高温温差发电装置集热器结构数值仿真研究

设计了一种针对高温烟气的圆筒式温差发电装置,在装置中设置分流桶增强烟气侧的换热效果。利用Ansys Fluent软件对装置的温度场、速度场及排气压降进行仿真模拟,分析了不同分流桶的桶直径、端盖孔直径和分流孔直径对热电模块冷热端温度分布的影响。仿真结果表明：温差发电系统集热器通道中设置分流桶可以实现高效温差发电,分流桶端盖未开孔时装置的换热效果优于端盖开孔结构;适当减小分流孔直径或增大分流桶直径会提升热电模块的冷热端温差,分流孔直径为2 mm时的换热效果最优,分流桶直径过大会使热电模块温度分布及温差的均匀性降低;系统烟气压降会随着分流孔直径的增大或分流桶直径的减小而降低。     

小型温差能发电装置发电特性分析与试验

针对自主升降海洋观测平台的电能供给问题,设计一种小型化温差能发电装置,建立热能转换和蓄能发电仿真模型;针对南海海域温度分布情况,对装置的温差热能转换性能和发电性能进行仿真分析。在此基础上,制作小型温差能发电装置,并在北黄海冷水团进行温差换热和发电性能验证试验。试验结果表明:温差发电装置达到设计要求,热能转换系统能在高温环境(温度高于24.5℃)、低温环境(温度低于13.6℃)的条件下完成热能转换,一次热能转换中换热系统能输出约360 mL的液压油,发电机最大输出功率达298 W,发电量约为939.9 J。     

带扰流片的矩形直通道内的流动与换热

建立了矩形直通道内三维可压缩流动与换热模型 ,对来流雷诺数Re在 1× 10 5～ 3× 10 5范围内 ,带顺排和错排扰流片的通道内部对流换热过程进行了模拟计算。计算结果表明 ,矩形扰流片具有明显的强化冷却效果 ,扰流片表面的对流换热系数明显高于光滑表面的值 ,有扰流片区域的壁面温度明显降低 ;错排扰流片与顺排扰流片相比 ,对流换热系数增大 4 %左右。计算结果归纳了传热和流动压降关系式。     

一种新型汽车尾气多通道热能发电系统

根据温差发电原理,设计了一种新型网格状通气管式的温差发电装置,实现对汽车尾气热能的再利用。通过优化温差发电装置的结构,改变了水箱结构,增加了废热通道数量,能够贴更多的温差发电片,从而提高转换效率。通过UG(计算机辅助设计软件)建立汽车尾气温差发电装置的理论模型,经过计算,当温差等于100℃时该装置的转换效率约等于5.67%。与其他温差发电装置进行比较,热油式温差发电器在260℃温差下最大热能转换效率可达4.389%,而汽车尾气温差发电器输出功率随着烟气温度的升高近似成线性递增,热能转换效率较低[1],通过比较得出,本装置不仅提高了转换效率,且达到相同转换效率时所对应的温差值也相应减少。     

汽车尾气热源半导体温差发电系统构想

发电模块在温差仅为几十摄氏度的低温余热条件下也可发电,非常适合于汽车尾气为热源的变工况条件的系统发电。研究半导体温差发电模块用于以汽车尾气为热源的发电系统输出电压、电流随热源温度变化的趋势。发电系统采用4块发电模块串联的方式,热源温度的变化范围为75~38℃,冷源恒定且为5℃。测试结果表明:随热源温度变化,系统输出的电压、电流随热源温度呈线性变化;冷热源温差为70℃时,系统输出电压为5.2V,电流为0.22A。     

接触热阻对半导体温差发电系统性能影响的实验研究

忽略半导体温差发电模块内部的接触热阻,基于自建的接触热阻对半导体温差发电系统性能影响的实验装置,以接触压力、间隙介质、接触表面温度作为自变量,以输出电压、输出功率作为因变量,研究接触热阻对半导体温差发电系统性能的影响规律。     

半导体温差发电技术在铝电解槽中的应用研究

介绍了铝电解槽的结构与散热特点,通过计算侧部散热量及测试槽壁热流密度与温度,对温差发电技术在铝电解过程中的应用可行性进行研究。根据电解槽结构特点和温差发电的要求,设计加工温差发电装置,并在电解槽上进行现场实验,对发电装置的输出功率、热电转换效率进行测试计算。数据表明,温差发电在铝电解中应用是可行的,为铝电解过程的节能探索一条新途径。     

带交错叉排肋的矩形通道流场和壁面换热特性的数值模拟

为了获得高的换热系数和流动损失小的涡轮叶片内冷通道,提出了在上下壁面交错叉排布置肋的通道结构,利用数值计算的方法研究了通道各个壁面的换热特性、流动特性和流体的温度分布规律。入口雷诺数变化范围为30000~120000。采用结构化网格进行网格划分,利用realizablek-ε湍流模型和增强壁面函数封闭方程。计算结果表明,所提出的通道结构不仅在带肋的上下壁面具有较高的换热系数,大约为2.2~2.4,光滑的左右壁面的换热也增强了1.4~1.6倍,通道内的温度分布呈现出同心圆的分布,在靠近壁面的位置,二次流动较强。     

小型温差发电器性能影响因素研究

通过实验的方式测量了热空气流量、温度和冷却风速对半导体温差发电器性能的影响。研究结果表明:随着热空气流量的增加,热端换热效果增强,使得集热器温度升高,进而冷热源温差增大,热电模块的开路电压增加。随着热空气温度的升高,集热器的温度同时也在升高,此时冷热源温差增大,热电模块的开路电压增加。随着冷却风风速的增加,冷端换热器的换热效果增强同时也影响热端集热器的温度。     

计及电热耦合的多级温差发电建模和试验研究

为准确描述多级温差发电器实际工作时各级节点温度分布与通过热功率及其热电输出特性之间的关系,文章建立了计及电热耦合的多级温差发电数值分析模型。运用贪心算法(Greedy Algorithm)编程求解,以常见的Bi2Te3,PbTe和SiGe 3种半导体材料的发电片为例,通过试验验证了模型的正确性,并进一步研究了电热耦合效应对多级温差发电器的Seebeck电压、发电功率和热电转换效率的影响。模型的数值求解和实测结果对比表明:由于电热耦合效应的存在,多级温差发电器在实际工作时各级节点的温度上升,但冷、热端的温差值减小;电热耦合效应会使Seebeck电压、发电功率和热电转换效率明显降低,下降幅度随多级温差发电器热端温度的升高而增大,随发电器级数的增加而减小。     

基于Fluent的冷却器腔内流场的数值分析

通过对温差发电系统冷却器的物理模型进行了合理的简化处理后,应用Fluent通用软件,采用SIMPLE算法及标准k-ε湍流模型,对温差发电系统的冷却器内部的流场进行了三维数值分析。比较三种不同结构的冷却器在不同流速下的换热效果,定量结果表明加翅片冷却器在换热方面远优于未加翅片冷却器,在节能应用中有较大潜力。     

带扰流片的矩形通道的实验研究

以高温透平叶片冷却为应用背景，对带有顺排、错排扰流片的矩形通道进行了实验研究。实验结果表明：在相同的雷诺数下，错排扰流片比顺排扰流片具有更好的强化换热效果，即便保持相同的流动阻力，错排扰流片的冷却效果仍强于顺排扰流片。     

节流型微通道换热特性研究

为研究节流型微通道换热特性,设计并加工制作了突缩突扩结构的微通道实验件。采用控制变量法控制改变加热电压、质量流量、入口温度,通过实验数据对比分析研究了影响节流型微通道对流换热的规律。研究结果表明:随着质量流量的增加,微通道蒸发器的对流传热系数不断减小;随着雷诺数的增大努谢尔数不断增大,对流换热效果比较明显。     

海洋温差发电系统热力学及热经济性分析

以热力学基本原理为基础,建立了海洋温差发电系统仿真模型,对比分析了亚临界状态下R717、R134a和R600三种工质系统在约束蒸发器窄点温差条件下优化目标函数随蒸发温度的变化规律。结果表明:蒸发温度越高,不同系统换热器的热负荷以及冷、热海水泵功率越小,最佳蒸发压力和工质泵功率越大;不同系统的热效率和单位换热面积输出电量与蒸发温度的相关性较大,随蒸发温度的增加近似线性递增。蒸发器的换热面积与循环工质种类的相关性较小,但冷凝器的换热面积与循环工质种类的相关性较大。R717循环更接近于卡诺循环,R717的系统热效率最大,热负荷及泵功率最小,且其热经济性目标函数值在合适的范围内,是海洋温差发电系统较为理想的循环工质。研究结果可为海洋温差发电系统的设计、试验及设备选型提供理论参考。     

汽车发动机尾气余热温差发电装置结构研究

半导体温差发电技术在低品位余热回收技术领域具有重要的应用价值。汽车尾气温度高,带走的热量约占发动机总量的40%,温差发电技术能直接将废热能量转化为电能回收利用。介绍温差发电装置的设计原理,结构参数对性能影响以及装置输出性能参数,并结合试验对温差发电装置的传热性能和电功率输出性能进行分析以及提出有效的改进方案。     

燃气轮机透平叶片传热和冷却研究：内部冷却

随着燃气轮机透平进口温度的不断提高,其换热与冷却问题已然成为现代高性能燃气轮机研发中亟待解决的核心关键技术之一.透平叶片的冷却可以分为内部冷却和外部冷却,结合作者近年的研究工作,详细综述了燃气轮机透平叶片内部换热与冷却问题的研究现状与进展,着重介绍了叶片内部蛇形通道冷却、叶片内部冲击冷却和前缘的旋流冷却及尾缘柱肋冷却,指出了它们各自在相关方面需要进一步开展的工作.其中：在蛇形通道冷却方面,需要进一步研究旋转状态下蛇形通道内流动与换热特性、发展高性能的扰流装置及通道弯头结构、设计新颖高效的叶顶内部冷却结构、获得带气膜孔或冲击孔的蛇形通道内的换热与冷却特性;在叶片前缘内部冲击冷却方面,需要研究不同曲率面上的冲击冷却换热特性、旋转条件下的冲击冷却以及冲击气膜复合冷却特性;在旋流冷却方面,需要对其结构参数的影响开展进一步的广泛研究,并开展旋转状态下旋流冷却特性的研究;在尾缘柱肋冷却方面,需要进一步研究复杂流场下柱肋阵列通道中的流动换热与众敏感因子之间的关系.     

单元式露点蒸发冷却装置的实验研究

本研究设计了一台由干、湿通道相结合的单元式露点蒸发冷却装置,通过实验研究了蒸发冷却装置在空气经过一级冷却的模式1和经过二级冷却的模式2两种运行模式下,不同空气入口参数时的换热效果。实验结果表明,空气的入口温度越高,换热效果越好;低湿度时空气的进出口温差比高湿度时大,但其湿球效率和露点效率反而较低,这说明2种效率并不适用于不同湿度间的冷却效果对比;模式2运行时的换热效果比模式1好。与已有研究成果对比表明,该单元式露点蒸发冷却装置的湿球效率和露点效率分别可以达到120%和88%,为露点蒸发冷却装置的优化设计提供理论依据和优化方向。     

海洋温差能开发利用高效热交换技术

海洋温差能储量巨大,全球总量约400亿kW,我国温差能资源十分丰富,达3.67亿kW。海洋温差能清洁可再生、发电波动小、能量密度高,积极开发海洋温差能资源对实现科技兴海战略具有重要意义。高效热交换技术是海洋温差发电的核心技术。由于海洋温差发电过程中海水和工质流量大、换热器介质进出口温差小,开展高效热交换技术适应性分析十分必要。从高效热交换技术出发,对其换热形式进行综述,阐述并分析其在海洋温差能开发利用中的适应性,并对其发展方向进行展望,为海洋温差能发电工程示范和应用提出指导性建议。     

基于CCM交错并联Boost温差发电技术的研究

温差发电是利用温差半导体材料的赛贝克效应产生电能的一种新型发电方式,Boost变换电路是其工作的核心部分。文章分析了在电感电流连续模式(CCM)下两相交错并联Boost电路的拓扑结构及其各工作状态模型,得出了交错并联Boost电路抑制纹波的理论依据。在理论分析的基础上,进一步提出了将其应用于温差发电过程中电压的控制和最大功率跟踪,并进行了相关实验分析。理论和实验证明,该电路具有电压控制精度高、纹波系数小等优点,并最终通过最大功率跟踪技术大幅提升了温差发电的效率。     

电站锅炉受热面复合温差发电技术经济性研究

为进一步提高火电厂的发电效率,提出利用半导体温差发电技术将温差发电模块与电站锅炉受热面相结合的方法,并建立了锅炉受热面换热量和换热面积计算模型、锅炉受热面复合温差发电计算模型、温差发电输出功率计算模型以及经济性分析模型。结果表明:该方法的计算模型合理,复合温差发电技术作为一种新型节能技术,能够使火电厂总的发电效率提高约2.9%,具有较大的经济效益和项目投资可行性。