發(fā)動(dòng)機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明書—畢業(yè)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2024-12-29 16:37 本頁面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 9） 式中： λ c 1 －導(dǎo)熱覆蓋基板有效熱導(dǎo)率； λ c2 －導(dǎo)流片的有效熱導(dǎo)率； λ c3－電偶臂有效熱導(dǎo)率； l c1－導(dǎo)熱覆蓋基板厚度； l c2－導(dǎo)流片厚度； lc3－電偶臂厚度； A c1－導(dǎo)熱覆蓋基板的面積； A c2－導(dǎo)流片的面積； A c3－電偶臂面積； K c1－導(dǎo)熱覆 蓋基板導(dǎo)熱率； K c2－導(dǎo)流層導(dǎo)熱率； K c3－電偶臂導(dǎo)熱率。 導(dǎo)熱覆蓋基板的材料是氧化鋁陶瓷，有效熱導(dǎo)率 λ c 1（ 20 W/m.℃ ～ 30 W/m.℃ ），這里設(shè)置導(dǎo)熱系數(shù)依次遞增 λ c 1 = 5 W/m.℃ （存在接觸間隙） 導(dǎo)熱覆蓋基板厚度?。?l c1 = 1 mm 16 導(dǎo)熱覆蓋基板的面積取： A c1= 100mm*100mm 導(dǎo)流片的材料是銅 , 有效熱導(dǎo)率 λ c 2 = 401W/m.℃ （查自《傳熱學(xué)》趙鎮(zhèn)南 高等教育出版社 P492 附錄 3） 導(dǎo)流片厚度?。?l c2= 1 mm 導(dǎo)流片面積取 : A c2= 21mm*1mm 電偶臂材料是 Bi2Se3，有效熱導(dǎo)率 λ c 3 = 140 W/m.℃ 電偶臂厚度?。?l c3= mm 電偶臂面積取 : A c3= 3mm*3mm 所以： K c1 = = 50 W/℃ K c2 = = W/℃ K c3 = = W/℃ Kａ = = W/℃ 傅立葉效應(yīng) Qk= (ThTc) = K T 設(shè)：熱端溫度啟始為 800℃ 冷端溫度為 20℃ 所以： Qk總 = Kａ T總 = W/℃ * 780℃ = W Qk1= K c1 T1 = Qk2= K c2 T2 = Qk3= K c3 T3 = Qk總 = 所以： T1 = ℃ T2 = ℃ T3 = ℃ 17 單個(gè)電偶臂的功率計(jì) 算和效率計(jì)算 全套圖紙及更多設(shè)計(jì)請(qǐng)聯(lián)系 ： 360702501按照牛頓熱力學(xué)定律，熱電發(fā)電器電偶臂兩端存在溫差時(shí)，產(chǎn)生熱流。電偶臂從熱源吸收的熱量為帕爾特?zé)帷⒔苟鸁岷蛡鲗?dǎo)熱三部分之和，即： 式中： η －發(fā)電效率； P －輸出到負(fù)載上的電能； I －回路中產(chǎn)生的電流； Q h －熱端的熱流； Q l －低溫?zé)嵩磸牡蜏囟宋盏臒崃鳎? R L －負(fù)載電阻； R －電偶臂的內(nèi)阻； α NP －塞貝克（ Seebeck）系數(shù)； K －熱傳導(dǎo)系數(shù)； T1 ′ －熱源溫度； T2 ′ －冷源溫度。 由電流回路， 消除未知量電流 I ，可以得到發(fā)電器的輸出功率 P 為： （ 2－ 18 12） 由上述三式可得到熱電發(fā)電器的轉(zhuǎn)換效率為 : 上述公式中，內(nèi)阻 R 為 P 、 N 半導(dǎo)體電偶臂的電阻，其計(jì)算公式為 : （ 2－ 14） 式中： ρ N － N 型電偶臂電導(dǎo)率； L N － N 型電偶臂臂長(zhǎng)； A N －N 型電偶臂截面積； ρ P － P 型電偶臂電導(dǎo)率； L P － P 型電偶臂臂長(zhǎng)； P －P 型電偶臂截面積。 ρ N＝ ρ P＝ 5 根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出 L /A＝ α NP= － 200（ μv/℃ ） R＝ Ω T1 ′ ＝ 800℃ － ℃ － ℃ ＝ ℃ T2 ′ ＝ ℃ － ℃ ＝ ℃ T1 ′ － T2 ′ ＝ ℃ 當(dāng) R L＝ R 時(shí)，功率最大 19 所以： 余熱發(fā)電系統(tǒng)的功率與效率的理論計(jì)算 熱電發(fā)電器電偶臂截面尺寸為 3mm 3mm，高度為 ，電偶臂對(duì)數(shù) 199 對(duì)。 選擇開始水溫為： 20 ℃ 水的流量為： q1 ＝ v1*s 末溫為 25℃ 選擇尾氣 溫度為： 800℃ 尾氣的流速為： v2＝ 3 m/s 末溫為100℃ 水的比熱 C1＝ 4200 j/kg*℃ 尾氣的比熱 C2=1003 j/kg*℃ 水的密度 ρ1 ＝ 1000kg/ 尾氣的密度 ρ1 ＝假設(shè)：忽略熱的損耗，則 Q水 ＝ Q氣 Q= C*M* ＝ C*ρ *V* =C*ρ *v*s*t* 設(shè)： S 水道 ＝ S 氣道 t1 ＝ t2 則 C1*ρ 1*q1* 1＝ C2*ρ 2*v 2* 2 現(xiàn) 在 假 設(shè) 有 三 個(gè) 模 塊 組 成 余 熱 發(fā) 電 系 統(tǒng)P= = 20 = C M C ρ V =C ρ v s（通氣管道截面積）t 選擇尾氣溫度為： 800℃ 末溫為 100℃ 尾氣的比熱 C2=1003 j/kg*℃ 尾氣的密度 ρ 1＝ kg/ 尾氣的流速為： v2＝ 1 m/s t= = = s s（通氣管道截面積） = = = 700 ℃ = C M C ρ V =C ρ v s t W = 21 第 3 章 余熱發(fā)電系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) 發(fā)生器結(jié)構(gòu)分析 全套圖紙及更多設(shè)計(jì)請(qǐng)聯(lián)系 ： 360702501歸納起來在目前研究和應(yīng)用比較普遍和成功的結(jié)構(gòu)上，熱電發(fā)電器主要有微卷式，熱電堆和薄膜熱電發(fā)電器等等幾種結(jié)構(gòu)。我們?cè)谶@里選擇 3種來進(jìn)行說明講解，再進(jìn)行性能和優(yōu)、缺點(diǎn)比較從而選出我們所需要的發(fā)生器類型來進(jìn)行研究分析和優(yōu)化。 美國普林斯頓大學(xué)研究的方案 圖 31 SWISS ROLL 在此裝置中，雙盤旋的管道是燃?xì)饣瘜W(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，所以稱為SWISS ROLL，我們也稱為微卷式電熱發(fā)生器，他的尺寸大小大約為**5mm，材料為氧化鋁陶瓷，通過 Daestro 微加工方法實(shí)現(xiàn)三維實(shí)物，管道寬度為 ,燃料和空氣由泵注入通道，在Swiss Roll 中心通過兩個(gè)電極點(diǎn)燃，引發(fā)燃料的持續(xù)燃燒．燃料燃 22 燒后的廢氣通過管道排出。普林斯頓大學(xué)研究了包括氫、甲烷、甲醇和乙醇等燃料，由于大部分的燃料進(jìn)行持續(xù)催化燃燒需要一定的初始溫度（ 300oC 以上）才能持續(xù)燃燒，需要通過其他熱源進(jìn)行預(yù)熱，其中氫氣可在室溫下開始催化反應(yīng)．研究還表明在 300oC 以上時(shí)，氫氣和空氣的混合氣可以在較大范圍的比例下反應(yīng)，反 應(yīng)產(chǎn)生的熱量從 2瓦到 12 瓦，經(jīng)過熱電轉(zhuǎn)換，能點(diǎn)燃 100 毫瓦的燈泡。 與此相類似的還有南加州大學(xué)的方案，他們運(yùn)用的也是 Swills Roll 的結(jié)構(gòu)，是名叫 Microfire 的微型電源系統(tǒng)，他是用電化學(xué)微機(jī)械加工技術(shù)（ EFAB）將微燃機(jī)。微熱發(fā)電機(jī)和熱交換器集成在一個(gè)微器件中。他們?cè)O(shè)計(jì)了微型和中型的兩種方案，如下圖 圖 32 Swiss Roll 的 2 維和 3 維的結(jié)構(gòu)模型 這就是這種 Swiss Roll 的 2 維和 3 維的結(jié)構(gòu)模型。研究人員通過控制氣體燃料的流入來改變火焰燃燒溫度，采用熱電偶測(cè) 定發(fā)電器不同位置的溫度，并通過氣相色譜儀分析燃燒后的氣體成分來進(jìn)行相關(guān) 23 實(shí)驗(yàn)分析發(fā)電器中，微型和中型燃燒器的管徑分別問 和 3mm,分別研究了低速流動(dòng)、長(zhǎng)時(shí)間停留、低溫，高速流動(dòng)、短時(shí)間停留、高溫兩種情況，獲得了 詳細(xì)的無焰燃燒可持續(xù)進(jìn)行的溫度范圍，以及在結(jié)構(gòu)中的溫度分布仿真。得到的仿真結(jié)果如圖 33所示。 圖 33 Swiss Roll溫度分布仿真 實(shí)驗(yàn)研究還表明，三維的 Swiss Roll 結(jié)構(gòu)能減少熱量的損失 美國普林斯頓大學(xué)研究的方案 這是由德 國斯圖加特大學(xué)研制的 InPlane 微型熱電發(fā)生器，如下圖 24 圖 34 InPlane 微型熱電發(fā)生器 InPlane 型微熱電發(fā)電器件的結(jié)構(gòu)可以用 IC 的薄膜工藝，方便地形成半導(dǎo)體電偶臂之間的金屬電連接導(dǎo)流層，因而與標(biāo)準(zhǔn) IC 工藝兼容。英國 Cardiff 大學(xué)的熱電研究中心先后采用藍(lán)寶石上的硅膜和石英上的多晶硅膜作為熱電材料，制作了為心臟起搏器供電的微型熱電發(fā)電器件。其測(cè)試器件大小為 ： 5mm*10mm*，為了測(cè)試的目的，內(nèi)含不同數(shù)量和尺寸的熱電臂。測(cè)試結(jié)果表明，每個(gè)長(zhǎng)、寬、高分別為 450μm, 100μm, 的熱電偶在兩種薄膜材料內(nèi)的塞貝克電壓都可以達(dá)到 。使用熱導(dǎo)率較低的石英時(shí)，由于襯底熱泄露大大降低，器件能量轉(zhuǎn)換效率可提高 50 倍 ,德國斯圖加特大學(xué)用晶體硅微加工
公司管理相關(guān)推薦
鄂ICP備17016276號(hào)-1