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船用發(fā)動機余熱回收利用 余熱發(fā)電背景 在社會經(jīng)濟發(fā)展的同時 無法避免對環(huán)境的污染 在當今社會 交通工具不論是在生活中還是在生產(chǎn)中 都是必不可少的重要組成 比如輪船 汽車 飛機等等 在這些交通工具里面 最重要的部件就是發(fā)動機 其應(yīng)用范圍非常廣泛 不論是汽車 輪船還是飛機 發(fā)動機都起著不可代替的作用 隨著交通工具數(shù)量的增加 發(fā)動機的數(shù)量也隨之上升 而由于這樣的原因 熱排放量也每年逐漸提升 慢慢的影響到了人類的生產(chǎn)發(fā)展 我們一方面除了要發(fā)展經(jīng)濟以外 同時要注意對環(huán)境的保護和對資源的回收利用 提高能源的利用率 最大化的減小損失 所以 能源是中國社會更好進步的要害 提高能源的利用率 有效的回收利用二次能源是當今社會生產(chǎn)和發(fā)展的重要條件 余熱發(fā)電現(xiàn)狀 目前在微電子發(fā)電機研究方面 國外微電子發(fā)電機的理論具有代表性的是普林斯頓大學(xué) 南加州大學(xué)和密歇根大學(xué) 美國的研究成果大多集中在日本的廢熱使用研究的軍事 我國現(xiàn)階段狀況 熱電是可逆的 熱電發(fā)電和半導(dǎo)體冷卻是熱電現(xiàn)象的兩個方面 相互可逆 一般是PN結(jié) 假設(shè)溫差可以用來發(fā)電 若是電源 可以在一端使用冷源 然而溫差發(fā)電 這幾乎是一個空白 這是因為我國在軍事高科技研發(fā)能力相對落后 現(xiàn)階段隨著何種學(xué)術(shù)互補 我國許多學(xué)者對外接觸相干技術(shù) 在以后的發(fā)展中 這種情況一定會逐漸改善 余熱發(fā)電基礎(chǔ)原理 余熱發(fā)電理論基礎(chǔ) 賽貝克效應(yīng) 法國物理學(xué)家T J eebeck在1821 利用研究兩種不同的材料構(gòu)成不相同溫度的兩個節(jié)點 電路就會形成熱電流 賽貝克效應(yīng)的計算分析 a b為不同的兩種材料 當兩端的溫度差在 T時 就會產(chǎn)生電動勢 V 將其定義為電勢率 ab V T 當 T趨近于0時 縮寫為 ab dV Dt其中 ab為塞貝克系數(shù) 余熱發(fā)電系統(tǒng)的理論計算 余熱發(fā)電系統(tǒng)溫度梯度的計算 余熱發(fā)電系統(tǒng)的理論計算 余熱發(fā)電系統(tǒng)溫度梯度的計算 余熱發(fā)電系統(tǒng)溫度梯度的計算 電臂式熱電發(fā)電機主要是通過導(dǎo)流銅 電偶臂 電絕緣熱覆蓋板組成 計算三種導(dǎo)熱系數(shù) Kc1 Kc2 Kc3 容易推得總的熱導(dǎo)率為 K 式中 c1 導(dǎo)熱覆蓋基板有效熱導(dǎo)率 c2 導(dǎo)流片的有效熱導(dǎo)率 c3 電偶臂有效熱導(dǎo)率 lc1 導(dǎo)熱覆蓋基板厚度 lc2 導(dǎo)流片厚度 lc3 電偶臂厚度 Ac1 導(dǎo)熱覆蓋基板的面積 Ac2 導(dǎo)流片的面積 Ac3 電偶臂面積 Kc1 導(dǎo)熱覆蓋基板導(dǎo)熱率 Kc2 導(dǎo)流層導(dǎo)熱率 Kc3 電偶臂導(dǎo)熱率 氧化鋁陶瓷是導(dǎo)熱覆蓋基板的組成 c1 20W m 30W m 為有效導(dǎo)熱率 當導(dǎo)熱系數(shù)逐級增加 c1 5W m 導(dǎo)熱覆蓋基板厚度取 lc1 1mm導(dǎo)熱覆蓋基板的面積取 Ac1 100mm 100mm導(dǎo)流片的材料是銅 有效熱導(dǎo)率 c2 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)流片的厚度取 lc2 1mm導(dǎo)流片的面積取 Ac2 21mm 1mm電偶臂材料是Bi2Se3 有效熱導(dǎo)率 c3 140W m 電偶臂厚度取 lc3 16 4mm電偶臂面積取 Ac3 3mm 3mm 所以 Kc1 50W Kc2 8 421W Kc3 0 077W K 0 076 計算結(jié)果 根據(jù)傅立葉效應(yīng)Qk Th Tc Ka KT設(shè) 熱端溫度啟始為800 冷端溫度為20 所以 Qk總 K T總 0 076W 780 10 184WQk1 Kc1T1 Qk2 Kc2T2 Qk3 Kc3T3 Qk總 10 184W所以 T1 0 2 T2 1 2 T3 132 3 單個電偶臂的功率計算和效率計算 根據(jù)牛頓的熱力學(xué)規(guī)律 當熱電發(fā)電機兩端的溫度差異時 熱電發(fā)生器產(chǎn)生熱量 來自熱源的熱電偶得到的熱量是珀爾帖熱 焦耳熱和熱傳遞的三個之和 發(fā)電效率 P 輸出到負載上的電能 I 回路中產(chǎn)生的電流 Qh 熱端的熱流 Ql 低溫熱源從低溫端吸收的熱流 RL 負載電阻 R 電偶臂的內(nèi)阻 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 電流回路 消除未知量電流I 則發(fā)電器的輸出功率P為 由上述三式可得到熱電發(fā)電器的轉(zhuǎn)換效率為 內(nèi)阻R計算公式為 LN N型電偶臂臂長 N N型電偶臂電導(dǎo)率 AN N型電偶臂截面積 LP P型電偶臂臂長 P P型電偶臂電導(dǎo)率 P P型電偶臂截面積 N P 5根據(jù)實驗得出L A 0 55mm NP 200 v R 0 00275 T1 800 0 2 1 2 798 6 T2 798 6 132 3 666 3 T1 T2 132 3 當RL R時 功率最大 所以 余熱發(fā)電系統(tǒng)的功率與效率的理論計算選擇開始水溫為 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 3m s末溫為100 水的比熱容C1 4200j kg 尾氣的密度 1 1 29kg 水的密度 1 1000kg 尾氣的比熱C2 1003j kg 假設(shè) 忽略熱的損耗 則Q水 Q氣Q C M C V C v s t 設(shè) S水道 S氣道t1 t2則C1 1 q1 V C2 2 v2 假設(shè)現(xiàn)在余熱發(fā)電系統(tǒng)有三個模塊 P 152 8WQ熱 C V T C V S 通氣管道面積 t T選擇尾氣溫度為 800 末溫為100 尾氣的比熱C2 1003j kg 尾氣的密度 1 1 29kg m 尾氣的流速為 v2 3m st S V1 0 104ss 通氣管道截面積 0 1 0 1 0 01m T 700 Q熱 C V T C V S t T 2825 8W 余熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計相比以往一般的研究基礎(chǔ)上 微卷式 熱電堆 薄膜熱電發(fā)電器是電熱發(fā)電器的重要構(gòu)成 下面是對三種結(jié)構(gòu)的講解和分析 再使用功能和優(yōu) 劣相比從而選出所需求的發(fā)生器類型來進行研討分析和剖析 1微型線圈式電加熱器 優(yōu)點 熱電轉(zhuǎn)換器的熱損失較小 熱能利用率較高 缺點 加工過程復(fù)雜 艱難 2微型熱電發(fā)生器優(yōu)點 微處理技術(shù)相對成熟 其尺寸相對較小 缺點 一般功率較低 3 熱電堆式熱電發(fā)電器 選擇理由 PN節(jié)和溫度場的熱電堆并聯(lián) 每對PN結(jié)溫差相同 所以每對PN結(jié)串聯(lián) 發(fā)電功率較大 最終采用熱電堆熱電 余熱發(fā)電器模塊的設(shè)計熱電堆型微電熱發(fā)電機主要包括上 下熱罩 分流芯片 焊料層 PN結(jié)懸臂和輸出線等部件 微電子發(fā)電機的輸出功率和效率會被接觸電阻影響 湯姆遜效應(yīng)和溫度波動的影響以及熱覆蓋片 導(dǎo)流板和焊料層對熱導(dǎo)率的影響 熱電發(fā)電器模塊的設(shè)計有水流道 氣流道和熱電發(fā)電偶臂的構(gòu)造設(shè)計 設(shè)計這個模塊的形態(tài)要注意熱量的最大利用 下面我以簡圖的形式來介紹一下方形熱電發(fā)電器電偶臂的具體組成 通氣管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計通氣管道位于發(fā)電模塊中心 選取銅為導(dǎo)熱介質(zhì) 在管道增加了一井字形的材料為銅的導(dǎo)熱肋板 增加整個管道的導(dǎo)熱率 優(yōu)化整體的熱利用率 連接通氣管道位于通氣管道外部 組成為鋁合金 4 5 Cu 1 5 Mg 0 6 Mn 其安置方法是為底部四邊用75 和95 的鉛錫合金焊接在通氣管道的四邊上 通氣管道的這種隆起設(shè)計是為了將尾氣分散導(dǎo)入通氣管道 避免尾氣堵塞 也可以將尾氣中的余熱更好的被銅片吸收傳遞給導(dǎo)熱層 提高熱利用率 通水管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計位于通氣管道外面的是兩對尺寸不同但外形一樣的通水管道 其材料為鋁合金 4 5 Cu 1 5 Mg 0 6 Mn 該管道的元件有 2個管道接頭 三塊鋁合金板 兩塊小的規(guī)格為 182 8 20 2 還有一塊大的規(guī)格為 405 6 104 2 管道的制造步驟為 管接頭用75 和95 的鉛錫合金焊接在打好孔的小鋁合金板上 焊接時防止產(chǎn)生空隙 避免漏水的的情況 再將那塊大的鋁合金依照圖紙折好 用75 和95 的鉛錫合金焊接好 下一步整體焊接 再觀察看出現(xiàn)有無漏水現(xiàn)象 及時修補 通水管道 2 與上方做法相同 只是規(guī)格不一樣的 總的一點要求就是 焊接完畢后水檢 檢查何處漏水 及時進行修補 防止后期漏水