電加熱式干燥機(jī)熱量回收溫差發(fā)電裝置設(shè)計(jì)與性能分析

王立舒，何 源，房俊龍，張?zhí)煲?，姜灝楨，白 龍,2

電加熱式干燥機(jī)熱量回收溫差發(fā)電裝置設(shè)計(jì)與性能分析

王立舒1，何 源1，房俊龍1※，張?zhí)煲?，姜灝楨1，白 龍1,2

（1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院，哈爾濱 150030；2. 牡丹江師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，牡丹江 157011）

干燥是很多行業(yè)生產(chǎn)流程中的必要環(huán)節(jié)。目前，干燥機(jī)加熱箱、風(fēng)道的主要材料為鋼板，工作時(shí)熱量散失多。傳統(tǒng)方法是在鋼板內(nèi)層或外層鋪設(shè)保溫材料，這種方法存在只能延緩熱量散失，無(wú)法回收熱量的問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，該研究提出了通過(guò)溫差電池（Thermoelectric Generator，TEG）回收干燥機(jī)熱量的節(jié)能模式，設(shè)計(jì)研發(fā)了安裝在干燥機(jī)上回收熱量的溫差發(fā)電系統(tǒng)。使用Fluent軟件對(duì)安裝TEG前后的干燥機(jī)進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真，并結(jié)合實(shí)測(cè)結(jié)果評(píng)估安裝TEG對(duì)干燥機(jī)運(yùn)行的影響。進(jìn)一步搭建干燥機(jī)溫差發(fā)電試驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)試發(fā)電系統(tǒng)的參數(shù)特性，試驗(yàn)結(jié)果表明安裝TEG對(duì)干燥機(jī)功效影響不明顯。當(dāng)加熱功率3.0 kW，風(fēng)速12 m/s時(shí)，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)水流量為22.3 L/min，此時(shí)水泵消耗功率約6.4 W，系統(tǒng)輸出功率31.8 W，凈輸出功率最高達(dá)到25.40 W，熱電轉(zhuǎn)換效率為3.90%，該研究為干燥節(jié)能技術(shù)提供了新思路。

干燥；溫差；發(fā)電；計(jì)算流體力學(xué)；熱量回收

0 引 言

干燥是很多行業(yè)生產(chǎn)流程的必要環(huán)節(jié)。在農(nóng)業(yè)方面，糧食作物[1]、中草藥[2]、木材[3]等通過(guò)干燥去除水分，以便于加工、運(yùn)輸和儲(chǔ)藏。在輕工業(yè)方面，食品[4]、印刷造紙[5]、塑料橡膠[6]、陶瓷工藝[7]等通過(guò)干燥提升產(chǎn)品的硬度，從而使產(chǎn)品成型。在環(huán)境治理方面，污泥通過(guò)干燥可減少其體積[8]。因此，干燥廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域。目前，干燥技術(shù)仍以熱風(fēng)干燥為主，其能耗高、干燥時(shí)間長(zhǎng)[9]。

隨著能源日益緊張，干燥裝置節(jié)能技術(shù)一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力研究的問(wèn)題。例如采用新型干燥技術(shù)[10]，常見的有射頻干燥技術(shù)、中短波紅外干燥技術(shù)等。與熱風(fēng)干燥技術(shù)相比，以上技術(shù)存在處理量小的問(wèn)題。通過(guò)合理組織干燥工藝也可實(shí)現(xiàn)節(jié)能，李長(zhǎng)友等[11]利用常溫下的自然空氣與熱風(fēng)干燥系統(tǒng)的溫差勢(shì)、流動(dòng)能勢(shì)設(shè)計(jì)出了節(jié)能干燥工藝系統(tǒng)。此外，回收干燥過(guò)程中散失的熱量也是干燥節(jié)能的重要手段。在國(guó)內(nèi)，顏建春等[12]設(shè)計(jì)了板翅式換熱器，該余熱回收裝置使系統(tǒng)熱效率提高至80%以上。湯偉等[13]提出了通過(guò)升溫型吸收式熱泵干燥來(lái)回收造紙工業(yè)中紙機(jī)干燥部的熱量，該裝置可節(jié)省5.7%的熱能輸入。在國(guó)外，Amorn等[14]通過(guò)測(cè)量干燥的燃料消耗量，結(jié)果表明，使用熱交換器可以減少12.88%的燃料消耗量。以上采用換熱器、熱泵等回收余熱的方法，存在普適性不高的問(wèn)題，對(duì)于不同的干燥系統(tǒng)，無(wú)法兼容，即換熱器需要考慮幾何尺寸、熱泵需針對(duì)氣候選用合適的工質(zhì)。此外，采用熱泵的方法投資大，且需定期進(jìn)行保養(yǎng)維護(hù)。

目前干燥節(jié)能措施有：采用新型干燥熱源、合理組織干燥工藝以及余熱回收等。但是，由于加熱箱、風(fēng)道的主要材料為金屬鋼板，其傳熱系數(shù)大，熱量很容易散失[15]，為解決熱量過(guò)快散失的問(wèn)題，通常采取鋪設(shè)保溫材料的方法來(lái)延緩熱量散失，這種方法包括以上節(jié)能措施均無(wú)法回收通過(guò)金屬鋼板散失的熱量。

隨著半導(dǎo)體材料的發(fā)展，溫差發(fā)電技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注，其特點(diǎn)是可以直接將溫差轉(zhuǎn)換為電能[16]，實(shí)現(xiàn)對(duì)余熱資源的回收利用。目前溫差發(fā)電的余熱回收應(yīng)用研究主要集中在鍋爐[17]、汽車[18]、船舶尾氣[19]等工業(yè)領(lǐng)域中。國(guó)內(nèi)外針對(duì)利用溫差發(fā)電回收干燥機(jī)熱量的研究比較少，Maneewan等[20]把溫差電池（Thermoelectric generator，TEG）布置在生物質(zhì)干燥機(jī)的燃燒室壁面上，回收燃燒室熱量，該溫差發(fā)電裝置輸出功率約22.4 W。Thongsan等[21]針對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)缺乏市電，無(wú)法控制太陽(yáng)能隧道干燥機(jī)內(nèi)空氣流量的問(wèn)題，把TEG安裝在太陽(yáng)能集熱器上，通過(guò)串并聯(lián)TEG為隧道內(nèi)直流風(fēng)機(jī)供電。Hassan等[22]設(shè)計(jì)了家用熱電聯(lián)產(chǎn)干燥系統(tǒng)，高溫氣體與溫差電池直接接觸，溫差電池吸收高溫氣體中的一部分熱能，其中一部分轉(zhuǎn)化為電能，輸出功率達(dá)到240 W，另一部分熱能用于加熱水箱中的水，然后高溫氣體剩余的熱能用于干燥。

已有研究[20-22]針對(duì)干燥機(jī)未進(jìn)行溫度場(chǎng)研究，且缺少關(guān)于對(duì)電能進(jìn)行升降壓變換的DC-DC電路的相關(guān)內(nèi)容。此外，針對(duì)溫差發(fā)電技術(shù)，過(guò)往研究?jī)H僅研究水流流速對(duì)發(fā)電性能的影響，對(duì)水泵消耗功率、凈輸出功率的變化規(guī)律缺少研究。為了評(píng)估安裝TEG對(duì)干燥機(jī)是否有影響，本文探索建立準(zhǔn)確的干燥機(jī)溫度場(chǎng)的模型；針對(duì)研究對(duì)象設(shè)計(jì)了一種干燥機(jī)熱量回收溫差發(fā)電裝置，在干燥機(jī)樣機(jī)上，布置溫差電池以及安裝冷卻裝置，通過(guò)實(shí)際測(cè)量干燥機(jī)熱量回收溫差發(fā)電裝置的發(fā)電性能，驗(yàn)證該裝置發(fā)電的可行性，擬為大型集中干燥系統(tǒng)的溫差發(fā)電提供參考。

1 材料與方法

1.1 TEG安裝位置

目前干燥機(jī)常見的保溫方式主要有內(nèi)保溫、外保溫、夾心鋼內(nèi)嵌保溫層。其中，采用內(nèi)保溫的干燥機(jī)不適合安裝溫差發(fā)電裝置，因?yàn)樯婕案稍餀C(jī)內(nèi)部，改造可能破壞裝置氣密性。采用外保溫或夾心鋼內(nèi)嵌保溫層的干燥機(jī)，只需要首先將保溫層卸下，然后安裝溫差發(fā)電裝置，最后再把保溫層重新裹上即可。

電加熱式熱風(fēng)干燥系統(tǒng)一般采用翅片式加熱管加熱，加熱管與空氣進(jìn)行熱輻射和熱對(duì)流[23]。此外，加熱管是通過(guò)金屬螺栓固定于加熱箱壁面，由于螺栓、壁面導(dǎo)熱系數(shù)大，因此相比于其他區(qū)域，加熱管安裝孔附近壁面的熱量以熱傳導(dǎo)為主，示意圖及實(shí)物圖如圖1所示。

1.水冷交換器 2.金屬螺栓 3.加熱管 4.加熱箱金屬壁面 5.外保溫層 6.溫差電池 7.輻射、對(duì)流傳熱

1.2 研究對(duì)象

本文的研究對(duì)象熱風(fēng)輔助微波干燥機(jī)由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院研制，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。熱風(fēng)干燥系統(tǒng)主要由加熱箱、翅片加熱管（功率3.0 kW）、金屬通風(fēng)管道和離心風(fēng)機(jī)組成。工作時(shí)，空氣由離心風(fēng)機(jī)吹入管道經(jīng)加熱管加熱后沿金屬通風(fēng)管道進(jìn)入干燥箱對(duì)物料進(jìn)行干燥，干燥產(chǎn)生的水蒸氣從排濕口排出，另外一部分氣體從出風(fēng)口離開干燥箱后重新沿管道進(jìn)入加熱箱。該型干燥機(jī)設(shè)有風(fēng)速傳感器和溫度傳感器，用于測(cè)量空氣的風(fēng)速以及溫度。

1.排濕口 2.干燥室觀察口 3.進(jìn)風(fēng)口 4.物料溫度傳感器 5.觸摸屏 6.急停按鈕 7.電源指示燈 8.電源開關(guān) 9.物料托盤 10.出風(fēng)口

1.3 干燥機(jī)熱量回收溫差發(fā)電裝置能流分析

為了分析梳理熱風(fēng)干燥系統(tǒng)以及溫差發(fā)電裝置的能流傳遞過(guò)程，從而更好地利用熱能，為后續(xù)的研究提供可靠依據(jù)，建立如圖3所示干燥機(jī)熱量回收溫差發(fā)電裝置能流圖。其中新鮮空氣經(jīng)離心風(fēng)機(jī)吹入加熱箱，由加熱管加熱，在此過(guò)程中，加熱箱、管道等存在熱能損失[24]。

圖3 干燥機(jī)熱量回收溫差發(fā)電裝置能流示意圖

1.4 干燥機(jī)熱量回收溫差發(fā)電裝置設(shè)計(jì)

干燥機(jī)熱量回收溫差發(fā)電裝置由TEG、冷卻裝置、控制模塊、DC-DC電路和蓄電池組成，整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。選取加熱管安裝孔附近合適的區(qū)域布置20片TEG，將5個(gè)TEG串聯(lián)為一組，4組并聯(lián)組成TEG組。相比于單純的串聯(lián)、并聯(lián)，串并聯(lián)混合提高系統(tǒng)可靠性[25]。

1.加熱箱 2.加熱管 3.溫差電池 4.水冷交換器 5.冷卻水槽 6.水泵 7.控制模塊 8.DC-DC變換器 9.蓄電池 10.用電設(shè)備

2 加熱箱數(shù)值模擬

安裝TEG的前提是不影響原有設(shè)備正常工作，為了評(píng)估安裝TEG是否影響干燥機(jī)正常工作，本文通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)CFD軟件Ansys Fluent對(duì)安裝溫差發(fā)電裝置前后的干燥機(jī)進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真。通過(guò)對(duì)比安裝TEG前后出風(fēng)口截面的溫度來(lái)評(píng)估安裝TEG對(duì)干燥機(jī)是否有影響。為了降低仿真運(yùn)算量，對(duì)干燥過(guò)程做以下合理的假設(shè)[26]：

1）假設(shè)加熱箱氣密性良好，不存在漏風(fēng)現(xiàn)象；

2）假設(shè)干燥作業(yè)中通風(fēng)排濕效果良好，可以順利地排出多余的高濕空氣；

3）假設(shè)加熱箱中流動(dòng)的介質(zhì)為高溫干空氣，可視為定常不可壓縮理想氣體；

4）在進(jìn)行穩(wěn)定干燥過(guò)程時(shí)，假設(shè)干燥過(guò)程中的氣流為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，且在加熱箱內(nèi)壁面無(wú)滑移；

5）對(duì)溫差電池建模不考慮內(nèi)部半導(dǎo)體的具體結(jié)構(gòu)，使用40 mm×40 mm×3.8 mm立方體替代。

2.1 加熱箱模型的建立以及網(wǎng)格劃分

在Soildworks軟件中建立干燥機(jī)以及水冷交換器、溫差電池的三維模型，如圖5a所示。其中，加熱箱尺寸為350 mm×350 mm×250 mm，進(jìn)風(fēng)管尺寸為200 mm× 60 mm×100 mm，出風(fēng)管由半徑110 mm的90°方管彎頭和一段200 mm×60 mm×80 mm的方管焊接而成。將三維模型導(dǎo)入到Spaceclaim軟件中，對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分，將空氣的流動(dòng)區(qū)域和溫差發(fā)電裝置的冷卻水流動(dòng)區(qū)域設(shè)為流體域，加熱箱以及翅片加熱管設(shè)為固體域。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終生成的網(wǎng)格如圖5b所示，平均偏斜率為0.25，網(wǎng)格質(zhì)量較好，滿足后續(xù)仿真的要求。

圖5 加裝溫差發(fā)電裝置后加熱箱結(jié)構(gòu)圖及網(wǎng)格圖

2.2 數(shù)值模型

流體流動(dòng)要受質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律等3個(gè)基本物理原理控制，這3個(gè)基本物理原理分別對(duì)應(yīng)3個(gè)控制方程：質(zhì)量守恒方程[27]、動(dòng)量守恒方程[28]和能量守恒方程[29]。

翅片加熱管加熱空氣的過(guò)程包括了湍流流動(dòng)、傳熱等過(guò)程，所以需對(duì)整體系統(tǒng)的湍流模型和輻射模型進(jìn)行求解。由于離心風(fēng)機(jī)吹送的氣流場(chǎng)為低速、穩(wěn)態(tài)、黏性流動(dòng)，所以湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)-ε模型，可以保證湍流流動(dòng)模擬的準(zhǔn)確性。

氣體加熱箱內(nèi)的傳熱主要為對(duì)流換熱和輻射換熱，兩種換熱方式同時(shí)進(jìn)行，對(duì)流換熱主要是金屬壁面與空氣間的對(duì)流換熱，輻射換熱主要由加熱管產(chǎn)生。綜合考慮空氣加熱箱內(nèi)部傳熱過(guò)程，本文最終選擇離散坐標(biāo)輻射模型（Discrete Ordinates，DO）作為氣體加熱箱內(nèi)部的輻射模型。

2.3 材料定義及邊界條件

2.3.1 材料定義

通過(guò)查閱資料[30]，定義仿真所需材料的相關(guān)參數(shù)，具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 材料參數(shù)

2.3.2 邊界條件

根據(jù)干燥機(jī)自身特點(diǎn)并查閱相關(guān)文獻(xiàn)[31-32]，對(duì)邊界條件進(jìn)行適當(dāng)設(shè)置，具體如下：

1）自然對(duì)流換熱系數(shù)一般為5～10W/(m2·K)，設(shè)置為5 W/(m2·K)；

2）由于機(jī)體內(nèi)壁面和空氣直接接觸，以及水冷交換器內(nèi)壁面與冷卻水也是直接接觸，則將其設(shè)置為耦合面，解算器能直接從相鄰單元的解中計(jì)算；

3）加熱箱與空氣接觸，產(chǎn)生對(duì)流換熱，且和其內(nèi)部的加熱管發(fā)生輻射換熱,故壁面設(shè)置為混合模式（對(duì)流和輻射）Mixed；

4）進(jìn)風(fēng)管、出風(fēng)管和水冷交換器與空氣接觸，產(chǎn)生對(duì)流換熱，但由于遠(yuǎn)離加熱管，因此忽略輻射換熱，故壁面設(shè)置為對(duì)流換熱模式Convection；

5）進(jìn)口邊界條件主要是空氣和冷卻水兩部分，設(shè)置為速度進(jìn)口（Velocity Inlet），設(shè)置入口風(fēng)速為干燥機(jī)額定值15 m/s，入口水流速4 m/s，溫度均為300 K；

6）出口邊界條件設(shè)置為出流邊界（Outflow）；

7）加熱管采用體積功率的形式進(jìn)行設(shè)置，其值等于加熱功率與體積的比，加熱管的體積可在Spaceclaim軟件中查看，其體積為1.997 9×10-4m3。因此其體積功率設(shè)置為15 015 766 W/m3。

2.4 模擬結(jié)果及分析

圖6和圖7分別為未安裝及安裝溫差發(fā)電裝置的干燥機(jī)溫度場(chǎng)分布云圖。圖6a可以看出，進(jìn)風(fēng)管道口的氣體溫度為300 K，經(jīng)過(guò)加熱管在3.0 kW功率下加熱后，氣體在出風(fēng)口的溫度為370.5 K。圖6b可以看出：區(qū)域1和區(qū)域2溫度最高，大約430.1～442.8 K，可以利用傳熱學(xué)原理來(lái)解釋加熱箱表面溫度云圖。區(qū)域1安裝有加熱管，由于加熱管導(dǎo)熱系數(shù)大，所以區(qū)域1溫度較高。區(qū)域2靠近加熱管，受加熱管熱輻射，所以區(qū)域2的溫度也較高。將TEG安裝在區(qū)域1，TEG回收的熱量主要是來(lái)自于熱傳導(dǎo)，對(duì)內(nèi)部氣體的熱量影響不大。如果將TEG安裝在區(qū)域2，TEG回收的熱量有部分來(lái)自于熱輻射，會(huì)降低氣體的熱量。

圖6 未安裝溫差發(fā)電裝置的干燥機(jī)溫度場(chǎng)分布云圖

圖7 安裝溫差發(fā)電裝置的干燥機(jī)溫度場(chǎng)分布云圖

圖7a可以看出，冷卻水在水冷交換器入口的溫度為300 K，在水冷交換器出口的溫度上升至306.9 K，說(shuō)明其對(duì)溫差電池存在冷卻降溫的效果。此外，通過(guò)對(duì)比安裝TEG前后出風(fēng)管道口的截面上的溫度，可評(píng)估安裝TEG對(duì)干燥機(jī)是否有影響。由圖6a和圖7a可以看出，高溫區(qū)主要集中在出風(fēng)管道的中心，四周溫度較低，這是由于缺少均風(fēng)板等氣體分配裝置，導(dǎo)致加熱不均，中心區(qū)域受熱較多。在對(duì)比安裝TEG前后出風(fēng)口截面的溫度時(shí)，選擇中心區(qū)域的溫度即可。從圖6a和圖7a可以看出，安裝TEG前出風(fēng)口中心區(qū)域的溫度為370.5 K，安裝TEG后輕微下降至368.5 K，因此可認(rèn)為在區(qū)域1加裝溫差發(fā)電裝置不影響干燥機(jī)正常工作，下文通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證以上結(jié)論。

3 溫差發(fā)電裝置控制器設(shè)計(jì)與性能測(cè)試

3.1 控制器總體電路設(shè)計(jì)

實(shí)際干燥中，受物料干燥溫度及變風(fēng)溫等干燥工藝的影響，需要適時(shí)調(diào)整加熱功率的大小。因此，溫差發(fā)電裝置冷熱端及輸出電壓并不穩(wěn)定。需要對(duì)溫差發(fā)電裝置的輸出電壓穩(wěn)壓后，才能對(duì)蓄電池充電。本文擬以STM32F334作為控制器，控制器產(chǎn)生DC-DC變換器所需的PWM信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)DC-DC變換功能。控制器總體電路結(jié)構(gòu)圖如圖8所示，包括電源輸入、DC-DC電路、電源輸出、STM32控制器、驅(qū)動(dòng)電路、電壓電流采集電路、輔助電源等。

圖8 控制器總體電路結(jié)構(gòu)圖

3.2 DC-DC電路設(shè)計(jì)及仿真

根據(jù)發(fā)電模塊參數(shù)，發(fā)電裝置輸出電壓的范圍約為0～24 V，可能大于或者小于15 V的蓄電池充電電壓。若要滿足蓄電池充電條件，需要選用具有升降壓功能的DC-DC變換電路。由于傳統(tǒng)的DC-DC變換器在工作時(shí)以二極管作為續(xù)流通道，存在較大的導(dǎo)通損耗。因此選擇利用Mos管代替續(xù)流二極管的四開關(guān)雙向同步Buck-Boost電路，能夠顯著降低電路中的導(dǎo)通損耗。本文使用仿真軟件PSIM搭建了Buck-Boost電路模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證電路的升降壓功能。圖9為搭建的Buck-Boost輸出電壓曲線。由圖可知，經(jīng)過(guò)大約0.01 s的時(shí)間電壓即可穩(wěn)定在15 V，滿足蓄電池的充電要求。

圖9 Buck-Boost輸出電壓曲線

3.3 控制器硬件測(cè)試

制作好的控制器需經(jīng)過(guò)測(cè)試，才能用于控制溫差發(fā)電輸出的電能，采用直流電源、電子負(fù)載、示波器等儀器測(cè)試控制器升降壓功能。

試驗(yàn)分為兩部分，第一部分是把直流電源作為輸入電壓，改變輸入電壓，觀察輸出電壓的波形及電壓大小。第二部分是直流電源給定某固定輸入電壓，將電子負(fù)載的阻值從5 Ω升至30 Ω，觀察輸出電壓的波形及電壓大小。通過(guò)觀察示波器以及試驗(yàn)結(jié)果可知以上兩種情況下的輸出電壓均能夠維持在15 V左右，說(shuō)明該STM32控制器升降壓性能滿足干燥機(jī)熱量溫差發(fā)電裝置的要求。

4 試驗(yàn)平臺(tái)的搭建與性能測(cè)試

4.1 試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

干燥機(jī)熱量回收溫差發(fā)電試驗(yàn)平臺(tái)及測(cè)試儀器實(shí)物如圖10所示。試驗(yàn)平臺(tái)分為兩部分，一部分是按照研究對(duì)象參數(shù)制作的干燥機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)，另一部分是發(fā)電裝置及測(cè)量?jī)x器。干燥機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)由離心風(fēng)機(jī)、可控硅功率調(diào)節(jié)器、翅片加熱管、加熱箱和金屬通風(fēng)管道組成。

1.加熱箱 2.加熱管 3.干燥機(jī)保溫層 4.金屬通風(fēng)管道 5.功率調(diào)節(jié)器 6.離心風(fēng)機(jī) 7.K型熱電偶測(cè)溫儀 8.電子負(fù)載 9.STM32控制器 10.MPPT芯片 11.蓄電池 12.直流電源 13.冷卻水槽 14.K24流量計(jì) 15.冷卻水泵 16.風(fēng)溫傳感器 17.水冷交換器 18.溫差電池

發(fā)電裝置由溫差電池、水冷交換器、水泵、冷卻水槽、STM32控制器、最大功率跟蹤芯片（maximum power point tracking，MPPT）及蓄電池構(gòu)成。

測(cè)量?jī)x器有萬(wàn)用表、風(fēng)溫傳感器、K24流量計(jì)、K型熱電偶測(cè)溫儀及電子負(fù)載。其中，通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)量測(cè)量DC-DC輸入、輸出端的電壓；使用K型貼片式熱電偶測(cè)量TEG冷、熱端溫度；使用風(fēng)溫傳感器測(cè)量出風(fēng)口的風(fēng)溫；使用直流電源對(duì)水泵供電的同時(shí)可直接讀出水泵電壓及其消耗的功率；使用電子負(fù)載測(cè)試發(fā)電裝置的負(fù)載特性；使用K24流量計(jì)測(cè)量冷卻水流量。

此試驗(yàn)臺(tái)可以通過(guò)可控硅功率調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)加熱管功率的大小，模擬干燥機(jī)不同的工況（熱風(fēng)溫度），較為方便地測(cè)試不同工況試驗(yàn)條件下熱量回收裝置的發(fā)電性能以及參數(shù)特性。此外，連接冷卻水的管道上放置流量計(jì)，可讀出冷卻水量。

4.2 溫差發(fā)電裝置性能計(jì)算

溫差發(fā)電裝置的性能主要指在冷熱兩端之間具有溫度差以及連接有負(fù)載情況下的電輸出性能，輸出功率與熱電轉(zhuǎn)換效率則是眾多參數(shù)中評(píng)述溫差發(fā)電裝置性能的最重要的2個(gè)參數(shù)[33]。

4.2.1 輸出功率

溫差電池是由許多的PN結(jié)串聯(lián)輸出電壓的元件，PN結(jié)熱端和冷端之間存在溫差時(shí)，其兩端會(huì)產(chǎn)生電壓[34]為

式中為PN結(jié)塞貝克系數(shù)；T為熱端溫度，K；T為冷端溫度，K。

輸出電壓U（V）即外加負(fù)載R的電壓

所謂信息化就是企業(yè)利用計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)運(yùn)營(yíng)的過(guò)程各種信息的收集、記錄、存儲(chǔ)、整理、分析、輸出，從而支持企業(yè)實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制、結(jié)果呈現(xiàn)和未來(lái)預(yù)測(cè)。本文重點(diǎn)論述信息化手段在以下幾個(gè)方面規(guī)范混合所有制企業(yè)治理上如何發(fā)揮作用：授權(quán)體系的建立和執(zhí)行、科學(xué)決策機(jī)制和實(shí)現(xiàn)方法、績(jī)效評(píng)價(jià)和考核、契約化精神的執(zhí)行、監(jiān)督約束機(jī)制。

式中R為PN結(jié)內(nèi)阻，Ω；R為外加負(fù)載，Ω。

當(dāng)外加負(fù)載為R時(shí)，此時(shí)電流（A）即流經(jīng)外加負(fù)載R的電流。

輸出功率即外加負(fù)載R消耗的功率，W。

由數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)可知R=R時(shí)，最大輸出功率（max）為

4.2.2 熱電轉(zhuǎn)換效率

試驗(yàn)測(cè)得溫差電池?zé)岫?、冷端溫度，熱電轉(zhuǎn)換效率（max）可通過(guò)公式（6）進(jìn)行估算[35]

式中T為平均溫度，K，T=(T+T)/2；為熱電優(yōu)值，根據(jù)文獻(xiàn)[36]取值1.91×10-3K-1。

5 結(jié)果與分析

5.1 安裝溫差發(fā)電裝置對(duì)干燥機(jī)的影響評(píng)估

表2 不同加熱功率下安裝溫差電池前后干燥機(jī)的熱風(fēng)溫度

5.2 干燥機(jī)不同運(yùn)行工況下溫差發(fā)電性能的研究

干燥機(jī)運(yùn)行工況主要是風(fēng)溫、風(fēng)速兩個(gè)參數(shù)。通過(guò)功率調(diào)節(jié)器控制加熱功率，從而產(chǎn)生不同溫度的熱空氣。此外，使用變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，結(jié)合兩者來(lái)模擬干燥機(jī)工況。試驗(yàn)工況為：在水泵功率設(shè)定為3 W的條件下，對(duì)6個(gè)檔位（0.5，1.0，1.5，2.0，2.5和3.0 kW）的加熱功率和3組不同的風(fēng)速（8，10，12 m/s）進(jìn)行測(cè)試，共計(jì)18組運(yùn)行工況。當(dāng)溫度趨于穩(wěn)定時(shí)，記錄TEG熱、冷端的溫度、TEG組開路電壓等，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同運(yùn)行工況下的試驗(yàn)結(jié)果

從表3中可以看出，隨著加熱功率的增加，TEG熱端、冷端的溫度以及TEG組開路電壓都逐漸升高。當(dāng)加熱功率為3.0 kW，風(fēng)速為12 m/s時(shí)，溫差電池?zé)岫藴囟冗_(dá)到427.65 K，此時(shí)的TEG組的開路電壓的達(dá)到最大值23.75 V。此外，在同一加熱功率下，風(fēng)速?gòu)? m/s增加至12 m/s，TEG熱端溫度增加約2 K，這對(duì)TEG組的開路電壓影響非常小。因此，使用電子負(fù)載測(cè)量裝置的輸出特性時(shí)，將風(fēng)速固定于12 m/s，測(cè)量不同加熱功率下的負(fù)載特性。圖11為不同加熱功率下溫差發(fā)電裝置輸出功率隨負(fù)載電阻的變化曲線。

圖11 不同加熱功率下輸出功率隨負(fù)載變化曲線

從圖11中可以看出，當(dāng)加熱功率分別為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5和3.0 kW時(shí)，對(duì)應(yīng)的溫差發(fā)電裝置輸出最大功率分別為3.65，6.83，11.41，20.27，28.87，35.25 W。

由公式（4）可知，當(dāng)負(fù)載阻值等于裝置內(nèi)阻時(shí)，溫差發(fā)電裝置輸出最大功率。從圖11中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫差發(fā)電裝置輸出最大功率時(shí)，裝置內(nèi)阻在2.6～4 Ω的范圍內(nèi)波動(dòng)。溫差發(fā)電裝置內(nèi)阻隨熱端溫度變化如圖12所示。從圖12可以看出，溫差發(fā)電裝置的內(nèi)阻會(huì)隨著熱端溫度的上升而增大。

圖12 溫差發(fā)電裝置內(nèi)阻隨熱端溫度變化曲線

5.3 溫差發(fā)電裝置冷端水流量的最優(yōu)設(shè)計(jì)

將風(fēng)速固定于12 m/s，確定加熱功率分別為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5和3.0 kW時(shí)，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)冷卻水流量。首先對(duì)水泵參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)直流電源調(diào)節(jié)電壓即能改變水泵的消耗功率及水流量，水流量通過(guò)流量計(jì)測(cè)量，變化曲線如圖13所示。

圖13 不同加熱功率下功率隨冷卻水流量變化曲線

由圖11可知，當(dāng)輸出回路負(fù)載為2.63 Ω時(shí)，溫差發(fā)電裝置的輸出功率最大。首先將電子負(fù)載的阻值設(shè)定為2.63 Ω，加熱器功率設(shè)定為0.5 kW，待熱端溫度穩(wěn)定后，通過(guò)直流電源控制水泵，測(cè)試不同冷卻水流量對(duì)溫差發(fā)電性能的影響。接下來(lái)調(diào)節(jié)加熱器功率分別為1.0，1.5，2.0，2.5和3.0 kW，采集溫差電池的熱、冷端平均溫度及溫差發(fā)電裝置輸出功率等數(shù)據(jù)。

從圖13可以看出，除加熱功率0.5 kW外，其余5種加熱功率條件下，凈輸出功率隨水流量變化的趨勢(shì)都是先上升后下降。其原因是水泵消耗功率隨冷卻水流量的增加是一直處于上升趨勢(shì)，不會(huì)趨于平緩，而溫差發(fā)電裝置輸出功率雖然也是逐漸增大，但是會(huì)趨于平緩，從而使得凈輸出功率先增大后減小。凈輸出功率最大值對(duì)應(yīng)的冷卻水流量即為最優(yōu)水流量。隨著加熱功率的增加，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)水流量也逐漸增大。表4為溫差發(fā)電裝置的性能。當(dāng)加熱功率分別為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5和3.0 kW時(shí)，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)冷卻水流量從9.3 L/min逐漸增大到22.3 L/min；溫差電池的熱端平均溫度從329.05 K逐漸上升至427.35 K；冷端平均溫度從304.25 K逐漸上升至316.35 K。在試驗(yàn)過(guò)程中，隨著加熱功率的增大，溫差電池?zé)岫藴囟忍岣叻缺壤涠舜蠛芏?。因此，冷熱端的溫差也逐漸增大。隨著冷熱端溫差的增大，熱電轉(zhuǎn)換效率也逐漸增大，由0.92%增大至3.90%，熱電轉(zhuǎn)換效率增長(zhǎng)明顯。

表4 溫差發(fā)電裝置性能分析

5.4 溫差發(fā)電裝置控制器穩(wěn)壓性能測(cè)試

將干燥機(jī)熱量回收溫差發(fā)電裝置的輸出端與控制器輸入端連接，測(cè)試干燥機(jī)實(shí)際工作時(shí)溫差發(fā)電裝置控制器的穩(wěn)壓性能。通過(guò)功率調(diào)節(jié)器控制加熱管的加熱功率即可改變TEG熱端溫度，試驗(yàn)設(shè)置加熱功率從0.5 kW上升至3.0 kW，記錄TEG的輸出電壓以及控制器穩(wěn)壓后的輸出電壓。由表5可知，控制器在加熱功率0.5～3.0 kW的條件下能穩(wěn)定輸出15 V左右的電壓。說(shuō)明控制器在實(shí)際運(yùn)行時(shí)穩(wěn)壓性能良好，滿足蓄電池充電條件。

表5 加熱功率對(duì)輸出電壓的影響

6 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種干燥機(jī)熱量回收溫差發(fā)電裝置，本裝置可以回收干燥機(jī)工作時(shí)加熱箱表面的熱量。使用SolidWorks軟件建立了加熱箱、水冷交換器、溫差電池等三維模型，并利用Fluent軟件對(duì)安裝溫差電池前后的干燥機(jī)進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真，最后搭建試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)溫差發(fā)電裝置的發(fā)電性能進(jìn)行測(cè)試，得出以下結(jié)論：

1）該系統(tǒng)直接利用加熱箱表面的熱量，通過(guò)試驗(yàn)得出安裝溫差電池對(duì)干燥機(jī)正常工作影響不明顯，溫差電池?zé)岫藴囟茸罡吣苓_(dá)到427.35 K。該系統(tǒng)對(duì)DC-DC電路的要求較低，且加熱箱表面相對(duì)平整，方便安裝溫差電池。

2）按照研究對(duì)象的實(shí)際參數(shù)搭建試驗(yàn)平臺(tái)。測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)加熱功率3.0 kW，風(fēng)速12 m/s，水泵消耗功率約6.4 W時(shí)，裝置凈輸出功率達(dá)到25.40 W，熱電轉(zhuǎn)換效率3.90%。

3）冷卻水流量存在最優(yōu)值使得溫差發(fā)電裝置的凈輸出功率最大化。隨著加熱功率的增加，對(duì)應(yīng)的冷卻水流量最優(yōu)值也逐漸上升。當(dāng)加熱功率3.0 kW時(shí)，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)水流量為22.3 L/min。

本文旨在探索一種新的干燥節(jié)能模式，為溫差發(fā)電應(yīng)用于干燥節(jié)能提供相關(guān)參考。目前，國(guó)外針對(duì)溫差發(fā)電的研究，不僅僅局限于發(fā)電，而是熱電聯(lián)產(chǎn)，即發(fā)電的同時(shí)，把冷卻水帶走的熱量?jī)?chǔ)存起來(lái)。未來(lái)可將溫差發(fā)電熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用于太陽(yáng)能干燥設(shè)備上。一方面為應(yīng)對(duì)陰天、多云等天氣，太陽(yáng)能干燥設(shè)備一般會(huì)設(shè)有翅片式加熱管作為輔助加熱器，因此可使用本文中的溫差發(fā)電裝置回收熱量并進(jìn)行發(fā)電。另一方面，太陽(yáng)能干燥設(shè)備會(huì)設(shè)有儲(chǔ)熱水箱，因此可將溫差發(fā)電裝置冷卻水的熱量?jī)?chǔ)存至儲(chǔ)熱水箱中，從而實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)。

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Design and performance analysis of the thermoelectric power generation device for the heat recovery of electric heating dryer

Wang Lishu1, He Yuan1, Fang Junlong1※, Zhang Tianyi1, Jiang Haozhen1, Bai Long1,2

(1.,,150030,;2.,,157011,)

Electric heating drying system has been widely used for structural drying, sanitizing with heat, and space heating at present. The metal steel plate can often be the main material of the heating box and air duct of the dryer in the mechanical arrangement. Nevertheless, a large heat transfer coefficient can make it easy to lose heat, when converting the electric current to the heat in the system. The insulation material can normally be laid on the outer layer of the steel plate. However, the traditional configuration cannot recover the heat, although the heat loss can be prevented in this case. Alternatively, thermoelectric power generation has attracted extensive attention in the field of heat recovery, because it can directly convert temperature differences into electricity. In this study, an energy-saving mode was proposed to recover the heat of the dryer using a Thermoelectric Generator (TEG). A thermoelectric power generation system was designed and developed for the dryer to directly recover the heat. In addition to recovering the heat of the metal wall of the dryer, the thermoelectric cell was also used to recover the part of the heat of the hot air, resulting in a decrease in the hot air temperature. Therefore, the Fluent software was firstly used to simulate the temperature field of the dryer before and after the installation of TEG. The measured parameters were combined to evaluate the impact of TEG installation on the dryer. Secondly, the output electric energy was controlled to obtain stable electricity in the thermoelectric power generation device. The reason was that the cold end, hot end, and power generation performance of TEG fluctuated dynamically, due to the heating power. The STM32F334 was used as the controller to realize the DC-DC conversion function. The test was also carried out to verify the performance of raising and lowering the voltage of the controller. As such, the battery was charged to fully meet the requirements of the TEG for the heat recovery of the dryer. Finally, the test platform of TEG was built for the heat recovery of the dryer. A systematic evaluation was made of the hot air temperature of the dryer before and after the installation of TEG, as well as the parameter characteristics of the power generation system. The test results showed that the installation of TEG presented no outstanding impact on the dryer. The better performance of the dryer was achieved under different operating conditions of thermoelectric power generation. Specifically, the power regulator and frequency converter were utilized to control the heating power and the wind speed of the centrifuge. There was a significant variation in the output power of thermoelectric power generation, the consumption power of the water pump, and the net output power with the cooling water flow. Among them, the water pump was controlled by the DC power supply. Consequently, there was optimal water flow to maximize the net output power under the different working conditions. An optimal parameter combination was achieved, where the optimal water flow rate was 22.3 L/min, the pump power consumption was 6.4 W, the system output power was 31.8 W, the maximum net output power was 25.40 W, and the thermoelectric conversion efficiency was 3.90%, particularly when the heating power was 3.0 kW and the wind speed was 12 m/s. Anyway, the experiment verified the feasibility of the developed device. The finding can also provide a new idea for drying energy-saving technology.

dry; temperature difference; power generation; computational fluid dynamics; heat recovery

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.15.027

TM913

A

1002-6819(2022)-15-0249-10

王立舒，何源，房俊龍，等. 電加熱式干燥機(jī)熱量回收溫差發(fā)電裝置設(shè)計(jì)與性能分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38(15)：249-258.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.15.027 http://www.tcsae.org

Wang Lishu, He Yuan, Fang Junlong, et al. Design and performance analysis of the thermoelectric power generation device for the heat recovery of electric heating dryer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(15): 249-258. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.15.027 http://www.tcsae.org

2022-05-08

2022-07-21

黑龍江省教育廳科技課題（12521038）；黑龍江省教育廳基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)支持項(xiàng)目（1353MSYYB015）；牡丹江師范學(xué)院青年學(xué)術(shù)骨干項(xiàng)目（GG2018004）

王立舒，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化；電力新能源開發(fā)與利用。Email：wanglishu@neau.edu.cn

房俊龍，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化、信息處理與智能測(cè)控。Email：junlongfang@126.com