汽車(chē)太陽(yáng)能半導(dǎo)體油箱油蒸汽冷凝器的設(shè)計(jì)【含3張CAD圖紙】
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1．1 設(shè)計(jì)的目的和意義
在夏季等氣溫較高時(shí)，汽車(chē)油箱中的汽油、柴油容易蒸發(fā)，產(chǎn)生的油蒸汽進(jìn)入大氣中，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源浪費(fèi)。汽車(chē)太陽(yáng)能半導(dǎo)體油箱油蒸汽冷凝器是利用太陽(yáng)能給蓄電池充電，由蓄電池驅(qū)動(dòng)裝有半導(dǎo)體制冷芯片的油箱油蒸汽冷凝器，用于汽車(chē)油箱上汽油、柴油的油蒸汽冷凝，將油蒸汽冷凝成液態(tài)，流回油箱。
汽車(chē)太陽(yáng)能半導(dǎo)體油箱油蒸汽冷凝器安裝在油箱體上，將油蒸汽冷凝成液態(tài)流回油箱后，不僅可以減少油蒸汽進(jìn)入大氣，減少對(duì)大氣造成的污染，還可以節(jié)省燃油。另外，汽車(chē)太陽(yáng)能半導(dǎo)體油箱油蒸汽冷凝器易形成產(chǎn)品，有經(jīng)濟(jì)價(jià)值潛力和廣泛的實(shí)用性。
1．2 國(guó)內(nèi)外概況
1.2.1 太陽(yáng)能制冷技術(shù)發(fā)展概況
太陽(yáng)能是新能源與可再生能源的重要組成部分，是綠色無(wú)污染的，具有取之不盡，用之不竭的特點(diǎn)。能源作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民的生活質(zhì)量息息相關(guān)。在各種可再生能源中，太陽(yáng)能具有其它常規(guī)能源無(wú)法相比的優(yōu)越性。太陽(yáng)能儲(chǔ)量巨大，太陽(yáng)能在地球上絕大多數(shù)地區(qū)具有存在的普遍性，可就地取用，太陽(yáng)能利用具有清潔性的特點(diǎn)，其開(kāi)發(fā)利用時(shí)幾乎不產(chǎn)生任何污染[1]。
太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用有著巨大的市場(chǎng)前景，不僅帶來(lái)很好的社會(huì)效益、環(huán)境效益，而且還有明顯的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。太陽(yáng)能至少具有兩方面的優(yōu)勢(shì)：一是輸入的能量代價(jià)為零，二是排放的污染為零，這也是今天特別關(guān)注的原因。目前，對(duì)新能源、可再生能源動(dòng)力裝置的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)大多仍沿用常規(guī)化石燃料能源裝置的指標(biāo)，如效率、功率、單位功率成本、環(huán)保指標(biāo)等。但這些指標(biāo)對(duì)新能源動(dòng)力裝置（包括太陽(yáng)能）大不一樣，應(yīng)予以不同評(píng)價(jià)。對(duì)于太陽(yáng)能制冷裝置，首先要優(yōu)化的應(yīng)該是降低單位實(shí)用制冷功率的成本，而不是提高其制冷效率。
太陽(yáng)能制冷技術(shù)發(fā)展比較快的方面是太陽(yáng)能供冷供暖綜合系統(tǒng)，利用溴化鋰吸收式制冷技術(shù)和成熟的真空管集熱器產(chǎn)品結(jié)合，比較成功地供冷供暖，建立了不少示范工程項(xiàng)目。太陽(yáng)能固體吸附式制冷技術(shù)的研究近一二十年來(lái)以有新的突破，創(chuàng)造出較理想的實(shí)用產(chǎn)品——太陽(yáng)能間隙式吸附冰箱，白天太陽(yáng)能加熱的熱水供晚間使用，夜間制冰供白天使用。太陽(yáng)能連續(xù)回?zé)崾轿街票鶛C(jī)和空調(diào)機(jī)很快可以投入實(shí)際應(yīng)用階段[2]。
溴化鋰吸收式制冷機(jī)目前在國(guó)內(nèi)外都有較大的發(fā)展，特別是在我國(guó)發(fā)展和應(yīng)用的前景非常廣闊。溴化鋰吸收式制冷機(jī)的工作過(guò)程包括兩個(gè)部分：一部分是在發(fā)生器中產(chǎn)生的冷劑蒸汽在冷凝器中凝結(jié)成冷劑水，經(jīng)節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器，在低壓下吸熱蒸發(fā)，產(chǎn)生冷效應(yīng)；另一部分是從發(fā)生器出來(lái)的濃度較高的溴化鋰溶液，經(jīng)節(jié)流和冷卻，在吸收器中吸收產(chǎn)生冷效應(yīng)后的冷劑蒸汽，使制冷過(guò)程不斷繼續(xù)。溴化鋰溶液吸收冷劑蒸汽后，濃度降低，由溶液泵輸送，重新進(jìn)入發(fā)生器[3]。
太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)是利用物質(zhì)的物態(tài)變化來(lái)達(dá)到制冷的目的。其制冷系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能吸附集熱器、冷凝器、蒸發(fā)儲(chǔ)液器、風(fēng)機(jī)盤(pán)管、冷媒水泵等部分組成，如圖1.1。
圖1.1 太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)
白天太陽(yáng)輻射充足時(shí)，太陽(yáng)能吸附集熱器吸收太陽(yáng)輻射能后，吸附床溫度升高，使冷卻劑從吸附劑中解吸，太陽(yáng)能吸附集熱器內(nèi)壓力升高。解吸出來(lái)的制冷劑進(jìn)入冷凝器，經(jīng)冷卻介質(zhì)（水或空氣）冷卻后凝結(jié)為液態(tài)，進(jìn)入蒸發(fā)儲(chǔ)液器。這樣，太陽(yáng)能就轉(zhuǎn)化為代表制冷能力的吸附勢(shì)能儲(chǔ)備起來(lái)，實(shí)現(xiàn)化學(xué)吸收潛能的儲(chǔ)存[4]。
太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用主要有光熱利用、光伏利用、光化學(xué)利用等三種形式。光熱利用是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能存儲(chǔ)起來(lái)，其中太陽(yáng)能熱水器是光熱利用最成功的領(lǐng)域，還有太陽(yáng)房、太陽(yáng)灶、太陽(yáng)能溫室、太陽(yáng)能干燥系統(tǒng)、太陽(yáng)能土壤消毒殺菌技術(shù)等，這些技術(shù)尤其在我國(guó)北方和西部應(yīng)用較廣，成效顯著。以太陽(yáng)能電池技術(shù)為核心的太陽(yáng)能光伏利用成為太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用中最重要的應(yīng)用領(lǐng)域[5]。
1.2.2 半導(dǎo)體制冷技術(shù)國(guó)內(nèi)外概況
在致力于保護(hù)環(huán)境的今天，研制開(kāi)發(fā)一種性能優(yōu)越，對(duì)環(huán)境無(wú)害的制冷技術(shù)已經(jīng)成為全球制冷技術(shù)科學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。所以半導(dǎo)體制冷技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景。導(dǎo)體的熱電效應(yīng)主要包括：塞貝克效應(yīng)、帕爾貼效應(yīng)、湯姆遜效應(yīng)、焦耳效應(yīng)和傅立葉效應(yīng)。而半導(dǎo)體制冷技術(shù)是利用了帕爾貼效應(yīng)。
帕爾貼效應(yīng)其機(jī)理主要是電荷載體在不同的材料中處于不同的能量級(jí)，在外電場(chǎng)的作用下，電荷載體從高能級(jí)的材料向低能級(jí)的材料運(yùn)動(dòng)時(shí)，便會(huì)釋放出多余的能量。反之，電荷載體從低能級(jí)的材料向高能級(jí)的材料運(yùn)動(dòng)時(shí)，需從外界吸收能量。能量在不同材料的交接面以熱的形式放出或吸收。金屬材料的帕爾貼效應(yīng)較微弱，而半導(dǎo)體材料的帕爾貼效應(yīng)則強(qiáng)的多，所以在實(shí)際工程中采用半導(dǎo)體制冷[6]。
半導(dǎo)體制冷技術(shù)的特點(diǎn)：
（1）無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，因而工作時(shí)無(wú)噪聲，無(wú)磨損、壽命長(zhǎng)，可靠性高
（2）不使用制冷劑，故無(wú)泄漏，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。
（3）半導(dǎo)體制冷器參數(shù)不受空間方向的影響，即不受重力場(chǎng)影響，在航天航空領(lǐng)中有廣泛的應(yīng)用。
（4）作用速度快，工作可靠，使用壽命長(zhǎng)，易控制，調(diào)節(jié)方便，可通過(guò)調(diào)節(jié)工作電流大小來(lái)調(diào)節(jié)制冷能力。也可通過(guò)切換電流的方向來(lái)改變其制冷或供暖的工作狀態(tài)。
（5）尺寸小，重量輕，適合小容量、小尺寸的特殊制冷環(huán)境[7]。
目前，熱電制冷和機(jī)械制冷之間的差距很大，要使熱電制冷的經(jīng)濟(jì)性達(dá)到和機(jī)械壓縮式制冷一樣，必須使優(yōu)值系數(shù)z 達(dá)到13×10-3K-1以上。為此，世界各國(guó)的半導(dǎo)體制冷學(xué)者均將主要精力放在尋找新的半導(dǎo)體材料上，力圖通過(guò)提高新材料的熱電性能促進(jìn)半導(dǎo)體制冷器的應(yīng)用和發(fā)展[8]。
半導(dǎo)體制冷技術(shù)與傳統(tǒng)的制冷技術(shù)有著根本的區(qū)別，它既不用制冷劑，也不用機(jī)械設(shè)備和管路，只要給半導(dǎo)體制冷器通上直流電，它的冷端就會(huì)迅速降溫，降溫速度快并且容易控制，無(wú)噪音和污染，體積小，解決了許多特殊場(chǎng)合下的制冷問(wèn)題，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確控制。例如：在化工方面，運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)試儀的恒溫浴槽、凝固點(diǎn)測(cè)試儀等；在電子技術(shù)方面，發(fā)熱半導(dǎo)體器件的冷卻、光電被增管的冷卻、紅外探測(cè)儀的冷卻等；在醫(yī)學(xué)上，利用半導(dǎo)體制冷器研制成功了冷凍切片機(jī)、冷凍治療器、生化儀等；還有精密露點(diǎn)儀、精密恒溫器等都是采用半導(dǎo)體制冷器制冷的[9]。
1.2.3 目前油蒸汽排放控制系統(tǒng)采取的措施
汽車(chē)向大氣的排放污染物包括排氣管排放物、曲軸箱排放物和蒸發(fā)污染物。其中蒸發(fā)污染物是指車(chē)輛的燃料系統(tǒng)由于溫度變化而蒸發(fā)損失的碳?xì)浠衔铮℉C）。這部分燃油蒸發(fā)的HC占汽油車(chē)HC的15%~20%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年每千輛汽油車(chē)油箱蒸發(fā)的汽油約為11400kg 。若不加處理，這些釋放到大氣中的HC除本身具有毒性外，還可與NOx在一定條件下形成具有強(qiáng)氧化性的光化學(xué)煙霧，對(duì)人的健康和動(dòng)、植物的生長(zhǎng)造成很大的危害[10]。
為了滿(mǎn)足蒸發(fā)排放法規(guī)的要求，現(xiàn)代汽車(chē)上多數(shù)裝有燃油蒸發(fā)的電子控制系統(tǒng)。其主要元件是1個(gè)活性碳罐和一個(gè)脫附電磁閥，活性碳罐收集與儲(chǔ)存燃油蒸汽，使之不逃逸到環(huán)境中去。當(dāng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，電控單元ECU控脫附付電磁閥開(kāi)啟，將被吸附的燃油蒸汽從罐中抽出，吸入進(jìn)氣管后進(jìn)入燃燒室內(nèi)燒掉，以防止未燃烴HC的蒸發(fā)排放。
圖1.2是一種有OBD-Ⅱ蒸發(fā)控制的系統(tǒng)配置。該系統(tǒng)在一定條件下，關(guān)閉“截止閥”，同時(shí)開(kāi)啟“脫附閥”關(guān)閉。此時(shí)油箱內(nèi)的壓力按一定速率降低，隨后“脫附閥”關(guān)閉，同時(shí)“截止閥”開(kāi)啟，油箱壓力又按一定速率升高。按此機(jī)理利用油箱內(nèi)裝的壓力傳感器信號(hào)來(lái)判斷是否有泄露[11]。
圖1.2 蒸發(fā)控制的系統(tǒng)簡(jiǎn)圖
1.2.4 目前汽車(chē)用油箱
目前，汽車(chē)上的油箱示意如圖1.3。汽車(chē)油箱上沒(méi)有汽車(chē)太陽(yáng)能半導(dǎo)體油蒸汽冷凝器，汽油蒸汽直接泄露到大氣當(dāng)中。沒(méi)有采取措施，浪費(fèi)了汽油能源，給環(huán)境造成嚴(yán)重污染。
目前的汽油箱蓋上一般安裝有空氣閥和蒸汽閥。為了防止汽油因汽車(chē)振蕩而濺出和防止汽油蒸汽的泄露，油箱應(yīng)是密閉的。但在密閉的汽油箱中，當(dāng)汽油輸出而油面降低時(shí)，箱內(nèi)將產(chǎn)生一定的真空度，真空度過(guò)大時(shí)汽油將不能被汽油泵吸出而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作；另一方面，在外界溫度高的情況下，汽油蒸汽過(guò)多，將使箱內(nèi)壓力過(guò)大。這兩種情況都要求油箱能在必要時(shí)與大氣相通，裝有空氣閥和蒸汽閥的油箱蓋可以解決此問(wèn)題。
當(dāng)汽油箱內(nèi)汽油減少，壓力降低到0.098MP以下時(shí)，空氣閥被大氣壓開(kāi)，空氣便進(jìn)入汽油箱內(nèi)，使汽油泵能正常供油。當(dāng)汽油箱內(nèi)的汽油蒸汽過(guò)多，其壓力大于0.11MP時(shí)，蒸汽閥被頂開(kāi)，汽油蒸汽泄到大氣中，以保持油箱內(nèi)的壓正常[12]。
圖1.3 目前汽車(chē)上的油箱
1．3 汽車(chē)太陽(yáng)能半導(dǎo)體油箱油蒸汽冷凝器的未見(jiàn)報(bào)道
目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)汽油車(chē)蒸發(fā)排放的控制幾乎全部采用以活性炭為吸附介質(zhì)的蒸發(fā)污染控制系統(tǒng)，主要由活性碳罐、控制軟硬件及相關(guān)的管件組成。當(dāng)由于傳熱及熱輻射的原因使油箱中燃料大量揮發(fā)并導(dǎo)致壓力升高時(shí)，這些蒸發(fā)物將通過(guò)油箱通氣管進(jìn)入活性碳罐，被活性碳吸附而儲(chǔ)存在碳罐中；在合適的時(shí)機(jī)，控制系統(tǒng)將利用進(jìn)氣管的真空，讓潔凈的新鮮空氣通流碳罐，攜帶汽油蒸汽進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中燃燒。
很多汽車(chē)制造商想盡辦法從各方面來(lái)減少汽油的浪費(fèi)，如用碳罐將油蒸汽排放物吸附利用等，但在汽油箱處將太陽(yáng)能、半導(dǎo)體和油箱冷凝器綜合運(yùn)用來(lái)解決油箱油蒸汽的仍未見(jiàn)到。
1．4 半導(dǎo)體制冷的基本原理
半導(dǎo)體制冷技術(shù)的原理是利用半導(dǎo)體材料的溫差效應(yīng)，當(dāng)直流電通過(guò)由兩種不同的半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時(shí)，在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，如果在熱端安裝散熱裝置，吸收端就能通過(guò)熱量輸運(yùn)制成簡(jiǎn)單方便的制冷器，當(dāng)改變直流電極性時(shí)，又能達(dá)到制熱的效果，利用上述原理設(shè)計(jì)的溫差電制冷技器可以作為冷、熱源制成具有冷藏、熱藏、降溫、恒溫、升溫等功能的冷熱藏器。如圖1.4所示：
圖1.4 帕爾貼效應(yīng)
圖1.4中，由X及Y兩種不同的金屬導(dǎo)線(xiàn)所組成的封閉線(xiàn)路。通上電源之后，冷端的熱量被移到熱端，導(dǎo)致冷端溫度降低，熱端溫度升高，這就是半導(dǎo)體制冷的基本原理[13]。
1．5 本設(shè)計(jì)的工作及創(chuàng)新點(diǎn)
1.5.1 本設(shè)計(jì)的工作
（1）查閱相關(guān)資料，閱讀了關(guān)于太陽(yáng)能、半導(dǎo)體制冷技術(shù)、溫度控制電路等方面的大量書(shū)籍。提出了油蒸汽冷凝器的三種安裝方案：油蒸汽冷凝器安裝在油箱體上、半導(dǎo)體制冷芯片安裝在油箱頸部、油箱外部循環(huán)制冷方式。
（2）運(yùn)用AutoCAD繪圖軟件繪制半導(dǎo)體油蒸汽冷凝器的原理圖、示意圖、裝配圖和主要零件圖。
（3）設(shè)計(jì)太陽(yáng)能半導(dǎo)體油蒸汽冷凝器的電路，用Protel畫(huà)溫度控制電路的原理圖。選擇電子元器件，將熱敏電阻、繼電器和半導(dǎo)體制冷芯片等進(jìn)行必要的測(cè)試并焊接電路。將焊接完整的電路進(jìn)行溫度控制點(diǎn)的檢測(cè)，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，分析測(cè)試結(jié)果證明本設(shè)計(jì)可應(yīng)用于油箱油蒸汽的冷凝。
1.5.2 本設(shè)計(jì)的工創(chuàng)新點(diǎn)
將半導(dǎo)體油蒸汽冷凝器運(yùn)用于解決燃油蒸汽是本設(shè)計(jì)的一個(gè)創(chuàng)新。
引言 ……………………………………………………………………………… 1
1.1 設(shè)計(jì)的目的和意義 ……………………………………………………………… 1
1.2 國(guó)內(nèi)外概況 ……………………………………………………………………… 1
1.3 汽車(chē)太陽(yáng)能半導(dǎo)體油箱油蒸汽冷凝器的未見(jiàn)報(bào)道…………………………… 5
1.4 半導(dǎo)體制冷的基本原理 ………………………………………………………… 5
1.5 本設(shè)計(jì)的工作及創(chuàng)新點(diǎn) ………………………………………………………… 6
2 太陽(yáng)能半導(dǎo)體油箱油蒸汽冷凝器的安裝設(shè)計(jì) ………………………………… 7
2.1 太陽(yáng)能半導(dǎo)體油箱油蒸汽冷凝器安裝方案…………………………………… 7
2.2 半導(dǎo)體油箱油蒸汽冷凝器的安裝位置 ………………………………………… 7
2.3 汽車(chē)太陽(yáng)能半導(dǎo)體油箱油蒸汽冷凝器的工作原理 ………………………… 8
3 油蒸汽冷凝器的設(shè)計(jì) …………………………………………………………… 9
3.1 油蒸汽冷凝器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ………………………………………………… 9
3.2 油蒸汽冷凝器的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ……………………………………………… 10
4 溫度控制電路的設(shè)計(jì) …………………………………………………………… 12
4.1 電路圖及電路工作原理 ……………………………………………………… 12
4.2 電路元器件選擇 ……………………………………………………………… 13
4.3 溫度控制電路計(jì)算 …………………………………………………………… 17
4.4 溫度控制電路制作 …………………………………………………………… 20
5 汽車(chē)太陽(yáng)能半導(dǎo)體油箱油蒸汽冷凝器的拓展用 ……………………………… 23
結(jié)論 ………………………………………………………………………………… 24
致謝 ………………………………………………………………………………… 25
參考文獻(xiàn) ……………………………………
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