多级式热管强化换热的船舶废气余热温差发电装置及发电方法与流程

本发明涉及船舶节能与环境保护技术领域，具体地说是一种新型船舶主机废气余热回收发电的方法和装置。

背景技术：

目前，科学技术的飞速发展加快了全球经济一体化的进程，世界各国之间的交流互通日益频繁，对外贸易量迅速增加，船舶成了世界经济发展的主要交通运输工具之一，对推动国家发展和经济的繁荣起到了极其重要的作用。

大量研究表明，船舶柴油机产生的余热形式相对较多，主要包括船舶柴油机排烟、缸套冷却水、空冷器等余热，船舶柴油机产生的热能中大约有50％得到了有效利用，其余大部分热量以废气的形式排放到了空气中。以远洋船舶为例，其配备的柴油机的功率一般在几千马力以上，排出的烟气温度最高达400℃，包含了大量的热能，如果对这部分流失的余热能量加以利用，可较少燃料的消耗，降低能耗，提高能效，提高船舶运输经济性，同时减少船舶的碳排放，在缓解能源危机及改善环境问题方面均起到重要作用。

温差发电作为一种绿色能源技术，能够将热能转换为电能，目前，温差发电技术的应用性研究大多集中在汽车尾气余热利用领域，且温差发电技术在汽车余热回收领域取得了较好的效果。

目前，以船舶柴油机余热为热源的温差发电研究还处于起步阶段。船舶柴油机的输出功率远远高于汽车发动机，且运行工况更加稳定，余热量也远远多于汽车，而且，船舶余热的特点也不同于汽车，如果把船舶柴油机余热作为热源进行温差发电，将获得巨大收益。

当前温差发电的输出功率比较低，其中很大一部分原因在于发电装置冷热端的热阻系数过大导致换热不充分。

因此，提高换热效率也成了提高船舶余热温差发电输出功率的关键所在。

技术实现要素：

根据上述提出的技术问题，而提供一种多级式热管强化换热的船舶废气余热温差发电装置及发电方法，用于解决现有的温差发电的输出功率比较低、装置对烟气余热的利用率低、利用量小、且发电装置冷热端的热阻系数过大导致换热不充分的缺点。本发明采用的技术手段如下：

一种多级式热管强化换热的船舶废气余热温差发电装置，包括：装置体结构、后侧铜板、前侧铜板、顶端铜板、温差发电片、热端热管、冷端热管、冷端铜板和冷却铜板；所述的装置体结构前端具有烟气进口，末端具有烟气出口；所述装置体结构的顶部安装有顶端铜板，前后两侧分别安装有前侧铜板和后侧铜板。

所述的顶端铜板、前侧铜板和后侧铜板为相同的热端铜板，所述的热端铜板包括铜板a和铜板b；所述铜板a的上表面加工有规则排列的铜板凹槽，所述的铜板凹槽内交错排列有热端热管；所述的热端热管包括伸入装置体结构内部的蒸发端和嵌在铜板凹槽内的冷凝端；所述的铜板b下表面加工有同所述铜板a的铜板凹槽相对应的凹槽，所述铜板b下表面同铜板a的上表面连接固定。

所述铜板b的上表面设置有规则排列的温差发电片，所述温差发电片的温差发电片热端紧贴在所述铜板b的上表面，所述温差发电片的温差发电片冷端设置有冷端铜板。

所述铜板b和冷端铜板a之间通过螺栓及多层垫片(弹簧垫片、隔热垫片等)连接。为了保证输出性能最优，针对不同种类的温差发电片，通过不同的螺栓扭矩实现特定的紧固压力。

所述的冷端铜板包括紧贴于温差发电片冷端的铜板a和铜板b；所述铜板a和铜板b之间加工有用于固定冷端热管的凹槽，使冷端热管能够嵌入所述凹槽内固定；所述的冷端热管包括嵌入冷端铜板内的蒸发端和伸出冷端铜板的冷凝端，所述的冷凝端通过冷却铜板a和冷却铜板b夹紧固定。

作为优选所述冷却铜板a和冷却铜板b中，在铜板凹槽的上方，开有蛇形冷却水流道，所述冷却铜板的两端分别具有冷却水进口和冷却水出口。

作为优选所述热端热管为中温热管，其相容壳体材料为碳钢，其工作介质为萘，所述冷端热管为常温热管，其相容壳体材料为不锈钢，工作介质为丙酮。

作为优选所述铜板b和所述铜板a之间通过螺栓连接固定。

作为优选所述铜板凹槽与所述热端热管冷凝端的缝隙间涂有高性能导热硅脂。

作为优选所述铜板b的上设置的温差发电片均串联连接，组成温差发电单元，每一个面的温差发电单元并联，构成一个整体热电转换装置。

作为优选所述铜板b和冷端铜板a之间通过螺栓及多层垫片(弹簧垫片、隔热垫片等)连接。为了保证输出性能最优，针对不同种类的温差发电片，通过不同的螺栓扭矩实现特定的紧固压力。

作为优选所述后侧铜板和前侧铜板上设置的热端热管同水平方向呈α角度设置，30°≤α≤150°。

所述后侧铜板和前侧铜板上设置的冷端热管同水平方向呈β角度设置，30°≤β≤150°。

一种上述多级式热管强化换热的船舶废气余热温差发电装置的发电方法。

与现有技术相比较，本发明所述的多级式热管强化换热的船舶废气余热温差发电装置及发电方法，具有以下优点：

1、船舶废气余热温差发电技术提供了一种利用船舶排放的废气余热进行发电的途径。

2、温差发电片热端基于热管强化换热，装置热效率提高，单位长度下回收的余热量大幅提升，且以单位长度装置的输出功率为参考的整体性能大大提升。

3、温差发电片冷端基于热管强化换热，装置单位长度下，温差发电片冷端被冷却水带走的热量增加，使冷端获得更好的冷却效果，以单位长度装置的输出功率为参考的整体性能大大提升。

4、本发明能够直接将热能转化为电能、无运动部件、不会造成环境污染和噪声污染。

5、船舶废气余热温差发电装置工作时产生的电能在并入带有储能及功率调节单元的船舶微电网后，能够持续为船上设备供电，实现船舶能效提升。

6、本发明造价低廉、易于实现，便于管理和维护。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明装置主体图。

图2是本发明温差发电片布置图。

图3是本发明顶端热管排列图。

图4是本发明铜板结构图。

图5是本发明冷却水流道示意图。

图6是本发明热端铜板布置图。

图7是本发明冷端热管布置图。

图8是本发明装置总体布置图。

图9是本发明温差发电的原理图。

图10是本发明热管的工作原理图。

图11是本发明传统温差发电实验装置实验数据图表。

图12和图13是热端热管强化换热温差发电装置与传统温差发电装置输出性能与热端温度的关系曲线图。

图14和图15是冷端热管强化换热温差发电装置与冷端水冷板冷却温差发电装置输出性能随冷热端温差变化曲线图。

图16是本发明冷端使用热管强化传热的温差发电实验装置性能实验数据图表。

其中：11、热端热管，12、烟气进口，13、装置体结构，14、铜板a，15、烟气出口，

21、温差发电片，22、铜板b，23、温差发电片冷端，24、温差发电片热端，

41、铜板凹槽，

51、冷却水进口，52、冷却水流道，53、冷却水出口，

61、后侧铜板，62、前侧铜板，63、顶端铜板，

71、冷却铜板a，72、冷却铜板b，73、冷端热管。

具体实施方式

如图1到图8所示，一种多级式热管强化换热的船舶废气余热温差发电装置，包括：装置体结构13、后侧铜板61、前侧铜板62、顶端铜板63、温差发电片21、热端热管11、冷端热管73、冷端铜板和冷却铜板；为实现传热效率最优，减少热损失，综合多方面考虑选用铜作为装置整体材料。

所述的装置体结构13前端具有烟气进口12，末端具有烟气出口15；所述装置体结构13的顶部安装有顶端铜板63，前后两侧分别安装有前侧铜板62和后侧铜板61；所述的顶端铜板63、前侧铜板62和后侧铜板61为相同的热端铜板，所述的热端铜板包括铜板a14和铜板b22；所述铜板a14的上表面加工有规则排列的铜板凹槽41，所述的铜板凹槽41内交错排列有热端热管11。

所述的热端热管11包括伸入装置体结构13内部的蒸发端和嵌在铜板凹槽41内的冷凝端；所述的铜板b22下表面加工有同所述铜板a14的铜板凹槽41相对应的凹槽，所述铜板b22下表面同铜板a14的上表面连接固定；所述铜板b22和所述铜板a14之间通过螺栓连接固定。

所述铜板b22的上表面设置有规则排列的温差发电片21，所述温差发电片21的温差发电片热端24(高温端)紧贴在所述铜板b22的上表面，所述温差发电片21的温差发电片冷端23设置有冷端铜板；所述铜板b22和冷端铜板a之间通过螺栓及多层垫片(弹簧垫片、隔热垫片等)连接。为了保证输出性能最优，针对不同种类的温差发电片，通过不同的螺栓扭矩实现特定的紧固压力。所述的冷端铜板包括紧贴于温差发电片冷端的铜板a和铜板b；所述铜板a和铜板b之间加工有用于固定冷端热管73的凹槽，使冷端热管73能够嵌入所述凹槽内固定；所述的冷端热管73包括嵌入冷端铜板内的蒸发端和伸出冷端铜板的冷凝端，所述的冷凝端通过冷却铜板a71和冷却铜板b73夹紧固定。

此处布置的冷却铜板a71和冷却铜板b72，同铜板a14和铜板b22与热端热管11处所布置的铜板在结构上相同。冷却铜板a71和冷却铜板b72之间通过螺栓固定。

所述冷却铜板a71和冷却铜板b72中，在铜板凹槽41的上方，开有蛇形冷却水流道，所述冷却铜板的两端分别具有冷却水进口和冷却水出口。

所述热端热管11为中温热管，其相容壳体材料为碳钢，其工作介质为萘，所述冷端热管73为常温热管，其相容壳体材料为不锈钢，工作介质为丙酮。

所述铜板凹槽41与所述热端热管11冷凝端的缝隙间涂有高性能导热硅脂，用以减少接触热阻。

温差发电片热端24与各铜板表面间均涂有高性能耐高温导热硅脂以减少接触热阻，从而减少热量由铜板表面传递至温差发电片热端24的过程中造成的损失。

所述铜板b22的上设置的温差发电片21均串联连接，组成温差发电单元，每一个面的温差发电单元并联，构成一个整体热电转换装置。所述后侧铜板61和前侧铜板62上设置的热端热管11同水平方向呈α角度设置，30°≤α≤150°。所述后侧铜板61和前侧铜板62上设置的冷端热管73同水平方向呈β角度设置，30°≤β≤150°。

一种上述多级式热管强化换热的船舶废气余热温差发电装置的发电方法。

当船舶烟气流过装置体结构13时，高温的烟气与伸入装置体结构13内部的热端热管11的蒸发端接触。热端热管11的排列方式为交错排列，如图3所示。顶端铜板63的结构如图4所示。此时，热端热管11对高温烟气的流动产生扰动作用，使其与热端热管11的蒸发端的对流换热增强。

大量的烟气热量被热端热管11中的工质吸收，同时，热端热管11中的工质吸热汽化，携带大量潜热流至热端热管11的冷凝端。

工质携带的热量在热端热管11的冷凝端释放潜热并凝结成液态，液态工质靠重力作用重新流回蒸发端。

释放出的潜热通过热传导传递至顶端铜板63、前侧铜板61和后侧铜板62的铜板b22端；装置体结构13所安装的温差发电片21分别布置在三面的顶端铜板63、前侧铜板61和后侧铜板62的铜板b22端面上。

每一片温差发电片21都与其周围的温差发电片21相隔一定距离，其布置方式，如图2所示。

热量由固定在装置体结构13三个面的铜板b22传递至温差发电片热端24，使温差发电片热端24维持在一个较高的温度。

而温差发电片21的低温端，即温差发电片冷端23，依旧通过热管进行强化换热。

温差发电片冷端23的热量传递至冷端热管73的蒸发端，冷端热管73内部的工质吸热汽化，携带潜热流动到冷凝端，工质在冷凝端释放潜热冷凝后，依靠重力作用流回蒸发端。

冷端热管73的冷凝端由开有铜板凹槽41的冷却铜板a71和冷却铜板b72夹住，冷却铜板a和冷却铜板b间通过螺栓固定。在冷却铜板a71和冷却铜板b72中，在铜板凹槽41的上方，开有蛇形冷却水流道52，其结构如图5所示，在冷却铜板的两端各有一个冷却水进口51和一个冷却水出口52。

冷端热管73冷凝端释放出的潜热通过热传导传递至冷却铜板a71和冷却铜板b72。流动的冷却水与冷却铜板进行对流换热，将冷端热管73传递至冷却铜板的这部分热量带走，从而达到了对温差发电片冷21冷端进行冷却的目的。此时，温差发电片21的冷、热端形成较大温差，用以实现余热发电。

本发明所述的多级式热管强化换热的船舶废气余热温差发电装置及发电方法，能够对船舶废气低品位余热进行回收，并利用温差发电技术进行余热发电，并接入船舶微电网为船上用电设备供电，减少船舶发电柴油机的燃料消耗，实现船舶的能效提升。

本发明针对现有装置换热效率不高的问题，在温差发电片冷端23和温差发电片热端24分别设计安装不同的热管强化换热装置，提高温差发电余热回收装置的热效率，同时提高装置输出功率。

本装置适用于船舶烟气余热的回收利用，烟气温度范围约为250℃～380℃，选用温差热电材料为中低温温差热电材料，选用的热端热管为中温热管，其相容壳体材料为碳钢，其工作介质为萘，其工作温度为30℃～250℃，选用的冷端热管为常温热管，其相容壳体材料为不锈钢，工作介质为丙酮，其工作温度为0℃～120℃。

装置在温差发电片热端24使用热管强化传热，使单位长度上回收的余热量大大增加，提高余热的热转换效率，由于重力热管的冷凝端在空间位置上需高于蒸发端，且考虑到减小水平方向上的空间占用，装置设计为上、左、右三面布置热管。

烟气流经烟气管路内交错排列的热端热管蒸发端后，扰动作用增强，对流换热效果更好，增加了烟气余热的换热量；装置在温差发电片冷端23使用热管强化换热，最大化热管冷凝端与冷却水之间的热量交换，使温差发电片冷端23的冷却达到最佳效果。

优选的，装置体结构13前、后两侧的热端热管分别与水平方向呈30°和150°布置，这种布置方法保证热管的冷凝段在位置上高于蒸发段，同时减小了水平方向的空间占用。

船舶烟气余热温度在250℃到380℃之间，根据此余热温度范围选取了几种适合该温度区间的温差热电材料，最后，综合多方面考虑，确定了适合该装置的采用中低温热电材料的温差发电片。

本装置的装置体结构13采用四面体结构，此结构加工工艺简单，便于安装及维护；装置体结构13外壁分别固定有顶端铜板63、后侧铜板61和前侧铜板62；前侧铜板62和后侧铜板61在位置上并不是正对齐，其在竖直高度上位置一致，其在水平方向的位置错开一定距离以方便内部热端热管的布置。

装置中的热端铜板和冷端铜板均由两个半块铜板a、铜板b组合而成，以顶端铜板63为例，铜板a14和铜板b22中均开有铜板凹槽41，铜板a14和铜板b22上开的凹槽均是相互错开的，用于放置热管。

铜板凹槽41与热管之间均涂有高性能耐高温导热硅脂，使接触面之间间隙尽量减小，减小接触热阻，避免空气传热造成热量的损失，高性能耐高温导热硅脂具有高导热性，增强了热量的传递。

热管的排列方式为交错排列，分别嵌入热端铜板的铜板凹槽41中，最终热管的蒸发端排成左右两列，每一列热管在位置上前后对齐。

在热管的总体布置上，嵌入前侧铜板62中的热管在水平方向上处于最前面，其次是顶端热端热管11，最后为嵌入后侧铜板61中的热管，其中顶端热端热管11的左面一列热管处于前侧热管左右两列形成的u型空隙中，顶端热管11的右面一列热管处于后侧热管左右两列形成的u型空间中。

冷端热管的冷凝端由两块冷却铜板夹住，分别为冷却铜板a71和冷却铜板b72，两块冷却铜板夹住热管的一侧也开有铜板凹槽41，在铜板凹槽41上面，冷却铜板的内部，开有冷却水流道52，冷却铜板71的两端开有冷却水进口51和冷却水出口53。

两侧的冷端热管在布置上分别与水平方向呈30°和150°，既能保证冷端热管的冷凝端高于蒸发端又减小水平方向上的空间占用。

冷却铜板71内部开有冷却水流道52，冷却水流道52为蛇形流道；冷却水流向与烟气流向相反，即冷却水进口在烟气出口端，冷却水出口在烟气进口端。

本发明所述的多级式热管强化换热的船舶废气余热温差发电装置及发电方法，是一种利用温差发电技术进行余热回收发电的装置。温差发电是一种基于塞贝克效应的绿色发电技术，其实现条件就是要在温差发电片的热端和冷端形成一定温差。

本发明以温差发电技术为核心，在前期设计的船舶余热回收温差发电装置的基础上，冷热端采用热管优化换热，加大了装置单位长度上对余热的利用量，使温差发电片热端24温度提高，温差发电片冷端23温度降低，温差发电片冷热端温差加大，进而实现了装置热电转换效率的提升，

温差发电的基本原理：

当热电材料两端的温度不同时会在材料两端产生温差电动势，这种依靠热电材料的特性把热能转化成为电能的现象称为温差发电。温差发电主要基于塞贝克效应。

塞贝克效应，又称作第一热电效应，它是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间电压差的热电现象。

在由p型与n型两种不同材料半导体构成的回路当中，如果导体材料的两端接触点位置因存在不同的温度值th与tc(th>tc)而形成温度差，那么p型半导体中的空穴和n型半导体中的电子会向低温端扩散积累使回路将产生电动势，这一电动势被称为塞贝克电动势或温差电动势。塞贝克效应为温差发电提供了理论基础，如图9所示。

当两个接触点间的温度差在一定范围时，温差电动势与δt存在一定的线性关系，如公式：

δu＝αpnδt

式中，δu为温差电动势，单位为v；

δt为高、低温端温度差，单位为℃；

αpn为两种不同温差发电材料导体之间的相对塞贝克系数，单位为v/℃。

由公式可知，温差电动势的大小主要取决于温差发电片中的半导体材料以及温差发电片的冷热端温差。

热管的工作原理：

热管是一种借助工质循环发生汽化-液化来不断进行热量传递的元件。因其具有较高的传热能力，一般被制成换热器来回收废热。

重力热管工作原理如图所示，加热重力热管的蒸发段，热管内部的工质液体受热蒸发成气态，携带大量蒸发潜热的工质蒸汽流向热管的冷凝段，放出潜热并凝结成液体，在自身重力的作用下，沿热管内壁面形成液膜回流到蒸发段，这就在完成了一个闭合循环的过程中将大量的热量从热管的蒸发段传递到冷凝段，如图10所示。

重力热管的传热过程分为冷凝段传热与蒸发段传热，其中蒸发段传热分为液膜传热过程及液池传热过程。在冷凝段传热中进行的是饱和蒸汽的层流膜状凝结传热；在蒸发段的液池传热过程中，当低热流密度时，形成的是流体的自然对流传热，中等热流密度时，除了有对流传热外，还有形成的气泡脱离壁面后将近壁面热流传递到中心区域，这种扰动提高了蒸发段的换热，即为混合对流换热，较高热流密度时，部分气泡出现破裂现象，进一步提高换热系数，进行的是核态沸腾；而在蒸发段的液膜传热过程中，也根据热流密度的大小分为：层流膜状蒸发传热、核态沸腾传热以及混合对流传热，即前两种传热之间的过渡阶段。

重力热管中填充的工质工作温度区间很大，不同工质在不同的温度区间内效率均不同，因此，选择与工作温度区间相匹配的工质是实现热管换热效率最大化的关键。

实验数据及比对：

1、无热管温差发电装置

实验条件：冷却水进口温度为12℃，流量为9.6×10-2m³/h，烟气的流量为135m³/h，实验装置的冷却水流向与烟气流向相对，温差发电片串联，负载电路阻值为72ω，通过调节不同的烟气温度进行实验。

如图12所示，实验数据图表中的实验数据看出，没有采用热管强化换热的船舶余热回收温差发电装置，在工况3条件下输出功率最大，约为53.25w，此时温差发电片冷热端温差约为181.9℃。

2、热端热管强化换热温差发电装置与传统温差发电装置对比实验

实验条件：烟气温度为325℃，烟气流量为135m³/h，冷却水进口温度为12℃，流量为9.6×10-2m³/h，烟气的流量为135m³/h，实验装置的冷却水流向与烟气流向相对，温差发电片串联，负载电路阻值为72ω，通过调节不同的烟气温度进行实验。

如图12和图13所示，为在冷、热源条件相同时，两种实验装置输出性能与热端温度的关系曲线。从图中看出，无热管温差发电实验装置热端传热效果较差，在相同冷、热源温度情况下，传统温差发电装置热端温度为104.8±1℃，冷端温度为44.8±1℃，冷热端温差较小，输出电压为22.3±0.2v，其输出功率为8.2±0.1w，而使用热管强化传热的烟气余热温差发电实验装置的输出功率是前者的6.5倍。

3、冷端热管强化换热温差发电装置与冷端水冷板冷却温差发电装置对比实验

实验条件：烟气温度为325℃，烟气流量为135m³/h，冷却水进口温度为12℃，流量为9.6×10-2m³/h，烟气的流量为135m³/h，实验装置的冷却水流向与烟气流向相对，温差发电片串联，负载电路阻值为72ω，通过调节不同的烟气温度进行实验。

如图14和图15所示，为烟气温度325℃时，冷端使用热管强化传热装置和冷端使用水冷板装置的两种温差发电实验装置输出性能随冷热端温差变化曲线。从图中看出，两种实验装置的输出电压与输出功率随温差的变化趋势相同，但在相同烟气温度下，冷端使用热管的实验装置输出电压与输出功率更大。在相同实验条件下，冷端采用热管强化换热装置的实验装置输出电压比使用水冷板装置的实验装置提高了11.9％，输出功率提高了19％。

如图16所示，实验数据图表中的实验数据看出，装置在无热管强化换热时，当热源温度为325℃，烟气与冷却水流量分别为135m³/h和0.096m³/h时，其最大输出功率约为53.25w；而当装置安装热管强化换热装置后，在相同的热源温度及烟气、冷却水流量条件下，其最大输出功率约为64.64w。相同条件下输出功率提高约21.4％。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。