马宗正，马登军，王士龙，赵亚兵，王志强，郝刘涛

(河南工程学院 机械工程学院，河南 郑州 451191)

冷库等场所的冷冻产品一般采用自来水冲洗的方法解冻，解冻后的自来水会以废水的形式直接排放[1-3]，此时废水的温度较低，蕴藏着大量的低温能量即冷能。文献[4]表明在冷冻产品的解冻过程中，1 t产品的温度从-18 ℃上升到5 ℃能够释放387 000 kJ的冷能，如果回收这部分能量则将产生非常可观的效益。

目前冷能的利用形式较为多样，包括深冷空气分离[5]、冷冻仓库[6]、干冰制造[7]、海水淡化[8]、发电[9-10]等低温能量回收方法，其中温差发电方法能够基于塞贝克效应直接把温差转变为电能，具有无振动、无污染等特点，有着较为广泛的应用[11]。特别是针对LNG冷能的回收，Sun等[12]研究表明，当冷端温度为130 K、热端温度为290 K 时，温差发电系统的热转换效率能够达到9%，表明低温条件下温差发电效率比常温下更高，同时输出电动势受到冷端温度的影响。在采用上述相同材料时，文献[13]的研究结果表明当冷端温度为-70～-60 ℃时，温差发电系统的输出电动势最大。Zhao等[14]将温差发电技术与LNG 空气加热蒸发器相结合，液相区和两相区的发电效率约为3.48%，与采用热电发电装置的空温式汽化器相比，该装置的气化过程缩短了77.6%，总产量大幅提升。

虽然解冻温差发电能够收获可重复利用的能源，但目前尚未见此类装置设计的相关报道。因此，设计一款解冻冷源能量回收的温差发电模拟实验装置，对研究解冻冷源能量回收有着重要意义。

1 模拟实验台的总体结构

该模拟实验台设计的基本思路是让与解冻水性质相同的流体循环起来，形成温差发电器的冷端，采用散热器从周围环境中吸收热量，形成温差发电器的热端，从而在温差发电器两端形成温差，能够对外输出电能。

图1 解冻冷能回收模拟实验台Fig.1 Diagram of LNG cold energy recovery simulation system

模拟实验装置包括3个部分(如图1所示)：温差发电系统、解冻水模拟系统和测量显示系统。其中：测量显示系统用于测量温差发电器冷端和热端的温度，由传感器、数显仪表组成；温差发电器基于温差发电片实现能量的转化，将热能转化为电能，主要由温差发电片、集热器和散热片组成；解冻水模拟系统用于模拟冷冻产品解冻过程中的低温水，主要由保温桶、水泵组成。

2 模拟实验台的设计

2.1 解冻水模拟系统

冷库等场所的冷冻产品一般采用自来水冲洗的方法进行解冻，所以一般解冻水呈现冰水混合物的状态。通过在保温桶中加冰块的方式模拟解冻水，在实验过程中有专人观察保温桶内部的冰块情况，确保其为冰水混合物状态。

整个解冻水循环管路如图2所示，主要由基础支架(作为各个部件安装的载体)、保温桶(储存冷源)、连接管(负责冷源的输送)等组成。

同时，为了能够让集热器和保温桶内部的状态保持一致，利用水泵泵水的方式将保温桶内部的冰水导入集热器中。由于冰的密度小于水，冰会悬浮在水的上部，所以把泵的进水口开在保温桶的底部，确保不会有冰堵塞管路，本实验选用电动定量泵，出水量为200 L/min。

2.2 温差发电系统

温差发电器的基本功能是实现冷能和热能的收集，并在温差发电模块两端形成温差，目前一般采用类似三明治的结构，即温差发电片处于中间，冷源和热源分别在温差发电片的两侧(此时要注意温差发电片的正反面)，收集冷能的部分为集热器，收集热能的部分为散热器，具体如图3所示。同时，为了增加温差发电片的布置数量，集热器一般采用立方体结构，使冰水混合物可从其内部流过，在其两面都布置温差发电片，散热器选择与温差发电片尺寸一致的散热片。

图2 解冻水箱Fig.2 Thawing tank

图3 温差发电器模型Fig.3 Schematic of thermo generator model

集热器尺寸为500 mm×350 mm×20 mm，温差发电片尺寸为40 mm×40 mm×2.8 mm，散热片尺寸为40 mm×40 mm×5 mm，单面集热器可以布置25片温差发电片，两面共计50片，具体布置结构见图4。

集热器内部结构对于其表面温度的均匀性有着较大影响，为了便于加工，本设计参考文献[11]，采用了空腔结构。

2.3 测量显示系统

如前所述，测量显示系统的基本作用是完成对温差发电器冷端温度、热端温度、解冻水温度、输出电压、输出电流等数据的测量，其中温差发电器冷端温度、热端温度、解冻水温度采用热电偶测量。为了减少热电偶对测试过程的影响，本设计采用扁平热电偶，即台湾泰仕公司生产的扁平K型热电偶，该热电偶的测试端宽度只有3.7 mm，厚度只有0.28 mm，输出电压和电流用万用表测量，采用的是胜利仪器公司生产的VC890C+型万用表，完成的实物如图5所示。为了能够演示输出电能，增加了一个12 V的白炽灯，通过亮度变化来展现输出电能的变化。

图4 温差发电器Fig.4 Thermo generator

图5 展示电能输出的白炽灯Fig.5 The light of showing power output

3 实验结果

在完成实验装置的组装后进行了相关实验，实验过程中，保持冰水混合物的流量不变且外部无风，考察了温差发电片冷端温度和热端温度的变化情况，以及冷端温度变化对温差发电片电压造成的影响。为了能够进行定量分析，只对单片温差发电片进行了测量，温差发电片热端温度、冷端温度和电压的变化情况如表1所示。

由表1可知，随着冰的不断解冻，冷端和热端温度逐渐趋近，热端温度从11.7 ℃降至7.8 ℃，冷端温度从3.6 ℃升至9.7 ℃，与此同时产生的电压也逐渐变小。原因在于温差发电片自身有一定的导热性能，冷端和热端的距离较短，也可以通过周围的空气传递热量，从而使得冷端和热端的温度同时升高。实验结果也表明，采用温差发电技术进行冷冻水的能量回收是可行的，但是如果不采用其他辅助方式，温差发电片两端温差较小。

实验还对温差和输出电压之间的关系进行了研究，结果如图6所示。由图6可知，输出电压随着温差的升高而升高，当温差为2 ℃时输出电压为70.8 mV，当温差为7.6 ℃时输出电压为190.0 mV，温差和输出电压基本成正比。利用拟合法可得到拟合曲线为y=15.15+23.28x，其中y表示输出电压(mV)，x表示温差(℃)。

表1 温差对电压的影响Tab.1 Effort of temperature difference on voltage

图6 温差对电压的影响Fig.6 Effort of temperature difference on voltage

由此可见，温差发电片的塞贝克系数在低温条件下基本保持不变，在实际使用过程中，输出电压的数值可以直接利用塞贝克系数与温差的乘积得到。

4 结语

针对冷库等场所的解冻水，设计了一款节能冷能温差发电模拟实验装置，并在其基础上进行了相关实验，实验结果表明输出电压随着温差的升高而升高，温差和输出电压基本成正比。要实现实际生产应用，还需要考虑提高温差发电片两端的温差，比如利用自然风等。