本文選題：溫差發(fā)電 + 余熱回收��； 參考：《華東理工大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：能源過度消耗產(chǎn)生的能源短缺及環(huán)境污染問題使人們更加注重能源轉(zhuǎn)換效率的提升。工業(yè)生產(chǎn)是能源消耗的主要途徑,隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快,生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣和廢液成倍增加,其中的余熱量相當(dāng)可觀。目前,國內(nèi)高溫余熱資源回收利用的技術(shù)相對成熟,但是中低溫余熱由于熱源溫度低,回收利用相對困難。溫差發(fā)電技術(shù)通過熱能與電能的直接轉(zhuǎn)換,可以實現(xiàn)低品位能源的有效利用。近年來熱電轉(zhuǎn)換模塊的成本下降,加之利用中低溫余熱資源豐富且成本幾近為零、運行成本很低,甚至使得溫差發(fā)電在某些方面可與現(xiàn)存發(fā)電方式進(jìn)行商業(yè)競爭。當(dāng)前中低溫余熱回收溫差發(fā)電技術(shù)存在的一個比較明顯的問題是熱電轉(zhuǎn)換效率較低,提高熱電轉(zhuǎn)換效率主要有兩個途徑,一是獲得ZT值高的熱電材料,另一個對溫差發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。本文從上述方面入手,制備了碳納米管摻雜的碲化鉍熱電材料,設(shè)計了三種中低溫余熱回收的溫差發(fā)電系統(tǒng),利用泡沫金屬強化傳熱的方式實現(xiàn)了換熱性能和溫差發(fā)電性能的提升,對溫差發(fā)電系統(tǒng)的工作參數(shù)、溫差發(fā)電模塊連接方式、流道填充物的種類進(jìn)行考察和優(yōu)化,并且進(jìn)行了板式換熱器的CFD模擬和中低溫余熱回收溫差發(fā)電的經(jīng)濟性分析。獲得的主要研究結(jié)果如下:(1)碳納米管摻雜碲化鉍納米復(fù)合材料的研究采用球磨法制備CNT/Bi_(0.5)Sb_(1.5)Te_3復(fù)合熱電材料,碳納米管和硬脂酸的添加并不會影響B(tài)i_(0.5)Sb_(1.5)Te_3的成相過程,摻雜碳納米管以后碲化鉍材料的顆粒尺寸減小,高速球磨法使碳納米管在長度方向上發(fā)生斷裂,球磨法可以實現(xiàn)碳納米管在碲化鉍基體材料中的分散。380℃下氮氣保護熱處理可以提高熱電材料的熱電性能,碳納米管的摻雜可以提高復(fù)合材料的Seebeck系數(shù)、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率,碳納米管摻雜的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響材料熱電性能的重要參數(shù);摻雜碳納米管的復(fù)合熱電材料的功率因子和材料ZT值有所提升,最佳的碳納米管摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.35%。(2)壁面溫差發(fā)電系統(tǒng)針對低溫氣體余熱的回收工況,建立了一種基于泡沫金屬填充板式換熱器的壁面溫差發(fā)電系統(tǒng),該系統(tǒng)以換熱性能的優(yōu)化為主,在高效換熱的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考察了換熱器壁面溫差的大小,驗證了 in-plane模式的壁面溫差發(fā)電方式的可行性。在余熱溫度為163℃時,填充泡沫金屬的壁面溫差發(fā)電系統(tǒng)的換熱效率達(dá)到83.16%以上,表明該系統(tǒng)具有很高的直接熱利用效率。開路電壓和最大輸出功率隨著壁面溫差的增加而增加,工作參數(shù)對壁面溫差影響較大,增加溫差發(fā)電對的數(shù)目可以獲得溫差發(fā)電能力的線性提升。采用Fluent模擬的不同余熱溫度下?lián)Q熱器壁面溫度云圖和冷熱流體進(jìn)出口溫差,163℃、185℃和200℃熱空氣入口溫度對應(yīng)的最大開路電壓分別為1.61 V、1.8 V和1.95 V。模擬結(jié)果顯示,填充泡沫金屬以后的溫差發(fā)電系統(tǒng)的換熱效率從64.67%提高到86.98%,說明泡沫金屬的填充可以顯著增加溫差發(fā)電系統(tǒng)的換熱效率,從而提高余熱回收的直接熱利用效率。(3)層疊式溫差發(fā)電系統(tǒng)以中低溫氣體余熱回收溫差發(fā)電性能優(yōu)化為主要目標(biāo),建立了 一種層疊式溫差發(fā)電系統(tǒng),為了滿足中低溫余熱回收工況的實驗?zāi)M,改進(jìn)了余熱模擬裝置,提升了熱空氣的入口溫度�？疾炝瞬煌酂釡囟�、不同冷水流量、流道填充狀態(tài)及溫差發(fā)電器件連接方式對系統(tǒng)發(fā)電性能的影響。在熱空氣流量一定的情況下,最高熱空氣溫度達(dá)到260.9℃,隨著熱空氣入口溫度的上升和冷水流量的增加,不同類型泡沫金屬填充的溫差發(fā)電系統(tǒng)開路電壓和最大輸出功率隨之增大,泡沫金屬填充的溫差發(fā)電系統(tǒng)開路電壓大于未填充的溫差發(fā)電系統(tǒng)�？酌芏葹�5 PPI的泡沫金屬填充的溫差發(fā)電系統(tǒng)具有最高的開路電壓、輸出功率和發(fā)電效率,換熱器效能隨著泡沫金屬孔密度的增大而增加,過度的傳熱強化作用反而會導(dǎo)致溫差發(fā)電能力的降低。5 PPI泡沫金屬填充的溫差發(fā)電系統(tǒng)的溫差發(fā)電效率達(dá)到2.05%。泡沫金屬填充的層疊式溫差發(fā)電系統(tǒng)在中低溫氣體余熱回收方面具有很好的應(yīng)用前景。(4)高溫液體余熱回收溫差發(fā)電系統(tǒng).針對高溫液體余熱的回收工況,建立了一種泡沫金屬填充的溫差發(fā)電系統(tǒng),利用高溫硅油和冷水換熱的實驗系統(tǒng)進(jìn)行熱電性能測試,泡沫金屬除了可以提高溫差發(fā)電系統(tǒng)的直接熱回收效率還可以提高系統(tǒng)的溫差發(fā)電效率,填充泡沫金屬和未填充泡沫金屬的溫差發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率分別達(dá)到2.20%和2.49%。泡沫金屬的填充可以給溫差發(fā)電系統(tǒng)帶來凈發(fā)電功率提升,在水流量為8 L/h時,泡沫金屬填充溫差發(fā)電系統(tǒng)的凈功率增強因子為1.331,說明泡沫金屬給為溫差發(fā)電系統(tǒng)帶來了 33.1%額外凈發(fā)電功率收益。(5)溫差發(fā)電經(jīng)濟性評價針對中低溫余熱回收溫差發(fā)電的經(jīng)濟性進(jìn)行分析,當(dāng)溫差發(fā)電器件ZT值為1時,中低溫余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)成本回收期分別為7.31年,以15年的設(shè)計壽命計算,當(dāng)ZT值分別為1、2、3、4時,溫差發(fā)電成本分別為0.365元/千瓦時、0.231元/千瓦時、0.185元/千瓦時和0.160元/千瓦時。中低溫余熱回收溫差發(fā)電是一種清潔的能源轉(zhuǎn)換方式,可以有效提高能源利用效率,工作壽命長,投資回報可觀,具有非常廣闊的應(yīng)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 .
【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TM913

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本文編號：2009778