊溫度較大的溫差是設計關鍵點[2]；在熱電片熱端加裝蓄熱體，利用蓄熱體的大熱容和強換熱特性，將柴油機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定性；另外除熱電轉換器件與冷端和熱端貼合區域外，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，以維持穩定的熱勢差。

設計的溫差熱電裝置，熱端換熱區，耐高溫蓄熱材料填充于不銹鋼高溫煙道內，縫隙處用石墨紙填充；冷端換熱區，采用不銹鋼水冷管緊密排布，并與不銹鋼導熱板殼體焊接，不銹鋼導板殼體與水冷管之間灌入導熱油，具體外形結構見圖 2。

圖2 反應器封裝結構尺寸示意

3.2 仿真驗證

3.2.1 熱端仿真驗證

煙氣排氣溫度約為400 ℃，為保障熱端穩定，在高溫側安置蓄熱體，蓄熱體和熱電片之間安放換熱銅板，模擬柴油機實際運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域，蓄熱體的溫度由400℃降低到282℃，而遠離銅換熱板區域的溫度基本維持在400 ℃。

進行反應器內流場仿真，由圖4可知，由于為蜂窩型蓄熱體作用，柴油機排氣在高溫煙道中的流動相對均勻，可以與耐高溫蓄熱材料進行充分換熱。 由以上可知安裝蓄熱體的熱端性能穩定，保溫良好。

圖4 柴油機排氣流動示意

3.2.2 冷端仿真驗證

溫差熱電系統冷端主要采用水冷卻方式，管路蛇形排布，不銹鋼導板殼體與水冷管之間灌入導熱油，具體結構見圖5。

圖5 冷端換熱管結構尺寸示意

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，冷端溫度穩定。

圖6 冷卻水在水冷管中的流動示意

為了進一步確定溫度的分布及穩定性，仿真與熱電片相連的不銹鋼換熱板區域的溫度分布情況，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 不銹鋼換熱板區域的溫度分布

4 結論

采用冷端結構為蛇形換熱管結構，內置導熱油，熱端采用蓄熱體結構，冷熱端增加導熱系數較高的銅板的溫差熱電系統，冷熱端換熱穩定，可滿足溫差大、溫度穩定的設計要求。