發動機余熱發電系統設計說明書—畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 9） 式中： λ c 1 －導熱覆蓋基板有效熱導率； λ c2 －導流片的有效熱導率； λ c3－電偶臂有效熱導率； l c1－導熱覆蓋基板厚度； l c2－導流片厚度； lc3－電偶臂厚度； A c1－導熱覆蓋基板的面積； A c2－導流片的面積； A c3－電偶臂面積； K c1－導熱覆 蓋基板導熱率； K c2－導流層導熱率； K c3－電偶臂導熱率。 導熱覆蓋基板的材料是氧化鋁陶瓷，有效熱導率 λ c 1（ 20 W/m.℃ ～ 30 W/m.℃ ），這里設置導熱系數依次遞增 λ c 1 = 5 W/m.℃ （存在接觸間隙） 導熱覆蓋基板厚度取： l c1 = 1 mm 16 導熱覆蓋基板的面積取： A c1= 100mm*100mm 導流片的材料是銅 , 有效熱導率 λ c 2 = 401W/m.℃ （查自《傳熱學》趙鎮南 高等教育出版社 P492 附錄 3） 導流片厚度取： l c2= 1 mm 導流片面積取 : A c2= 21mm*1mm 電偶臂材料是 Bi2Se3，有效熱導率 λ c 3 = 140 W/m.℃ 電偶臂厚度取： 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 Qk= (ThTc) = K T 設：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 單個電偶臂的功率計 算和效率計算 全套圖紙及更多設計請聯系 ： 360702501按照牛頓熱力學定律，熱電發電器電偶臂兩端存在溫差時，產生熱流。電偶臂從熱源吸收的熱量為帕爾特熱、焦耳熱和傳導熱三部分之和，即： 式中： η －發電效率； P －輸出到負載上的電能； I －回路中產生的電流； Q h －熱端的熱流； Q l －低溫熱源從低溫端吸收的熱流； R L －負載電阻； R －電偶臂的內阻； α NP －塞貝克（ Seebeck）系數； K －熱傳導系數； T1 ′ －熱源溫度； T2 ′ －冷源溫度。 由電流回路， 消除未知量電流 I ，可以得到發電器的輸出功率 P 為： （ 2－ 18 12） 由上述三式可得到熱電發電器的轉換效率為 : 上述公式中，內阻 R 為 P 、 N 半導體電偶臂的電阻，其計算公式為 : （ 2－ 14） 式中： ρ N － N 型電偶臂電導率； L N － N 型電偶臂臂長； A N －N 型電偶臂截面積； ρ P － P 型電偶臂電導率； L P － P 型電偶臂臂長； P －P 型電偶臂截面積。 ρ N＝ ρ P＝ 5 根據實驗得出 L /A＝ α NP= － 200（ μv/℃ ） R＝ Ω T1 ′ ＝ 800℃ － ℃ － ℃ ＝ ℃ T2 ′ ＝ ℃ － ℃ ＝ ℃ T1 ′ － T2 ′ ＝ ℃ 當 R L＝ R 時，功率最大 19 所以： 余熱發電系統的功率與效率的理論計算 熱電發電器電偶臂截面尺寸為 3mm 3mm，高度為 ，電偶臂對數 199 對。 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：忽略熱的損耗，則 Q水 ＝ Q氣 Q= C*M* ＝ C*ρ *V* =C*ρ *v*s*t* 設： S 水道 ＝ S 氣道 t1 ＝ t2 則 C1*ρ 1*q1* 1＝ C2*ρ 2*v 2* 2 現 在 假 設 有 三 個 模 塊 組 成 余 熱 發 電 系 統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 余熱發電系統 的設計 發生器結構分析 全套圖紙及更多設計請聯系 ： 360702501歸納起來在目前研究和應用比較普遍和成功的結構上，熱電發電器主要有微卷式，熱電堆和薄膜熱電發電器等等幾種結構。我們在這里選擇 3種來進行說明講解，再進行性能和優、缺點比較從而選出我們所需要的發生器類型來進行研究分析和優化。 美國普林斯頓大學研究的方案 圖 31 SWISS ROLL 在此裝置中，雙盤旋的管道是燃氣化學反應的場所，所以稱為SWISS ROLL，我們也稱為微卷式電熱發生器，他的尺寸大小大約為**5mm，材料為氧化鋁陶瓷，通過 Daestro 微加工方法實現三維實物，管道寬度為 ,燃料和空氣由泵注入通道，在Swiss Roll 中心通過兩個電極點燃，引發燃料的持續燃燒．燃料燃 22 燒后的廢氣通過管道排出。普林斯頓大學研究了包括氫、甲烷、甲醇和乙醇等燃料，由于大部分的燃料進行持續催化燃燒需要一定的初始溫度（ 300oC 以上）才能持續燃燒，需要通過其他熱源進行預熱，其中氫氣可在室溫下開始催化反應．研究還表明在 300oC 以上時，氫氣和空氣的混合氣可以在較大范圍的比例下反應，反 應產生的熱量從 2瓦到 12 瓦，經過熱電轉換，能點燃 100 毫瓦的燈泡。 與此相類似的還有南加州大學的方案，他們運用的也是 Swills Roll 的結構，是名叫 Microfire 的微型電源系統，他是用電化學微機械加工技術（ EFAB）將微燃機。微熱發電機和熱交換器集成在一個微器件中。他們設計了微型和中型的兩種方案，如下圖 圖 32 Swiss Roll 的 2 維和 3 維的結構模型 這就是這種 Swiss Roll 的 2 維和 3 維的結構模型。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 定發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行相關 23 實驗分析發電器中，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、長時間停留、低溫，高速流動、短時間停留、高溫兩種情況，獲得了 詳細的無焰燃燒可持續進行的溫度范圍，以及在結構中的溫度分布仿真。得到的仿真結果如圖 33所示。 圖 33 Swiss Roll溫度分布仿真 實驗研究還表明，三維的 Swiss Roll 結構能減少熱量的損失 美國普林斯頓大學研究的方案 這是由德 國斯圖加特大學研制的 InPlane 微型熱電發生器，如下圖 24 圖 34 InPlane 微型熱電發生器 InPlane 型微熱電發電器件的結構可以用 IC 的薄膜工藝，方便地形成半導體電偶臂之間的金屬電連接導流層，因而與標準 IC 工藝兼容。英國 Cardiff 大學的熱電研究中心先后采用藍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電器件。其測試器件大小為 ： 5mm*10mm*，為了測試的目的，內含不同數量和尺寸的熱電臂。測試結果表明，每個長、寬、高分別為 450μm, 100μm, 的熱電偶在兩種薄膜材料內的塞貝克電壓都可以達到 。使用熱導率較低的石英時，由于襯底熱泄露大大降低，器件能量轉換效率可提高 50 倍 ,德國斯圖加特大學用晶體硅微加工