基于船舶柴油機(jī)廢氣余熱驅(qū)動(dòng)熱電發(fā)電性能研究

汪聞天

摘要：本文以船舶柴油機(jī)廢氣余熱為研究視角，探索其熱電發(fā)電情況。在研究中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)柴油機(jī)廢氣余熱溫度為350攝氏度時(shí)，可使用熱電發(fā)電工藝，單位區(qū)域內(nèi)獲取的電量最大值為0.65kW。

Abstract： In this paper， the waste heat of marine diesel engine exhaust gas as a research perspective， to explore its thermoelectric power generation. It is found that the thermal power generation process can be used when the exhaust heat temperature of diesel engine is 350 degrees Celsius， and the maximum amount of electricity per unit area is 0.65kW.

關(guān)鍵詞：船舶;余熱發(fā)電;柴油機(jī)

Key words： ship;waste heat power generation;diesel engine

中圖分類號：U661.42? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）06-0215-02

0? 引言

現(xiàn)階段，較大規(guī)格的船舶，其行駛動(dòng)力的形成模式，以柴油機(jī)余熱發(fā)電為主。在柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行期間，可能存在燃燒不充分、廢熱損失等問題，將此類廢氣余熱加以利用，將其轉(zhuǎn)化為部分燃料發(fā)熱量，以此減少廢氣排放量，提升資源利用率。因此，在眾多單位中，針對柴油機(jī)余熱資源，開展了各項(xiàng)研究，以期提升余熱資源的轉(zhuǎn)化效果，維護(hù)生態(tài)環(huán)境平衡性。

1? 船舶柴油機(jī)廢氣余熱發(fā)電的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 余熱回收形式

針對船舶柴油機(jī)廢氣余熱回收程序，表現(xiàn)形式有多種，具體包括動(dòng)力、熱量兩種回收形式。動(dòng)力回收機(jī)制中，主要完成了廢氣余熱的利用，使其轉(zhuǎn)化為鍋爐蒸汽，以此提升汽輪機(jī)發(fā)電能力。熱回收環(huán)節(jié)，主要是借助廢氣余熱完成水的加熱程序，或者對熱燃油脂創(chuàng)設(shè)加熱環(huán)境。此兩種熱量回收方式，在對比使用期間發(fā)現(xiàn)：動(dòng)力回收形式需要使用數(shù)量較多的器具，對大型附屬裝置的應(yīng)用提出了高要求，相應(yīng)增加了生產(chǎn)成本，裝置尺寸超出常規(guī)，難以有序完成空間布置。熱回收程序，能夠順應(yīng)季節(jié)便利，如若夏天炎熱環(huán)境中使用熱回收程序，將會(huì)降低熱量回收效率[1]。

1.2 熱量轉(zhuǎn)換機(jī)制

半導(dǎo)體在發(fā)電期間，其發(fā)電程序能夠完成能源轉(zhuǎn)換，熱電模塊中，在冷熱區(qū)域存在一定溫度差值，如若在外部完成負(fù)載電阻的連接，將會(huì)形成閉合電路現(xiàn)象，電流生成于閉合回路中。因此，半導(dǎo)體熱電發(fā)電裝置，能夠完成各級品位熱能的回收，具有廣泛適用性。在熱電裝置獲得深入研究的過程中，熱資源利用呈現(xiàn)出多樣化特點(diǎn)，加強(qiáng)廢熱資源、余熱資源的有效回收，提升能源利用效率，逐漸成為研究的主流方向。在熱電材料研發(fā)期期間，同時(shí)降低了熱電材料使用成本，以此提升熱電發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用效能，使柴油機(jī)廢氣余熱發(fā)電應(yīng)用逐漸成熟。

1.3 有限時(shí)間熱力學(xué)的使用情況

有限時(shí)間熱力學(xué)應(yīng)用理論中，有序整合了各類學(xué)術(shù)內(nèi)容，比如熱力學(xué)、傳熱學(xué)等，為熱力學(xué)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)條件，在有限條件約束下，時(shí)間、尺寸兩個(gè)參數(shù)給予了一定約束，以期分析各類因素變化對裝置產(chǎn)生的影響，旨在控制系統(tǒng)反應(yīng)的不可逆程序，試圖提升熱力學(xué)生的研究價(jià)值，以裝置性能應(yīng)用極限為最終研究方向。在上世紀(jì)90年代初期，多位學(xué)者使用有限時(shí)間熱力學(xué)思想，針對熱電裝置開展了研究，分別從單級、兩級、多級三個(gè)視角，獲得熱電裝置的應(yīng)用方法，以期獲得更為適用的結(jié)論。

1.4 余熱發(fā)電程序的改進(jìn)過程

船舶柴油機(jī)廢氣利用的現(xiàn)存問題為：余熱資源生成量較大、能源回收效率低。眾多學(xué)者針對熱電發(fā)電工藝開展了各項(xiàng)研究，在使用水冷散熱余熱發(fā)電形式時(shí)，需要添加水泵、冷卻水等裝置，此類裝置具有較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，同時(shí)引入成本較高。以低成本、簡易裝置為思想，組建了新型余熱發(fā)電裝置。

2? 新型余熱發(fā)電裝置的具體應(yīng)用

2.1 裝置結(jié)構(gòu)

新型余熱發(fā)電裝置，是以空冷式柴油機(jī)為運(yùn)行環(huán)境，采取兩級余熱驅(qū)動(dòng)發(fā)電形式，同時(shí)添加了流體換熱通道。裝置內(nèi)部共計(jì)三個(gè)程序：

①第一層截面表現(xiàn)為正方形，作為柴油機(jī)廢氣傳輸通道。

②第二層是兩級熱電發(fā)電程序。

③第三層是空氣側(cè)換熱器。

裝置內(nèi)部在煙氣、外部空氣等位置，完成了自然風(fēng)冷式換熱器的應(yīng)用，在通道內(nèi)外表層添加了若干數(shù)量的翅片。以傳熱學(xué)理論可知：如若在翅片表面添加風(fēng)扇，能夠有效提升冷端散熱的有效性。然而，此種裝置方法，將會(huì)提升額外功耗的產(chǎn)生，提升設(shè)備運(yùn)行的生產(chǎn)成本。

2.2 裝置運(yùn)行分析

使用數(shù)值計(jì)算形式，獲取熱阻、溫度兩個(gè)參數(shù)的分布情況，同時(shí)獲取熱源參數(shù)、熱電模塊的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。柴油機(jī)廢氣輸入位置，初始溫度假設(shè)為350攝氏度，環(huán)境溫度假設(shè)為20攝氏度，考量低溫?zé)犭姴牧闲阅苁r(shí)的溫度條件為200攝氏度。因此，設(shè)定熱電模塊物性溫度為200攝氏度，由此獲取熱電模塊的各項(xiàng)參數(shù)，比如Seebeck系數(shù)、電導(dǎo)率等。

2.3 熱阻與溫度的分布情況

裝置以煙氣熱源為出發(fā)點(diǎn)，完成裝置向環(huán)境的傳染過程，其熱阻分布情況如下：氣體對流換熱時(shí)，產(chǎn)生的換熱系數(shù)較小，在一般對流條件下，強(qiáng)制對流取值范圍為[20，100]m2·k，柴油機(jī)內(nèi)部，廢氣與空氣發(fā)生對流換熱，此時(shí)產(chǎn)生的熱阻相對于接觸熱阻較大，同時(shí)大于換熱器基板位置產(chǎn)生的熱阻參數(shù)。因此，在改善裝置性能期間，應(yīng)提升熱阻控制效果，以此保障換熱有效性。

新型廢氣余熱裝置，驅(qū)動(dòng)兩級發(fā)電程序，能夠完成各級溫度熱源的轉(zhuǎn)化。在各模塊端面溫度發(fā)生變化時(shí)，溫度變化規(guī)律與流道長度存在一定關(guān)聯(lián)性。在水冷式煙氣余熱轉(zhuǎn)化程序中，能夠發(fā)現(xiàn)：在流道各位置的各點(diǎn)位溫度，相比余熱裝置中的對應(yīng)點(diǎn)位溫度，平均高出50攝氏度。溫度產(chǎn)生的差異性，說明了空氣冷卻形式、水溫度控制過程，為裝置總熱阻提供了一定熱量，在冷端散熱形式的差異性，在一定程度上降低了低溫區(qū)域的熱量疏散能力，甚至?xí)苯酉魅醺邷貐^(qū)域的換熱有效性[2]。

2.4 熱能參數(shù)之間相互關(guān)系

①煙氣溫度越高、電流增加的情況下，功率密度表現(xiàn)出一定變化：當(dāng)煙氣溫度t為250攝氏度時(shí)，電流a為0、0.32A時(shí)，功率密度p為最小值，均為0，a=0.15A時(shí)，p為最大值，0.15kW/m2;當(dāng)煙氣溫度t=300攝氏度時(shí)，電流a為0、0.4A時(shí)，功率密度p為最小值，p=0，a=0.2A時(shí)，p為最大值，0.20kW/m2;當(dāng)煙氣溫度t為350攝氏度時(shí)，電流a為0、0.45A時(shí)，功率密度p為最小值，均為0，a=0.23A時(shí)，p為最大值，0.29kW/m2;當(dāng)煙氣溫度t為400攝氏度時(shí)，電流a為0、0.52A時(shí)，功率密度p為最小值，均為0，a=0.28A時(shí)，p為最大值，0.38kW/m2。

②在余熱發(fā)電裝置中，功率密度、轉(zhuǎn)化效率、煙氣溫度三個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系：當(dāng)功率密度為0.18kW/m2時(shí)，對應(yīng)的轉(zhuǎn)化效率為0.8%，溫度為250攝氏度;當(dāng)功率密度為0.30kW/m2時(shí)，對應(yīng)的轉(zhuǎn)化效率為1.0%，溫度為350攝氏度。由此發(fā)現(xiàn)，功率密度在增加時(shí)，轉(zhuǎn)化效率、煙氣溫度均有所增加，三個(gè)參數(shù)存在正相關(guān)關(guān)系。

③電流最優(yōu)值與煙氣溫度兩者之間的關(guān)系：當(dāng)電流為0.16A時(shí)，煙氣溫度為250攝氏度;當(dāng)電流為0.21A時(shí)，煙氣溫度為330攝氏度;當(dāng)電流值為0.24A時(shí)，煙氣溫度為380攝氏度。由此確定煙氣溫度與電流最優(yōu)值之間存在正相關(guān)關(guān)系[3]。

2.5 熱電發(fā)電模塊與裝置參數(shù)的相互關(guān)系

2.5.1 熱電單元長度參數(shù)影響分析

熱電單元長度參數(shù)，與裝置功率密度、電流大小之間的關(guān)系：當(dāng)單元長度為0.2毫米時(shí)，電流取值范圍[0.08，0.4]A，在電流取值0.23A時(shí)，功率密度為最大值0.03kW/m2;當(dāng)單元長度為0.6毫米時(shí)，電流取值范圍[0，0.5]A，在電流取值0.23A時(shí)，功率密度為最大值0.14kW/m2。

2.5.2 熱電模塊參數(shù)影響分析

分別從功率密度、轉(zhuǎn)化效率、電流大小三個(gè)參數(shù)分析填充系數(shù)（熱電模塊）對其產(chǎn)生的影響。具體影響表現(xiàn)如下：

①假設(shè)填充系數(shù)為B，當(dāng)B=0.5時(shí)，轉(zhuǎn)化效率對應(yīng)值為1.13%，功率密度為0.31kW/m2;當(dāng)B=0.1時(shí)，轉(zhuǎn)化效率對應(yīng)值為3.23%，功率密度為0.6kW/m2;當(dāng)B=0.9時(shí)，轉(zhuǎn)化效率對應(yīng)值為0.056%，功率密度為0.15kW/m2。由此發(fā)現(xiàn)，熱電模塊與轉(zhuǎn)化效率、功率密度存在正相關(guān)關(guān)系。由此說明：熱電模塊選擇的合適性，將會(huì)改善裝置運(yùn)行能力。

②熱電模塊與電流最優(yōu)值之間的關(guān)系：當(dāng)B=0.1時(shí)，電流最優(yōu)值=0.8A;當(dāng)B=0.4時(shí)，電流最優(yōu)值=0.25A;當(dāng)B=0.8時(shí)，電流最優(yōu)值=0.13A。由此說明：熱電模塊與電流最優(yōu)值存在反向相關(guān)關(guān)系;增加熱電模塊系數(shù)，能夠有效降低電流最優(yōu)值。

2.5.3 電流最優(yōu)值與熱電單元長度參數(shù)之間的關(guān)系

當(dāng)單元參數(shù)為1毫米時(shí)，電流最優(yōu)值為0.8A;當(dāng)單元參數(shù)為3毫米時(shí)，電流最優(yōu)值為0.55A;當(dāng)單元參數(shù)為5毫米時(shí)，電流最優(yōu)值為0.21A。由此說明：熱電單元與電流最優(yōu)值存在反向相關(guān)關(guān)系。經(jīng)計(jì)算，煙氣高度每上升1米，將會(huì)降低自身溫度30攝氏度。

2.6 參數(shù)綜合分析

①經(jīng)各參數(shù)之間關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)：在煙氣溫度為350攝氏度時(shí)，能夠獲取功率密度最大值為0.29kW/m2，此時(shí)電能轉(zhuǎn)化能力為1.0，將會(huì)獲取電量值為0.65kW。由此確定：新型余熱發(fā)電裝置具有運(yùn)行可行性，可以柴油機(jī)為運(yùn)行環(huán)境，完成發(fā)電裝置組裝設(shè)計(jì)。

②在負(fù)載條件獲得優(yōu)化時(shí)，功率密度的最大值為0.6kW/m2，轉(zhuǎn)化效率對應(yīng)值為3.23%，同時(shí)電流最優(yōu)值在熱電模塊作用下，存在反向相關(guān)關(guān)系。由此確定：在實(shí)際運(yùn)行新型柴油機(jī)廢氣余熱發(fā)電工藝時(shí)，應(yīng)選擇適宜的熱電模塊，以此提升裝置的發(fā)電效果。

3? 結(jié)論

綜上所述，在新型柴油機(jī)廢氣余熱利用程序中，采取的是兩級熱電驅(qū)動(dòng)方法，在此裝置中，功率密度、轉(zhuǎn)化效率、電流最優(yōu)值等參數(shù)在煙氣溫度增加時(shí)，有所增加。因此，在后續(xù)開展廢氣余熱利用時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)煙氣溫度控制，以期獲取熱電發(fā)電的最優(yōu)效果，提升廢氣資源利用效率。

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