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摘要：本文设计并搭建了利用热管强化传热的船舶烟气余热温差发电实验装置，并选取三组热源温度（275℃、300℃和325℃）开展实验，验证了该装置的可行性，并得出热源温度是影响温差发电装置输出性能的主要因素，为节能减排提供了方法和依据。
Abstract： A power generation experimental device by using waste heat of a ship with heat pipes to enhance heat transfer is designed and built. And experiment for different heat source temperature（275℃、300℃和325℃） is carried out to verify the feasibility of the device. The experiment results imply that the heat resource temperature is the main performance influencing factor of the thermoelectric generation device， thus can provide an effective scientific method and reliable theoretical basic for energy saving and emission reduction.
关键词：船舶节能;余热利用;温差发电;热管
Key words： ship energy saving;waste heat utilization;thermoelectric generation;heat pipe
中图分类号：F407.474 文獻标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）15-0001-04
0 引言
本文结合船舶烟气余热的特点和热管强化传热的性能，提出了通过热管和温差发电技术结合方式，设计一种热管式温差发电实验装置。
利用该实验装置对船舶烟气余热进行回收利用，进行了实验并对实验数据做出了分析，验证了热管式船舶烟气余热温差发电装置原理的可行性和结构的合理性。
1 船舶烟气余热利用方案
船舶烟气的来源主要是由主机柴油机和辅机柴油机产生的[1]。这里主要以主机柴油机为主进行方案设定。船舶烟气余热利用温差发电系统简图如图1所示，烟气从主机排气阀排出进入废气涡轮增压器，而后经过废气锅炉用于加热水产生船舶所需的蒸汽，最终排出进入大气。这一过程中烟气的一部分能量被废气涡轮增压器和废气锅炉利用，而这部分能量可以作为温差发电装置的热源。就柴油机结构来看，废气涡轮一般的布置位置是紧靠主机的，因此温差发电装置可以布置在废气涡轮增压器后。
如图1所示，构建的是船舶主机烟气余热温差发电系统的结构简图。该系统保证了废气涡轮增压器和废气锅炉所需的废气能量，也可以利用烟气的余热进行温差发电。温差发电装置在废气涡轮增压器之后，所以不影响废气涡轮增压器的使用。
实体船舶的烟管大多数都是圆筒状，温差发电板在圆筒形的烟管布置受热会很不均匀。为了方便实验研究，将烟气模拟烟管设计成矩形状，以便温差发电板更好的贴合烟管外壁，使受热比较均匀[2]。
热管式温差发电装置，对船舶烟气余热进行利用，利用热管强化可以加速热量的传递，将烟气中的余热通过热管大量传给温差发电片。同时也提高了温差发电片热端的温度并改善了因烟管温度不均匀的现状，使得温差发电片受热变的均匀以及接触面积增加，整体提高了温差发电装置系统的性能。本次研究设计的热管式温差发电试验装置如图2所示，这种热管式温差发电装置的设计，仅仅局限于实验研究用，真正在实体船舶应用还需更多的改进和加工。
2 实验内容
温差发电实验装置的热源和冷源分别是模拟船舶的烟气余热和冷却系统。因此冷热源的温度和流量波动范围很小，属于可控范围，实际船舶工况相对复杂，无法完全模拟船舶实际工况[3]。
根据船舶烟气的温度范围，本次实验选择了三个烟气进口温度分别是275℃、300℃和325℃作为温差发电装置热源温度。然后对这三组温度的热电输出性能进行评估。为了更好的冷却冷端温度，采用冷却水流向与烟气流向方向相对的方式。实验装置布置的6块温差发电片采用串联方式。
实验条件：模拟烟气流量约为135m3/h;冷却水进口温度保持在大约12℃;冷却水流向与模拟烟气流向相对;温差发电片串联;外加负载电阻阻值72Ω;三组温度分别为275℃、300℃和325℃。
3 实验结果及数据分析
3.1 实验结果
3.1.1 第一组实验：热源温度275℃
图3为温差发电装置的温度变化曲线图。由图3可以看出，温差发电装置各个温度随着时间的不断增加所呈现的趋势基本相同。在实验进行到1000s后，各个温度基本趋于稳定状态。此时，烟气出口温度约240℃，温差发电片热端平均温度约为192℃，冷端平均温度约为43℃。 图4为温差发电实验装置的输出电压和输出功率随热端温度及冷热端温差变化关系曲线。从图4（a）、图4（b）可看出，温差发电实验装置输出电压随着热端温度增加而增加，输出功率也随着热端温度的增加而增加。从图4（c）、图4（d）可看出，随着温差发电装置冷热端的温差的增大，输出电压和输出功率也随之增大。在热端温度达到192.8℃时，冷热端温差为150℃，最大输出电压为51.76V，最大输出功率39.42W。
3.1.2第二组实验：热源温度300℃
图5温差发电装置的温度变化曲线图。温差发电实验装置各温度参数随时间的变化关系。从图5可看出，温差发电实验装置各温度参数的变化趋势基本相同，在1250s后各个参数基本趋于稳定，此时，烟气出口温度约为263℃，温差发电片热端平均温度约为208℃，冷端平均温度为约44℃。
图6为温差发电实验装置的输出电压和输出功率随热端温度及冷热端温差变化关系曲线。图6（a）、图6（b）可看出，温差发电实验装置输出电压随着热端温度增加而增加，输出功率也随着热端温度的增加而增加。从图6（c）、图6（d）可看出，随着温差发电装置冷热端的温差的增大输出电压和输出功率也随之增大。在热端温度达到208℃时，冷热端温差为163.8℃，最大输出电压为56.09V，最大输出功率47.22W。
3.1.3第三组实验：热源温度325℃
图7为温差发电装置的温度变化曲线图。温差发电实验装置各温度参数随时间的变化关系。从图7可看出，温差发电实验装置各温度参数的变化趋势基本相同，在1250s后各个参数基本趋于稳定，此时，烟气出口温度约为285℃，温差发电片热端平均温度约为230℃，冷端平均温度为约48℃。
图8为温差发电实验装置的输出电压和输出功率随热端温度及冷热端温差变化关系曲线。图8（a）、图8（b）可看出，温差发电实验装置输出电压随着热端温度增加而增加，输出功率也随着热端温度的增加而增加。从图8（c）、图8（d）可看出，随着温差发电装置冷热端的温差的增大输出电压和输出功率也随之增大。在热端温度达到230℃时，冷热端温差为181.9℃，最大输出电压为60.05V，最大输出功率53.25W。
3.2数据分析
根据以上三组实验得出的结果。可以看出，当热源温度从275℃升到300℃，温差发电装置的输出功率提高了7.8W;热源温度从300℃升到325℃时，温差发电装置输出功率提高了6.03W。由此可见，在相同冷却条件和相同烟气流量条件下，随着热源温度的上升，冷端温度基本保持稳定的状态下，冷热端温差逐渐增大，从而使得整个温差发电装置的输出功率提高。然而在当热源温度上升的同时，整个装置的散热损失将不断增大，功率损失也随之增大，使得输出功率的增幅逐渐下降。散热损失是影响输出功率增幅的一部分，此外，热源温度的不断增加使温差发电片的热端温度不断上升，导致温差發电片内阻发生了变化，从而影响了温差发电实验装置的输出性能。
4 结论
实验研究得出了在模拟烟气温度分别为275℃、300℃和325℃时，热管式船舶烟气余热温差发电实验装置的最大输出功率分别为39.42W、47.22W和53.25W，比理论值低7.7%、7.2%和8.1%，热电转换效率分别为4.8%、5.2%和5.5%，比理论值低9.4%、10.3%和11.3%。结果表明热管式船舶烟气余热温差发电装置原理可行、结构合理，同时得出，热源温度是影响温差发电装置输出性能的主要因素，随着热源温度的升高，温差发电装置的输出性能将会提高。
参考文献：
[1]李斌.船舶柴油机[M].大连：大连海事大学出版社，2008.
[2]马宗正，邵凤翔，王新莉，杨安杰.发动机尾气温差发电装置[J].2016.
[3]鲍亮亮，李启明，彭文博，刘大为，金安君.汽车尾气温差发电装置的设计、制作及性能测试[J].电源技术，2016.
Abstract： A power generation experimental device by using waste heat of a ship with heat pipes to enhance heat transfer is designed and built. And experiment for different heat source temperature（275℃、300℃和325℃） is carried out to verify the feasibility of the device. The experiment results imply that the heat resource temperature is the main performance influencing factor of the thermoelectric generation device， thus can provide an effective scientific method and reliable theoretical basic for energy saving and emission reduction.
关键词：船舶节能;余热利用;温差发电;热管
Key words： ship energy saving;waste heat utilization;thermoelectric generation;heat pipe
中图分类号：F407.474 文獻标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）15-0001-04
0 引言
本文结合船舶烟气余热的特点和热管强化传热的性能，提出了通过热管和温差发电技术结合方式，设计一种热管式温差发电实验装置。
利用该实验装置对船舶烟气余热进行回收利用，进行了实验并对实验数据做出了分析，验证了热管式船舶烟气余热温差发电装置原理的可行性和结构的合理性。
1 船舶烟气余热利用方案
船舶烟气的来源主要是由主机柴油机和辅机柴油机产生的[1]。这里主要以主机柴油机为主进行方案设定。船舶烟气余热利用温差发电系统简图如图1所示，烟气从主机排气阀排出进入废气涡轮增压器，而后经过废气锅炉用于加热水产生船舶所需的蒸汽，最终排出进入大气。这一过程中烟气的一部分能量被废气涡轮增压器和废气锅炉利用，而这部分能量可以作为温差发电装置的热源。就柴油机结构来看，废气涡轮一般的布置位置是紧靠主机的，因此温差发电装置可以布置在废气涡轮增压器后。
如图1所示，构建的是船舶主机烟气余热温差发电系统的结构简图。该系统保证了废气涡轮增压器和废气锅炉所需的废气能量，也可以利用烟气的余热进行温差发电。温差发电装置在废气涡轮增压器之后，所以不影响废气涡轮增压器的使用。
实体船舶的烟管大多数都是圆筒状，温差发电板在圆筒形的烟管布置受热会很不均匀。为了方便实验研究，将烟气模拟烟管设计成矩形状，以便温差发电板更好的贴合烟管外壁，使受热比较均匀[2]。
热管式温差发电装置，对船舶烟气余热进行利用，利用热管强化可以加速热量的传递，将烟气中的余热通过热管大量传给温差发电片。同时也提高了温差发电片热端的温度并改善了因烟管温度不均匀的现状，使得温差发电片受热变的均匀以及接触面积增加，整体提高了温差发电装置系统的性能。本次研究设计的热管式温差发电试验装置如图2所示，这种热管式温差发电装置的设计，仅仅局限于实验研究用，真正在实体船舶应用还需更多的改进和加工。
2 实验内容
温差发电实验装置的热源和冷源分别是模拟船舶的烟气余热和冷却系统。因此冷热源的温度和流量波动范围很小，属于可控范围，实际船舶工况相对复杂，无法完全模拟船舶实际工况[3]。
根据船舶烟气的温度范围，本次实验选择了三个烟气进口温度分别是275℃、300℃和325℃作为温差发电装置热源温度。然后对这三组温度的热电输出性能进行评估。为了更好的冷却冷端温度，采用冷却水流向与烟气流向方向相对的方式。实验装置布置的6块温差发电片采用串联方式。
实验条件：模拟烟气流量约为135m3/h;冷却水进口温度保持在大约12℃;冷却水流向与模拟烟气流向相对;温差发电片串联;外加负载电阻阻值72Ω;三组温度分别为275℃、300℃和325℃。
3 实验结果及数据分析
3.1 实验结果
3.1.1 第一组实验：热源温度275℃
图3为温差发电装置的温度变化曲线图。由图3可以看出，温差发电装置各个温度随着时间的不断增加所呈现的趋势基本相同。在实验进行到1000s后，各个温度基本趋于稳定状态。此时，烟气出口温度约240℃，温差发电片热端平均温度约为192℃，冷端平均温度约为43℃。 图4为温差发电实验装置的输出电压和输出功率随热端温度及冷热端温差变化关系曲线。从图4（a）、图4（b）可看出，温差发电实验装置输出电压随着热端温度增加而增加，输出功率也随着热端温度的增加而增加。从图4（c）、图4（d）可看出，随着温差发电装置冷热端的温差的增大，输出电压和输出功率也随之增大。在热端温度达到192.8℃时，冷热端温差为150℃，最大输出电压为51.76V，最大输出功率39.42W。
3.1.2第二组实验：热源温度300℃
图5温差发电装置的温度变化曲线图。温差发电实验装置各温度参数随时间的变化关系。从图5可看出，温差发电实验装置各温度参数的变化趋势基本相同，在1250s后各个参数基本趋于稳定，此时，烟气出口温度约为263℃，温差发电片热端平均温度约为208℃，冷端平均温度为约44℃。
图6为温差发电实验装置的输出电压和输出功率随热端温度及冷热端温差变化关系曲线。图6（a）、图6（b）可看出，温差发电实验装置输出电压随着热端温度增加而增加，输出功率也随着热端温度的增加而增加。从图6（c）、图6（d）可看出，随着温差发电装置冷热端的温差的增大输出电压和输出功率也随之增大。在热端温度达到208℃时，冷热端温差为163.8℃，最大输出电压为56.09V，最大输出功率47.22W。
3.1.3第三组实验：热源温度325℃
图7为温差发电装置的温度变化曲线图。温差发电实验装置各温度参数随时间的变化关系。从图7可看出，温差发电实验装置各温度参数的变化趋势基本相同，在1250s后各个参数基本趋于稳定，此时，烟气出口温度约为285℃，温差发电片热端平均温度约为230℃，冷端平均温度为约48℃。
图8为温差发电实验装置的输出电压和输出功率随热端温度及冷热端温差变化关系曲线。图8（a）、图8（b）可看出，温差发电实验装置输出电压随着热端温度增加而增加，输出功率也随着热端温度的增加而增加。从图8（c）、图8（d）可看出，随着温差发电装置冷热端的温差的增大输出电压和输出功率也随之增大。在热端温度达到230℃时，冷热端温差为181.9℃，最大输出电压为60.05V，最大输出功率53.25W。
3.2数据分析
根据以上三组实验得出的结果。可以看出，当热源温度从275℃升到300℃，温差发电装置的输出功率提高了7.8W;热源温度从300℃升到325℃时，温差发电装置输出功率提高了6.03W。由此可见，在相同冷却条件和相同烟气流量条件下，随着热源温度的上升，冷端温度基本保持稳定的状态下，冷热端温差逐渐增大，从而使得整个温差发电装置的输出功率提高。然而在当热源温度上升的同时，整个装置的散热损失将不断增大，功率损失也随之增大，使得输出功率的增幅逐渐下降。散热损失是影响输出功率增幅的一部分，此外，热源温度的不断增加使温差发电片的热端温度不断上升，导致温差發电片内阻发生了变化，从而影响了温差发电实验装置的输出性能。
4 结论
实验研究得出了在模拟烟气温度分别为275℃、300℃和325℃时，热管式船舶烟气余热温差发电实验装置的最大输出功率分别为39.42W、47.22W和53.25W，比理论值低7.7%、7.2%和8.1%，热电转换效率分别为4.8%、5.2%和5.5%，比理论值低9.4%、10.3%和11.3%。结果表明热管式船舶烟气余热温差发电装置原理可行、结构合理，同时得出，热源温度是影响温差发电装置输出性能的主要因素，随着热源温度的升高，温差发电装置的输出性能将会提高。
参考文献：
[1]李斌.船舶柴油机[M].大连：大连海事大学出版社，2008.
[2]马宗正，邵凤翔，王新莉，杨安杰.发动机尾气温差发电装置[J].2016.
[3]鲍亮亮，李启明，彭文博，刘大为，金安君.汽车尾气温差发电装置的设计、制作及性能测试[J].电源技术，2016.