高功率电子装备的热能回收与综合利用技术探讨

陆冬平

(中国电子科学研究院，北京 100041)

0 引 言

图1 多种平台装载的大型高功率电子装备

目前，部署于地面基地、车载、船/舰载和机载大型高功率电子装备(如图1所示)普遍具有功率高、用电量大、热载荷与热密度高等特征，对地面电力供应能力、车辆和船舶类的内燃机、飞机的发动机发电功率要求高，同时，对电子装备的制冷或环境控制系统的热交换能力要求高[1]。

为了满足探测、对抗、通信等作战任务需求，地面基地一部大型高密度组装的有源相控阵雷达装备及配套的冷却循环系统的耗电量达到1000 kW以上，同时，整个雷达基地需要冷却循环系统向外界传输至少800 kW以上的总热耗。随着雷达系统工作时间的累积，整个环控系统的电力能耗随之增加，使得地面基地的运行成本和维护费用非常高，并且大量的热量排在附近的空气中，容易污染环境。车辆和船载大型高功率雷达的长时间运行对由内燃机或柴油机驱动的发电系统输出电能力要求达到500 kW，对承载远征平台的燃料消耗颇大，不利于长距离远程作战。

在载机资源有限的前提下，空中预警平台由于集成大量高热流密度的先进多样化电子装备，其正常工作和电子系统产生高达200 kW以上的热载荷对载机的电力管理系统和冷却循环系统提出更高的挑战。E-3A预警雷达发射机就需要200 kW以上的电力，增加了载机发动机带动的交流发电机的容量要求。“爱立眼”，A-50预警机单独增加了一个辅助动力单元为雷达等电子设备供电。

国外对机载平台下高功率电子装备的急剧提升的冷却载荷需求，对综合一体化热/能源管理系统较多，解决不同工况模式下热沉需求，能源按需匹配与能源利用率提升的系统综合与优化问题[3-5]。而对装载高功率电子装备平台产生的热能同级与升级使用的描述较少。因此，为了减轻高功率电子装备对不同装载平台电力管理系统和冷却循环系统不断增加的电力和热沉负荷，本文尝试从热能回收与综合利用角度，阐述大型高功率电子装备的“废品变能源”的装备技术，即回收系统排出的低品位热能，将其转化为机械能、电能等可用能源，控制污染，实现环境友好。一方面，可实现部分能源供给，减轻电子装备对平台电力、动力系统油耗需求。热能转换成的电能供应可解决一定时间和空间能源不匹配矛盾，并且可直接利用热能进行平台的相关温度控制。另一方面，利用热能回收转换这类特殊方法消耗大量的热载荷，满足减少冷却热沉需求，起到热载荷的削峰作用，达到系统散热效率提升的设计理念[2]。

1 热能回收与综合利用集成系统方案

以循环液冷系统为例，图2设计一种基于液冷循环系统回路上设计的一种热能回收与综合利用集成方案原理。液冷系统作为典型的大型高功率电子装备的冷却散热系统，通过冷却液介质将高度集成的电子设备散发的热量传递到地面或空中平台的与外界冷环境接触的热交换器处，从而保障其在安全可靠温度范围内运行。此方案，在液冷循环系统的回路中，平台热交换器前集成设计热能回收与综合利用系统。

该热能回收与综合利用集成系统方案，一方面需要进行热能的存储并传导运用，即为热能同级使用，将系统产生的热能直接以热量形式作用于系统其他部位。通过设计相变储热与传导模块，利用相变材料、热管和换热器以传导、对流和辐射形式将热量作用于所需温度控制的对象，如工作舱内温度调节、冷却液与燃油的预加热以及生活用热等方面，达到节能减排效果。

另一方面需要将热能转换为电能利用，即为热能的升级使用，将热能转换为其它可利用的电能。通过设计热电转换模块、存储用电单元完成电力输出，达到部分电力自主供应能力。为提高低温热能的回收使用效率和能用度，增强传热推动力等条件，设计低温热源升级模块。总体上，该方案热能存储传导和回收转换利用方案可实现系统能源节约，并且通过减轻平台热交换器的热载荷散热总量，从而提高冷却系统的散热效率。

图2 基于液冷循环系统的热能回收与综合利用集成方案原理图

因此，本方案设计的热能回收与综合利用集成装置主要由三类模块组成：储热传导模块、低温热源升级模块与热能转换模块，通过这些集成装置完成热能的同级与升级使用目的。

2 实现热能“同级与升级”使用的关键技术

针对上述基于液冷循环系统的电子装备热能回收与综合利用集成系统方案中，下文将阐述实现热能“同级与升级”使用的关键技术的研究现状和需解决的关键问题。重点总结分析热能同级使用中相变储热与传导技术，热能升级使用中热能转换技术与低温热能升级技术。

2.1 相变储热与传导技术

热能的同级使用方式为利用高储能密度和高导热率的相变储能材料的相变潜热吸收大量热载荷存储起来，然后传导至它处释放使用。相变储热最早始于国内外航天事业中热载荷储存与运用的研究，作为一种被动热控技术为电子设备提供高等温性、高热稳定性的温度控制方法[6]。目前，由于相变储能材料可以有效的节约资源和提高能源的使用率，在热能回收利用、太阳能发电、电力削峰填谷和建筑保温节能等领域得到广泛的研究和应用[7-9]。

根据相变材料封装和工作方式的不同，基于相变储热的回收系统大致可分为热管换热器、蓄热式相变储热系统、潜热/显热复合储热材料三类[10]。其中，热管换热器在两端温差不大(10 ℃左右)的情况下，无需任何辅助动力可将低温热能高效及时的传递至它处使用。热管换热器作为传热元件，其工作原理是将抽成一定真空的金属密封管内灌充导热工质，利用密闭管内工质的蒸发与冷凝过程进行热量的传导。在密封管的加热端，工质汽化吸收大量潜热，并通过热管将热量快速传递到热源外。由于多数工质潜热能力大，较少蒸发量便可转移大量的热能，传热效果显著。

蓄热式和复合储热材料的相变储能系统研究一般集中在有机物如石蜡、脂肪烃等，其相变潜热高、无过冷和相分离、腐蚀性小和热稳定性好等优点。但其导热率低，需加装翅片和添加高热导率的填充物，如金属泡沫、多孔石墨、纳米铜颗粒等方法形成复合相变储能材料，提高其导热能力。

目前，相变储热与传导技术的应用中存在一些问题，如提髙相变储能材料的热导系数，解决蓄热式和复合相变储能材料相变过程体积变化带来的泄漏问题、安全性温度和封装问题。同时，还需要开展相变材料的基理性研究，开发储能密度大且相变温度范围合适的材料，研究相变材料与封装材料长期使用的性能变化影响及措施。

2.2 热电转换技术

热能升级使用的核心技术为热电转换技术。目前主要存在两种方式：第一种为将热能转换为机械能，或者间接转化为电能技术方法。该方面的研究热点主要是基于有机朗肯(Organic Rankine Cycle，ORC)[11]或卡琳娜循环原理[12]将热能转换为机械能或液压能等形式驱动发电电机，再转化成电能输出和使用。第二种为将系统排出的热量经过热电材料[13](碱金属、热光伏、半导体)之后直接进行电功率输出，可供电子元器件使用或存储后用于其它处的热电技术。下文将重点介绍基于有机朗肯循环的热能发电技术和基于半导体的温差发电技术的研究内容。

2.2.1基于有机朗肯循环的热能发电

图3为基于有机朗肯循环的热能发电系统原理，通过采用低沸点的有机工质相变吸热特性，使得有机工质由液体变成饱和/过热蒸汽，然后通过膨胀机膨胀做功将回收的热能转换为机械能，进而驱动发电机发电。此时的有机工质进入冷凝器中被冷却为液态工质，然后经过工质泵增压流进入下一个循环过程。而卡琳娜循环上一种改进的有机朗肯循环，是以氨-水混合物作为工质，在一定的压力下，氨-水混合物在变化温度下沸腾(或凝结)。目前，基于有机朗肯循环的发电原理已应用于喷气式发动机废热和空气涡轮发动机回收发电，航天电源和推进系统发电等领域[14]。

图3 基于有机朗肯循环的热能发电系统原理

图3所示的热能发电系统主要由蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质泵组成，其研究与应用开发主要集中在有机工质、膨胀机以及有机朗肯循环的优化等方面。

首先，根据饱和蒸汽状态工质的 T-s 图曲线斜率dT/ds的不同，可将有机工质分为干工质、湿工质及等熵工质三类，对工质的分类如图4所示。当dT/ds>0时为干工质，如R113，R123，R245fa等。当dT/ds→∞时为等熵工质，如R141b等。当dT/ds<0时为湿工质，如水、氨、丙烷、苯等[15]。

图4 根据T-s图对工质的分类

由于，干工质和等熵工质在高温高压饱和蒸汽状态下经膨胀做功后处于过热蒸汽状态，而湿工质的饱和蒸汽膨胀后处于两相区内，容易产生液滴，对透平叶片造成侵蚀的现象。因此，通常情况下，有机朗肯循环工质选择干工质和等熵工质。考虑到工质的特性对有机朗肯的热力循环效率、做功能力和相关设备的安全影响大。开发具有合适的蒸发温度和冷凝温度、较高的动力循环效率、良好的传热性能以及环保无毒等不同类型的有机工质是研究的热点。目前，常用于有机朗肯的纯工质有各种氟利昂、烷类等。

其次，膨胀机作为有机朗肯循环系统的核心部件。根据其运动形式和结构特征，可分为速度式和容积式两种膨胀机。速度式有向心式透平和轴流式透平膨胀机。容积式有螺杆式、祸旋式、旋叶式、摆线式等膨胀机。具体基本结构型式，如图5所示。考虑到膨胀机对系统的动力源流量和压力、最大输出功率和热功转换效率的影响，目前应用较多的膨胀机为祸旋式、螺杆式及透平式[16-17]。

为了提升有机朗肯系统的综合效率，大量研究主要集中在有机朗肯循环系统的理论与实验分析以及对循环系统核心部件的优化。同时，考虑到不同的冷热源条件和实际应用限制环境，大量研究集中在传统有机朗肯循环系统基础上发展出新型循环与优化集成系统和多种热源组合的联供系统。如中低温太阳能热发电系统与喷射式制冷、辐射供暖等技术结合的多联供系统[18]、喷射式制冷技术与有机朗肯循环结合的冷电联供系统[19]、太阳能热发电与地热源、LNG冷凝、生物质能等多种冷热源的复合系统等[20]。多联合动力循环系统的能源综合利用较高，可实现制冷、热和发电的同时输出，能够提升系统的综合效率，其联供系统如图6所示。

图5 有机朗肯循环系统的膨胀机

图6 基于有机朗肯循环的多种热源的联供系统

2.2.2基于半导体的温差发电技术

图7为基于半导体的温差发电技术原理示意。它是一种利用热电材料的塞贝克效应进行发电的方法，即在两种不同材料的半导体构成的回路中，当一端处于高温状态，另一端处于低温状态时，回路中便可产生温差电动势。它是一种静态的固体发电器件，不包含机械运动部件，体积小、重量轻、工作寿命长且工作过程中无振动与噪音，不受环境条件的限制。美国能源部甚至将其称为“可长时间在苛刻环境下工作的能源技术”，对推动新能源的利用有着积极作用[21]。目前，该技术主要应用于太阳能、海洋能、工业余热废热和军事电源管理等领域中[22-25]。

图7 基于半导体的温差热电技术

基于半导体的温差热电技术的回路中产生的电动势计算公式如下：

ε=α(Th-Tl)

式中：ε为电动势；Th为高温端温度；Tl为低温端温度；α为热电材料的塞贝克系数。

由上述公式可知，提高温差、热源温度和热电材料的塞贝克系数可提高发电量。

目前，关于温差发电技术的研究主要集中在热电功能材料自身性能和高效转换器结构设计两个方向[26]。一方面，通过提高材料的塞贝克系数和电导率或降低热导率来提高材料的热电优值ZT(如图8所示)，提高热电发电性能[27-28]。表1为常见半导体材料的塞贝克系数。

图8 不同温度范围发电材料的优值系数ZT的变化

从表中数据可知，不同材料的塞贝克系数不同，相同材料作为不同类型的半导体时塞贝克系数也不同，对发电性能有着重要影响。

表1 常见半导体材料的塞贝克系数

一方面，通过设计平板式温差发电器、圆筒式温差发电器、卷筒与螺旋式温差发电器以及不同梯度热电材料等结构型式(如图9所示)，提高热电器件的性能[29-32]。

2.2.3低温热能升级技术

针对电子装备的液冷循环系统的冷却液带出的热能温度范围在30～40 ℃左右，属于低温品质热能。为提高低温热能回收效率和能用度，增强低温热源的传热推动力等条件，高效的低温热能升级利用技术成为国内外研究的热点。低温热能升级利用通过对低温热能进行加工改造，提高热能温度品质或转变成机械功输出。热泵技术作为最主要的低温余热升级利用技术得到广泛应用，可将低温热源通过热泵等设备升级热能品质。

热泵作为一种高效热能转换装置，通过热力循环将热能由低温处移至高温处，此过程消耗少量高品质能源如机械能、电能等[33]。热泵主要分为压缩式和吸收式两种[34]。前者利用系统中工质的物态变化实现供热，通过机械功驱动工质循环流动，连续地将热量从低温热源传送到高温位。后者利用系统中工质的蒸发和吸收循环进行工作，消耗部分高品位热能，将低温热源吸收热量并供给热用户。利用热泵技术可将30～40 ℃的低温热源升温50～90 ℃。一般400 W热泵即可产生1.5 kW电炉所制的热量。但是，热泵技术需消耗高品位能源作为代价，如氟氯昂类工质。同时，热泵的热效率受温度的高低直接影响，温度低，则效率低。因此改善热泵在不同温度下的使用灵活性，提高余热回收效率是未来研究重点。

图9 热电功能结构型式

变热器又称第二类吸收式热泵，通过介质热力性能的变化从低品位热源(如60～100 ℃热源) 中获取中品位热量，理论温升最高可达120 ℃左右，具有能耗低、安全可靠以及使用寿命长等优点。目前，实际应用较多的变热器是以溴化锂/水为工质的系统，淘汰破坏臭氧层的工质类型，减少温室效应的发生。利用变热器技术进行低温余热回收，可以将50～100 ℃ 的热转变成中品位可用热源，最高输出温度可达150 ℃[35]。受限于变热器的技术，以及低温余热回收方面低的热效率，可通过改善工质传热性能、减少工质循环阻力入手等方面入手，积极拓展双效和多级吸收式变热器应用。真空蒸发技术是国外的一项先进低温余热回收技术，原理是根据溶液沸点随外压减小而降低的性质，使得蒸发在低于100 ℃的温度下进行，排除了热源的温度限制，拓宽了其选择性。

3 平台的适用性与技术发展方向

针对不同装载平台的实际约束条件(地面基地、船舰载、机载)，如空间尺寸、重量和系统的复杂性和差异性，电子装备的低温热能回收与综合利用集成系统须根据热源的温度范围、集成系统的综合性能以及装载平台的特征等方面进行技术的组合性选择确定。目前，热能回收与综合利用集成系统可供选择的技术路线组合如图10所示。

图10 热能回收与综合利用集成可供选择技术路线组合

首先，从装载平台可承载重量、可利用的空间、系统可靠性角度来分析，地面基地、车载、船/舰载以及机载平台呈现依次递减趋势。在热能升级使用技术中，相比于基于有机朗肯循环的热电转换装置，基于半导体的温差发电装置能耗低、空间占比小、载重较轻，可以减少因为其自身系统重量的增加而带来的移动平台动力系统如发动机、柴油机的额外油耗。

其次，从热电转换效率角度分析，由于高功率电子装备的冷却系统排出的热量属于低温热源，而大量研究的热源属于中高温品质，温度至少在200 ℃以上。如冶炼窑炉、加热炉、燃气轮机、内燃机等工业热源和废热。现有的基于半导体的温差发电技术由于低温热能以及热电器件自身性能低导致的热电转换效率和电功率输出低，但可满足日常照明等低功率用电需求。大功率电力的需求可通过增加单独的低温热能升级模块提高发电效率，但是其需要消耗少量高品质能源，如氟等。而基于有机朗肯的低温热能发电效率可增加20%的发电量[36]。因此，基于有机朗肯发电系统系装置较为复杂，所需空间重量较大，适用于具有较大空间的地面基地发挥作用。同时，可该发电装置与利用其它能源结合，如太阳能，地热能等，形成多种模式工作运行的联供系统，满足更多的电力需求。

总体上，为了尽可能多的消耗热载荷总量，提高液冷循环系统的散热效率，热能回收与利用集成系统需要提高热能利用率，尤其是热电转换效率。随着装载平台对热能回收转化装置的重量空间要求越来越严格，热能回收转换利用系统需朝着小型化、轻量化、一体化趋势发展。一方面，不同技术装置如相变储热与传导模块、有机朗肯发电模块、低温热能升级利用模块以及半导体温差发电模块等之间紧密结合，发展一体化多功能结构集成方案。另一方面，为了获得较优的系统参数性能，如冷却系统的热载荷消耗总量(散热需求)、热能直接存储使用、热电转换效率和输出电性能等参数，需要综合优化管理热能回收与综合利用集成系统的能量传递和转换过程。

最后，根据不同装载平台中已有的冷却循环/蒸发循环制冷系统，充分进行不同单元模块之间相互配合，合理安排相变储热和热管传导、低温热能升级转换装置、热电转换技术与平台冷却循环系统或蒸发制冷循环系统的有效组合，减少零部件数量，减轻质量和成本，既保证热能高效回收利用，又能增强系统的灵活性。

4 结 语

高功率电子装备的热能回收与综合利用技术，可减少环控系统运行负荷，通过能量收集与转化可维持平台运行的部分能源需求，减轻系统废物排放的缺点，促进能源的可再生持续型。但是，其热源动态温度范围较窄，系统排放的大量低温热能转换为自身系统的可用能源效率较低，热能回收效率低。随着技术的发展与进步，高转换效率的热电材料、小型轻量化的发电装置的发展，在现有冷却循环/蒸发新欢制冷系统上集成高效的热能回收与利用模块化系统，为电子装备的综合一体化热/能量管理系统的设计，现有电子装备平台的升级改进与提升能源使用效率具有一定的参考价值。