发动机余热发电系统设计方案.docx
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发动机余热发电系统设计方案
发动机余热发电系统设计方案
1.1课题研究的背景
我国建设节约型社会的现状不容乐观,进入21世纪以来,我国经济社会继续保持了快速发展的势头,取得了有目共睹的伟大成就,也遭遇前所未曾有过的资源约束和环境制约。
针对这些情况,中央适时地提出了建设资源节约型、环境友好性社会等一系列新的观念和决策。
节约型社会目的是通过“加快建设资源节约型社会,推动循环经济发展。
解决全面建设小康社会面临的资源约束和环境压力问题。
保障国民经济持续快速协调健康发展(国办发(2004330号文件),强调在经济活动中节约资源和保护环境的同等重要性,要求经济效率和环境保护并驾齐驱。
要求人类发展生态经济,追求以节约资源、能源和减少污染为前提的生念经济效率,要求人类在经济活动中实现经济与环境的协凋统一。
目前,建没节约型社会多从节能技术、绿色技术、循环经济等方面展开,这有利于节约型社会建设的深入发展。
在现在这个飞速发展的社会通无疑是很重要的一块,而汽车、飞机、船舶等交通运输工具又是不可或缺的,而发动机是汽车、飞机、船舶等交通运输工具的核心部件,其应用围非常广泛。
随着人类社会的发展,发动机的数量急速增加。
以汽车为例,2005年汽车保有量达3300万台,预计2010年将超过7000万台。
与之相对应的是发动机数量的剧增和废热的大量排放。
调查研究表明,发动机燃料燃烧所发出的能量只有34%~38%(柴油机)或25%~28%(汽油机)被有效利用。
其它的能量被排放到发动机体外,仅由排气带走的热量就占进入发动机中的燃料所产生热量的30%~45%。
这一方面造成了较大的能源浪费,另一方面使周边环境温度升高,带来了城市的热岛效应等不良影响。
热污染首当其冲的受害者是水生物,由于水温升高使水中溶解氧减少,水体处于缺氧状态,同时又使水生生物代率增高而需要更多的氧,造成一些水生生物在热效力作用下发育受阻或死亡,从而影响环境和生态平衡。
此外,河水水温上升给一些致病微生物造成一个人工温床,使它们得以滋生、泛滥,引起疾病流行,危害人类健康。
随着人口和耗能量的增长,城市排入大气的热量日益增多。
按照热力学定律,人类使用的全部能量终将转化为热,传入大气,逸向太空。
这样,使地面反射太阳热能的反射率增高,吸收太阳辐射热减少,沿地面空气的热减少,上升气流减弱,阻碍云雨形成,造成局部地区干旱,影响农作物生长。
近一个世纪以来,地球大气中的二氧化碳不断增加,气候变暖,冰川积雪融化,使海水水位上升,一些原本十分炎热的城市,变得更热。
造成热污染最根本的原因是能源未能被最有效、最合理地利用。
在其它工程机械、船舶、飞机运输工具中,发动机对能量的利用效率也存在同样的效率低、能源浪费等问题。
现代化国家的经济发展和能源有着密切的关系,在正常的情况下,经济发展与能源之间存在着正相关,也就是说,能源消费量越大,国民生产总值也越高。
反之,能源不足就会影响国民经济的发展,甚至会造成巨大的损失。
据分析,由于能源不足所引起的国民经济损失,约为能源本身价值的20到60倍。
由此可见,不论哪个国家哪一个时期,若要加快发展国民经济,就必须保证能源消费量的相应增长。
目前,我国正处于改革开放的前期阶段,要尽快发展社会主义经济建设,除了其他的必要条件外,还必须重视能源这一重要的物质基础。
因此,能源是我国更好地进行社发济的关键。
一方面要增加能源的采集,另一方面还要注重提高能源的利用率。
1.2课题研究的意义
节能与环保是21世纪人类面临的严重问题。
中国正处在持续发展的关键阶段,开发新能源和充分利用低品位能源、废能源具有重大意义。
同时,通过节能可以节约大量燃料,对于降低我国在二氧化碳,二氧化硫和氮氧化物的排放都具有直接的影响。
我国在各种工业过程中存在大量的热能浪费现象,发展各种环境友好的节能技术,是十分重要的。
本课题的意义在于:
一方面不仅提高了对能源的利用率,节约了能源,另外一方面也减少了对大自然的热污染,保护了环境。
1.3国外余热发电的研究现状
目前在微小型热电发电器的研究方面,国外对微型热电发电机研究比较完善的有Princeton大学、南加州大学和Michigan大学。
美国USC空气动力实验室于2000年推出微型热电发电机(MicroFire),德国Dresden科技大学,利用铜箔作为介质研发了一种微型热电发电器,其面积为16*30mm^2,输出电压达到250mV。
美国和日本是目前国际上对热电材料与工程研究投入最多的国家。
美国的研究主要侧重于军事、航天、理论和高科技方面日本的研究侧重于废热利用,同时相应地着力于耐高温的瓷温差电材料的研究在大尺寸的围,热电发电装置已经取得实际的应用。
国研究现状:
热电现象本身是可逆的,温差发电和半导体致冷是热电现象的两个方面,互相可逆。
可同一个PN结,若施加温差则可用来发电,若对其通电,则可用于在一端致冷。
国对半导体致冷现象和应用研究具有一定水平,目前已有商品器件和设备出售,但对温差发电,则几乎是一片空白.这主要是因为我国在军事高技术研究能力方面相对落后,未能刺激起足够的需求.随着国际学术交流的广泛开展,国不少学者到国外接触了相关技术,相信我国在这一领域相对落后的面貌将逐渐改观.
第2章余热发电系统的原理与理论设计
2.1余热发电系统的原理
2.1.1余热发电器的原理
余热发电器主要是利用热电材料的热电效应产生电流而工作的。
热电效应是电流引起的可逆热效应和温差引起的电效应的总称,它包括塞贝克(Seebeck)效应,帕尔帖(Peltier)效应和汤姆逊(Thomson)效应。
这三个效应通过开尔文(Kelvin)关系式联系在一起。
这三个效应奠定了热力学热电理论发展的基础。
热电效应还伴随产生了其它效应:
焦耳热效应和傅立叶效应。
下面分别介绍热电发电器的基本理论。
图2-1热电转换工作原理
2.1.2塞贝克效应
1821年法国物理学家T.J.Seebeck在考察Bi-Cu与Bi-Te回路的电磁效应时发现了热电流、他的实验表明,当由两种不同导体材科构成的闭合回路的两个节点温度不同时,回路中有热电流产生,这就是Seebeck效应如图所示
图2-2赛贝克效应图
不同导体材料,a.b两端节点存在温差⊿T时,便会产生Seebeck电势⊿V,定义Seebeck电势率αab=V/T,当⊿T→0时,写成:
αab=dV/Dt(2-1)
αab称为塞贝克系数,其符号取决于组成热电偶的材料本身及节点的温度/一般规定在低温是a到b,其值为正,他的大小取决于两节点的温度和金属导体的材料性质。
2.1.3帕尔帖效应
1834年,法国物理学家C.A.Peltier观察到当电流通过两个不同导体的节点时,在节点附近有温度变化:
当电流从某一方向流经回路的节点时,节点会变冷,而当电流反向的时候,结点温度会变热。
Lenz于1838年给出Peltier效应的本质特征。
Peltier效应显示出热电致冷的可能性。
Peltier效应表明,流经两种不同的导体组成的回路的结点的微小电流会产生可逆的热效应,在时间dt其热量dQp的大小与流过的电流I成正比:
dQp=πabIdt=πabq(2-2)
比例系数πab称为Peltier系数,也叫Peltier电势,q是传输的电荷。
当电流由a到b,πab为正,dQ>0,吸热:
反之则放热。
πab的大小与节点温度及热电偶组成材料有关。
Peltier效应产生的原因是位于节点两边材料中载流子浓度与Fermi能级不一样,当电流通过节点时,为了维持能量和电荷守恒必须与环境交换能量。
2.1.4汤姆逊效应
1854年,Thomson发现当电流通过一个单一导体,且该导体中存在温度梯度,就会有可逆的热效应产生,称为Thomson效应,产生的热为Thomson热。
Thomson热与通过的电流,经历的时间成正比,假定温度梯度较小:
dQT=τIdT/dx(2-3)
比例系数τ为汤姆逊(Thomson)系数。
符号规则与Peltier效应相同,当电流流向热端,dT>0,τ>0,dQ>0,吸热。
三个热电系数可以通过开尔文(Kelvin)关系式联系起来:
T为绝对温度。
从上两项关系式可导出单一材料的Seekeck系数和Thomson系数的关系:
从该关系式看出,如果知道Thomson系数,就可以通过积分得到的单一材料的Seebeck系数。
可见,热电效应是热传导和电传导之间的一种可逆的交叉耦合效应。
根据电导,热导的通常定义,可把这种热—电偶合效应表示为:
矩阵表示形式为:
式中,,分别是电流,熵流和热流密度,,以及T分别为电场强度、温度差、电导率、Seebeck系数、热导率和温度。
式(2—6a)表明了材料存在温度差,则可以产生电流;反之,式(2—6b)显示了电流可以在材料中产生热流。
2.2余热发电器的理论模型
描述热电发电器热电转换性能的参数主要包括输出功率和热电转换效率。
对微小型热电发电机而言,还有质量(体积)比功率(或称为输出能量密度)等性能指标。
对普通尺寸热电发电器,一般按照图2-2这种一对P、N电偶臂简化模型进行分析计算。
理想模型主要包括导热覆盖基板、导流层和电偶臂三部分。
当电偶臂两端存在温差时,P、N结两种不同热电材料将产生塞贝克(Seebeck)效应,故而在回路中产生电流。
图2-3热发电器单对电偶臂理想结构
2.3余热发电系统的理论计算
2.3.1余热发电系统温度梯度的计算
图2-2为理论的一对PN电偶臂热电发电器结构。
一对PN电偶臂热电发电器主要包括电绝缘导热覆盖片、导流铜片和焊料层。
导热覆盖片为高导热率的绝缘片,冷热端的材料、尺寸一样,则可以得到三者的热导率分别为:
Kc1=Kc2=Kc3=(2-8)
容易推得总的热导率为:
Ka=(2-9)
式中:
λc1-导热覆盖基板有效热导率;
λc2-导流片的有效热导率;
λc3-电偶臂有效热导率;
lc1-导热覆盖基板厚度;
lc2-导流片厚度;
lc3-电偶臂厚度;
Ac1-导热覆盖基板的面积;
Ac2-导流片的面积;
Ac3-电偶臂面积;
Kc1-导热覆盖基板导热率;
Kc2-导流层导热率;
Kc3-电偶臂导热率。
导热覆盖基板的材料是氧化铝瓷,有效热导率λc1(20W/m.℃~30W/m.℃),这里设置导热系数依次递增λc1=5W/m.℃(存在接触间隙)
导热覆盖基板厚度取:
lc1=1mm
导热覆盖基板的面积取:
Ac1=100mm*100mm
导流片的材料是铜,有效热导率λc2=401W/m.℃(查自《传热学》镇南高等教育P492附录3)
导流片厚度取:
lc2=1mm
导流片面积取:
Ac2=21mm*1mm
电偶臂材料是Bi2Se3,有效热导率λc3=140W/m.℃
电偶臂厚度取:
lc3=16.4mm
电偶臂面积取:
Ac3=3mm*3mm
所以:
Kc1==50W/℃Kc2==8.421W/℃
Kc3==0.077W/℃
Ka==0.076W/℃
傅立叶效应Qk=(Th-Tc)=KT
设:
热端温度启始为800℃冷端温度为20℃
所以:
Qk总=KaT总=0.076W/℃*780℃=10.184W
Qk1=Kc1T1=Qk2=Kc2T2=Qk3=Kc3T3=Qk总=10.184W
所以:
T1=0.2℃T2=1.2℃T3=132.3℃
2.3.2单个电偶臂的功率计算和效率计算
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;
Qh-热端的热流;
Ql-低温热源从低温端吸收的热流;
RL-负载电阻;
R-电偶臂的阻;
αNP-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:
(2-12)
由上述三式可得到热电发电器的转换效率为:
上述公式中,阻R为P、N半导体电偶臂的电阻,其计算公式为:
(2-14)
式中:
ρN-N型电偶臂电导率;LN-N型电偶臂臂长;AN-N型电偶臂截面积;
ρP-P型电偶臂电导率;LP-P型电偶臂臂长;P-P型电偶臂截面积。
ρN=ρP=5根据实验得出L/A=0.55mm
αNP=-200(μv/℃)R=0.00275Ω
T1′=800℃-0.2℃-1.2℃=798.6℃
T2′=798.6℃-132.3℃=666.3℃
T1′-T2′=132.3℃
当RL=R时,功率最大
所以:
2.3.3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16.4mm,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=3m/s末温为100℃
水的比热C1=4200j/kg*℃尾气的比热C2=1003j/kg*℃
水的密度ρ1=1000kg/尾气的密度ρ1=1.29kg/
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*ρ1*q1*1=C2*ρ2*v2*2
现在假设有三个模块组成余热发电系统P==152.8W
=CMCρV=Cρvs(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=1003j/kg*℃尾气的密度ρ1=1.29kg/
尾气的流速为:
v2=1m/st===0.104s
s(通气管道截面积)=0.10.1=0.01=700℃
=CMCρV=Cρvst2825.8W
=
第3章余热发电系统的设计
3.1热电发生器结构分析
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。
3.2.1美国普林斯顿大学研究的方案
图3-1SWISSROLL
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SWISSROLL,我们也称为微卷式电热发生器,他的尺寸大小大约为12.5mm*12.5mm*5mm,材料为氧化铝瓷,通过Daestro微加工方法实现三维实物,管道宽度为0.075mm,燃料和空气由泵注入通道,在SwissRoll中心通过两个电极点燃,引发燃料的持续燃烧.燃料燃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SwillsRoll的结构,是名叫Micro-fire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3-2SwissRoll的2维和3维的结构模型
这就是这种SwissRoll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实验分析发电器中,微型和中型燃烧器的管径分别问0.13mm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围,以及在结构中的温度分布仿真。
得到的仿真结果如图3-3所示。
图3-3SwissRoll温度分布仿真
实验研究还表明,三维的SwissRoll结构能减少热量的损失
3.2.2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In-Plane微型热电发生器,如下图
图3-4In-Plane微型热电发生器
In-Plane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*0.45mm,为了测试的目的,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,0.4μm的热电偶在两种薄膜材料的塞贝克电压都可以达到0.5mV/K左右。
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技术,制造了桥结构的In-Plane型微热电发电器件。
其测试器件由硅材料构成,P型和N型的热电臂长宽分别为500μm和7μm,通过在中间10μm厚的硅薄膜上掺杂形成,掺杂深度为lμm,热电偶连接的数量有10个。
这种结构用衬底的垂直侧面提供温差,因而衬底部与热电臂平行的热流损失得到了降低。
实验结果为,衬底垂直侧面温差为10K时,器件的热电功率达到1.5μm。
3.2.3热电堆式热电发电器
它是由美国喷气动力实验室(JPL)研制的Cross-Plane。
如下图
图3-5Cross-Plane
这种器件的结构和普通的Cross-Plane型微热电制冷器件是一样,Cross-Plane结构微热电制冷器件的原理和传统的体热电制冷器件非常类似,只是衬底和热电偶臂本体半导体材料换成了薄膜材料,由于在这种结构的制冷器中,热流的方向与衬底表面垂直故有如此称呼。
两层衬底为发电器的冷端和热端中间夹着连接在一起的热电偶。
其原理是:
根据塞贝克效应,当发电器热端和冷端存在温差时,会在回路中产生电流。
他们摈弃了体技术,而采用了厚膜Bi2Te3合金材料,在保持热电臂截面积与长度之比不变的条件下,缩小热电臂,提高了热电功率单位体积的密度。
同时,一个微热电发电器件连接数万个热电偶,以在低温差下获得伏特级的高电压,此微热电发电器件的另一特点是,其制造工艺结合了电化学淀积和集成电路的刻蚀工艺。
实际的测试器件由2300个热电偶连成,热电臂的长度为50μm,直径为6μm,在8.5K温差下,可以以4.1V的电压提供22mw的功率。
实验结果表明,以上方法完全可以用于MEMS微系统,为其提供微型电源。
目前,JPL正在研究用P型和N型Bi2T3,纳米线代替厚膜合金,便用类似的方法实现更小尺寸的半导体电偶臂。
JPL的Cross-Plane微热电发生器件虽然能达到很高的功率密度值,但是某些应用场合却需要更低的微瓦级功率,如小型传感器和放大器线路的供电。
另外这种Cross-Plane结构固有的缺点就是,热电偶臂之间的金属导流层不容易制造。
当然发电器的结构还有很多,如自停止多晶硅金属结构微热电发电器等等,但是就我们目前的选取的几种经过上述分析比较得出的结果是:
微卷式热电转换器热损失比较小,对热能的利用率比较高,但其微加工比较困难;同时由于热电材料沿温度梯度方向线性串联排列,每一部分热电材料的温差事实上不大,使其产生的功率也受到了限制。
薄膜式热电发电方案从微加工技术方面来说是比较成熟的,其体积尺寸也比较小.但其产生的功率普通较低,一般只有微瓦级热电堆的PN结相对于温度场是并联结构,每一对PN结均有相同的温差,故每一对PN结串联后,产生的功率相对较大另外,其热源腔可以设计得相对较大,燃料的燃烧,温控等相对容易,但其热损失比微卷式发电器要大。
我们在这里选择热电堆式热电发生器作为热电电源的核心部件来设计。
3.2余热发电器模块的设计
热电堆式微小型热电发电器主要包括上下导热覆盖片、导流片、焊料层、PN结电偶臂和输出导线等部分。
微小型热电发电器的输出功率和效率受到接触阻、汤姆效应和温度变化的影响以及导热覆盖片、导流片和焊料层对导热系数的影响(该设计中由于体积较大,故可忽略焊料层对导热系数的影响)。
热电发电器模块的设计主要包括水流道、气流道和热电发电偶臂的结构设计。
设计这个模块的整体形状要以热量的最大利用为目标。
我考虑过的形状有:
微卷式(SwissRoll)、热电堆和薄膜热电发电器。
微卷式(SwissRoll)热电转换器热损失比较小,对热能的利用率比较高,但其微加工比较困难所以没有采用。
由资料可知:
薄膜式热电发电方案从微加工技术方面来说是比较成熟的,其体积尺寸也比较小,但其产生的功率普遍较低,一般只有微瓦级,所以在设计中也没有予以采用。
而热电堆的PN结相对于温度场是并联结构,每一对PN结均有相同的温差,故每一对PN结串联后,产生的功率相对较大,最终选择了热电堆式热电发电器作为热电电源的核心部件来设计。
设计流道是以热量的最大利用为目标的,所以我考虑到了“双管形热电发电器”和“方形热电发电器”,双管形热电发电器的热量利用率虽然比方形热电发电器要高,但其应用于实际当中制作方面要求较高而且维修不方便,方形热电发电器不但具有较高的热利用率而且后期用于实际中制作方便,维修简单,所以最后在我和老师的讨论下决定设计方形热电发电器模块。
下面我以简图的形式来介绍一下方形热电发电器电偶臂的具体组成:
图3-6方形热电发电器电偶臂
下面的是余热发电器系统的水、气流向简图:
图3-7发电器系统的水、气流向简图
3.2.1通气管道的结构设计
位于发电器模块中心的是一通气管道,材料为导热较好的铜,在管道的部加了一井字形的材料为铜的导热肋板,提高整个管道的导热率,提高整体的热利用率。
图3-8通气管道
位于通气管道外面的是连接通气管道,其材料为铝合金(4.5%Cu,1.5%Mg,0.6%Mn),其安装方式是为底部四边用75%和95%的铅锡合金焊接在通气管道的四边上。
通气管道的这种隆起设计是为了将尾气分散导入通气管道,避免尾气堵塞,也可以将尾气中的余热更好的被铜片吸收传递给导热层,提高热利用率。
图3-9通气管道连接零件
3.2.2通水管道的结构设计
位于通气管道外面的是两对尺寸不一但形状一样的通水管道,其材料为铝合金(4.5%Cu,1.5%Mg,0.6%Mn),该管道的元件有:
2个管道接头、三块铝合金板(两块小的规格为:
182.8*20*2,还有一块大的规格为:
405.6*104*2)。
管道的制作步骤为:
管接头用75%和95%的铅锡合金焊接在打好孔的小铝合金板上,焊接时避免产生空隙,防止以后漏水的现象产生,然后将那块大的铝合金按照图纸折好,用75%和95%的铅锡合金焊接好,最后整体焊接,最后水检查看是否有漏水现象的产生,及时将漏水处的漏洞修补好,以备以后正常使用。
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