基于熱電效應(yīng)的水下航行器熱電余熱回收方法

藺 旋, 胡 橋, 王朝暉

基于熱電效應(yīng)的水下航行器熱電余熱回收方法

藺 旋, 胡 橋, 王朝暉

(1. 西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 陜西 西安, 710049; 2. 西安交通大學(xué) 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安, 710049; 3. 西安交通大學(xué) 陜西省智能機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安, 710049)

針對熱動力水下航行器在航行過程中能源利用率低、機(jī)體發(fā)熱等問題, 提出了一種基于熱電效應(yīng)的水下航行器能源回收方法, 將機(jī)體廢熱直接轉(zhuǎn)化為電能。該方法基于熱電效應(yīng)中的Seebeck效應(yīng), 結(jié)合水下航行器的發(fā)熱特點(diǎn)對余熱回收裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 利用Comsol仿真軟件對余熱回收裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化設(shè)計(jì), 然后根據(jù)簡化模型搭建熱電余熱回收裝置試驗(yàn)平臺, 最后進(jìn)行水下航行器航行參數(shù)下的熱電回收試驗(yàn), 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。該方法為水下航行器的余熱回收提供了新的思路與技術(shù)支撐。

熱動力水下航行器; 熱電效應(yīng); 余熱回收

0 引言

熱動力水下航行器作為一種用于完成水下勘探、偵測甚至軍事進(jìn)攻防守等任務(wù)的設(shè)備, 具有推進(jìn)系統(tǒng)能量密度高, 航速高等優(yōu)點(diǎn), 在水下應(yīng)用中有廣闊的發(fā)展前景[1]。而水下航行器在航行過程中的化學(xué)能源利用效率只有30%~40%, 大部分化學(xué)能成為廢熱被排出機(jī)體, 這也造成了水下航行器機(jī)體溫度偏高[2]。因此, 為了提高能源利用率, 需要對這部分熱能進(jìn)行回收。

目前的余熱回收方式按照能量轉(zhuǎn)換形式可分為熱能—熱能轉(zhuǎn)換, 熱能—機(jī)械能轉(zhuǎn)換和熱能—電能轉(zhuǎn)換。熱能—熱能轉(zhuǎn)換的應(yīng)用形式主要有廠區(qū)熱水供熱系統(tǒng)和吸收冷卻水質(zhì)凈化[3], 利用效率低且管道設(shè)備復(fù)雜; 熱能—機(jī)械能轉(zhuǎn)換的效率較低, 而且對熱能質(zhì)量要求高; 在熱能—電能轉(zhuǎn)換中, 蒸汽發(fā)電和有機(jī)朗肯循環(huán)(organic Rankine cycle, ORC)的設(shè)備較為復(fù)雜且轉(zhuǎn)換噪音較大[4], 而熱電發(fā)電技術(shù)無需附加設(shè)備, 可直接將溫差轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱莶? 回收過程簡單快速、無活動件、壽命長。所以熱電發(fā)電技術(shù)有望作為一種新方法用于水下航行器的余熱回收。

目前, 熱電發(fā)電余熱回收已應(yīng)用于船舶發(fā)動機(jī)、汽車尾氣、工業(yè)煙囪及各種生活熱源等領(lǐng)域[5-7],而對熱電應(yīng)用在水下航行器方面的研究卻很少。因此, 文中提出了一種基于熱電效應(yīng)的水下航行器余熱回收方法, 旨在提高航行器的能源利用效率; 根據(jù)水下航行器的結(jié)構(gòu)和發(fā)熱特性設(shè)計(jì)熱電發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu); 結(jié)合Comsol仿真軟件對發(fā)電裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型簡化; 搭建余熱回收熱電發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺; 根據(jù)水下航行器的工作參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì); 最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

1 熱電發(fā)電基本原理

熱電發(fā)電就是將高溫?zé)嵩春偷蜏厣崞鏖g產(chǎn)生的溫差直接轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù), 即熱電基本效應(yīng)中的Seebeck效應(yīng)。Seebeck效應(yīng)是熱電發(fā)電技術(shù)的理論基礎(chǔ), 該效應(yīng)表明, 當(dāng)2種不同的金屬連接成一個通路之后, 在2個金屬導(dǎo)體的不同端面施加一個溫度差, 那么該回路中便產(chǎn)生了電壓和電流, 如圖1所示。

圖1 Seebeck效應(yīng)原理圖

將回路中2種不同的金屬材料推廣確定為型和型半導(dǎo)體材料, 所產(chǎn)生的電動勢稱作溫差電動勢[8], 即

熱電材料的熱電轉(zhuǎn)換能力由Seebeck系數(shù), 即來衡量, 其定義式

Seebeck效應(yīng)成因如下:型熱電材料為富電子導(dǎo)體材料,型熱電材料為富空穴導(dǎo)體材料, 當(dāng)導(dǎo)體的不同位置溫度不同時, 材料內(nèi)部的自由電子獲得的能量不同, 溫度較高位置的自由電子能量相對溫度較低位置的自由電子能量要高, 這樣就會在溫差熱電材料內(nèi)部產(chǎn)生一股電子流, 進(jìn)而產(chǎn)生電勢差, 當(dāng)電子的流向和流量穩(wěn)定時, 就產(chǎn)生了穩(wěn)定的電流。

熱電材料的物理性參數(shù)決定了Seebeck系數(shù)的大小和符號。在通常條件下,型半導(dǎo)體的Seebeck系數(shù)為正,型半導(dǎo)體系數(shù)為負(fù)。由于目前的熱電材料發(fā)電效率較低, 單個熱電單元(1個結(jié))產(chǎn)生的電動勢較小, 所以常用的熱電組件均為多個熱電單元串聯(lián)或并聯(lián)而成的集成體。

2 熱電發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 熱電組件的選擇

熱電組件是熱電發(fā)電裝置的核心, 是將溫差轉(zhuǎn)化為電能的部件。目前比較優(yōu)質(zhì)的熱電組件提供商主要來自美國、日本以及歐盟的多個國家。日本Komatsu公司生產(chǎn)的Komatsu熱電發(fā)電組件輸出功率最大可達(dá)24 W, 美國Hi-Z公司的HZ-14最大輸出功率可達(dá)14 W, HZ-20最大輸出功率可達(dá)20 W。而國內(nèi)雷子克公司的TEG-255最大功率可達(dá)8 W, 納米克公司的TEHP1-24156-1.2輸出功率可達(dá)21.6 W。綜合輸出參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸, 文中選擇工藝成熟的HZ-14作為實(shí)驗(yàn)熱電組件, HZ-14在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品質(zhì)量和輸出性能上都比同類產(chǎn)品表現(xiàn)更為優(yōu)異。HZ-14的額定工作溫度為523.15 K, 瞬態(tài)工作溫度可達(dá)623.15 K, 其結(jié)構(gòu)尺寸為63.5 mm×63.5 mm×6 mm[10]。

2.2 水下航行器發(fā)熱狀況分析

文中將熱電組件應(yīng)用于水下航行器進(jìn)行余熱回收, 而研究以魚雷為代表的水下航行器的廢熱特點(diǎn)是設(shè)計(jì)熱電發(fā)電裝置的基礎(chǔ), 用以確定熱電發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)位置及大小。圖2為魚雷結(jié)構(gòu)圖, 通過軟件仿真得到魚雷工況下各受熱部件關(guān)鍵點(diǎn)的工作溫度。

圖2 魚雷結(jié)構(gòu)圖

仿真結(jié)果顯示,燃燒室燃?xì)獬隹跍囟雀哌_(dá)1520.9 K, 燃燒室外壁的平均溫度為358.4 K, 燃燒室內(nèi)壁平均溫度為594.9 K, 內(nèi)層氣缸套外壁平均溫度為352.6 K, 內(nèi)層氣缸套內(nèi)壁平均溫度為470.1 K[9]。文中熱電裝置是依據(jù)熱動力魚雷結(jié)構(gòu)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì), 即熱電裝置整體內(nèi)嵌包裹魚雷高溫段, 且熱電裝置外層與魚雷原設(shè)計(jì)外殼重合, 這樣才能在余熱回收的基礎(chǔ)上不影響魚雷的航行速度。熱電發(fā)電裝置內(nèi)層相較于熱動力魚雷外殼更接近燃燒室和發(fā)動機(jī), 因此熱電發(fā)電裝置可利用的熱源溫度接近于燃燒室溫度, 并遠(yuǎn)高于魚雷外殼溫度。由于熱電裝置的內(nèi)連接層材質(zhì)為高導(dǎo)熱材料, 在徑向和軸向?qū)嵝阅芏际謨?yōu)秀, 因此可以保證熱電裝置的高溫端溫度較高且分布均勻。魚雷中后段燃燒室和發(fā)動機(jī)殼體與熱電裝置的接合處溫度高于523.15 K, 與水下航行器外側(cè)的低溫冷卻水形成高達(dá)473.15 K以上的溫差。熱動力魚雷的廢熱可為熱電發(fā)電系統(tǒng)提供高品質(zhì)的熱源。文中默認(rèn)熱電發(fā)電技術(shù)在水下航行器的應(yīng)用中高溫端溫度可達(dá)523.15 K, 并以此作為接下來的研究基礎(chǔ)。

2.3 熱電發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

選定的水下航行器模型為外徑533 mm, 高溫面長度800 mm的管道狀模型, 高溫端最高溫度為523.15 K左右。水下航行器的結(jié)構(gòu)示意如圖3所示, 圖中深色部分為余熱回收裝置的設(shè)計(jì)位置。

圖3 水下航行器結(jié)構(gòu)示意圖

水下航行器的高溫表面為熱電發(fā)電裝置提供高溫面, 外圍水層為發(fā)電裝置提供低溫面, 從而形成了一個溫差環(huán)境, 因此結(jié)合水下航行器的溫差環(huán)境及運(yùn)動特點(diǎn), 將整個水下航行器的余熱回收裝置設(shè)計(jì)為環(huán)面柱狀裝置。熱電發(fā)電裝置需要對水下航行器至水層之間的各連接層進(jìn)行設(shè)計(jì)。熱電發(fā)電裝置由內(nèi)到外分別為內(nèi)連接層、絕熱層、熱電組件(與絕熱層重疊)和外連接層。

1) 內(nèi)連接層設(shè)計(jì)

文中選用的熱電組件為片狀結(jié)構(gòu), 水下航行器高溫表面為柱面, 因此熱電發(fā)電裝置中連接內(nèi)層結(jié)構(gòu)和熱電組件的內(nèi)連接層需要完成柱面和平面的連接, 即內(nèi)層為柱面, 外層為多邊形棱柱面, 長度為800 mm的薄層結(jié)構(gòu), 如圖4所示。

圖4 內(nèi)連接層結(jié)構(gòu)示意圖

在內(nèi)連接層的設(shè)計(jì)當(dāng)中, 為保證熱電發(fā)電系統(tǒng)的整體余熱回收功率, 原則上應(yīng)該盡可能地多排布熱電組件, 但是, 在組件之間應(yīng)該留出一定空間來進(jìn)行走線, 完成電能的串并聯(lián)輸出, 所以內(nèi)連接層外柱面的正多邊形寬度應(yīng)為熱電組件邊長的1.5倍以上。內(nèi)連接層為了保證其結(jié)構(gòu)剛度, 應(yīng)確保其最小厚度(內(nèi)柱面與外柱面距離最小處)大于一定數(shù)值, 這里設(shè)置內(nèi)連接層的最小厚度為5 mm。

隨著正多邊形的邊數(shù)變化, 其邊長也會隨之變化, 與此同時, 內(nèi)連接層距離航行器中心軸的最大距離也會變化。考慮到水下航行器的設(shè)計(jì)與功能要求, 應(yīng)盡量保證熱電發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)緊湊性, 所以需要保證內(nèi)連接層的最大距離最小化。隨著多邊形柱面的面數(shù)減少, 可鋪設(shè)的熱電組件也會變少, 這將降低整個系統(tǒng)的余熱回收能力。水下航行器的直徑為533 mm, 熱電組件的邊長為63.5 mm, 在多邊形邊長大于1.5倍熱電組件邊長的情況下, 對熱電組件排數(shù)(多邊形邊數(shù))和內(nèi)連接層的最大外徑分布情況進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。

圖5 內(nèi)連接層結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

圖中:為多邊棱柱邊長;為一邊對應(yīng)半角;為內(nèi)連接層距離中心點(diǎn)最大距離點(diǎn)至所切圓的距離。

多邊形邊數(shù)變化范圍為19,18,17,16,…,3。而和的關(guān)系為

式中: 內(nèi)連接層外表面(棱柱面)距離水下航行器圓心最小距離=533+5 mm;=360/2。

當(dāng)變化時,和的分布狀況如表1所示。由表1中數(shù)據(jù)可知, 當(dāng)逐漸變小時,逐漸變大,也逐漸變大, 這就意味著放置熱電組件的平面面積逐漸增大, 減少了熱電組件的數(shù)量, 限制了回收系統(tǒng)的輸出功率。的變大表征了水下航行器余熱回收系統(tǒng)的尺度變大, 質(zhì)量增加。因此, 基于水下航行器的直徑尺寸為533 mm, 熱電組件的邊長為63.5 mm, 選擇將內(nèi)連接層設(shè)計(jì)成內(nèi)表面為圓柱面, 外表面為18邊形柱面的環(huán)狀薄層結(jié)構(gòu)。考慮到其結(jié)構(gòu)剛度, 將其最小厚度設(shè)置為5 mm。

表1 內(nèi)連接層參數(shù)

2) 其他部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及傳熱效果驗(yàn)證

通過上面的工作完成了內(nèi)連接層的設(shè)計(jì), 為熱電組件提供了穩(wěn)定均勻的高溫面。絕熱層與熱電組件同層, 并鋪設(shè)在熱電組件周圍, 因此這一層不需要額外的設(shè)計(jì), 只是一個截面為等距的18邊形環(huán)狀結(jié)構(gòu), 其厚度為熱電組件的高度, 即6 mm。外連接層為內(nèi)表面與絕熱層配合, 外表面為圓柱面的柱狀薄層結(jié)構(gòu), 這樣會減小水下航行器的前進(jìn)阻力, 同樣基于結(jié)構(gòu)剛度的考慮, 外連接層的最小厚度也為5 mm。由于內(nèi)連接層與外連接層在徑向傳熱方向上為非均勻形狀, 其傳熱效果不一定均勻, 因此對2個部件進(jìn)行傳熱效果仿真, 仿真效果如圖6所示, 內(nèi)連接層內(nèi)表面設(shè)置為523.15 K, 外連接層外表面設(shè)置為293.15 K。

由圖6可知, 內(nèi)連接層多邊形表面上溫度分布較為均勻, 表面中心和邊緣的溫差最大為1.23 K, 因此內(nèi)連接層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合實(shí)驗(yàn)要求。外連接層的多邊形內(nèi)表面溫度分布均勻性更好, 幾乎沒有溫差, 因此外連接層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 部件傳熱仿真效果

3 熱電余熱回收實(shí)驗(yàn)

3.1 熱電發(fā)電裝置模型簡化

水下航行器的余熱回收裝置設(shè)計(jì)為18邊形的柱狀結(jié)構(gòu), 由物理結(jié)構(gòu)的軸對稱特性可知, 1/18的扇形結(jié)構(gòu)與整個結(jié)構(gòu)中其他17個相同結(jié)構(gòu)的傳熱效果相同, 因此只選取整個柱狀熱電發(fā)電裝置的1/18扇形結(jié)構(gòu)進(jìn)行接下來的實(shí)驗(yàn)研究。熱電發(fā)電裝置的1/18結(jié)構(gòu)如圖7所示。上層為外連接層, 中間為絕熱層和熱電組件, 下層為內(nèi)連接層。

圖7 1/18熱電裝置結(jié)構(gòu)圖

即使將熱電發(fā)電裝置簡化為1/18扇形結(jié)構(gòu), 其高溫面和低溫面都是曲面結(jié)構(gòu), 在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)制造過程中, 加熱板和散熱器的實(shí)現(xiàn)都比較困難, 因此將系統(tǒng)模型的內(nèi)連接層和外連接層都簡化為平面, 簡化過程如圖8所示。

圖8 熱電裝置簡化過程

接下來通過Comsol仿真驗(yàn)證其可行性, 對比2個系統(tǒng)的傳熱效果, 比較熱電組件高溫面、低溫面的溫度分布及溫差。2組仿真的高溫面溫度設(shè)置為523.15 K, 低溫面溫度設(shè)置為293.15 K。對比仿真數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 簡化前后結(jié)構(gòu)傳熱對比(單位: K)

表中:Hmax為熱電組件高溫面的最高溫度;Hmin為高溫面的最低溫度;Lmax為熱電組件低溫面的最高溫度;Lmin為低溫面的最低溫度;H為熱電組件高溫面溫度;L為低溫面溫度。

熱電組件低溫面及高溫面仿真溫度分布如圖9所示。

由圖9和表2中的數(shù)據(jù)可知, 無論是高溫面還是低溫面, 簡化模型與原1/18曲面模型之間的溫度相差均在3 K內(nèi), 兩者的傳熱效果相近, 因此結(jié)構(gòu)簡化模型的余熱回收效果也與原始柱狀模型比較符合, 可以用作熱電發(fā)電裝置的近似簡化模型。

圖9 曲面、平面模型熱電組件溫度分布

3.2 熱電實(shí)驗(yàn)平臺搭建

根據(jù)水下航行器的熱電發(fā)電裝置簡化模型設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)主體裝置, 文中的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)采取在軸向方向放置3塊熱電組件, 采用恒溫加熱板作為高溫?zé)嵩捶胖糜跓犭娧b置的高溫面, 設(shè)計(jì)制作流道作為散熱器貼合于熱電裝置的低溫面, 其主體設(shè)計(jì)如圖10所示。除了可調(diào)溫加熱板和散熱器的設(shè)計(jì)及選型, 還需要選擇熱電偶, 高精度測溫儀用于測定熱電組件兩側(cè)的溫度。將上述實(shí)驗(yàn)裝置按照功能接口進(jìn)行組合連接, 最終完成實(shí)驗(yàn)平臺的搭建, 如圖11所示。

圖10 熱電發(fā)電裝置主體結(jié)構(gòu)

圖11 實(shí)驗(yàn)平臺

3.3 熱電實(shí)驗(yàn)

3.3.1 單組件測試

首先需要對熱電發(fā)電組件的輸出特性進(jìn)行探究, 作為進(jìn)一步研究整個熱電裝置的理論基礎(chǔ)。由熱電理論可知, 熱電組件的輸出電壓只和溫差有關(guān), 因此測試實(shí)驗(yàn)盡量保持低溫端溫度變化不大, 逐漸增加高溫端溫度, 從323.15~523.15 K, 間隔25 K升溫, 測試并記錄各個溫度下的輸出參數(shù), 測試數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3數(shù)據(jù)生成溫度差Δ和開路電壓值的相關(guān)關(guān)系如圖12所示。

表3 熱電組件測試數(shù)據(jù)

Table 3 Test data of thermoelectric modules

表中: U為輸出開路電壓; I為短路電流; r為熱電組件內(nèi)阻。

如圖12中曲線所示, 當(dāng)熱電發(fā)電組件的溫差從0 K上升至150 K左右時, 熱電組件的輸出開路電壓隨著組件兩端溫差的增大而均勻升高, 而當(dāng)溫差大于150 K的時候, 隨著溫差逐漸增大, 熱電組件的開路電壓也會升高, 但是上升速率逐漸變小。

由表3數(shù)據(jù)可知, 隨著高低溫端溫度變化時, 熱電組件內(nèi)阻變化較小, 其變化幅度在自身最小阻值的0.37倍以內(nèi), 而電壓的變化則為最小電壓值的6.47倍, 因此電流的變化主要來源于電壓變化。在考察熱電組件輸出×值與組件兩端溫差的關(guān)系時, 可以將內(nèi)阻變化忽略, 兩者關(guān)系如圖13所示。

圖13 開路電壓與短路電流的乘積隨溫差變化曲線

如圖13中曲線所示, 當(dāng)熱電組件兩端的溫度差在0~150 K之間時, 熱電組件輸出的開路電壓和短路電流乘積值隨著溫差的增大而上升, 且上升速率逐漸增大; 在溫差高于150 K時,×值仍然隨著溫差增大而上升, 但是上升速率開始逐漸減小。

3.3.2 多組件實(shí)驗(yàn)

將熱電發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于水下航行器時, 熱電系統(tǒng)中存在多塊熱電組件, 因此需要對多組件的熱電發(fā)電裝置進(jìn)行工況下的實(shí)驗(yàn)探究。隨著水下航行器推進(jìn)系統(tǒng)的功率變化, 熱電發(fā)電裝置的高溫端溫度在423.15~523.15 K之間變化; 航行器在航行過程中經(jīng)過不同溫度的水域, 其低溫端溫度在273.15~283.15 K之間變化。水下航行器在絕大部分時間里處于上述運(yùn)行狀態(tài), 因此可針對上述條件規(guī)劃實(shí)驗(yàn)。將外連接層外測溫度設(shè)置為273.15 K和283.15 K 2個檔位, 高溫端溫度設(shè)定為423.15 K間隔50 K升溫至523.15 K, 共3個檔位, 因此實(shí)驗(yàn)設(shè)置2×3=6個溫度網(wǎng)格測試點(diǎn), 測定在各個條件溫度下的系統(tǒng)開路電壓、短路電流等參數(shù), 并以此計(jì)算系統(tǒng)的整體電阻和匹配負(fù)載功率, 測試數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

Table 4 Comparison of experimental data

表中:為匹配負(fù)載輸出功率。

由表4中數(shù)據(jù)生成不同低溫端溫度下的功率對比曲線。由表4可知, 熱電裝置的輸出功率隨著兩端的溫差增大而增大, 其內(nèi)阻也逐漸增大; 低溫端溫度為283.15 K和273.15 K而高溫端溫度不變時, 熱電裝置的輸出功率變化不大; 熱電簡化裝置, 即3組件裝置在高溫端溫度為523.15 K時可穩(wěn)定輸出13 W左右的功率, 推廣到未簡化水下航行器熱電裝置可輸出的功率接近0.7 kW。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期效果有一定差距, HZ-14的單片標(biāo)稱輸出功率為14 W, 文中的結(jié)果顯示單片輸出功率只有4.3 W左右, 輸出功率的偏差與熱電裝置整體結(jié)構(gòu)以及導(dǎo)熱條件的設(shè)計(jì)有關(guān), 這也將成為后續(xù)工作的優(yōu)化方向。

4 結(jié)論

熱動力水下航行器的能源利用率一直較低, 文中提出了一種新型余熱回收方式, 即熱電發(fā)電。對應(yīng)用于水下航行器的熱電發(fā)電裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和簡化, 搭建熱電發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺, 通過實(shí)驗(yàn)對熱電組件的輸出參數(shù)進(jìn)行研究并對水下航行器余熱回收進(jìn)行探究, 得出如下結(jié)論:

1) 當(dāng)熱電發(fā)電組件兩側(cè)的溫差從273.15 K升至423.15 K左右時, 熱電組件的輸出開路電壓隨著溫差的增大而均勻升高, 而當(dāng)溫差大于423.15 K時, 隨著溫差逐漸增大, 熱電組件的開路電壓也會升高, 但是上升幅度逐漸變小。

2) 當(dāng)熱電組件兩端溫差在273.15~ 423.15 K時, 熱電組件×值隨著溫差的增大而上升, 上升速率逐漸增大; 在溫差高于423.15 K時,×值仍隨溫差變化上升, 但是上升速率逐漸減小。

3) 由3個熱電組件串聯(lián)而成的熱電發(fā)電裝置在高溫端為523.15 K, 低溫端為273.15~ 283.15 K時, 系統(tǒng)穩(wěn)定輸出匹配負(fù)載功率為13 W左右。

文中工作將為熱動力水下航行器的余熱回收提供新的思路, 并為熱電余熱回收提供技術(shù)參考。熱動力水下航行器仍然存在外殼溫度過高的問題, 熱電組件可利用熱電效應(yīng)中的Peltier效應(yīng), 在通入電流的情況下對水下航行器進(jìn)行快速散熱, 這也是后續(xù)研究的重點(diǎn)。

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Thermoelectric Waste Heat Recovery Method of Undersea Vehicle Based on Thermoelectric Effect

LIN Xuan, HU Qiao, WANG Chao-hui

(1. School of Mechanical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. State Key Laboratory of Manufacturing Systems Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 3. Shaanxi Key Lab of Intelligent Robots, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

In respect of the problems of low energy utilization and heat generation during navigation of a thermal-powered undersea vehicle, a new energy recovery method for undersea vehicles was proposed, which directly converts the waste heat into electric energy. Based on the Seebeck effect in thermoelectric effect and the heating characteristics of undersea vehicle, the structure of the waste heat recovery device was designed. The structure of thermoelectric device was simplified by the simulation software Comsol, and then an experimental platform of the thermoelectric waste heat recovery device was built according to the simplified model. Finally, thermoelectric waste heat recovery experiment with the navigation parameters of undersea vehicle was carried out. Experimental results verify the feasibility and effectiveness of the proposed waste heat recovery method based on thermoelectric effect. This method may provide new idea and technical support for the waste heat recovery of undersea vehicles.

thermal-powered undersea vehicle; thermoelectric effect; waste heat recovery

TJ631；TK115

A

2096-3920(2019)06-0680-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.06.012

藺旋, 胡橋, 王朝暉. 基于熱電效應(yīng)的水下航行器熱電余熱回收方法[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2019, 27(6): 680-687.

2019-03-21;

2019-04-25.

陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2018ZDXM-GY-111); 裝備預(yù)研領(lǐng)域基金項(xiàng)目(61404160503); 國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(61890961); 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFB1306100).

藺 旋(1992-), 男, 在讀碩士, 研究方向?yàn)橛酂峄厥铡⑺聶C(jī)器人等.

(責(zé)任編輯: 許 妍)