王立舒，何 源，房俊龍，張?zhí)煲?，姜灝楨，白 龍,2

電加熱式干燥機熱量回收溫差發(fā)電裝置設計與性能分析

王立舒1，何 源1，房俊龍1※，張?zhí)煲?，姜灝楨1，白 龍1,2

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

干燥是很多行業(yè)生產流程中的必要環(huán)節(jié)。目前，干燥機加熱箱、風道的主要材料為鋼板，工作時熱量散失多。傳統方法是在鋼板內層或外層鋪設保溫材料，這種方法存在只能延緩熱量散失，無法回收熱量的問題。針對該問題，該研究提出了通過溫差電池（Thermoelectric Generator，TEG）回收干燥機熱量的節(jié)能模式，設計研發(fā)了安裝在干燥機上回收熱量的溫差發(fā)電系統。使用Fluent軟件對安裝TEG前后的干燥機進行溫度場仿真，并結合實測結果評估安裝TEG對干燥機運行的影響。進一步搭建干燥機溫差發(fā)電試驗平臺，測試發(fā)電系統的參數特性，試驗結果表明安裝TEG對干燥機功效影響不明顯。當加熱功率3.0 kW，風速12 m/s時，對應的最優(yōu)水流量為22.3 L/min，此時水泵消耗功率約6.4 W，系統輸出功率31.8 W，凈輸出功率最高達到25.40 W，熱電轉換效率為3.90%，該研究為干燥節(jié)能技術提供了新思路。

干燥；溫差；發(fā)電；計算流體力學；熱量回收

0 引 言

干燥是很多行業(yè)生產流程的必要環(huán)節(jié)。在農業(yè)方面，糧食作物[1]、中草藥[2]、木材[3]等通過干燥去除水分，以便于加工、運輸和儲藏。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]等通過干燥提升產品的硬度，從而使產品成型。在環(huán)境治理方面，污泥通過干燥可減少其體積[8]。因此，干燥廣泛應用于不同領域。目前，干燥技術仍以熱風干燥為主，其能耗高、干燥時間長[9]。

隨著能源日益緊張，干燥裝置節(jié)能技術一直是國內外學者致力研究的問題。例如采用新型干燥技術[10]，常見的有射頻干燥技術、中短波紅外干燥技術等。與熱風干燥技術相比，以上技術存在處理量小的問題。通過合理組織干燥工藝也可實現節(jié)能，李長友等[11]利用常溫下的自然空氣與熱風干燥系統的溫差勢、流動能勢設計出了節(jié)能干燥工藝系統。此外，回收干燥過程中散失的熱量也是干燥節(jié)能的重要手段。在國內，顏建春等[12]設計了板翅式換熱器，該余熱回收裝置使系統熱效率提高至80%以上。湯偉等[13]提出了通過升溫型吸收式熱泵干燥來回收造紙工業(yè)中紙機干燥部的熱量，該裝置可節(jié)省5.7%的熱能輸入。在國外，Amorn等[14]通過測量干燥的燃料消耗量，結果表明，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題，對于不同的干燥系統，無法兼容，即換熱器需要考慮幾何尺寸、熱泵需針對氣候選用合適的工質。此外，采用熱泵的方法投資大，且需定期進行保養(yǎng)維護。

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、風道的主要材料為金屬鋼板，其傳熱系數大，熱量很容易散失[15]，為解決熱量過快散失的問題，通常采取鋪設保溫材料的方法來延緩熱量散失，這種方法包括以上節(jié)能措施均無法回收通過金屬鋼板散失的熱量。

隨著半導體材料的發(fā)展，溫差發(fā)電技術得到了廣泛的關注，其特點是可以直接將溫差轉換為電能[16]，實現對余熱資源的回收利用。目前溫差發(fā)電的余熱回收應用研究主要集中在鍋爐[17]、汽車[18]、船舶尾氣[19]等工業(yè)領域中。國內外針對利用溫差發(fā)電回收干燥機熱量的研究比較少，Maneewan等[20]把溫差電池（Thermoelectric generator，TEG）布置在生物質干燥機的燃燒室壁面上，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]針對偏遠地區(qū)缺乏市電，無法控制太陽能隧道干燥機內空氣流量的問題，把TEG安裝在太陽能集熱器上，通過串并聯TEG為隧道內直流風機供電。Hassan等[22]設計了家用熱電聯產干燥系統，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，其中一部分轉化為電能，輸出功率達到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]針對干燥機未進行溫度場研究，且缺少關于對電能進行升降壓變換的DC-DC電路的相關內容。此外，針對溫差發(fā)電技術，過往研究僅僅研究水流流速對發(fā)電性能的影響，對水泵消耗功率、凈輸出功率的變化規(guī)律缺少研究。為了評估安裝TEG對干燥機是否有影響，本文探索建立準確的干燥機溫度場的模型；針對研究對象設計了一種干燥機熱量回收溫差發(fā)電裝置，在干燥機樣機上，布置溫差電池以及安裝冷卻裝置，通過實際測量干燥機熱量回收溫差發(fā)電裝置的發(fā)電性能，驗證該裝置發(fā)電的可行性，擬為大型集中干燥系統的溫差發(fā)電提供參考。

1 材料與方法

1.1 TEG安裝位置

目前干燥機常見的保溫方式主要有內保溫、外保溫、夾心鋼內嵌保溫層。其中，采用內保溫的干燥機不適合安裝溫差發(fā)電裝置，因為涉及干燥機內部，改造可能破壞裝置氣密性。采用外保溫或夾心鋼內嵌保溫層的干燥機，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。

電加熱式熱風干燥系統一般采用翅片式加熱管加熱，加熱管與空氣進行熱輻射和熱對流[23]。此外，加熱管是通過金屬螺栓固定于加熱箱壁面，由于螺栓、壁面導熱系數大，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為主，示意圖及實物圖如圖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、對流傳熱

1.2 研究對象

本文的研究對象熱風輔助微波干燥機由東北農業(yè)大學電氣與信息學院研制，其總體結構如圖2所示。熱風干燥系統主要由加熱箱、翅片加熱管（功率3.0 kW）、金屬通風管道和離心風機組成。工作時，空氣由離心風機吹入管道經加熱管加熱后沿金屬通風管道進入干燥箱對物料進行干燥，干燥產生的水蒸氣從排濕口排出，另外一部分氣體從出風口離開干燥箱后重新沿管道進入加熱箱。該型干燥機設有風速傳感器和溫度傳感器，用于測量空氣的風速以及溫度。

1.排濕口 2.干燥室觀察口 3.進風口 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 9.物料托盤 10.出風口

1.3 干燥機熱量回收溫差發(fā)電裝置能流分析

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

圖3 干燥機熱量回收溫差發(fā)電裝置能流示意圖

1.4 干燥機熱量回收溫差發(fā)電裝置設計

干燥機熱量回收溫差發(fā)電裝置由TEG、冷卻裝置、控制模塊、DC-DC電路和蓄電池組成，整體結構如圖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TEG串聯為一組，4組并聯組成TEG組。相比于單純的串聯、并聯，串并聯混合提高系統可靠性[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.用電設備

2 加熱箱數值模擬

安裝TEG的前提是不影響原有設備正常工作，為了評估安裝TEG是否影響干燥機正常工作，本文通過計算流體力學CFD軟件Ansys Fluent對安裝溫差發(fā)電裝置前后的干燥機進行溫度場仿真。通過對比安裝TEG前后出風口截面的溫度來評估安裝TEG對干燥機是否有影響。為了降低仿真運算量，對干燥過程做以下合理的假設[26]：

1）假設加熱箱氣密性良好，不存在漏風現象；

2）假設干燥作業(yè)中通風排濕效果良好，可以順利地排出多余的高濕空氣；

3）假設加熱箱中流動的介質為高溫干空氣，可視為定常不可壓縮理想氣體；

4）在進行穩(wěn)定干燥過程時，假設干燥過程中的氣流為穩(wěn)態(tài)流動，且在加熱箱內壁面無滑移；

5）對溫差電池建模不考慮內部半導體的具體結構，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格劃分

在Soildworks軟件中建立干燥機以及水冷交換器、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，進風管尺寸為200 mm× 60 mm×100 mm，出風管由半徑110 mm的90°方管彎頭和一段200 mm×60 mm×80 mm的方管焊接而成。將三維模型導入到Spaceclaim軟件中，對計算區(qū)域進行劃分，將空氣的流動區(qū)域和溫差發(fā)電裝置的冷卻水流動區(qū)域設為流體域，加熱箱以及翅片加熱管設為固體域。對模型進行網格劃分，最終生成的網格如圖5b所示，平均偏斜率為0.25，網格質量較好，滿足后續(xù)仿真的要求。

圖5 加裝溫差發(fā)電裝置后加熱箱結構圖及網格圖

2.2 數值模型

流體流動要受質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律等3個基本物理原理控制，這3個基本物理原理分別對應3個控制方程：質量守恒方程[27]、動量守恒方程[28]和能量守恒方程[29]。

翅片加熱管加熱空氣的過程包括了湍流流動、傳熱等過程，所以需對整體系統的湍流模型和輻射模型進行求解。由于離心風機吹送的氣流場為低速、穩(wěn)態(tài)、黏性流動，所以湍流模型選擇標準-ε模型，可以保證湍流流動模擬的準確性。

氣體加熱箱內的傳熱主要為對流換熱和輻射換熱，兩種換熱方式同時進行，對流換熱主要是金屬壁面與空氣間的對流換熱，輻射換熱主要由加熱管產生。綜合考慮空氣加熱箱內部傳熱過程，本文最終選擇離散坐標輻射模型（Discrete Ordinates，DO）作為氣體加熱箱內部的輻射模型。

2.3 材料定義及邊界條件

2.3.1 材料定義

通過查閱資料[30]，定義仿真所需材料的相關參數，具體參數設置如表1所示。

表1 材料參數

2.3.2 邊界條件

根據干燥機自身特點并查閱相關文獻[31-32]，對邊界條件進行適當設置，具體如下：

1）自然對流換熱系數一般為5～10W/(m2·K)，設置為5 W/(m2·K)；

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

3）加熱箱與空氣接觸，產生對流換熱，且和其內部的加熱管發(fā)生輻射換熱,故壁面設置為混合模式（對流和輻射）Mixed；

4）進風管、出風管和水冷交換器與空氣接觸，產生對流換熱，但由于遠離加熱管，因此忽略輻射換熱，故壁面設置為對流換熱模式Convection；

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

6）出口邊界條件設置為出流邊界（Outflow）；

7）加熱管采用體積功率的形式進行設置，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。因此其體積功率設置為15 015 766 W/m3。

2.4 模擬結果及分析

圖6和圖7分別為未安裝及安裝溫差發(fā)電裝置的干燥機溫度場分布云圖。圖6a可以看出，進風管道口的氣體溫度為300 K，經過加熱管在3.0 kW功率下加熱后，氣體在出風口的溫度為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，可以利用傳熱學原理來解釋加熱箱表面溫度云圖。區(qū)域1安裝有加熱管，由于加熱管導熱系數大，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自于熱傳導，對內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自于熱輻射，會降低氣體的熱量。

圖6 未安裝溫差發(fā)電裝置的干燥機溫度場分布云圖

圖7 安裝溫差發(fā)電裝置的干燥機溫度場分布云圖

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，說明其對溫差電池存在冷卻降溫的效果。此外，通過對比安裝TEG前后出風管道口的截面上的溫度，可評估安裝TEG對干燥機是否有影響。由圖6a和圖7a可以看出，高溫區(qū)主要集中在出風管道的中心，四周溫度較低，這是由于缺少均風板等氣體分配裝置，導致加熱不均，中心區(qū)域受熱較多。在對比安裝TEG前后出風口截面的溫度時，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，因此可認為在區(qū)域1加裝溫差發(fā)電裝置不影響干燥機正常工作，下文通過試驗進一步驗證以上結論。

3 溫差發(fā)電裝置控制器設計與性能測試

3.1 控制器總體電路設計

實際干燥中，受物料干燥溫度及變風溫等干燥工藝的影響，需要適時調整加熱功率的大小。因此，溫差發(fā)電裝置冷熱端及輸出電壓并不穩(wěn)定。需要對溫差發(fā)電裝置的輸出電壓穩(wěn)壓后，才能對蓄電池充電。本文擬以STM32F334作為控制器，控制器產生DC-DC變換器所需的PWM信號，從而實現DC-DC變換功能?？刂破骺傮w電路結構圖如圖8所示，包括電源輸入、DC-DC電路、電源輸出、STM32控制器、驅動電路、電壓電流采集電路、輔助電源等。

圖8 控制器總體電路結構圖

3.2 DC-DC電路設計及仿真

根據發(fā)電模塊參數，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。由于傳統的DC-DC變換器在工作時以二極管作為續(xù)流通道，存在較大的導通損耗。因此選擇利用Mos管代替續(xù)流二極管的四開關雙向同步Buck-Boost電路，能夠顯著降低電路中的導通損耗。本文使用仿真軟件PSIM搭建了Buck-Boost電路模型進行仿真試驗，驗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，經過大約0.01 s的時間電壓即可穩(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 控制器硬件測試

制作好的控制器需經過測試，才能用于控制溫差發(fā)電輸出的電能，采用直流電源、電子負載、示波器等儀器測試控制器升降壓功能。

試驗分為兩部分，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。通過觀察示波器以及試驗結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，說明該STM32控制器升降壓性能滿足干燥機熱量溫差發(fā)電裝置的要求。

4 試驗平臺的搭建與性能測試

4.1 試驗平臺的搭建

干燥機熱量回收溫差發(fā)電試驗平臺及測試儀器實物如圖10所示。試驗平臺分為兩部分，一部分是按照研究對象參數制作的干燥機試驗樣機，另一部分是發(fā)電裝置及測量儀器。干燥機試驗樣機由離心風機、可控硅功率調節(jié)器、翅片加熱管、加熱箱和金屬通風管道組成。

1.加熱箱 2.加熱管 3.干燥機保溫層 4.金屬通風管道 5.功率調節(jié)器 6.離心風機 7.K型熱電偶測溫儀 8.電子負載 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 15.冷卻水泵 16.風溫傳感器 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）及蓄電池構成。

測量儀器有萬用表、風溫傳感器、K24流量計、K型熱電偶測溫儀及電子負載。其中，通過萬用表測量測量DC-DC輸入、輸出端的電壓；使用K型貼片式熱電偶測量TEG冷、熱端溫度；使用風溫傳感器測量出風口的風溫；使用直流電源對水泵供電的同時可直接讀出水泵電壓及其消耗的功率；使用電子負載測試發(fā)電裝置的負載特性；使用K24流量計測量冷卻水流量。

此試驗臺可以通過可控硅功率調節(jié)器調節(jié)加熱管功率的大小，模擬干燥機不同的工況（熱風溫度），較為方便地測試不同工況試驗條件下熱量回收裝置的發(fā)電性能以及參數特性。此外，連接冷卻水的管道上放置流量計，可讀出冷卻水量。

4.2 溫差發(fā)電裝置性能計算

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載情況下的電輸出性能，輸出功率與熱電轉換效率則是眾多參數中評述溫差發(fā)電裝置性能的最重要的2個參數[33]。

4.2.1 輸出功率

溫差電池是由許多的PN結串聯輸出電壓的元件，PN結熱端和冷端之間存在溫差時，其兩端會產生電壓[34]為

式中為PN結塞貝克系數；T為熱端溫度，K；T為冷端溫度，K。

輸出電壓U（V）即外加負載R的電壓

所謂信息化就是企業(yè)利用計算機、互聯網等信息技術，實現對企業(yè)運營的過程各種信息的收集、記錄、存儲、整理、分析、輸出，從而支持企業(yè)實現過程控制、結果呈現和未來預測。本文重點論述信息化手段在以下幾個方面規(guī)范混合所有制企業(yè)治理上如何發(fā)揮作用：授權體系的建立和執(zhí)行、科學決策機制和實現方法、績效評價和考核、契約化精神的執(zhí)行、監(jiān)督約束機制。

式中R為PN結內阻，Ω；R為外加負載，Ω。

當外加負載為R時，此時電流（A）即流經外加負載R的電流。

輸出功率即外加負載R消耗的功率，W。

由數學公式推導可知R=R時，最大輸出功率（max）為

4.2.2 熱電轉換效率

試驗測得溫差電池熱端、冷端溫度，熱電轉換效率（max）可通過公式（6）進行估算[35]

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

5 結果與分析

5.1 安裝溫差發(fā)電裝置對干燥機的影響評估

表2 不同加熱功率下安裝溫差電池前后干燥機的熱風溫度

5.2 干燥機不同運行工況下溫差發(fā)電性能的研究

干燥機運行工況主要是風溫、風速兩個參數。通過功率調節(jié)器控制加熱功率，從而產生不同溫度的熱空氣。此外，使用變頻器對風機進行調速，結合兩者來模擬干燥機工況。試驗工況為：在水泵功率設定為3 W的條件下，對6個檔位（0.5，1.0，1.5，2.0，2.5和3.0 kW）的加熱功率和3組不同的風速（8，10，12 m/s）進行測試，共計18組運行工況。當溫度趨于穩(wěn)定時，記錄TEG熱、冷端的溫度、TEG組開路電壓等，試驗結果如表3所示。

表3 不同運行工況下的試驗結果

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。當加熱功率為3.0 kW，風速為12 m/s時，溫差電池熱端溫度達到427.65 K，此時的TEG組的開路電壓的達到最大值23.75 V。此外，在同一加熱功率下，風速從8 m/s增加至12 m/s，TEG熱端溫度增加約2 K，這對TEG組的開路電壓影響非常小。因此，使用電子負載測量裝置的輸出特性時，將風速固定于12 m/s，測量不同加熱功率下的負載特性。圖11為不同加熱功率下溫差發(fā)電裝置輸出功率隨負載電阻的變化曲線。

圖11 不同加熱功率下輸出功率隨負載變化曲線

從圖11中可以看出，當加熱功率分別為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5和3.0 kW時，對應的溫差發(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，當負載阻值等于裝置內阻時，溫差發(fā)電裝置輸出最大功率。從圖11中可以發(fā)現，當溫差發(fā)電裝置輸出最大功率時，裝置內阻在2.6～4 Ω的范圍內波動。溫差發(fā)電裝置內阻隨熱端溫度變化如圖12所示。從圖12可以看出，溫差發(fā)電裝置的內阻會隨著熱端溫度的上升而增大。

圖12 溫差發(fā)電裝置內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)設計

將風速固定于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，對應的最優(yōu)冷卻水流量。首先對水泵參數進行測試，通過直流電源調節(jié)電壓即能改變水泵的消耗功率及水流量，水流量通過流量計測量，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，當輸出回路負載為2.63 Ω時，溫差發(fā)電裝置的輸出功率最大。首先將電子負載的阻值設定為2.63 Ω，加熱器功率設定為0.5 kW，待熱端溫度穩(wěn)定后，通過直流電源控制水泵，測試不同冷卻水流量對溫差發(fā)電性能的影響。接下來調節(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據。

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，不會趨于平緩，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應的冷卻水流量即為最優(yōu)水流量。隨著加熱功率的增加，對應的最優(yōu)水流量也逐漸增大。表4為溫差發(fā)電裝置的性能。當加熱功率分別為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5和3.0 kW時，對應的最優(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。在試驗過程中，隨著加熱功率的增大，溫差電池熱端溫度提高幅度比冷端大很多。因此，冷熱端的溫差也逐漸增大。隨著冷熱端溫差的增大，熱電轉換效率也逐漸增大，由0.92%增大至3.90%，熱電轉換效率增長明顯。

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)壓性能測試

將干燥機熱量回收溫差發(fā)電裝置的輸出端與控制器輸入端連接，測試干燥機實際工作時溫差發(fā)電裝置控制器的穩(wěn)壓性能。通過功率調節(jié)器控制加熱管的加熱功率即可改變TEG熱端溫度，試驗設置加熱功率從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。說明控制器在實際運行時穩(wěn)壓性能良好，滿足蓄電池充電條件。

表5 加熱功率對輸出電壓的影響

6 結 論

本文設計了一種干燥機熱量回收溫差發(fā)電裝置，本裝置可以回收干燥機工作時加熱箱表面的熱量。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軟件對安裝溫差電池前后的干燥機進行溫度場仿真，最后搭建試驗平臺對溫差發(fā)電裝置的發(fā)電性能進行測試，得出以下結論：

1）該系統直接利用加熱箱表面的熱量，通過試驗得出安裝溫差電池對干燥機正常工作影響不明顯，溫差電池熱端溫度最高能達到427.35 K。該系統對DC-DC電路的要求較低，且加熱箱表面相對平整，方便安裝溫差電池。

2）按照研究對象的實際參數搭建試驗平臺。測試結果表明，當加熱功率3.0 kW，風速12 m/s，水泵消耗功率約6.4 W時，裝置凈輸出功率達到25.40 W，熱電轉換效率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，對應的冷卻水流量最優(yōu)值也逐漸上升。當加熱功率3.0 kW時，對應的最優(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)電應用于干燥節(jié)能提供相關參考。目前，國外針對溫差發(fā)電的研究，不僅僅局限于發(fā)電，而是熱電聯產，即發(fā)電的同時，把冷卻水帶走的熱量儲存起來。未來可將溫差發(fā)電熱電聯產技術進一步應用于太陽能干燥設備上。一方面為應對陰天、多云等天氣，太陽能干燥設備一般會設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行發(fā)電。另一方面，太陽能干燥設備會設有儲熱水箱，因此可將溫差發(fā)電裝置冷卻水的熱量儲存至儲熱水箱中，從而實現熱電聯產。

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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. 電加熱式干燥機熱量回收溫差發(fā)電裝置設計與性能分析[J]. 農業(yè)工程學報，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)務費支持項目（1353MSYYB015）；牡丹江師范學院青年學術骨干項目（GG2018004）

王立舒，博士，教授，博士生導師，研究方向為農業(yè)電氣化與自動化；電力新能源開發(fā)與利用。Email：wanglishu@neau.edu.cn

房俊龍，博士，教授，博士生導師，研究方向為電力系統自動化、信息處理與智能測控。Email：junlongfang@126.com