許昊煜

（中國大唐集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華東分公司，安徽合肥230011）

多級熱源利用型溫差發(fā)電系統(tǒng)的流場與溫度場優(yōu)化設(shè)計

許昊煜

（中國大唐集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華東分公司，安徽合肥230011）

為了進一步提高溫差發(fā)電系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換效率，從而提升其在分布式能源中的適用性，針對一種典型多級熱源利用型溫差發(fā)電系統(tǒng)，采用數(shù)值計算方法研究了不同燃燒器結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)的流場、溫度場以及發(fā)電性能的影響，并提出了燃燒器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案。模擬結(jié)果驗證了系統(tǒng)級優(yōu)化方案的合理性和可行性，優(yōu)化后系統(tǒng)的流場和溫度場得到較大的改善，熱電模塊的溫度有較大提高且分布更為均勻，輸出功率和發(fā)電效率提升顯著。

分布式能源；溫差發(fā)電；熱源利用；流場優(yōu)化；系統(tǒng)效率

0 引言

溫差發(fā)電技術(shù)是指當(dāng)金屬或者半導(dǎo)體等材料受熱時，其中的電子（空穴）順溫度梯度遷移從而產(chǎn)生電能的一種全固態(tài)的熱電轉(zhuǎn)化方式［1］。溫差發(fā)電技術(shù)具有體積小、使用壽命長、輸出穩(wěn)定性強、熱源適用范圍廣等優(yōu)勢，在耦合天然氣、太陽能、地?zé)崮艿榷喾N分布式熱源進行發(fā)電方面顯示出了巨大的潛力［2－3］。

盡管如此，阻礙溫差發(fā)電在分布式能源方面大規(guī)模應(yīng)用的主要因素是其低下的系統(tǒng)級熱電轉(zhuǎn)換效率。盡管越來越多的新型高性能半導(dǎo)體熱電材料不斷被開發(fā)出來，相應(yīng)的單個模塊熱電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過20%［4］；以碳納米管為首的一些納米熱電材料的使用則能夠進一步提升熱電模塊的效率［5－7］。但現(xiàn)有的溫差發(fā)電系統(tǒng)的整體效率卻遠小于模塊的熱電轉(zhuǎn)化效率。因此，通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行方式的優(yōu)化從而提高溫差發(fā)電系統(tǒng)整體效率的研究工作刻不容緩。

近年來，對于新型溫差發(fā)電系統(tǒng)的研發(fā)經(jīng)歷了從低溫到高溫、從單級到多級的過程后，在提高系統(tǒng)性能方面取得了一些成果［8－11］。此外，已有學(xué)者通過優(yōu)化換熱面結(jié)構(gòu)、模塊布置方式以及流道的結(jié)構(gòu)等手段，以強化傳熱和優(yōu)化流場，進而提高溫差發(fā)電器的整體性能［12－14］。但是目前的優(yōu)化研究大多圍繞單級溫差發(fā)電系統(tǒng)的局部傳熱空間進行，鮮有通過將多級溫差發(fā)電系統(tǒng)中的流場、溫度場進行系統(tǒng)級優(yōu)化的研究。因此，本文針對一種多級熱源梯級利用型溫差發(fā)電系統(tǒng)，利用計算流體動力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）軟件對系統(tǒng)中不同的溫度區(qū)間進行流場、溫度場的整體優(yōu)化設(shè)計計算，從而提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。

1 溫差發(fā)電系統(tǒng)的基本原理

在金屬或半導(dǎo)體材料組成的溫差發(fā)電模塊的冷熱兩端，由溫差形成電勢差的效應(yīng)被稱為賽貝克效應(yīng)。以圖1所示的單級溫差發(fā)電模塊為例，其中的溫差發(fā)電模塊由多對PN型電偶臂組成，熱源溫度為T1，冷源溫度為T2。其中，電偶臂從溫度為T1的熱源處吸收熱量QH，經(jīng)過電偶臂發(fā)電后向冷源T2散發(fā)熱量QC。與此同時，由于熱電模塊的冷熱端溫度不同，分別為Th和Tc，由賽貝克效應(yīng)產(chǎn)生的開路電壓為

圖1 單級溫差發(fā)電模塊發(fā)電回路示意圖Fig.1 Schematic diagram of a thermoelectric generation circuit

則模塊輸出功率為

式中：α為熱電模塊的賽貝克系數(shù)；R和RL分別為模塊的內(nèi)阻和負載電阻。

由此不難看出，熱電模塊熱端和冷端的溫差直接影響溫差發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，進而影響整體的發(fā)電效率［15］。本文針對一種以天然氣燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庾鳛闊嵩?，以高溫?zé)犭娔K（Pb-Te材料）和中溫?zé)犭娔K（Bi-Te材料）作為發(fā)電模塊進行耦合發(fā)電的系統(tǒng)，研究其系統(tǒng)的傳熱特性和發(fā)電性能，并且通過燃燒器內(nèi)流場和溫度場的優(yōu)化設(shè)計，提高系統(tǒng)級的發(fā)電效率。

2 多級熱源利用型溫差發(fā)電系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)簡介

典型的多級熱源利用型溫差發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括：燃氣瓶、風(fēng)機、混合室、遮焰罩、高溫溫差發(fā)電模塊、中溫溫差發(fā)電模塊、高溫模塊散熱水套、中溫模塊散熱翅片、氣體管路、冷卻水管路、引風(fēng)裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和其他輔助系統(tǒng)。高溫溫差發(fā)電模塊為采用PbSnTe型環(huán)形熱電模塊，其尺寸為：外壁Φ220mm，內(nèi)壁Φ150mm，高度248mm，布置在燃燒室的周圍［16］。中溫發(fā)電模塊為Bi-Te半導(dǎo)體熱電模塊，尺寸為：40mm× 40mm×2mm，共4個，對稱布置于煙道中［17］。通過將適用于不同溫度區(qū)間的熱電模塊布置于系統(tǒng)的不同溫度段，形成對于熱源的多級利用。

圖2 典型的多級熱源利用型溫差發(fā)電系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of a typicalmulti-level heat source utilization TEG system

2.2 基本工作原理

圖2所顯示的多級熱源利用型溫差發(fā)電系統(tǒng)的基本工作過程：經(jīng)預(yù)混后的空氣-燃料混合氣體在燃燒器中被點燃產(chǎn)生高溫?zé)煔?，煙氣先后沖刷高溫溫差發(fā)電模塊以及中溫溫差發(fā)電模塊的內(nèi)壁面（熱端）使其被加熱。冷卻水流經(jīng)散熱套冷卻高溫溫差發(fā)電模塊的外壁面（冷端）對其進行冷卻，而中溫模塊的冷端則采用散熱片空氣自然對流的方式進行冷卻，從而維持高溫以及中溫?zé)犭娔K兩端溫差，在該溫差的驅(qū)使下產(chǎn)生穩(wěn)定的電能輸出。由此可見，由于高、中溫?zé)犭娔K布置于同一熱源的不同溫度區(qū)段，在空間上相互連接，因此二者在熱源（煙氣熱量）的利用方面形成了耦合關(guān)系。

作為整個發(fā)電系統(tǒng)核心設(shè)備之一的燃燒裝置，負責(zé)為熱電模塊提供熱源。因此，可以綜合考慮燃燒器結(jié)構(gòu)對于高溫及中溫?zé)犭娔K內(nèi)壁周圍流場和溫度場的影響，對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以實現(xiàn)整體流場的優(yōu)化和強化換熱，并系統(tǒng)級地提升發(fā)電性能。

3 燃燒器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計及CFD模擬

3.1 燃燒器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

在高溫溫差發(fā)電系統(tǒng)或者多級溫差發(fā)電系統(tǒng)的燃燒器中增加如圖2所示的遮焰罩，被證明可以起到增加湍動度，強化換熱的效果。燃燒形成的高溫?zé)煔鉄o法直接排向環(huán)境，只能經(jīng)過遮焰罩上的孔洞，對高溫模塊形成沖刷后再流向引風(fēng)裝置，強化了高溫模塊內(nèi)壁與煙氣的傳熱。但這種遮焰罩的加入，只考慮了高溫模塊局部的優(yōu)化，系統(tǒng)級效率的提升有限。

因此提出如圖3中Case2所示的新型遮焰罩，從圖中不難看出，高溫?zé)煔庠谛滦驼谘嬲值摹耙龑?dǎo)”下，被分成2個部分，一部分通過下方的孔洞沖刷高溫模塊內(nèi)壁，另一部分則通過遮焰器內(nèi)部通道直接進入了遮焰罩頂部，并通過上部孔洞進入中溫模塊的附近區(qū)域。與Case1所示的傳統(tǒng)的遮焰罩相比，新型遮焰罩將熱源的利用從串聯(lián)變?yōu)椴⒙?lián)，使更多高溫?zé)煔庥袡C會聚集在中溫模塊附近，并且在孔洞周圍增加了擋板，使得煙氣能夠更為平均地分配至模塊內(nèi)壁所需的各處，增加了模塊內(nèi)壁周圍煙氣的擾流。為了驗證優(yōu)化設(shè)計的合理性，對于2種不同的燃燒器下的系統(tǒng)流場和溫度場情況進行CFD模擬。

圖3 燃燒器的優(yōu)化方案Fig.3 Optimization program of the burner

3.2 新型流場與溫度場優(yōu)化方案的CFD模擬研究

3.2.1 網(wǎng)格的劃分和邊界條件的設(shè)置

首先將整體模型切割成3份，進口處以及遮焰罩周圍部分采用Tet/Hybrid型非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對于其他部分使用Quad型Pave非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格?？偩W(wǎng)格數(shù)為891 243，經(jīng)檢查，EquiSize Skew為0～0.1的網(wǎng)格數(shù)占99.63%，且其中不存在體積為0的網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量符合要求。熱電模塊部分的外觀較為規(guī)則，網(wǎng)格劃分方式選用Hex型?；旌蠚獾倪M口為空燃預(yù)混氣體，出口為101 325Pa的壓力出口，外壁面設(shè)置為絕熱，內(nèi)壁面設(shè)置為熱耦合。

按照燃燒器說明書，燃燒嘴設(shè)置為65Pa壓力入口出，出口為101 325Pa的壓力出口。對于空氣入口組分：選取氧氣的體積分數(shù)為0.23，系統(tǒng)默認剩余的為氮氣；燃料（液化石油氣）體積分數(shù)分別為：氫氣0.05，甲烷0.10，乙烷0.04，乙烯0.03，丙烷0.18，丙烯0.08，丁烷0.44，丁烯0.05，戊烷0.03。外壁面設(shè)置為絕熱，內(nèi)壁面設(shè)置為熱耦合。遮焰罩設(shè)置為inner wall類型，并將高溫模塊和中溫模塊的傳熱相關(guān)物性參數(shù)按說明書中的內(nèi)容輸入模型。

3.2.2 模擬結(jié)果對比分析

圖4為燃氣、空氣混合氣進入燃燒器被點燃后，在Case1和Case2這2種情況下的中間截面流線圖，從流線圖中可以看出，Case2中的新型遮焰罩對于整體流場的擾流作用更為明顯，且能夠?qū)⒏邷責(zé)煔庵苯訉?dǎo)流至中溫模塊附近進行沖刷，而Case1型的傳統(tǒng)遮焰罩只能增加高溫模塊內(nèi)部附近的擾流。由于新型遮焰器的作用，圖中紅框標(biāo)出的a區(qū)域和b區(qū)域中，高溫?zé)煔獯怪睕_刷內(nèi)壁的范圍有較為顯著的增加。但值得注意的是，在Case2中的c區(qū)域形成了較大的渦流，因此將造成熱量在無關(guān)區(qū)域的堆積，需要在接下來的優(yōu)化中改進。

圖4 Case1和Case2工況下的中間截面流線圖Fig.4 Streamline pictures ofmidsections in Case1and Case2

類似的結(jié)論可以從溫度云圖（圖5）中得出，由于新型遮焰罩的加入，使得a區(qū)域和b區(qū)域內(nèi)的高溫區(qū)面積增大，傳熱得到強化。Case2中的高溫模塊和中溫模塊的溫度都高于Case1中的溫度。但是Case2在c區(qū)域有大量的高溫區(qū)，而此區(qū)域附近并沒有熱電模塊，因此需要繼續(xù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)從而去除無關(guān)高溫區(qū)。

圖5 Case1和Case2工況下的中間截面溫度云圖Fig.5 Contours of temperature field of midsection in Case1and Case2

3.2.3 流場溫度場進一步優(yōu)化方案

為了去除圖4中的渦流區(qū)，減少無關(guān)區(qū)域的熱量堆積，擬利用增加相應(yīng)的環(huán)形擋板將此區(qū)域封閉，優(yōu)化結(jié)果如圖6中的Case3。圖中在易于產(chǎn)生渦流的區(qū)域增加了擋板，將該區(qū)域封閉起來，從而將高溫?zé)煔庖林袦啬K附近。

圖6 燃燒器的進一步優(yōu)化方案Fig.6 Further optimizationprogram of the burner

3.2.4 優(yōu)化結(jié)果分析

按照前文所述的網(wǎng)格劃分方法、邊界條件設(shè)置以及計算模型對Case3進行計算，并與Case2的計算結(jié)果進行對比。圖7顯示了Case2與Case3這2種情況下的中間截面流線圖。從圖中可以看出，環(huán)形擋板的加入，使得原來無關(guān)區(qū)域的渦流消失，靠近內(nèi)壁面的流體較為順利地進入到中溫模塊附近。

圖7 Case2和Case3工況下的中間截面流線圖Fig.7 Streamline pictures of midsection in the Case2and Case3

圖8 Case2和Case3工況下的中間截面溫度云圖Fig.8 Contours of temperature field of midsection in the Case2and Case3

圖8顯示了Case2與Case3這2種情況下的中間截面溫度云圖，新型遮焰罩中部增加環(huán)形擋板后，中溫模塊附近的流體溫度有了較為明顯的提升，中溫模塊的整體溫度也隨之升高。此外，在Case2中間無關(guān)區(qū)域的高溫區(qū)也在Case3中有所降低，因此可以判斷高溫?zé)煔鉀]有在此聚集，而是進入了中溫模塊的附近。

圖9顯示了不同工況下中溫模塊內(nèi)壁溫度的軸向平均溫度分布，從圖中可以看出，經(jīng)過流場和溫度場優(yōu)化，Case2和Case3的中溫模塊在軸向溫度分布的均勻性上要高于使用原始遮焰罩的Case1。此外，Case3的內(nèi)壁溫度要明顯高于Case2和Case1，由此可見，新型遮焰罩對于提高中溫內(nèi)壁溫度、優(yōu)化溫度分布有著顯著的作用。

圖9 中溫模塊內(nèi)壁溫度的軸向平均溫度分布Fig.9 Axialaverage temperature of medium temperature TE modules inner wall

圖10顯示了不同工況下高溫模塊內(nèi)壁溫度的軸向平均溫度分布。通過觀察內(nèi)壁溫度隨軸向距離的變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)，使用傳統(tǒng)遮焰罩的Case1中的溫度整體上低于Case2和Case3，與此同時，Case1中的溫度梯度更大，對于高溫模塊的安全性有著負面的影響。而Case2和Case3的溫度分布更為均勻，且Case3的整體溫度最高，可見新型的遮焰罩有效的改善了高溫模塊附近的溫度場，加強了煙氣與模塊間的傳熱。

圖10 高溫模塊內(nèi)壁溫度的軸向平均溫度分布Fig.10 Axialaverage temperature of high temperature TE modules inner wall

將模塊的賽貝克系數(shù)、負載以及熱源功率結(jié)合各工況下的模塊冷熱端溫差，可計算出不同工況下高溫及中溫模塊輸出功率以及系統(tǒng)效率，如表1所示。從表中可以看出，Case3相較于其他工況，擁有最高的輸出功率以及系統(tǒng)效率。相比于使用原始的遮焰罩，輸出功率提升了133.8W，效率提升了1.51個百分點，增幅達到30%。

表1 系統(tǒng)中各點溫度模擬與實驗對比表Table 1 Temperature table of the simulation and experimental value

4 結(jié)論

本文針對典型的多級熱源利用型溫差發(fā)電系統(tǒng)，通過對其燃燒器的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計研究，從而系統(tǒng)級地優(yōu)化了流場和溫度場，通過數(shù)值模擬驗證了此次優(yōu)化設(shè)計工作，得出如下結(jié)論：

（1）新型燃燒器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化使得系統(tǒng)整體的流場和溫度場得到較大的改善，強化了熱源與模塊之間的傳熱。

（2）CFD的計算結(jié)果驗證了流場溫度場優(yōu)化方案的合理性，直觀地反映了燃燒器優(yōu)化后，模塊周邊流場和溫度場的變化情況。

（3）系統(tǒng)的輸出特性對比結(jié)果表明，經(jīng)過流場溫度場的優(yōu)化后，多級熱源利用型溫差發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率提升了133.8W，效率提升了1.51個百分點，增幅達到30%。因此該方案對于提升系統(tǒng)的輸出特性，提高熱電轉(zhuǎn)化效率有著積極作用，可以作為后續(xù)新型溫差發(fā)電器設(shè)計及制造等相關(guān)工作的依據(jù)。

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Flow Field and Temperature Field Optimization Study on Design of a Multi-Level Heat Source Utilization Thermoelectric Generation System

XU Haoyu
（East China Branch，China Datang Corporation Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.，Hefei 230031，Anhui Province，China）

In order to increase the efficiency and applicability of thermoelectric generation（TEG）system in distributed energy，with the framework of numerical calculation，an optimized scheme of burner is proposed to study the influence of burner structure on flow field，temperature field and the generation performance of a typical multilevel heat source utilization TEG system.The simulative results prove the rationality and feasibility of the proposed optimization method，which indicate that the flow field and the temperature field are optimized，the temperature uniformity of the thermoelectric modules，the output power and efficiency of the system are improved.

distributed energy sources；thermoelectric generation；heat source utilization；flow field optimization；system efficiency

許昊煜

2017-01-04

許昊煜（1991—），男，碩士，助理工程師，主要從事熱力設(shè)備及系統(tǒng)節(jié)能、優(yōu)化和故障診斷的研究工作，langhaoyu＠126.com。

（編輯 蔣毅恒）

TK43

A

2096-2185（2017）01-0044-06

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.01.007