废热温差发电器驱动的电化学制冷系统研究

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1、废热温差发电器驱动的电化学制冷系统研究摘要：提出了利用废热（工业余热、尾气余热等）温差发电器驱动的电化学制冷系统，并建立数学物理模型，分别研究废热温度和环境温度的变化对系统功率消耗、热效率、制冷率和性能系数的影响。温差发电器性能的模型计算值与文献测试值误差在6.8%以内；随着废热温度的增加，系统的输出功率、热效率和制冷率随之增加，但性能系数急剧减小；随着环境温度的增加，系统热效率和制冷率逐渐降低，但电压和性能系数逐渐增加；虽然HZ-2型系统的热电转换性能处于劣势，但其体积和重量明显减小，更适合在汽车、卫星等领域的应用。关键词

2、：废热，温差发电器，模型验证，电化学制冷，性能系数0前言随着我国经济的发展，能源生产和消费与环境污染之间的矛盾不断增加，如何提高能源的利用率引起了广泛关注，其中余热回收利用是最有效的手段。在我国火力发电、冶金、水泥等行业的生产中，约20~50%的输入能源作为未被利用的能量损失掉，这些能量属于中、低温热源，温度一般低于370℃，可以被进一步利用[1]。温差发电结构(TEGs)简单、无噪声、使用寿命长，是被公认的绿色环保发电方式，在低品位工业余热回收方面有着独特的优势。同时，我国的汽车保有量很大，发动机的效率约为30~50%，而

3、废气带走的热量占燃料总热值的25%~40%，有很大的回收利用潜力[2]。利用温差发电技术可以将高温尾气的热能转换成电能，不仅提高了燃油利用率也减少了环境污染。目前温差发电的效率普遍在2%~10%，这主要是因为目前使用最广泛的热电材料Bi2Te3的ZT值一般小于2，若材料的ZT值能达到3，则其效率可以与传统的发电方式媲美[3]。制冷设备是人们日常使用最多的耗能装置之一，日常消耗电能的15%被用来制冷。其中使用最广泛的蒸汽压缩式制冷循环，其工质常为有机含氯工质，对臭氧层的危害大，且压缩机工作时有较大的噪声和震动[4]。近年来，电

4、化学反应的热电效应被用于构建热力学循环来回收低品位余热。电化学循环(TREC)中的电池在不同的温度下充电和放电，从而对外输出功，其循环为类斯特林循环，效率可达卡诺效率的40%~50%[5]。Lee等[6]通过实验研究了利用电化学循环来回收低温热能，循环工作温度在10℃和60℃之间时，效率达到5.7%。Yang等[7]对传统的电化学循环进行了改进，提出了一个不需要充电的电化学循环，当循环工作温度在20℃和60℃之间时，效率为2%，并进一步提出了一个电池不需要分离膜的电化学循环，循环工作温度在15℃和55℃之间时，其效率为3.5

5、%[8]。隆瑞等[9,10]对电化学循环的性能进行了优化分析，提出了电化学材料和换热器的选择原则。12此外其还利用电化学热机回收质子交换膜燃料的热量，并对其进行了多目标优化分析[11,12]。电化学循环的逆循环为电化学制冷循环(TRER)。隆瑞等[13]提出了利用太阳能光伏(PV)电池来驱动的电化学制冷系统(TRER)，优化结果表明，该系统在一天中运行性能稳定，在偏远地区和外太空具有很好的应用前景。温差发电器和电化学制冷机都无运动部件，安全可靠，在某些场合比蒸汽压缩循环更有优势。因此，本文提出利用温差发电器驱动的电化学制冷系

6、统来回收工业余热和尾气余热的热能，并建立相应的数学模型，分别研究废热温度和环境温度的变化对系统功率消耗、热效率、制冷率和性能系数的影响，为该系统的实际应用提供参考。1温差发电器驱动的电化学制冷系统废热温差发电器驱动的电化学制冷系统示意图如图1所示。系统由温差发电器组件（TEGs）)和回热电化学制冷机（TRER）组成。温差发电器将废热（工业余热、尾气余热等）的热能转换为电能，来驱动电化学制冷机系统的运行。系统中温差发电组件由热电模块、热源、冷源组成。热电模块由金属导流片、多对P型和N型半导体热电材料组成的热电臂对、电绝缘的陶瓷

7、基板等部分组成。热电模块一端与高温热源（废热）接触，另一端与低温热源（环境）接触并开路，利用温差直接产生电能。在P型（N型）半导体中，由于热激发作用较强，高温端的空穴（电子）浓度比低温端高，因此在浓度差的作用下，空穴（电子）会从高温端向低温端扩散，从而在低温端的开路中形成电动势。电化学制冷系统由一个与环境相接触的高温电池和一个与冷库接触的低温电池组成。电池系统也集成了换热器功能分别实现与冷库和热源的换热。电解质在这两个电池之间往复循环，中间离子分别在高温端和低温端与电极交换电子，从而在外电路中形成电流。高温电池和低温电池中分

8、别有一个离子分隔膜为防止反应物没有通过外电路交换电子而混合反应[13]。电化学制冷机循环的T-S图如图2所示，系统由四个过程组成：放电、加热、充电、冷却过程。在过程1-2中，电池向冷库吸热，电解质发生电化学反应并放电。过程3-4中，电池向环境放热，电池充电。循环结束后，电池恢复到其初始状态