CN101527532B - 大管径高温烟道烟气余热半导体温差发电系统 - Google Patents
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Abstract
一种大管径高温烟道烟气余热半导体温差发电系统，属于节能技术领域。包括热电转换模块以及电池或负载，其特征上述热电转换模块具体组成如下：布置于管道外壁的单面受热式半导体温差发电模块(2)，其与管道外壁贴合面为受热面，另一面为冷却面；沿流线方向布置于管道内的阵列排布的双面受热式半导体温差发电模块(1)，该双面受热式半导体温差发电模块内部为冷却通道(10)，外周与高温烟气接触的面为受热面；该内部冷却通道(10)采用水冷或空气冷却方式；由于安装阵列排布的双面受热式半导体温差发电模块(1)，使管道内部形成堵塞，堵塞比在0.2-0.3。本发明针对大管径，可以充分利用烟气余热，换热效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种大管径高温烟道烟气余热半导体温差发电系统，应用于各种管道的高温烟气余热回收，属于节能技术领域。
背景技术
目前，公知的烟气余热回收多采用换热器加热空气、水等方法进行热能回收，是属于低品位能量回收技术。而采用半导体温差发电技术，则是利用烟气与冷端的温差，直接产生高品位的电能加以利用，是一种新的高品位能量回收节能技术。由于高温烟道的尺寸大小不一，在专利《一种半导体温差发电装置》(专利号200720047891.1)所设计的结构中，不能对内部烟气的余热进行回收，回收的效率低。在专利《管道式余热回收半导体温差发电方法及装置》(专利号200810021366.1)中所设计的轮毂式集热系统本质上仅对烟道外壁布置温差发电元件，是通过消耗大量金属材料，将烟气中的热量通过导热的形式传给壁面，这种设计对内部烟气热量的回收并不充分；同时这种设计流阻较大，温差发电元件产生的电力甚至不足以维持流阻消耗的能量。
发明内容
本发明的目的是提供一种针对大管径的，可以充分利用烟气余热，高换热效率的大管径高温烟道烟气余热半导体温差发电系统。
技术方案
一种大管径高温烟道烟气余热半导体温差发电系统，包括热电转换模块以及电池或负载，其特征在于，上述热电转换模块具体组成如下：布置于管道外壁的单面受热式半导体温差发电模块，其与管道外壁贴合面为受热面，另一面为冷却面；沿流线方向布置于管道内的阵列排布的双面受热式半导体温差发电模块，该双面受热式半导体温差发电模块内部为冷却通道，外周 与高温烟气接触的为受热面；该内部冷却通道采用水冷或空气冷却方式；由于安装阵列排布的双面受热式半导体温差发电模块，使管道内部形成堵塞，堵塞比在0.2-0.3。
上述双面受热式半导体温差发电模块内部可以设有折流板，使冷却水从一端进入内部，经过折流板绕到另一端流出，这样可以增大冷却换热面积。
上述双面受热式半导体温差发电模块整体结构可以采用流线形，其头尾可以采用NACA翼型结构。在烟气流经内部温差发单元结构体时，会产生局部阻力和沿程阻力。通过这种结构设计，这种流线型结构可以有效抑制附面层的分离，从而减少流动阻力。
上述堵塞比的确定方式：内部温差发电单元结构体排列的密度有一定的标准，若是太密，则压力损失过大，若太稀疏，则换热不够充分。同时，烟气的压降还与温差发点单元的几何外形、烟气的流速、温差发电单元横向布置的长度、烟气的密度及粘度有关。对上述参数经过研究得出无量纲参数：欧拉数Eu、雷诺数Re与阻塞比的关系，阻塞比优选范围为0.2-0.3。
上述双面受热式半导体温差发电模块的内部冷却通道内可以设置强化冷却肋片结构。强化冷却肋片的高度、间距可根据半导体温差发电单元的大小进行设计，达到最优化的效果。上述双面受热式半导体温差发电模块的外部受热面也可以增加沿流向方向的强化换热肋片。
上述管道内阵列排布的双面受热式半导体温差发电模块，其所述阵列形式为平行型或网格型。烟道的内部可根据不同尺寸选择不同的网状结构，对于小尺寸的烟道，可采用横向排布，对与较大尺寸的烟道，为了充分换热，采用横向加纵向排布的网状结构。通过这种布置形式，使换热器布置紧凑，换热效率高，降温效果好。
上述双面受热式半导体温差发电模块内部冷却可采用逆流的形式，即冷却水从烟道末端的温差发电模块进入，在烟道前端的温差发电模块流出。这种循环方式使平均温差加大，换热效果更好，温差发电的功率和效率得到提升。
附图说明
图1本系统整体结构示意图。
图2本系统的双面受热式半导体温差发电模块结构示意图。
图3本系统双面受热式半导体温差发电模块阵列排布方式示意图。
图4本发明系统中欧拉数Eu、雷诺数Re与阻塞比的关系。
图5本发明系统中强化肋高度与换热效率的关系。
图1图2中标号名称，1.双面受热式半导体温差发电模块，2.单面受热式半导体温差发电模块，3.烟道，4.冷却进口，5.冷却出口，6.强化冷却肋片，7.折流板，8.机翼形状的前后端，9.双半导体温差发电元件，10.冷却通道。
具体实施方式
如图1图2图3所示，本发明由烟道内部的双面受热式半导体温差发电模块1、冷却管道组成。烟道中的高温烟气流经烟道内部的双面受热式半导体温差发电模块1冷却，以对流的方式将热量传给双面受热式半导体温差发电模块1的热端结构和烟道3，然后这部分热量通过导热的形式传给双面受热式半导体温差发电模块1的冷端。冷却水或冷却空气则通过冷却进口4进入冷却通道10，在强化冷却肋片6的作用下，加大了换热面积，从而增大了对温差发电元件另一面的冷却效率。于是，在温差发电元件两端产生了较大的温差，通过回路产生电压和电流，此外热量又以导热的方式从双面受热式半导体温差发电模块的热面传给冷面，进而达到了降低烟气温度的目的。
内部温差发电单元结构体采用双面热端结构，中间为冷却通道10，在一个单独的温差发电单元体中，冷却进口4的冷却水通过折流板7绕流到另一侧排出，然后进入下一个温差发电单元体中，整个系统由多个温差发电单元体组成，冷却水流经每个温差发电单元，吸收烟气热量，温度逐渐提升，冷却水进出可以采用逆流的形式，从烟道末端的温差发电单元体进入，在烟道前端的温差发电单元体流出，这种循环方式使平均温差加大，换热效果更好，温差发电的功率和效率得到提升。
对于外部温差发电单元结构体，烟气的热量通过烟道3传给温差发电元件的热端，冷端可以采用水冷或风冷的形式。
如图4所示。内部温差发电单元结构体排列的密度有一定的标准，若是太密，则压力损失过大，若太稀疏，则换热不够充分。同时，烟气的压降还与温差发点单元的几何外形、烟气的流速、温差发电单元横向布置的长度、烟气的密度及粘度有关。为了便于表示各个因素之间与压降的关系，我们通常用无量纲的方法来表示。如图4，A1/A0为阻塞比。压降Δp为欧拉数Eu的函数。
强化冷却肋片6的高度与效率之间的关系如图5所示。内部温差发电单元结构体中的冷却通道内部也包括强化冷却肋片，其高度、间距可根据半导体温差发电单元的大小进行设计，达到最优化的效果。
Claims (7)
1.一种大管径高温烟道烟气余热半导体温差发电系统，包括热电转换模块以及电池或负载，其特征在于，上述热电转换模块具体组成如下：
布置于管道外壁的单面受热式半导体温差发电模块(2)，其与管道外壁贴合面为受热面，另一面为冷却面；
沿流线方向布置于管道内的阵列排布的双面受热式半导体温差发电模块(1)，该双面受热式半导体温差发电模块(1)内部为冷却通道(10)，外周与高温烟气接触的面为受热面；该内部冷却通道(10)采用水冷或空气冷却方式；
由于安装阵列排布的双面受热式半导体温差发电模块(1)，使管道内部形成堵塞，堵塞比在0.2-0.3。
2.根据权利要求1所述的大管径高温烟道烟气余热半导体温差发电系统，其特征在于：上述双面受热式半导体温差发电模块(1)内部设有折流板(7)。
3.根据权利要求1所述的大管径高温烟道烟气余热半导体温差发电系统，其特征在于：上述双面受热式半导体温差发电模块(1)整体结构采用流线形，其头尾采用NACA翼型结构。
4.根据权利要求1所述的大管径高温烟道烟气余热半导体温差发电系统，其特征在于：双面受热式半导体温差发电模块(1)的内部冷却通道(10)内具有强化冷却肋片(6)。
5.根据权利要求1所述的大管径高温烟道烟气余热半导体温差发电系统，其特征在于：上述双面受热式半导体温差发电模块(1)的外部受热面具有沿烟气流向方向的强化换热肋片。
6.根据权利要求1所述的大管径高温烟道烟气余热半导体温差发电系统，其特征在于：上述管道内阵列排布的双面受热式半导体温差发电模块(1)，其所述阵列形式为平行型或网格型。
7.根据权利要求1所述的大管径高温烟道烟气余热半导体温差发电系统，其特征在于：所述多个双面受热式半导体温差发电模块(1)内部冷却采用逆流形式连接，即冷却水从烟道末端的温差发电模块进入，在烟道前端的温差发电模块流出。
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