船舶柴油机尾气热电装置热分析及结构设计

刘少斌，何明键，任亚涛，齐 宏

(1.哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2.哈尔滨工业大学 空天热物理工业和信息化部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001)

在飞速发展的科技工业和社会进步的背后，急剧增加的能源需求是世界每个国家都需要面对的问题。国民经济发展所需新增的能源不仅通过新能源的开发，如何高效地节能降耗也是关键课题。Talbi等[1]通过试验发现不同机型和工龄的船舶柴油机运行时热效率在30%～42%之间，其中58%～70%热量被冷却水、尾气及柴油机自身散热等带走。提高燃烧温度是提高主机热效率最直接的方法，但是燃烧工况的变化会使尾气氮氧化物的排放量提高。余热回收也是提高能量利用率的措施，其更具有可行性。

在中小型机械装置中，应用温差发电技术对余热进行回收的研究越来越多。提高尾气余热发电系统的性能主要从温差材料研发和温差系统设计优化两方面进行。鲁红亮等人[2]利用斜板和翅片对汽车尾气热交换器结构改进，从压降和换热量评价结构的合理性。王统才[3]对温差发电技术在中低温余热回收利用中的应用进行阐述，并设计层叠式装置对中低温气体余热回收进行实验验证。聂山钧等[4]通过两种材料参数取值方法提取了能表征热电材料参数，计算的制冷温度误差可以为厂家参数误差1/10，能有效用于TEC性能评估。Remeli等[5]将热管与温差发电技术相结合,搭建了一套新型的热管辅助-温差发电余热回收系统。Fan等[6]对分段环形热电回收系统在稳态和瞬态工况下的热电性能和可靠性进行讨论，得出热源周期和幅值越小，整体热电性能越好，而且验证了正弦热源下热电系统的可靠性。

余热回收技术在船舶交通工具中也有广泛应用。张桂臣等[7]利用系统的动态模型设计了LQG最优控制器，提出了感应电机在船舶主机余热利用系统中的最优控制策略。陶加银等[8]设计余热回收联合发电机组实验系统，对联合机组进行多种工况实验研究，模拟了系统配合船舶柴油机运行时可能出现的工况。孔秀华[9]以WD615型柴油机烟气为热源，设计对流换热为主的肋片管式换热器。通过数值计算得到温差发电装置效率为1.14 %，可输出最大功率为63.4 W。Yong等人[10]对柴油机余热回收中，使用增加板状多孔介质的Bi2Te3热电模块，发现柴油机转速为1 000 rpm时，孔隙率0.416底板能强化传热从而提高44.5%的功率输出和10.1%的能量转换效率。曾维武等[11]对MAN 6S70MC-C型号船舶低速二冲程柴油机的烟气、缸套水、增压空气和滑油余热量和能量品位对船舶主机余热进行综合分配，得到低温循环中工质R1234ze(E)净输出功率最高，高温循环中工质R601各项指标均最优。Hatami等[12]用神经网络和遗传算法对柴油机尾气余热系统中的翅片换热管进行优化设计，对换热管的翅片长度、翅片厚度、翅片数进行优化。李秉坤等[13]对蒸汽朗肯循环、有机朗肯循环、卡琳娜循环和布雷顿循环这四种船舶烟气余热回收的热力循环分析和对比，发现有机朗肯循环更适合高热回收，而布雷顿循环更适用于中低热能回收。

为提高船舶柴油机尾气温差发电装置的热电效率，对其影响因素的分析和优化的研究非常有必要的。本文对应用温差发电技术的船舶柴油机尾气余热回收装置进行热分析，使用热电模块冷热端面温差作为热电转换效率的指标，使用仿真模拟对热电装置内部的导热介质层厚度、肋片散热器的类型和热电模块的排列方式等影响热电效率的因素进行热分析，提出不同影响因素对余热回收热电系统的热电转换效率的影响规律。

1 余热回收装置的几何模型

1.1 几何模型

结构1为管径150 mm、长度500 mm的尾气管，模拟船舶柴油机尾气管道；结构2为导热油层填充区域，将尾气的余热传递至热电模块；结构3为热电模块，40 mm×40 mm×3.6 mm；结构4为翅片热沉，结构5为散热翅片(见图1)。

图1 余热回收装置结构示意

高温尾气通过管道排出，在排放的过程中尾气余热经过导热介质层传导至热电模块，接触面称为热端面。外部空气对热电模块冷端面进行冷却，此时热电模块的冷热端面存在温差，将热能转变为电能，完成余热回收。

1.2 热分析思路

为了对问题进行分析，使用ANSYS 18.2 FLUENT进行初步仿真，得到温度场如图2(a)所示。选用导热介质层尺寸为165 mm×165 mm，具体参数见表2，尾气入口温度为873 K，装置外部采用空气自然对流。

图2 (a)无翅片型余热回收装置仿真云图 (b)温度云图切片

为了减少计算量，设置对称边界条件，选取一半计算域。从图2(a)可以看到尾气在入口处温度最高，然后壁面温度沿轴向逐渐降低，到了出口处壁面温度降了200 K。这是因为空气自然对流以及导热油层的吸热作用，总体来看壁面温度分布较均匀，符合实际情况。

图2(b)是径向温度云图切片，可以看出导热油层外侧顶角厚度大且热阻大，尾气余热的导热速率低，增温慢。而导热层侧面较薄，尾气管与导热层换热能使其局部快速升温，壁面最大温差达到253 K。因为导热层外壁面与热电模块直接接触，外壁面的温度高低和分布均匀程度将直接影响热电模块的转化效率和工作状态。由此可知，导热层厚度是影响热电性能的重要影响因素。

由图2(a)我们可以看到，热电模块的排列会影响导热层外壁的温度分布，热电模块周围温度场呈波纹衰减。我们可以把热电模块看作热电阻，不同热电模块的排列方式将会影响热端温度与周围温度场的分布。由此可知，热电模块间的排列分布方式也是热电性能的重要影响因素。

本文从两方面对余热回收装置进行热分析，首先是应用环境的影响，如管道尾气的工况；其次是装置结构的影响，如导热层厚度、热电模块排列方式、外侧翅片的类型。

2 数值模型

2.1 物性参数的设置

余热回收装置中热电模块的冷热端面温差较大，这对热电模块的工作温度及最大耐受温差提出了要求。结合目前国内较成熟的半导体温差发电材料的市场分布现状，选择Bi2Te3基的半导体温差发电片作为仿真模型参考实例。

目前常用的以Bi2Te3基为材料制造的温差发电片主要有以下三种型号：SP1848-27145，TEG1-241-1.4-1.2，TEP1-142T300。每种发电片因材料晶格数，加工工艺及封装技术等影响因素不同，其适用和耐受温度也不同。表1为三种发电片摘取的部分参数，考虑到耐受温度等影响因素，本项目设计中的数值仿真主要参考TEP1-142T300型半导体温差发电片。

表1 不同种类的热电模块

TEP1-142T300型半导体温差发电片厚度仅3.6 mm，且该热电材料随温度变化而热导率及密度等物性变化不大。考虑到实际工作中外封装及其他因素影响，不对热导率等物性参数进行数值拟合，采用定值。

高建兵等[14]采集不同柴油机负荷时小排量柴油机颗粒物分析，发现原始颗粒物的热重曲线随负荷增加变化不明显，在恒温氧化条件下原始颗粒和微粒聚集体活化能变化不明显，说明短时间内的柴油机尾气颗粒性质较稳定。Michael等[15]的实验结果可知，船舶柴油机尾气管的气体压力一般测量得0.1 MPa；而柴油机尾气成分的分子量在28.7附近波动。给定尾气的常物性参数，忽略尾气物性受柴油机负荷的影响，本文模拟探究采用的材料物性参数如表2所示。

表2 材料物性参数[6]

导热油数值仿真参考国产Therminol66号导热油，其物性在高温区段变化不大，因此选取600 K时的物性作为仿真参考值。管式结构采集板式结构的外壁选用导热性较好的金属铝，壁厚取1 mm。

2.2 数学模型

为了简化计算模型，本文给出以下假设：

(1)尾气可视为均匀气体且物性不随温度变化，入口温度和入口速度稳定。

(2)在余热回收装置的换热热损和内部辐射散热可以被忽略。

(3)热电模块的热电转换优值系数为定值，采用热电模块冷热两端面的温差作为评价热电转换效率。

流动传热过程遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒三大控制方程，以下均为直角坐标系表达。质量守恒方程表达式为

(1)

式中u——x轴方向速度;

ν——y轴方向速度;

ω——z轴方向速度。用散度进行简化为

(2)

动量守恒方程表达式为

(3)

(4)

(5)

式中u——x轴方向速度;

ν——y轴方向速度;

ω——z轴方向速度;

μ——流体粘性系数;

fx——作用在流体微元体上的体积力。

能量守恒方程数学表达式为

(6)

式中等式左边为控制体内单位质量流体的能量变化率，等式右边第一项是单位时间内质量力对单位质量流体所做功，第二项是单位时间内表面力对单位质量流体所做功，第三项是单位时间内外界流入的热量，第四项是单位时间内流体所受的辐射热，本文求解省略。

2.3 边界条件

对船舶柴油机稳定运行时的工况进行模拟，换热过程都视为稳态，且尾气属于不可压缩流动。

数值模拟参数设置如下：采用有限容积法，基于压力机求解器，选择标准k-ε湍流模型，标准壁面函数法处理近壁面区域，压力与速度耦合的SIMPLE算法，连续性方程、动量方程、能量方程和湍流模型都使用二阶迎风格式以保证计算结果有足够的精度，亚松弛因子和残差收敛参数默认。

尾气入口为速度入口条件(Velocity-inlet)，温度取793 K，速度为5 m/s，湍流强度为3%，水力直径为圆管直径150 mm。尾气出口为压力出口条件(Pressure-outlet)，表压为零，湍流强度和水力半径设定与入口边界相同。外壁面为对流换热边界条件，外界气流温度为300 K，对流换热系数为16 W/(m2·K)，用以模拟实际空气自然对流的冷却作用。

3 结果与讨论

3.1 尾气的温度与速度的影响

柴油机常用工作温度为550～750 K，尾气流速范围在7 ～9 m/s[2]。考虑到尾气的初始条件不同，通过热电系统可回收余热量也不同，因此应当对不同工况尾气对余热回收装置的影响进行分析。本文选择无翅片余热回收装置，将研究工况如表3所示分成了九组，保持其他条件不变进行仿真模拟，其中Th表示的是热电材料与导热油层接触的热端平均温度。

表3 热电模块热端温度随不同尾气温度和速度的变化

图3展示的是热电模块热端温度Th随不同初始条件变化的对比柱状图。在相同的冷却条件中，热电模块的冷端温度相同，因此不同初始条件的会使热电材料热端受热升温不同，从而使热电材料冷热端温差不同，进而影响热电系统的效率。

图3 不同尾气温度和速度下热端温度变化

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

3.2 不同导热介质层厚度对热电效率的影响

如果导热介质层的厚度太厚，会导致尾气余热被导热介质层储存，外壁处布置的热电片热端温度不足，使尾气余热利用率低；如果导热油层太薄，则换热面积不足且不能将尾气余热均匀传递到外侧表面。因此不同导热介质层厚度对热电模块的热电性能有很大的影响。

选用导热油对导热介质层进行填充，只探究导热油层厚度变化对尾气余热吸收的影响，通过导热油层平均表面温度来判断影响效果。本文研究的尾气管道直径为150 mm，因此选取导热油层的底面尺寸边长从155 mm到190 mm共八组研究对象。

图4表示的是随着尾气管外部导热油层体积底面边长从155～190 mm，导热油层外侧面温度变化。从图4可以看到，随着导热油层厚度增加，外壁面温度呈非线性下降。在155 mm到170 mm范围内下降最快，达到了50 K温差。从170 mm到190 mm仅下降了20 K，且温度降低曲线逐渐放缓。导热油层过薄会导致热电模块因高温而损坏，过厚会使成本增加，而且会使导热层外壁面温度过低，降低热电模块效率。由结论可知，170 mm在本研究的范围内适合作为余热回收装置的导热油层厚度。从图4中可以看到随着导热油层的厚度增加，导热油层外壁温度逐渐降低，且外表面上四个顶角温度逐渐向中间轴温度增加，说明了导热油层对尾气余热高效收集作用。

图4 外壁温随导热油层厚度的变化

图5的温度场云图是导热油层底面边长从175～190 mm的仿真结果，油层与尾气管的整体温度场，从图4～图7可以看到随着导热油层的增加，导热油层外壁高温圈逐渐减小，温度变化梯度层增多。

图5 导热油层宽度从155 mm到190 mm变化时的温度云图

3.3 热电模块的数量及排列方式的影响

导热油层外表面的温度场分布不均匀，使不同位置的热电模块的热端面工作温度不同，这对热电模块群的整体转换效率以及工作时的安全可靠性提出了要求。从排列紧凑性考虑，本文用热电材料组的热端平均温度作为衡量指标，寻找最优的排列方式。

选用导热油层底部边长为165 mm，尾气入口速度为5 m/s，温度为793 K。导热油层外表面尺寸为300 mm×165 mm，热电模块尺寸为40 mm×40 mm×3.6 mm。取尾气管轴向方向为横向，导热油层外表面与尾气管轴向垂直的方向为纵向，分别代号为H和Z。如图6所示，“H6_Z3”放置方式即为热电片单行横向放置6片，单列纵向放置3片，总共布置18片热电片。本探究设置了五组排列方式，在同样的边界条件下进行仿真，结果如图7所示。

图6 热电模块Z3_H6排列形式

图7 不同排列方式的温度云图

图7展示的是五种不同排列方式的温度云图，从左到右分别是Z2_H4、Z2_H6、Z3_H4、Z3_H5、Z3_H6。将前两种热电材料成两列相对集中在中间高温区域的分布称为中间放置，将后三种热电材料均匀充分放置在外表面的分布称为均匀放置。由图7可以看出，中间放置的排列方式能使热电材料聚集在温度较高的中轴区域，而均匀放置则只有中间单列热电模块温度较高。从本文所使用的通用热电模块来看，使用中间放置的分布更为合理。

图8所表示的是五种不同排列方式的热电模块热端面平均温度对比。从图8可以看出，前两组的热面平均温度比后两组的热面平均温度高15 K，也就是余热利用效率更高。同时在中间放置中，从Z2_H4到Z2_H6提高热电材料的数量，整体热电材料组的平均热端温度增加，说明尾气余热利用并未达到上限。而在均匀放置中，从Z3_H4到Z3_H6提高热电模块的数量，整体热电模块组的平均热端温度反而在下降，说明在这种排列方式下尾气余热利用效率达到饱和状态，在工业装置中热电模块的排列可优先采取中间放置的原则。

图8 不同排列方式下热端温度变化

3.4 外加不同种类的风冷翅片的影响

为提高余热回收装置的热电转化效率，我们同时还探究了增加肋片散热器的可行性。肋片的冷却效果主要是由肋片效率和散热面积共同决定，合理地设计不仅能节省材料减轻重量，而且能获得更好的散热效果。

取导热油层部分模拟尺寸为160 mm×300 mm×10 mm，热电模块层取130 mm×250 mm×3.6 mm。而肋片由底座和肋片两部分组成，底座取6 mm，面积与热电模块层相同，肋片高度和数量在后续进行对照变量探究。如表3所示，共设置12组肋片规格模型。

表3 不同翅片型号

在不影响仿真模拟准确性的前提下，为减少整体计算量，将肋片散热器沿中轴对称面分割，以一半的结构作为计算模型，进行网格划分和数值模拟。如图9所示为左侧结构，结构1为导热油层，结构3为热电模块，结构2表示翅片散热器，上方为空气对流。

图9 翅片模型

图10(a)表示的是十二组研究中的翅片高75 mm，肋片间距3 mm，翅片总数为33个的散热器的整体温度云图;(b)所示热电模块与翅片散热器相接的冷端面温度场;(c)表示的是热电模块与导热油层相接的热端面温度场。底部为温度最高的导热油层，热量从底部向上传递，依次是热电模块层、肋片散热器，空气从顶部向下冷却，可以从图10(a)看到整体温度场从上往下温度均匀递减。

图10 (a)翅片散热器的温度云图:(b)翅片和热电模块的接触面温度云图;(c)热电模块和导热油层的接触面温度云图

图(10)的(b)和(c)分别是热电模块冷端和热端的温度云层图。我们可以从仿真结果中得到，在该条件下热电模块热端面平均温度为628 K，而冷端面平均温度为614 K，冷热端面平均温差达到14 K。对于只有3.6 mm厚度的热电模块而言，加上翅片冷却器后散热效果显著。同时我们可以看到冷热短面的温度场分布较均匀，从边缘到中心仅有4 K左右的温度梯度，在实际工作中是可以接受的。

图11表示的是在不同翅片间距、翅片高度分组的情况下对应的热电模块冷热两端面的温度及平均温度。由图可以看出，同一肋片间距的分组对比下，随着翅片高度从65 mm增加到95 mm，热电模块的冷端平均温度和热端平均温度呈下降趋势，冷端温度下降速率是热端温度下降速率的两倍。冷热端面的平均温度逐渐提升，意味着热电模块的转换效率提高。因为翅片高度增加增大了散热器的换热面积，强化了与空气的对流换热，使热电模块冷热端面的温差更大。在分组中，我们还同样探讨了翅片散热器中肋片间距对热电模块的影响。在同样的导热油层安置面积下，翅片间距越大，数量越少，分布密度越小。

图11 当翅片高度和翅片间距不同时，热电模块冷端和热端温度及温差的变化

在图11中，对比间距2.5 mm、间距3 mm和间距3.5 mm的仿真结果，我们注意到在一定程度减少翅片间距，增加翅片数量，有利于提高散热效率。但是当翅片间距接近3倍翅片厚度(3 mm)时，此时减少翅片间距，并未使热电模块冷热温度产生较大的变化，散热效果不佳。这是因为虽然这一措施能增加了翅片散热器的散热面积，但减少了空气流动的空间，使冷却器内空气平均温度高，反而降低空气对流散热的效率。

4 结论

本文对船舶柴油机尾气余热回装置进行热分析，从尾气工况如温度和速度、装置结构如导热层厚度、热电模块排列方式、外侧翅片类型对余热回收效率的影响进行探究，得到以下结论：

(1)相比速度，尾气温度对余热回收装置的影响更大。尾气的温度越高，余热回收装置的回收效率更高。给定速度时，尾气温度在550～750 K变化时，热电模块热端温度增加了35.52 K，提高比例为17.76%。而给定尾气温度时，尾气速度在7～9 m/s变化时，热电模块热端面温度仅提高了2 K。

(2)使用导热油作为导热介质层的填充材料，外壁平均温度随着导热油层厚度增加呈非线性下降。导热油层厚度降低能带来更大的外侧温度，但会使外表面温度分布不均匀且温度相差较大，不同热电模块处于不同的工作温度。当热电模块处于较大跨度的工作温度时，这对其安全性和可靠性提出了考验，因此需要根据热电模块的材质、尾气排放温度及导热介质的物性来确定最终导热介质层的最佳设计厚度。

(3)将模块平均布置于表面的方式称为均匀放置，集中布置在表面高温区域的方式称为中间放置。经过仿真探究，发现中间放置的热电模块组比均匀放置的平均温度高了15 K，温度场更均匀，有利于热电转换效率提高。在工作耐受温度范围内，热电模块组的排列可优先采取中间放置。

(4)翅片散热器能强化热电模块的冷却，进而提高余热回收效率。以肋片高度和间距为变量，在翅片高度为65～95 mm、翅片数量为29～37个、翅片间距为2.5～3.5 mm的范围提出了12组模型。模拟结果发现，肋片高度的增加强化了对流换热效果，能显著提高热电模块冷热端温差。适当减少肋片间距能提高肋片数量，提高散热效率。但是间距过小会减少空气流动的空间，提高空气平均温度，反而会降低散热效率。因此需要结合热电模块的面积和导热油层面积，及空气对流条件寻找最优解。在本文的研究背景下，得出肋片间距为肋片厚度三倍为最优情况。