发动机余热发电系统设计说明书—毕业设计

发动机余热发电系统设计说明书—毕业设计内容摘要：

9） 式中： λ c 1 －导热覆盖基板有效热导率； λ c2 －导流片的有效热导率； λ c3－电偶臂有效热导率； l c1－导热覆盖基板厚度； l c2－导流片厚度； lc3－电偶臂厚度； A c1－导热覆盖基板的面积； A c2－导流片的面积； A c3－电偶臂面积； K c1－导热覆 盖基板导热率； K c2－导流层导热率； K c3－电偶臂导热率。 导热覆盖基板的材料是氧化铝陶瓷，有效热导率 λ c 1（ 20 W/m.℃ ～ 30 W/m.℃ ），这里设置导热系数依次递增 λ c 1 = 5 W/m.℃ （存在接触间隙） 导热覆盖基板厚度取： l c1 = 1 mm 16 导热覆盖基板的面积取： A c1= 100mm*100mm 导流片的材料是铜 , 有效热导率 λ c 2 = 401W/m.℃ （查自《传热学》赵镇南 高等教育出版社 P492 附录 3） 导流片厚度取： l c2= 1 mm 导流片面积取 : A c2= 21mm*1mm 电偶臂材料是 Bi2Se3，有效热导率 λ c 3 = 140 W/m.℃ 电偶臂厚度取： l c3= mm 电偶臂面积取 : A c3= 3mm*3mm 所以： K c1 = = 50 W/℃ K c2 = = W/℃ K c3 = = W/℃ Kａ = = W/℃ 傅立叶效应 Qk= (ThTc) = K T 设：热端温度启始为 800℃ 冷端温度为 20℃ 所以： Qk总 = Kａ T总 = W/℃ * 780℃ = W Qk1= K c1 T1 = Qk2= K c2 T2 = Qk3= K c3 T3 = Qk总 = 所以： T1 = ℃ T2 = ℃ T3 = ℃ 17 单个电偶臂的功率计 算和效率计算 全套图纸及更多设计请联系 ： 360702501按照牛顿热力学定律，热电发电器电偶臂两端存在温差时，产生热流。 电偶臂从热源吸收的热量为帕尔特热、焦耳热和传导热三部分之和，即： 式中： η －发电效率； P －输出到负载上的电能； I －回路中产生的电流； Q h －热端的热流； Q l －低温热源从低温端吸收的热流； R L －负载电阻； R －电偶臂的内阻； α NP －塞贝克（ Seebeck）系数； K －热传导系数； T1 ′ －热源温度； T2 ′ －冷源温度。 由电流回路， 消除未知量电流 I ，可以得到发电器的输出功率 P 为： （ 2－ 18 12） 由上述三式可得到热电发电器的转换效率为 : 上述公式中，内阻 R 为 P 、 N 半导体电偶臂的电阻，其计算公式为 : （ 2－ 14） 式中： ρ N － N 型电偶臂电导率； L N － N 型电偶臂臂长； A N －N 型电偶臂截面积； ρ P － P 型电偶臂电导率； L P － P 型电偶臂臂长； P －P 型电偶臂截面积。 ρ N＝ ρ P＝ 5 根据实验得出 L /A＝ α NP= － 200（ μv/℃ ） R＝ Ω T1 ′ ＝ 800℃ － ℃ － ℃ ＝ ℃ T2 ′ ＝ ℃ － ℃ ＝ ℃ T1 ′ － T2 ′ ＝ ℃ 当 R L＝ R 时，功率最大 19 所以： 余热发电系统的功率与效率的理论计算 热电发电器电偶臂截面尺寸为 3mm 3mm，高度为 ，电偶臂对数 199 对。 选择开始水温为： 20 ℃ 水的流量为： q1 ＝ v1*s 末温为 25℃ 选择尾气 温度为： 800℃ 尾气的流速为： v2＝ 3 m/s 末温为100℃ 水的比热 C1＝ 4200 j/kg*℃ 尾气的比热 C2=1003 j/kg*℃ 水的密度 ρ1 ＝ 1000kg/ 尾气的密度 ρ1 ＝假设：忽略热的损耗，则 Q水 ＝ Q气 Q= C*M* ＝ C*ρ *V* =C*ρ *v*s*t* 设： S 水道 ＝ S 气道 t1 ＝ t2 则 C1*ρ 1*q1* 1＝ C2*ρ 2*v 2* 2 现 在 假 设 有 三 个 模 块 组 成 余 热 发 电 系 统P= = 20 = C M C ρ V =C ρ v s（通气管道截面积）t 选择尾气温度为： 800℃ 末温为 100℃ 尾气的比热 C2=1003 j/kg*℃ 尾气的密度 ρ 1＝ kg/ 尾气的流速为： v2＝ 1 m/s t= = = s s（通气管道截面积） = = = 700 ℃ = C M C ρ V =C ρ v s t W = 21 第 3 章 余热发电系统 的设计 发生器结构分析 全套图纸及更多设计请联系 ： 360702501归纳起来在目前研究和应用比较普遍和成功的结构上，热电发电器主要有微卷式，热电堆和薄膜热电发电器等等几种结构。 我们在这里选择 3种来进行说明讲解，再进行性能和优、缺点比较从而选出我们所需要的发生器类型来进行研究分析和优化。 美国普林斯顿大学研究的方案 图 31 SWISS ROLL 在此装置中，双盘旋的管道是燃气化学反应的场所，所以称为SWISS ROLL，我们也称为微卷式电热发生器，他的尺寸大小大约为**5mm，材料为氧化铝陶瓷，通过 Daestro 微加工方法实现三维实物，管道宽度为 ,燃料和空气由泵注入通道，在Swiss Roll 中心通过两个电极点燃，引发燃料的持续燃烧．燃料燃 22 烧后的废气通过管道排出。 普林斯顿大学研究了包括氢、甲烷、甲醇和乙醇等燃料，由于大部分的燃料进行持续催化燃烧需要一定的初始温度（ 300oC 以上）才能持续燃烧，需要通过其他热源进行预热，其中氢气可在室温下开始催化反应．研究还表明在 300oC 以上时，氢气和空气的混合气可以在较大范围的比例下反应，反 应产生的热量从 2瓦到 12 瓦，经过热电转换，能点燃 100 毫瓦的灯泡。 与此相类似的还有南加州大学的方案，他们运用的也是 Swills Roll 的结构，是名叫 Microfire 的微型电源系统，他是用电化学微机械加工技术（ EFAB）将微燃机。 微热发电机和热交换器集成在一个微器件中。 他们设计了微型和中型的两种方案，如下图 图 32 Swiss Roll 的 2 维和 3 维的结构模型 这就是这种 Swiss Roll 的 2 维和 3 维的结构模型。 研究人员通过控制气体燃料的流入来改变火焰燃烧温度，采用热电偶测 定发电器不同位置的温度，并通过气相色谱仪分析燃烧后的气体成分来进行相关 23 实验分析发电器中，微型和中型燃烧器的管径分别问 和 3mm,分别研究了低速流动、长时间停留、低温，高速流动、短时间停留、高温两种情况，获得了 详细的无焰燃烧可持续进行的温度范围，以及在结构中的温度分布仿真。 得到的仿真结果如图 33所示。 图 33 Swiss Roll温度分布仿真 实验研究还表明，三维的 Swiss Roll 结构能减少热量的损失 美国普林斯顿大学研究的方案 这是由德 国斯图加特大学研制的 InPlane 微型热电发生器，如下图 24 图 34 InPlane 微型热电发生器 InPlane 型微热电发电器件的结构可以用 IC 的薄膜工艺，方便地形成半导体电偶臂之间的金属电连接导流层，因而与标准 IC 工艺兼容。 英国 Cardiff 大学的热电研究中心先后采用蓝宝石上的硅膜和石英上的多晶硅膜作为热电材料，制作了为心脏起搏器供电的微型热电发电器件。 其测试器件大小为 ： 5mm*10mm*，为了测试的目的，内含不同数量和尺寸的热电臂。 测试结果表明，每个长、宽、高分别为 450μm, 100μm, 的热电偶在两种薄膜材料内的塞贝克电压都可以达到。 使用热导率较低的石英时，由于衬底热泄露大大降低，器件能量转换效率可提高 50 倍 ,德国斯图加特大学用晶体硅微加工。