基于ANSYS的温差发电系统设计分析

陈秋燕,郭明山,李晓波,刘娅琼,陆 颖,王越鸿,刘天阳,姜小鑫,张建峰,张晓晨

(1.上海船用柴油机研究所，上海 200090；2. 船舶与海洋工程动力系统国家工程实验室，上海 200090)

1 引言

在环境污染不断加剧的严峻形势下，节能环保需求日趋突出，如何在绿色环保的前提下更加高效地利用能源是当前关注的热点。我国是世界航运大国，2019年我国造船量占世界总造船量的42.8%，手持订单量世界第一，船舶柴油机作为船舶动力系统核心部件在工作中会释放大量的热，这些热量往往没有经过回收利用就被释放掉了，不仅不利于散热，而且浪费了能源[1]。

本文主要以WHM6460C550-5型柴油机为研究对象，基于大功率柴油机能量综合利用技术研究及验证项目，对排气余热温差热电转换技术进行研究和验证，提出合理的排气余热温差热电转换关键技术和系统集成技术方案，保证较高的温差热电转换效率，提高柴油机排气余热利用率。

2 柴油机温差热电系统

2.1 柴油机输入参数

以实验室WHM6460C550-5型柴油机为对象，开展了蓄热式温差热电系统研究，柴油机参数见表1。

表1 柴油机温差热电设计输入参数

2.2 温差热电系统设计

图1为柴油机温差热电系统示意图，柴油机排气源产生的高温烟气进入集成蓄热式热能管理与热电转换模块，由于温差作用而在温差热电片系统中产生的电能通过电源管理模块进行功率调节并存储于蓄电池中；做完功后的烟气通过排气管进入烟囱。

图1 温差热电系统

3 温差热电反应装备设计

3.1 温差热电系统结构

温差热电系统工作原理为利用热电片两端温度差产生热势差发电，保证温差热电片两边温度较大的温差是设计关键点[2]；在热电片热端加装蓄热体，利用蓄热体的大热容和强换热特性，将柴油机排气源的大部热量存储于蓄热体中，保证热电片热端温度的稳定性；另外除热电转换器件与冷端和热端贴合区域外，冷端和热端之间的缝隙处采用纳米保温板材料填充，以减少热量由热端向冷端传递，以维持稳定的热势差。

设计的温差热电装置，热端换热区，耐高温蓄热材料填充于不锈钢高温烟道内，缝隙处用石墨纸填充；冷端换热区，采用不锈钢水冷管紧密排布，并与不锈钢导热板壳体焊接，不锈钢导板壳体与水冷管之间灌入导热油，具体外形结构见图 2。

图2 反应器封装结构尺寸示意

3.2 仿真验证

3.2.1 热端仿真验证

烟气排气温度约为400 ℃，为保障热端稳定，在高温侧安置蓄热体，蓄热体和热电片之间安放换热铜板，模拟柴油机实际运行工况下温差热电热端温度状况[3](图3)。

图3 蓄热体及铜板截面温度分布

由图3可知，在靠近铜换热板的区域，蓄热体的温度由400℃降低到282℃，而远离铜换热板区域的温度基本维持在400 ℃。

进行反应器内流场仿真，由图4可知，由于为蜂窝型蓄热体作用，柴油机排气在高温烟道中的流动相对均匀，可以与耐高温蓄热材料进行充分换热。 由以上可知安装蓄热体的热端性能稳定，保温良好。

图4 柴油机排气流动示意

3.2.2 冷端仿真验证

温差热电系统冷端主要采用水冷却方式，管路蛇形排布，不锈钢导板壳体与水冷管之间灌入导热油，具体结构见图5。

图5 冷端换热管结构尺寸示意

通过ANSYS仿真模拟不锈钢换热板和水冷壁截面温度分布，由图6可知，不锈钢和换热管壁温度基本保持一致，60 ℃左右，冷端温度稳定。

图6 冷却水在水冷管中的流动示意

为了进一步确定温度的分布及稳定性，仿真与热电片相连的不锈钢换热板区域的温度分布情况，由温度分布如图7所示，与热电片相连的铜导板表面温度主要分布于66 ℃(339K)到60 ℃(333K)之间，温度波动较小。

图7 不锈钢换热板区域的温度分布

4 结论

采用冷端结构为蛇形换热管结构，内置导热油，热端采用蓄热体结构，冷热端增加导热系数较高的铜板的温差热电系统，冷热端换热稳定，可满足温差大、温度稳定的设计要求。