劉少斌，何明鍵，任亞濤，齊 宏

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 空天熱物理工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)

在飛速發(fā)展的科技工業(yè)和社會進(jìn)步的背后，急劇增加的能源需求是世界每個(gè)國家都需要面對的問題。國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需新增的能源不僅通過新能源的開發(fā)，如何高效地節(jié)能降耗也是關(guān)鍵課題。Talbi等[1]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同機(jī)型和工齡的船舶柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)熱效率在30%～42%之間，其中58%～70%熱量被冷卻水、尾氣及柴油機(jī)自身散熱等帶走。提高燃燒溫度是提高主機(jī)熱效率最直接的方法，但是燃燒工況的變化會使尾氣氮氧化物的排放量提高。余熱回收也是提高能量利用率的措施，其更具有可行性。

在中小型機(jī)械裝置中，應(yīng)用溫差發(fā)電技術(shù)對余熱進(jìn)行回收的研究越來越多。提高尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)的性能主要從溫差材料研發(fā)和溫差系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化兩方面進(jìn)行。魯紅亮等人[2]利用斜板和翅片對汽車尾氣熱交換器結(jié)構(gòu)改進(jìn)，從壓降和換熱量評價(jià)結(jié)構(gòu)的合理性。王統(tǒng)才[3]對溫差發(fā)電技術(shù)在中低溫余熱回收利用中的應(yīng)用進(jìn)行闡述，并設(shè)計(jì)層疊式裝置對中低溫氣體余熱回收進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。聶山鈞等[4]通過兩種材料參數(shù)取值方法提取了能表征熱電材料參數(shù)，計(jì)算的制冷溫度誤差可以為廠家參數(shù)誤差1/10，能有效用于TEC性能評估。Remeli等[5]將熱管與溫差發(fā)電技術(shù)相結(jié)合,搭建了一套新型的熱管輔助-溫差發(fā)電余熱回收系統(tǒng)。Fan等[6]對分段環(huán)形熱電回收系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況下的熱電性能和可靠性進(jìn)行討論，得出熱源周期和幅值越小，整體熱電性能越好，而且驗(yàn)證了正弦熱源下熱電系統(tǒng)的可靠性。

余熱回收技術(shù)在船舶交通工具中也有廣泛應(yīng)用。張桂臣等[7]利用系統(tǒng)的動態(tài)模型設(shè)計(jì)了LQG最優(yōu)控制器，提出了感應(yīng)電機(jī)在船舶主機(jī)余熱利用系統(tǒng)中的最優(yōu)控制策略。陶加銀等[8]設(shè)計(jì)余熱回收聯(lián)合發(fā)電機(jī)組實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對聯(lián)合機(jī)組進(jìn)行多種工況實(shí)驗(yàn)研究，模擬了系統(tǒng)配合船舶柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的工況?？仔闳A[9]以WD615型柴油機(jī)煙氣為熱源，設(shè)計(jì)對流換熱為主的肋片管式換熱器。通過數(shù)值計(jì)算得到溫差發(fā)電裝置效率為1.14 %，可輸出最大功率為63.4 W。Yong等人[10]對柴油機(jī)余熱回收中，使用增加板狀多孔介質(zhì)的Bi2Te3熱電模塊，發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 rpm時(shí)，孔隙率0.416底板能強(qiáng)化傳熱從而提高44.5%的功率輸出和10.1%的能量轉(zhuǎn)換效率。曾維武等[11]對MAN 6S70MC-C型號船舶低速二沖程柴油機(jī)的煙氣、缸套水、增壓空氣和滑油余熱量和能量品位對船舶主機(jī)余熱進(jìn)行綜合分配，得到低溫循環(huán)中工質(zhì)R1234ze(E)凈輸出功率最高，高溫循環(huán)中工質(zhì)R601各項(xiàng)指標(biāo)均最優(yōu)。Hatami等[12]用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法對柴油機(jī)尾氣余熱系統(tǒng)中的翅片換熱管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對換熱管的翅片長度、翅片厚度、翅片數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。李秉坤等[13]對蒸汽朗肯循環(huán)、有機(jī)朗肯循環(huán)、卡琳娜循環(huán)和布雷頓循環(huán)這四種船舶煙氣余熱回收的熱力循環(huán)分析和對比，發(fā)現(xiàn)有機(jī)朗肯循環(huán)更適合高熱回收，而布雷頓循環(huán)更適用于中低熱能回收。

為提高船舶柴油機(jī)尾氣溫差發(fā)電裝置的熱電效率，對其影響因素的分析和優(yōu)化的研究非常有必要的。本文對應(yīng)用溫差發(fā)電技術(shù)的船舶柴油機(jī)尾氣余熱回收裝置進(jìn)行熱分析，使用熱電模塊冷熱端面溫差作為熱電轉(zhuǎn)換效率的指標(biāo)，使用仿真模擬對熱電裝置內(nèi)部的導(dǎo)熱介質(zhì)層厚度、肋片散熱器的類型和熱電模塊的排列方式等影響熱電效率的因素進(jìn)行熱分析，提出不同影響因素對余熱回收熱電系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換效率的影響規(guī)律。

1 余熱回收裝置的幾何模型

1.1 幾何模型

結(jié)構(gòu)1為管徑150 mm、長度500 mm的尾氣管，模擬船舶柴油機(jī)尾氣管道；結(jié)構(gòu)2為導(dǎo)熱油層填充區(qū)域，將尾氣的余熱傳遞至熱電模塊；結(jié)構(gòu)3為熱電模塊，40 mm×40 mm×3.6 mm；結(jié)構(gòu)4為翅片熱沉，結(jié)構(gòu)5為散熱翅片(見圖1)。

圖1 余熱回收裝置結(jié)構(gòu)示意

高溫尾氣通過管道排出，在排放的過程中尾氣余熱經(jīng)過導(dǎo)熱介質(zhì)層傳導(dǎo)至熱電模塊，接觸面稱為熱端面。外部空氣對熱電模塊冷端面進(jìn)行冷卻，此時(shí)熱電模塊的冷熱端面存在溫差，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，完成余熱回收?/p>

1.2 熱分析思路

為了對問題進(jìn)行分析，使用ANSYS 18.2 FLUENT進(jìn)行初步仿真，得到溫度場如圖2(a)所示。選用導(dǎo)熱介質(zhì)層尺寸為165 mm×165 mm，具體參數(shù)見表2，尾氣入口溫度為873 K，裝置外部采用空氣自然對流。

圖2 (a)無翅片型余熱回收裝置仿真云圖 (b)溫度云圖切片

為了減少計(jì)算量，設(shè)置對稱邊界條件，選取一半計(jì)算域。從圖2(a)可以看到尾氣在入口處溫度最高，然后壁面溫度沿軸向逐漸降低，到了出口處壁面溫度降了200 K。這是因?yàn)榭諝庾匀粚α饕约皩?dǎo)熱油層的吸熱作用，總體來看壁面溫度分布較均勻，符合實(shí)際情況。

圖2(b)是徑向溫度云圖切片，可以看出導(dǎo)熱油層外側(cè)頂角厚度大且熱阻大，尾氣余熱的導(dǎo)熱速率低，增溫慢。而導(dǎo)熱層側(cè)面較薄，尾氣管與導(dǎo)熱層換熱能使其局部快速升溫，壁面最大溫差達(dá)到253 K。因?yàn)閷?dǎo)熱層外壁面與熱電模塊直接接觸，外壁面的溫度高低和分布均勻程度將直接影響熱電模塊的轉(zhuǎn)化效率和工作狀態(tài)。由此可知，導(dǎo)熱層厚度是影響熱電性能的重要影響因素。

由圖2(a)我們可以看到，熱電模塊的排列會影響導(dǎo)熱層外壁的溫度分布，熱電模塊周圍溫度場呈波紋衰減。我們可以把熱電模塊看作熱電阻，不同熱電模塊的排列方式將會影響熱端溫度與周圍溫度場的分布。由此可知，熱電模塊間的排列分布方式也是熱電性能的重要影響因素。

本文從兩方面對余熱回收裝置進(jìn)行熱分析，首先是應(yīng)用環(huán)境的影響，如管道尾氣的工況；其次是裝置結(jié)構(gòu)的影響，如導(dǎo)熱層厚度、熱電模塊排列方式、外側(cè)翅片的類型。

2 數(shù)值模型

2.1 物性參數(shù)的設(shè)置

余熱回收裝置中熱電模塊的冷熱端面溫差較大，這對熱電模塊的工作溫度及最大耐受溫差提出了要求。結(jié)合目前國內(nèi)較成熟的半導(dǎo)體溫差發(fā)電材料的市場分布現(xiàn)狀，選擇Bi2Te3基的半導(dǎo)體溫差發(fā)電片作為仿真模型參考實(shí)例。

目前常用的以Bi2Te3基為材料制造的溫差發(fā)電片主要有以下三種型號：SP1848-27145，TEG1-241-1.4-1.2，TEP1-142T300。每種發(fā)電片因材料晶格數(shù)，加工工藝及封裝技術(shù)等影響因素不同，其適用和耐受溫度也不同。表1為三種發(fā)電片摘取的部分參數(shù)，考慮到耐受溫度等影響因素，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的數(shù)值仿真主要參考TEP1-142T300型半導(dǎo)體溫差發(fā)電片。

表1 不同種類的熱電模塊

TEP1-142T300型半導(dǎo)體溫差發(fā)電片厚度僅3.6 mm，且該熱電材料隨溫度變化而熱導(dǎo)率及密度等物性變化不大。考慮到實(shí)際工作中外封裝及其他因素影響，不對熱導(dǎo)率等物性參數(shù)進(jìn)行數(shù)值擬合，采用定值。

高建兵等[14]采集不同柴油機(jī)負(fù)荷時(shí)小排量柴油機(jī)顆粒物分析，發(fā)現(xiàn)原始顆粒物的熱重曲線隨負(fù)荷增加變化不明顯，在恒溫氧化條件下原始顆粒和微粒聚集體活化能變化不明顯，說明短時(shí)間內(nèi)的柴油機(jī)尾氣顆粒性質(zhì)較穩(wěn)定。Michael等[15]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，船舶柴油機(jī)尾氣管的氣體壓力一般測量得0.1 MPa；而柴油機(jī)尾氣成分的分子量在28.7附近波動。給定尾氣的常物性參數(shù)，忽略尾氣物性受柴油機(jī)負(fù)荷的影響，本文模擬探究采用的材料物性參數(shù)如表2所示。

表2 材料物性參數(shù)[6]

導(dǎo)熱油數(shù)值仿真參考國產(chǎn)Therminol66號導(dǎo)熱油，其物性在高溫區(qū)段變化不大，因此選取600 K時(shí)的物性作為仿真參考值。管式結(jié)構(gòu)采集板式結(jié)構(gòu)的外壁選用導(dǎo)熱性較好的金屬鋁，壁厚取1 mm。

2.2 數(shù)學(xué)模型

為了簡化計(jì)算模型，本文給出以下假設(shè)：

(1)尾氣可視為均勻氣體且物性不隨溫度變化，入口溫度和入口速度穩(wěn)定。

(2)在余熱回收裝置的換熱熱損和內(nèi)部輻射散熱可以被忽略。

(3)熱電模塊的熱電轉(zhuǎn)換優(yōu)值系數(shù)為定值，采用熱電模塊冷熱兩端面的溫差作為評價(jià)熱電轉(zhuǎn)換效率。

流動傳熱過程遵循質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒三大控制方程，以下均為直角坐標(biāo)系表達(dá)。質(zhì)量守恒方程表達(dá)式為

(1)

式中u——x軸方向速度;

ν——y軸方向速度;

ω——z軸方向速度。用散度進(jìn)行簡化為

(2)

動量守恒方程表達(dá)式為

(3)

(4)

(5)

式中u——x軸方向速度;

ν——y軸方向速度;

ω——z軸方向速度;

μ——流體粘性系數(shù);

fx——作用在流體微元體上的體積力。

能量守恒方程數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(6)

式中等式左邊為控制體內(nèi)單位質(zhì)量流體的能量變化率，等式右邊第一項(xiàng)是單位時(shí)間內(nèi)質(zhì)量力對單位質(zhì)量流體所做功，第二項(xiàng)是單位時(shí)間內(nèi)表面力對單位質(zhì)量流體所做功，第三項(xiàng)是單位時(shí)間內(nèi)外界流入的熱量，第四項(xiàng)是單位時(shí)間內(nèi)流體所受的輻射熱，本文求解省略。

2.3 邊界條件

對船舶柴油機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的工況進(jìn)行模擬，換熱過程都視為穩(wěn)態(tài)，且尾氣屬于不可壓縮流動。

數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置如下：采用有限容積法，基于壓力機(jī)求解器，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理近壁面區(qū)域，壓力與速度耦合的SIMPLE算法，連續(xù)性方程、動量方程、能量方程和湍流模型都使用二階迎風(fēng)格式以保證計(jì)算結(jié)果有足夠的精度，亞松弛因子和殘差收斂參數(shù)默認(rèn)。

尾氣入口為速度入口條件(Velocity-inlet)，溫度取793 K，速度為5 m/s，湍流強(qiáng)度為3%，水力直徑為圓管直徑150 mm。尾氣出口為壓力出口條件(Pressure-outlet)，表壓為零，湍流強(qiáng)度和水力半徑設(shè)定與入口邊界相同。外壁面為對流換熱邊界條件，外界氣流溫度為300 K，對流換熱系數(shù)為16 W/(m2·K)，用以模擬實(shí)際空氣自然對流的冷卻作用。

3 結(jié)果與討論

3.1 尾氣的溫度與速度的影響

柴油機(jī)常用工作溫度為550～750 K，尾氣流速范圍在7 ～9 m/s[2]。考慮到尾氣的初始條件不同，通過熱電系統(tǒng)可回收余熱量也不同，因此應(yīng)當(dāng)對不同工況尾氣對余熱回收裝置的影響進(jìn)行分析。本文選擇無翅片余熱回收裝置，將研究工況如表3所示分成了九組，保持其他條件不變進(jìn)行仿真模擬，其中Th表示的是熱電材料與導(dǎo)熱油層接觸的熱端平均溫度。

表3 熱電模塊熱端溫度隨不同尾氣溫度和速度的變化

圖3展示的是熱電模塊熱端溫度Th隨不同初始條件變化的對比柱狀圖。在相同的冷卻條件中，熱電模塊的冷端溫度相同，因此不同初始條件的會使熱電材料熱端受熱升溫不同，從而使熱電材料冷熱端溫差不同，進(jìn)而影響熱電系統(tǒng)的效率。

圖3 不同尾氣溫度和速度下熱端溫度變化

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

3.2 不同導(dǎo)熱介質(zhì)層厚度對熱電效率的影響

如果導(dǎo)熱介質(zhì)層的厚度太厚，會導(dǎo)致尾氣余熱被導(dǎo)熱介質(zhì)層儲存，外壁處布置的熱電片熱端溫度不足，使尾氣余熱利用率低；如果導(dǎo)熱油層太薄，則換熱面積不足且不能將尾氣余熱均勻傳遞到外側(cè)表面。因此不同導(dǎo)熱介質(zhì)層厚度對熱電模塊的熱電性能有很大的影響。

選用導(dǎo)熱油對導(dǎo)熱介質(zhì)層進(jìn)行填充，只探究導(dǎo)熱油層厚度變化對尾氣余熱吸收的影響，通過導(dǎo)熱油層平均表面溫度來判斷影響效果。本文研究的尾氣管道直徑為150 mm，因此選取導(dǎo)熱油層的底面尺寸邊長從155 mm到190 mm共八組研究對象。

圖4表示的是隨著尾氣管外部導(dǎo)熱油層體積底面邊長從155～190 mm，導(dǎo)熱油層外側(cè)面溫度變化。從圖4可以看到，隨著導(dǎo)熱油層厚度增加，外壁面溫度呈非線性下降。在155 mm到170 mm范圍內(nèi)下降最快，達(dá)到了50 K溫差。從170 mm到190 mm僅下降了20 K，且溫度降低曲線逐漸放緩。導(dǎo)熱油層過薄會導(dǎo)致熱電模塊因高溫而損壞，過厚會使成本增加，而且會使導(dǎo)熱層外壁面溫度過低，降低熱電模塊效率。由結(jié)論可知，170 mm在本研究的范圍內(nèi)適合作為余熱回收裝置的導(dǎo)熱油層厚度。從圖4中可以看到隨著導(dǎo)熱油層的厚度增加，導(dǎo)熱油層外壁溫度逐漸降低，且外表面上四個(gè)頂角溫度逐漸向中間軸溫度增加，說明了導(dǎo)熱油層對尾氣余熱高效收集作用。

圖4 外壁溫隨導(dǎo)熱油層厚度的變化

圖5的溫度場云圖是導(dǎo)熱油層底面邊長從175～190 mm的仿真結(jié)果，油層與尾氣管的整體溫度場，從圖4～圖7可以看到隨著導(dǎo)熱油層的增加，導(dǎo)熱油層外壁高溫圈逐漸減小，溫度變化梯度層增多。

圖5 導(dǎo)熱油層寬度從155 mm到190 mm變化時(shí)的溫度云圖

3.3 熱電模塊的數(shù)量及排列方式的影響

導(dǎo)熱油層外表面的溫度場分布不均勻，使不同位置的熱電模塊的熱端面工作溫度不同，這對熱電模塊群的整體轉(zhuǎn)換效率以及工作時(shí)的安全可靠性提出了要求。從排列緊湊性考慮，本文用熱電材料組的熱端平均溫度作為衡量指標(biāo)，尋找最優(yōu)的排列方式。

選用導(dǎo)熱油層底部邊長為165 mm，尾氣入口速度為5 m/s，溫度為793 K。導(dǎo)熱油層外表面尺寸為300 mm×165 mm，熱電模塊尺寸為40 mm×40 mm×3.6 mm。取尾氣管軸向方向?yàn)闄M向，導(dǎo)熱油層外表面與尾氣管軸向垂直的方向?yàn)榭v向，分別代號為H和Z。如圖6所示，“H6_Z3”放置方式即為熱電片單行橫向放置6片，單列縱向放置3片，總共布置18片熱電片。本探究設(shè)置了五組排列方式，在同樣的邊界條件下進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7所示。

圖6 熱電模塊Z3_H6排列形式

圖7 不同排列方式的溫度云圖

圖7展示的是五種不同排列方式的溫度云圖，從左到右分別是Z2_H4、Z2_H6、Z3_H4、Z3_H5、Z3_H6。將前兩種熱電材料成兩列相對集中在中間高溫區(qū)域的分布稱為中間放置，將后三種熱電材料均勻充分放置在外表面的分布稱為均勻放置。由圖7可以看出，中間放置的排列方式能使熱電材料聚集在溫度較高的中軸區(qū)域，而均勻放置則只有中間單列熱電模塊溫度較高。從本文所使用的通用熱電模塊來看，使用中間放置的分布更為合理。

圖8所表示的是五種不同排列方式的熱電模塊熱端面平均溫度對比。從圖8可以看出，前兩組的熱面平均溫度比后兩組的熱面平均溫度高15 K，也就是余熱利用效率更高。同時(shí)在中間放置中，從Z2_H4到Z2_H6提高熱電材料的數(shù)量，整體熱電材料組的平均熱端溫度增加，說明尾氣余熱利用并未達(dá)到上限。而在均勻放置中，從Z3_H4到Z3_H6提高熱電模塊的數(shù)量，整體熱電模塊組的平均熱端溫度反而在下降，說明在這種排列方式下尾氣余熱利用效率達(dá)到飽和狀態(tài)，在工業(yè)裝置中熱電模塊的排列可優(yōu)先采取中間放置的原則。

圖8 不同排列方式下熱端溫度變化

3.4 外加不同種類的風(fēng)冷翅片的影響

為提高余熱回收裝置的熱電轉(zhuǎn)化效率，我們同時(shí)還探究了增加肋片散熱器的可行性。肋片的冷卻效果主要是由肋片效率和散熱面積共同決定，合理地設(shè)計(jì)不僅能節(jié)省材料減輕重量，而且能獲得更好的散熱效果。

取導(dǎo)熱油層部分模擬尺寸為160 mm×300 mm×10 mm，熱電模塊層取130 mm×250 mm×3.6 mm。而肋片由底座和肋片兩部分組成，底座取6 mm，面積與熱電模塊層相同，肋片高度和數(shù)量在后續(xù)進(jìn)行對照變量探究。如表3所示，共設(shè)置12組肋片規(guī)格模型。

表3 不同翅片型號

在不影響仿真模擬準(zhǔn)確性的前提下，為減少整體計(jì)算量，將肋片散熱器沿中軸對稱面分割，以一半的結(jié)構(gòu)作為計(jì)算模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分和數(shù)值模擬。如圖9所示為左側(cè)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)1為導(dǎo)熱油層，結(jié)構(gòu)3為熱電模塊，結(jié)構(gòu)2表示翅片散熱器，上方為空氣對流。

圖9 翅片模型

圖10(a)表示的是十二組研究中的翅片高75 mm，肋片間距3 mm，翅片總數(shù)為33個(gè)的散熱器的整體溫度云圖;(b)所示熱電模塊與翅片散熱器相接的冷端面溫度場;(c)表示的是熱電模塊與導(dǎo)熱油層相接的熱端面溫度場。底部為溫度最高的導(dǎo)熱油層，熱量從底部向上傳遞，依次是熱電模塊層、肋片散熱器，空氣從頂部向下冷卻，可以從圖10(a)看到整體溫度場從上往下溫度均勻遞減。

圖10 (a)翅片散熱器的溫度云圖:(b)翅片和熱電模塊的接觸面溫度云圖;(c)熱電模塊和導(dǎo)熱油層的接觸面溫度云圖

圖(10)的(b)和(c)分別是熱電模塊冷端和熱端的溫度云層圖。我們可以從仿真結(jié)果中得到，在該條件下熱電模塊熱端面平均溫度為628 K，而冷端面平均溫度為614 K，冷熱端面平均溫差達(dá)到14 K。對于只有3.6 mm厚度的熱電模塊而言，加上翅片冷卻器后散熱效果顯著。同時(shí)我們可以看到冷熱短面的溫度場分布較均勻，從邊緣到中心僅有4 K左右的溫度梯度，在實(shí)際工作中是可以接受的。

圖11表示的是在不同翅片間距、翅片高度分組的情況下對應(yīng)的熱電模塊冷熱兩端面的溫度及平均溫度。由圖可以看出，同一肋片間距的分組對比下，隨著翅片高度從65 mm增加到95 mm，熱電模塊的冷端平均溫度和熱端平均溫度呈下降趨勢，冷端溫度下降速率是熱端溫度下降速率的兩倍。冷熱端面的平均溫度逐漸提升，意味著熱電模塊的轉(zhuǎn)換效率提高。因?yàn)槌崞叨仍黾釉龃罅松崞鞯膿Q熱面積，強(qiáng)化了與空氣的對流換熱，使熱電模塊冷熱端面的溫差更大。在分組中，我們還同樣探討了翅片散熱器中肋片間距對熱電模塊的影響。在同樣的導(dǎo)熱油層安置面積下，翅片間距越大，數(shù)量越少，分布密度越小。

圖11 當(dāng)翅片高度和翅片間距不同時(shí)，熱電模塊冷端和熱端溫度及溫差的變化

在圖11中，對比間距2.5 mm、間距3 mm和間距3.5 mm的仿真結(jié)果，我們注意到在一定程度減少翅片間距，增加翅片數(shù)量，有利于提高散熱效率。但是當(dāng)翅片間距接近3倍翅片厚度(3 mm)時(shí)，此時(shí)減少翅片間距，并未使熱電模塊冷熱溫度產(chǎn)生較大的變化，散熱效果不佳。這是因?yàn)殡m然這一措施能增加了翅片散熱器的散熱面積，但減少了空氣流動的空間，使冷卻器內(nèi)空氣平均溫度高，反而降低空氣對流散熱的效率。

4 結(jié)論

本文對船舶柴油機(jī)尾氣余熱回裝置進(jìn)行熱分析，從尾氣工況如溫度和速度、裝置結(jié)構(gòu)如導(dǎo)熱層厚度、熱電模塊排列方式、外側(cè)翅片類型對余熱回收效率的影響進(jìn)行探究，得到以下結(jié)論：

(1)相比速度，尾氣溫度對余熱回收裝置的影響更大。尾氣的溫度越高，余熱回收裝置的回收效率更高。給定速度時(shí)，尾氣溫度在550～750 K變化時(shí)，熱電模塊熱端溫度增加了35.52 K，提高比例為17.76%。而給定尾氣溫度時(shí)，尾氣速度在7～9 m/s變化時(shí)，熱電模塊熱端面溫度僅提高了2 K。

(2)使用導(dǎo)熱油作為導(dǎo)熱介質(zhì)層的填充材料，外壁平均溫度隨著導(dǎo)熱油層厚度增加呈非線性下降。導(dǎo)熱油層厚度降低能帶來更大的外側(cè)溫度，但會使外表面溫度分布不均勻且溫度相差較大，不同熱電模塊處于不同的工作溫度。當(dāng)熱電模塊處于較大跨度的工作溫度時(shí)，這對其安全性和可靠性提出了考驗(yàn)，因此需要根據(jù)熱電模塊的材質(zhì)、尾氣排放溫度及導(dǎo)熱介質(zhì)的物性來確定最終導(dǎo)熱介質(zhì)層的最佳設(shè)計(jì)厚度。

(3)將模塊平均布置于表面的方式稱為均勻放置，集中布置在表面高溫區(qū)域的方式稱為中間放置。經(jīng)過仿真探究，發(fā)現(xiàn)中間放置的熱電模塊組比均勻放置的平均溫度高了15 K，溫度場更均勻，有利于熱電轉(zhuǎn)換效率提高。在工作耐受溫度范圍內(nèi)，熱電模塊組的排列可優(yōu)先采取中間放置。

(4)翅片散熱器能強(qiáng)化熱電模塊的冷卻，進(jìn)而提高余熱回收效率。以肋片高度和間距為變量，在翅片高度為65～95 mm、翅片數(shù)量為29～37個(gè)、翅片間距為2.5～3.5 mm的范圍提出了12組模型。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，肋片高度的增加強(qiáng)化了對流換熱效果，能顯著提高熱電模塊冷熱端溫差。適當(dāng)減少肋片間距能提高肋片數(shù)量，提高散熱效率。但是間距過小會減少空氣流動的空間，提高空氣平均溫度，反而會降低散熱效率。因此需要結(jié)合熱電模塊的面積和導(dǎo)熱油層面積，及空氣對流條件尋找最優(yōu)解。在本文的研究背景下，得出肋片間距為肋片厚度三倍為最優(yōu)情況。