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原文传递基于波动热源的蓄热式温差发电装置试验及仿真研究

论文题名：	基于波动热源的蓄热式温差发电装置试验及仿真研究
关键词：	汽车发动机;余热回收;温差发电装置;相变材料;热源波动;蓄热特性;输出性能
摘要：	由于汽车在行驶过程发动机工况复杂多变，因此汽车排气余热温度同样也具有瞬变性，若直接使用温差发电技术对该部分热量进行回收，容易影响温差发电装置的输出性能甚至导致疲劳损坏。相变材料在融化和凝固过程中温度基本保持不变，基于这一特性，将相变储能技术应用到温差发电技术中，可在一定程度上缓解温差发电装置与温度之间的匹配问题。然而，在现有的相变材料中，相变温度以及潜热值都存在较大差异，同时相变材料普遍存在着传热效率较低的问题。基于上述背景，本文根据TEG模块最佳工作温度，通过试验筛选出适合本研究的相变材料，同时设计了一种PCM-TEG装置，通过与未填充相变材料的温差发电装置比较，研究相变材料对TEG模块冷热端温度以及输出性能的影响。此外，基于相变材料的蓄热特性，分别将相变储能装置布置在TEG模块冷热端，研究了热源波动条件下，翅片数量不同时TEG模块输出性能的变化，并对相变材料热缓冲以及蓄热性能进行了评估。最后基于Fluent软件建立了相变储能装置模型，对不同翅片数量、高度对相变材料内部以及翅片壁面温度的影响进行了仿真研究。全文研究内容如下：　　(1)通过开启和关闭加热板模拟热源波动，对木糖醇、赤藓糖醇以及D-甘露醇进行试验，测试在热源波动时对TEG模块冷热端温度以及输出性能的稳定作用，并使用差示扫描量热仪测试了相变温度以及潜热值。综合考虑试验结果以及TEG模块最佳工作温度范围，最终选择赤藓糖醇作为本文后续相变材料。经过DSC测试测得赤藓糖醇相变温度和相变潜热值分别为117.48℃和318.5J/g。后续研究了热源波动条件下有无填充相变材料对TEG模块冷热端温度以及输出性能的影响，结果表明，热源温度波动对TEG模块冷端温度影响较小。相变材料对TEG模块输出性能有削峰填谷的作用，相变材料的填充虽然降低了TEG模块的峰值输出性能，但其持续输出时间得到了延长。　　(2)设计了无翅片和翅片数量为1、3、5及7的封装容器，将相变储能装置布置在TEG模块热端，搭建了PCM-TEG装置，研究在热源波动条件下，不同翅片数量对相变材料内部传热特性以及TEG模块输出特性的影响。此外，将相变储能装置作为冷却装置布置在TEG模块冷端，与传统使用风扇作为冷却装置的温差发电装置输出性能进行比较。保持相变储能装置作为TEG模块冷端，通过改变翅片数量对相变材料内部传热特性以及TEG模块输出性能的影响展开研究。研究结果表明，翅片数量越多，对相变材料传热强化作用越强。当相变储能装置位于TEG模块热端，翅片数量较多时对TEG模块输出性能稳定作用较强，但翅片数量存在一个最佳值。当相变材料位于TEG模块冷端，可以在冷却阶段充当TEG模块热源，延长TEG模块输出时间。　　(3)通过Fluent软件对无翅片和翅片数量为1、3、5及7，翅片厚度分别为1.2mm、2.0mm、2.8mm、3.6mm、4.4mm，翅片高度分别为20mm、40mm、60mm、86mm的相变储能装置进行仿真，分析不同结构储能装置对相变材料内部传热特性和液相率影响。仿真结果表明翅片数量越多，翅片厚度越厚，翅片高度越高均会增强相变材料的传热性能。翅片数量相较翅片厚度对相变材料内部整体传热性能以及液相率上升速率影响较大。翅片高度变化对翅片以及封装容器壁面附近相变材料影响较小，但高于翅片部分相变材料整体温度以及融化情况较差，因此导致相变储能装置内部温度以及相变材料融化不均匀。
作者：	倪奇强
专业：	动力工程
导师：	王军
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2022