中低温余热回收利用温差发电系统研究

发布时间：2018-06-12 13:10

本文选题：温差发电 + 余热回收　；参考：《华东理工大学》2017年博士论文

【摘要】：能源过度消耗产生的能源短缺及环境污染问题使人们更加注重能源转换效率的提升。工业生产是能源消耗的主要途径,随着工业化进程的加快,生产过程中产生的废气和废液成倍增加,其中的余热量相当可观。目前,国内高温余热资源回收利用的技术相对成熟,但是中低温余热由于热源温度低,回收利用相对困难。温差发电技术通过热能与电能的直接转换,可以实现低品位能源的有效利用。近年来热电转换模块的成本下降,加之利用中低温余热资源丰富且成本几近为零、运行成本很低,甚至使得温差发电在某些方面可与现存发电方式进行商业竞争。当前中低温余热回收温差发电技术存在的一个比较明显的问题是热电转换效率较低,提高热电转换效率主要有两个途径,一是获得ZT值高的热电材料,另一个对温差发电系统的结构及工作参数进行优化。本文从上述方面入手,制备了碳纳米管掺杂的碲化铋热电材料,设计了三种中低温余热回收的温差发电系统,利用泡沫金属强化传热的方式实现了换热性能和温差发电性能的提升,对温差发电系统的工作参数、温差发电模块连接方式、流道填充物的种类进行考察和优化,并且进行了板式换热器的CFD模拟和中低温余热回收温差发电的经济性分析。获得的主要研究结果如下:(1)碳纳米管掺杂碲化铋纳米复合材料的研究采用球磨法制备CNT/Bi_(0.5)Sb_(1.5)Te_3复合热电材料,碳纳米管和硬脂酸的添加并不会影响Bi_(0.5)Sb_(1.5)Te_3的成相过程,掺杂碳纳米管以后碲化铋材料的颗粒尺寸减小,高速球磨法使碳纳米管在长度方向上发生断裂,球磨法可以实现碳纳米管在碲化铋基体材料中的分散。380℃下氮气保护热处理可以提高热电材料的热电性能,碳纳米管的掺杂可以提高复合材料的Seebeck系数、电导率和热导率,碳纳米管掺杂的质量分数是影响材料热电性能的重要参数;掺杂碳纳米管的复合热电材料的功率因子和材料ZT值有所提升,最佳的碳纳米管掺杂质量分数为0.35%。(2)壁面温差发电系统针对低温气体余热的回收工况,建立了一种基于泡沫金属填充板式换热器的壁面温差发电系统,该系统以换热性能的优化为主,在高效换热的基础上进一步考察了换热器壁面温差的大小,验证了 in-plane模式的壁面温差发电方式的可行性。在余热温度为163℃时,填充泡沫金属的壁面温差发电系统的换热效率达到83.16%以上,表明该系统具有很高的直接热利用效率。开路电压和最大输出功率随着壁面温差的增加而增加,工作参数对壁面温差影响较大,增加温差发电对的数目可以获得温差发电能力的线性提升。采用Fluent模拟的不同余热温度下换热器壁面温度云图和冷热流体进出口温差,163℃、185℃和200℃热空气入口温度对应的最大开路电压分别为1.61 V、1.8 V和1.95 V。模拟结果显示,填充泡沫金属以后的温差发电系统的换热效率从64.67%提高到86.98%,说明泡沫金属的填充可以显著增加温差发电系统的换热效率,从而提高余热回收的直接热利用效率。(3)层叠式温差发电系统以中低温气体余热回收温差发电性能优化为主要目标,建立了一种层叠式温差发电系统,为了满足中低温余热回收工况的实验模拟,改进了余热模拟装置,提升了热空气的入口温度。考察了不同余热温度、不同冷水流量、流道填充状态及温差发电器件连接方式对系统发电性能的影响。在热空气流量一定的情况下,最高热空气温度达到260.9℃,随着热空气入口温度的上升和冷水流量的增加,不同类型泡沫金属填充的温差发电系统开路电压和最大输出功率随之增大,泡沫金属填充的温差发电系统开路电压大于未填充的温差发电系统。孔密度为5 PPI的泡沫金属填充的温差发电系统具有最高的开路电压、输出功率和发电效率,换热器效能随着泡沫金属孔密度的增大而增加,过度的传热强化作用反而会导致温差发电能力的降低。5 PPI泡沫金属填充的温差发电系统的温差发电效率达到2.05%。泡沫金属填充的层叠式温差发电系统在中低温气体余热回收方面具有很好的应用前景。(4)高温液体余热回收温差发电系统.针对高温液体余热的回收工况,建立了一种泡沫金属填充的温差发电系统,利用高温硅油和冷水换热的实验系统进行热电性能测试,泡沫金属除了可以提高温差发电系统的直接热回收效率还可以提高系统的温差发电效率,填充泡沫金属和未填充泡沫金属的温差发电系统的发电效率分别达到2.20%和2.49%。泡沫金属的填充可以给温差发电系统带来净发电功率提升,在水流量为8 L/h时,泡沫金属填充温差发电系统的净功率增强因子为1.331,说明泡沫金属给为温差发电系统带来了 33.1%额外净发电功率收益。(5)温差发电经济性评价针对中低温余热回收温差发电的经济性进行分析,当温差发电器件ZT值为1时,中低温余热温差发电系统成本回收期分别为7.31年,以15年的设计寿命计算,当ZT值分别为1、2、3、4时,温差发电成本分别为0.365元/千瓦时、0.231元/千瓦时、0.185元/千瓦时和0.160元/千瓦时。中低温余热回收温差发电是一种清洁的能源转换方式,可以有效提高能源利用效率,工作寿命长,投资回报可观,具有非常广阔的应用前景。
[Abstract]:The energy shortage and environmental pollution caused by excessive energy consumption have made people pay more attention to the improvement of energy conversion efficiency . The industrial production is the main route of energy consumption . The results show that the heat exchange efficiency of the thermoelectric power generation system is increased from 64.67 % to 86.98 % . The results show that the heat exchange efficiency of the thermoelectric power generation system is increased from 64.67 % to 86.98 % . ( 4 ) High temperature liquid waste heat recovery temperature difference power generation system . A temperature difference power generation system filled with foam metal is established for the recovery working condition of high temperature liquid waste heat .
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM913

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