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

　　關(guān)鍵詞：船舶節(jié)能;余熱利用;溫差發(fā)電;熱管

　　0引言

　　本文結(jié)合船舶煙氣余熱的特點(diǎn)和熱管強(qiáng)化傳熱的性能，提出了通過(guò)熱管和溫差發(fā)電技術(shù)結(jié)合方式，設(shè)計(jì)一種熱管式溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置。利用該實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)船舶煙氣余熱進(jìn)行回收利用，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出了分析，驗(yàn)證了熱管式船舶煙氣余熱溫差發(fā)電裝置原理的可行性和結(jié)構(gòu)的合理性。

　　1船舶煙氣余熱利用方案

　　船舶煙氣的來(lái)源主要是由主機(jī)柴油機(jī)和輔機(jī)柴油機(jī)產(chǎn)生的[1]。這里主要以主機(jī)柴油機(jī)為主進(jìn)行方案設(shè)定。船舶煙氣余熱利用溫差發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，煙氣從主機(jī)排氣閥排出進(jìn)入廢氣渦輪增壓器，而后經(jīng)過(guò)廢氣鍋爐用于加熱水產(chǎn)生船舶所需的蒸汽，最終排出進(jìn)入大氣。這一過(guò)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(fā)電裝置的熱源。

　　就柴油機(jī)結(jié)構(gòu)來(lái)看，廢氣渦輪一般的布置位置是緊靠主機(jī)的，因此溫差發(fā)電裝置可以布置在廢氣渦輪增壓器后。構(gòu)建的是船舶主機(jī)煙氣余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。該系統(tǒng)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(jìn)行溫差發(fā)電。溫差發(fā)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(shí)體船舶的煙管大多數(shù)都是圓筒狀，溫差發(fā)電板在圓筒形的煙管布置受熱會(huì)很不均勻。為了方便實(shí)驗(yàn)研究，將煙氣模擬煙管設(shè)計(jì)成矩形狀，以便溫差發(fā)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(fā)電裝置，對(duì)船舶煙氣余熱進(jìn)行利用，利用熱管強(qiáng)化可以加速熱量的傳遞，將煙氣中的余熱通過(guò)熱管大量傳給溫差發(fā)電片。同時(shí)也提高了溫差發(fā)電片熱端的溫度并改善了因煙管溫度不均勻的現(xiàn)狀，使得溫差發(fā)電片受熱變的均勻以及接觸面積增加，整體提高了溫差發(fā)電裝置系統(tǒng)的性能。本次研究設(shè)計(jì)的熱管式溫差發(fā)電試驗(yàn)裝置，這種熱管式溫差發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)，僅僅局限于實(shí)驗(yàn)研究用，真正在實(shí)體船舶應(yīng)用還需更多的改進(jìn)和加工。

　　2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

　　溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)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(tǒng)。因此冷熱源的溫度和流量波動(dòng)范圍很小，屬于可控范圍，實(shí)際船舶工況相對(duì)復(fù)雜，無(wú)法完全模擬船舶實(shí)際工況[3]。根據(jù)船舶煙氣的溫度范圍，本次實(shí)驗(yàn)選擇了三個(gè)煙氣進(jìn)口溫度分別是275℃、300℃和325℃作為溫差發(fā)電裝置熱源溫度。然后對(duì)這三組溫度的熱電輸出性能進(jìn)行評(píng)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(duì)的方式。實(shí)驗(yàn)裝置布置的6塊溫差發(fā)電片采用串聯(lián)方式。實(shí)驗(yàn)條件：模擬煙氣流量約為135m3/h;冷卻水進(jìn)口溫度保持在大約12℃;冷卻水流向與模擬煙氣流向相對(duì);溫差發(fā)電片串聯(lián);外加負(fù)載電阻阻值72Ω;三組溫度分別為275℃、300℃和325℃。

　　3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

　　3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　3.1.1第一組實(shí)驗(yàn)：熱源溫度275℃

　　溫差發(fā)電裝置各個(gè)溫度隨著時(shí)間的不斷增加所呈現(xiàn)的趨勢(shì)基本相同。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到1000s后，各個(gè)溫度基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)，煙氣出口溫度約240℃，溫差發(fā)電片熱端平均溫度約為192℃，冷端平均溫度約為43℃。

　　3.1.2第二組實(shí)驗(yàn)：熱源溫度300℃

　　溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置各溫度參數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系。溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置各溫度參數(shù)的變化趨勢(shì)基本相同，在1250s后各個(gè)參數(shù)基本趨于穩(wěn)定，此時(shí)，煙氣出口溫度約為263℃，溫差 發(fā)電片熱端平均溫度約為208℃，冷端平均溫度為約44℃。為溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)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(guān)系曲線。

　　3.1.3第三組實(shí)驗(yàn)：熱源溫度325℃

　　溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置各溫度參數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系。溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置各溫度參數(shù)的變化趨勢(shì)基本相同，在1250s后各個(gè)參數(shù)基本趨于穩(wěn)定，此時(shí)，煙氣出口溫度約為285℃，溫差發(fā)電片熱端平均溫度約為230℃，冷端平均溫度為約48℃。

　　3.2數(shù)據(jù)分析

　　根據(jù)以上三組實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果。可以看出，當(dāng)熱源溫度從275℃升到300℃，溫差發(fā)電裝置的輸出功率提高了7.8W;熱源溫度從300℃升到325℃時(shí)，溫差發(fā)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(wěn)定的狀態(tài)下，冷熱端溫差逐漸增大，從而使得整個(gè)溫差發(fā)電裝置的輸出功率提高。然而在當(dāng)熱源溫度上升的同時(shí)，整個(gè)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(fā)電片的熱端溫度不斷上升，導(dǎo)致溫差發(fā)電片內(nèi)阻發(fā)生了變化，從而影響了溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置的輸出性能。

　　電力論文投稿刊物：電源技術(shù)(月刊)創(chuàng)刊于1977年，是信息產(chǎn)業(yè)部電源專業(yè)情報(bào)網(wǎng)網(wǎng)刊，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所主辦，信息產(chǎn)業(yè)部主管，國(guó)家科技部(原國(guó)家科委)批準(zhǔn)，屬于全國(guó)性的技術(shù)類科技期刊。主要服務(wù)對(duì)象是從事化學(xué)與物理電源研究、研制、生產(chǎn)的科技工作者，科技管理工作者，有關(guān)專業(yè)的高等院校師生及部分用戶，與電源相關(guān)行業(yè)的研究、研制、生產(chǎn)者。

　　4結(jié)論

　　實(shí)驗(yàn)研究得出了在模擬煙氣溫度分別為275℃、300℃和325℃時(shí)，熱管式船舶煙氣余熱溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)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(jié)果表明熱管式船舶煙氣余熱溫差發(fā)電裝置原理可行、結(jié)構(gòu)合理，同時(shí)得出，熱源溫度是影響溫差發(fā)電裝置輸出性能的主要因素，隨著熱源溫度的升高，溫差發(fā)電裝置的輸出性能將會(huì)提高。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]李斌.船舶柴油機(jī)[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2008.

　　[2]馬宗正，邵鳳翔，王新莉，楊安杰.發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣溫差發(fā)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(fā)電裝置的設(shè)計(jì)、制作及性能測(cè)試[J].電源技術(shù)，2016.

　　作者：徐浩①②;蔣愛(ài)香①②;閻永龍