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購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 開題報告 學(xué)生姓名 專 業(yè) 班 級 指導(dǎo)教師姓名 職 稱 工作單位 課題來源 教師自擬課題 課題性質(zhì) 理論研究 課題名稱 船用發(fā)動機(jī)尾氣余熱回收裝置設(shè)計 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 本設(shè)計的科學(xué)依據(jù) （科學(xué)意義 和 應(yīng) 用 前景，國內(nèi)外研究概況，目前技術(shù)現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢等） 一、本設(shè)計的科學(xué)意義和應(yīng)用前景 自 1973 年世界發(fā)生石油危機(jī)以來，加上環(huán)境污染的加劇，節(jié)能問題日益引起了人們的重視。如何提高能源的利用率，減少船舶柴油機(jī)廢氣的排放，保護(hù)人類賴以生存的環(huán)境是許多人致力研究的課題。就燃料大戶船舶而言，目前柴油機(jī)余熱 的利用主要是利用廢氣渦輪增壓器將廢氣能量轉(zhuǎn)換成掃氣空氣的壓力來提高柴油機(jī)的功率和效率，同時利用廢氣鍋爐產(chǎn)生 右的飽和水蒸汽來滿足船員的日常生活用水及油艙的加熱保溫等，卻忽略了柴油機(jī)冷卻水帶走了大量熱量這一事實。這使得廢熱的利用不僅不充分，而且不合理。在船舶朝著大型化、高速化發(fā)展的今天，柴油機(jī)的額定功率最大的已超過 37285減少耗油，柴油機(jī)冷卻水的出口溫度也從 20 世紀(jì) 60 年代的 60 提高到現(xiàn)在的80，有些高速機(jī)高達(dá) 90°C 以上。船舶安裝廢氣余熱利用系統(tǒng)的設(shè)計提供正確 的方法和必要的參考。有系統(tǒng)不見的熱力設(shè)計可得到系統(tǒng)各部件的結(jié)構(gòu)，所示與效率。對船舶廢氣余熱利用系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析。冷卻水出口溫度的增加使冷卻水熱能的品質(zhì)有了很大的提高，也為冷卻水余熱的利用創(chuàng)造了更好的條件。因此柴油機(jī)余熱的利用，無論從經(jīng)濟(jì)上或環(huán)保方面都具有重大價值。本文將著重探討如何優(yōu)化利用柴油機(jī)排氣余熱。 二、本設(shè)計的國內(nèi)外研究概況 余熱回收系統(tǒng)應(yīng)用在船舶行業(yè)可以追溯較長的歷史和擁有廣泛的應(yīng)用范圍，在眾多種的船舶上都裝有廢氣鍋爐系統(tǒng)，利用廢氣的能量轉(zhuǎn)化獲得船用蒸汽。與此同時，大功率低轉(zhuǎn)速的船用柴油機(jī) 尾氣排放較大，隨著廢氣渦輪增壓器研究技術(shù)的改進(jìn)，在尾氣進(jìn)出口進(jìn)入廢氣渦輪增壓器前進(jìn)行分流，一定流量的尾氣提供給渦輪，尾氣在動力渦輪中膨脹再將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和的電能。這在技術(shù)上是可行的。 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 設(shè)計內(nèi)容和預(yù)期成果 （具體設(shè)計內(nèi)容和重點(diǎn)解決的技術(shù)問題、預(yù)期成果和 提 供 的 形式） 一、設(shè)計內(nèi)容 （ 1）查閱相關(guān)文獻(xiàn)，搜集船用發(fā)動機(jī)尾氣余熱回收裝置設(shè)計。 （ 2）簡述其工作原理性質(zhì) 二、重點(diǎn)解決的技術(shù)問題 （ 1）如何最大限度利用余熱，以提高船舶運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性對外形裝置進(jìn)行設(shè)計 三、預(yù)期成果 （ 1）完成對船用發(fā)動機(jī)尾氣余熱回收 裝置的設(shè)計 （ 2）繪制完成總裝配圖、零件圖 （ 3）完成畢業(yè)設(shè)計報告 擬采取設(shè)計方法和技術(shù)支持 （設(shè)計方案、技術(shù)要求、實驗方法和步驟、可能遇到的問題和解決辦法等） 先對船用發(fā)動機(jī)余熱裝置主體部分進(jìn)行測繪，并利用 件進(jìn)行三維圖的繪制，并完成裝配。再查閱相關(guān)資料余熱裝置進(jìn)行設(shè)計，使其在對應(yīng)的工作原理下進(jìn)行工作。 實現(xiàn)本項目預(yù)期目標(biāo)和已具備的條件 （包括過去學(xué)習(xí)、研究工作基礎(chǔ)，現(xiàn)有主要儀器設(shè)備、設(shè)計環(huán)境及 協(xié) 作 條 件等） 一、本項目的預(yù)期目標(biāo) 完成總裝配圖及零件圖，并且內(nèi)部設(shè)計合理，能 完成基本廢氣回收。 二、已經(jīng)具備的條件 （ 1）已經(jīng)能熟練運(yùn)用 制圖軟件； （ 2）本設(shè)計需要一定的機(jī)械設(shè)計功底及其一定機(jī)械設(shè)計方面的資料，這些可以從圖書館及老師處借閱，可以充分利用系里的 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 各環(huán)節(jié)擬定階段性工作進(jìn)度 (以周為單位 ) 第 1 熟悉課題，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，撰寫文獻(xiàn)綜述； 第 4 繪制零件圖及總裝配圖； 第 9 設(shè)計內(nèi)部齒輪傳動裝置； 第 11 整理思路，并撰寫畢業(yè)論文，答辯。 開 題 報 告 審 定 紀(jì) 要 時 間 地點(diǎn) 主持人 參 會 教 師 姓 名 職 務(wù)（職 稱） 姓 名 職 務(wù)（職 稱） 論 證 情 況 摘 要 記錄人： 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 指 導(dǎo) 教 師 意 見 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 教 研 室 意 見 教 研室主任簽名： 年 月 日 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 中文摘要在當(dāng)今社會上，廢氣余熱已經(jīng)成為了一種對環(huán)境污染和資源浪費(fèi)的現(xiàn)象，本文主要設(shè)計了船用發(fā)動機(jī)廢氣余熱回收的裝置，也就是余熱發(fā)電系統(tǒng)的模型。 文章主要介紹了余熱發(fā)電系統(tǒng)模型的設(shè)計方案，主要原理是，在兩個發(fā)電元件之間通過溫度差，將熱能轉(zhuǎn)化為電能。主要構(gòu)成由有冷源和熱源，微型發(fā)電機(jī)組成。其特點(diǎn)是，使用便利，質(zhì)量高，對環(huán)境無害，同時又節(jié)約了能源。 文章建立的余熱發(fā)電機(jī)系統(tǒng)模型的理論基礎(chǔ)是建立在賽貝克效應(yīng)之上。 關(guān)鍵詞 ： 余 熱利用 , 余熱發(fā)電模型 , 賽貝克效應(yīng) 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 n s a of of In a of of is is of of of is is of is a a a is of a is in of no to of of is on 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 目 錄 中文摘要 ................................................................................................................. I ......................................................................................................... 錄 ..................................................................................................................... I 第一章 緒 論 .................................................................................................. 1 題研究的背景 .......................................................................................... 1 課題研究的意義 ....................................................................................... 2 內(nèi)外余熱發(fā)電的研究現(xiàn)狀 ..................................................................... 2 第 2 章 余熱發(fā)電系統(tǒng)的原理與理論設(shè)計 .......................................................... 3 熱發(fā)電原理 .............................................................................................. 3 熱發(fā)電器的原理 .............................................................................. 3 貝克效應(yīng) .......................................................................................... 3 爾帖效應(yīng) .......................................................................................... 4 姆遜效應(yīng) .......................................................................................... 4 熱發(fā)電器的理論模型 ............................................................................. 5 熱發(fā)電系統(tǒng)的理論計算 .......................................................................... 6 熱發(fā)電系統(tǒng)溫度梯度的計算 .......................................................... 6 個電偶臂的功率計算和效率計算 .................................................. 7 熱發(fā)電系統(tǒng)的功率與效率的理論計算 .......................................... 9 第 3 章 余熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計 .......................................................................... 11 電發(fā)生器結(jié)構(gòu)分析 ................................................................................ 11 熱發(fā)電研究方案 .................................................................................... 11 國普林斯頓大學(xué)研究的方案 ......................................................... 11 國斯圖加特大學(xué)研究的方案 ......................................................... 13 電堆式熱電發(fā)電器 ......................................................................... 13 熱發(fā)電器模塊的設(shè)計 ............................................................................ 15 氣管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ................................................................................ 16 水管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ................................................................................ 17 熱發(fā)電器的設(shè)計 .................................................................................... 19 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 熱發(fā)電器的結(jié)構(gòu)制作 ............................................................................ 23 瓷基板的選用與制作 ..................................................................... 23 電材料的選用與電偶臂的制作 ..................................................... 23 電器的裝配與封裝 ........................................................................ 25 熱發(fā)電器的工藝設(shè)計 ............................................................................ 25 熱發(fā)電器模塊的固定框架設(shè)計 ............................................................ 27 熱發(fā)電器模塊和固定框架裝配 ......................................................... 29 熱發(fā)電器模塊之間的連接部件 ......................................................... 29 第 4 章 總 結(jié) .............................................................................................. 31 參考文獻(xiàn) .............................................................................................................. 32 附錄 ...................................................................................................................... 34 致謝 ...................................................................................................................... 35 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 第一章 緒 論 題研究的背景 在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時，無法避免對環(huán)境的污染。為了面對這些情況，我們也采取了一些相對比較新穎的政策和觀念，比如我們的節(jié)約型社會的觀念。還有我們的可持續(xù)發(fā)展理論，在滿足當(dāng)代需要而又不對后代的需求產(chǎn)生影響。在當(dāng)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(jī)等等。這些交通及工具在當(dāng)今社會必不可少。在這些交通工具里面，最重要的部 件就是發(fā)動機(jī) 。其應(yīng)用范圍非常廣泛。 不論是汽車，輪船還是飛機(jī)，發(fā)動機(jī)都起著不可代替的作用，在當(dāng)今現(xiàn)代，隨著交通工具數(shù)量的增加，發(fā)動機(jī)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。 有研究數(shù)據(jù)表明，柴油發(fā)動機(jī)燃料燃燒率為 15％至 38％，汽油發(fā)動機(jī)為 25％至 28％。 從調(diào)查數(shù)據(jù)中可以看出，不論是汽油機(jī)還是柴油機(jī)燃燒效率都不是很高，而大部分熱量隨著廢氣排放到空氣中，造成了環(huán)境的污染與能源的浪費(fèi)。從各種各樣的發(fā)動機(jī)中排出的廢氣余熱通過熱量的形式傳遞到不同的地域，對于各種動植物和 人類都會產(chǎn)生不同的危害，廢氣中包含的顆粒通過呼吸作用進(jìn)入人體，對人體的健康產(chǎn)生威脅 。除此，河水溫度上升到一些人工溫床引起的致病微生物，使其能繁衍，淹水，導(dǎo)致疾病傳播，危及人體安全。 根據(jù)能量守恒定律，地面上的大多數(shù)能量最后都將以熱量的形式散發(fā)到大氣當(dāng)中，這樣的結(jié)果會導(dǎo)致地面空氣的溫度低，而高空溫度高，上升氣流減少，容易對農(nóng)作物產(chǎn)生危害，形成干旱現(xiàn)象。在當(dāng)今社會，隨著各種各樣的氣體排放，空氣中的二氧化碳量已經(jīng)呈現(xiàn)持續(xù)增長的趨勢，使得一些地區(qū)的其后便的炎熱，同時對與地球上的冰川來說，隨著溫度上升，冰雪融化，使得海 平面上升，在生產(chǎn)方面來說，不論是汽油機(jī)還是柴油機(jī)，能量的利用率相對較低。也就造成了能源短缺等問題。 能夠看出，無論哪個地區(qū)哪個時間，要促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，都需要相應(yīng)的資源使用量上升。 基于上述的問題，我們一方面除了要發(fā)展經(jīng)濟(jì)以外，同時要注意對環(huán)境的保護(hù)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(jìn)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(dāng)今社會生產(chǎn)和發(fā)展的重要條件。 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 課題研究的意義 在現(xiàn)階段基于我國基本國情，提高能源利用率，有效回收能源進(jìn)行再利用，具有重 要意義。不僅僅是對環(huán)境的一種保護(hù)，而且從資源上來說也大大的節(jié)約了資源。對于現(xiàn)代化傳統(tǒng)工業(yè)來說，能源不能有效利用，所以提高能源利用率，回收能源進(jìn)行再次利用將會產(chǎn)生巨大的效應(yīng)。 本課題的意義在于：不只要提高能源的使用效率，對廢氣余熱進(jìn)行回收處理。同時保護(hù)環(huán)境，不對環(huán)境產(chǎn)生危害。 內(nèi)外余熱發(fā)電的研究現(xiàn)狀 目前在微電子發(fā)電機(jī)研究方面，國外微電子發(fā)電機(jī)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，航空航天，實踐和高科技方面，已經(jīng)應(yīng)用了熱電發(fā)電機(jī)組 。 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 設(shè)溫差可以用來發(fā)電，若是電源，可以在一端使用冷。半導(dǎo)體制冷和使用具有一定的程度，已經(jīng)有商業(yè)設(shè)施和發(fā)售，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?，F(xiàn)階段隨著何種學(xué)術(shù)互補(bǔ)，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。 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 第 2 章 余熱發(fā)電系統(tǒng)的原理與理論設(shè)計 熱發(fā)電原理 熱發(fā)電器的原理 余熱發(fā)電的前提是利用余熱發(fā)生器，他是將熱電材料 產(chǎn)生的熱電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電流 。包括塞貝克效應(yīng)，珀耳帖效應(yīng)和湯姆森效應(yīng)。這三個因素與開爾文關(guān)系：有關(guān)，如圖所示： 圖 2－ 1 熱電轉(zhuǎn)換工作原理 圖 貝克效應(yīng) 法國物理學(xué)家 路就會形成熱電流。這個定律被稱為塞貝克效應(yīng)。 如圖 2示： 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 圖 2貝克效應(yīng)圖 a,b 為不同的兩種材料。當(dāng)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 α，當(dāng)⊿ T 趨近于 0 時，縮寫為： α t （ 2－ 1） 其中 α 爾帖效應(yīng) 法國物理學(xué)家卡佩爾蒂（ 1834 年觀察到，當(dāng)前的節(jié)點(diǎn)經(jīng)過兩個導(dǎo)體節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生溫度變化：當(dāng)它從一側(cè)流向環(huán)路節(jié)點(diǎn)時，節(jié)點(diǎn)將變冷，反向電流將會加熱。 1838 出 珀爾帖效應(yīng)的實質(zhì)。 表明熱點(diǎn)可能會變冷。 這種現(xiàn)象表明，導(dǎo)體電流存在差別時，電路節(jié)點(diǎn)的微弱電流會構(gòu)成可逆的熱效應(yīng)，若單位時間 熱量 小與電流的大小成正比關(guān)系： （ 2 π 數(shù)，也是 勢， q 是傳輸?shù)碾姾?。通電時電流從a 到 b, ,吸熱， π正，當(dāng)電流從 b 到 a, π負(fù)， 于 0,吸熱。 姆遜效應(yīng) 當(dāng)電流流經(jīng)單個導(dǎo)體時，導(dǎo)體中存在溫度梯度，產(chǎn)生了可逆效應(yīng)，這是湯姆森在 1854 年發(fā)現(xiàn)的。稱為湯姆遜效應(yīng)，所形成的熱量稱為湯姆森熱，其與 電流 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 和時間過去，當(dāng)溫度梯度相對較小時： τ （ 2－ 3） Τ是湯姆森系數(shù)。 當(dāng)電流到熱端，τ > 0， 0， 0，而后吸熱。 三個熱點(diǎn)系數(shù)通過關(guān)系式連接得到： 在上式中， T 為絕對溫度。從中得出 : 從此我們可以得到，當(dāng)湯姆遜系數(shù)已知時，我們可以計算塞貝克系數(shù)。 這表明根據(jù)導(dǎo)熱率的定義，這種效應(yīng)應(yīng)該表示為：矩陣表示形式為： 在上式中， ， 分別是電流， 熵流和熱流的密度， T 是電場強(qiáng)度，溫差，電導(dǎo)率，塞貝克系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)和溫度。 在（ 2，表明當(dāng) 材料以溫度差存儲時，能夠形成電流。 熱發(fā)電器的理論模型 余熱發(fā)電器的主要參數(shù)是其熱電轉(zhuǎn)化功率，也就是最后的輸出功率和熱電轉(zhuǎn)化效率。在圖 2，采用一堆 P,N 電偶臂的模型來進(jìn)行詳細(xì)的介紹。 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 圖 2－ 3 理想的熱發(fā)電器單對電偶臂結(jié)構(gòu) 熱發(fā)電系統(tǒng)的理論計算 熱發(fā)電系統(tǒng)溫度 梯度的計算 圖 2臂式熱電發(fā)電機(jī)主要是通過引流銅，電偶臂，電絕緣熱覆蓋板組成。 計算三種導(dǎo)熱系數(shù)： K 錯誤 !未找到引用源。 K 誤 !未找到引用源。 K 錯誤 !未找到引用源。 （ 2－ 8） 容易推得總的熱導(dǎo)率為： =錯 誤 !未指定書簽。 （ 2－ 9） 式中 ： λc 1 －導(dǎo)熱覆蓋基板有效熱導(dǎo)率； λ導(dǎo)流片的有效熱導(dǎo)率； λ偶臂有效熱導(dǎo)率； l 熱覆蓋基板厚度； l 流片厚度； 偶臂厚度； A 熱覆蓋基板的面積； A 流片的面積； A 偶臂面積； K 熱覆蓋基板導(dǎo)熱 率； 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 K 流層導(dǎo)熱率； K 偶臂導(dǎo)熱率。 氧化鋁陶瓷是導(dǎo)熱覆蓋基板的組成， λ c 1（ 20 W/m.℃ ～ 30 W/m.℃ ） 為有效導(dǎo)熱率。當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)逐級增加 λ c 1 = 5 W/m.℃ 導(dǎo)熱覆蓋基板厚度?。?l 1 熱覆蓋基板的面積?。?A 10000流片的材料是銅 , 有效熱導(dǎo)率 λ c 2 = 401W/m.℃ （查自《傳熱學(xué)》趙鎮(zhèn)南 高等教育出版社 附錄 3） 導(dǎo)流片的厚度?。?l 1 流片的面積取 : A 21偶臂材料是 有效熱導(dǎo)率 λc 3 = 140 W/m.℃ 電偶臂厚度?。?l 16.4 偶臂面積取 : A 3以： K 錯誤 !未指定書簽。 = 50 W/℃ K 錯誤 !未指定書簽。 =℃ K 錯誤 !未找到引用源。 = ℃ = =誤 !未找到引用源。W/℃ 錯誤 !未指定書簽。 根據(jù)傅立葉效應(yīng) 錯誤 !未找到引用源。 (= K T 設(shè)：熱端溫度啟始為 800℃ 冷端溫度為 20℃ 所以： 總 = ℃ * 780℃ = K 1 = K 2 = K 3 = = 以： 錯誤 !未找到引用源。 錯誤 !未找到引用源。 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(dāng)熱電發(fā)電機(jī)兩端的溫度差異時，熱電發(fā)生器 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 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： 式中： η －發(fā)電效率； P －輸出到負(fù)載上的電能； I －回路中產(chǎn)生的電流； Q h －熱端的熱流； Q l －低溫?zé)嵩磸牡蜏囟宋盏臒崃鳎? R L －負(fù)載電阻； R －電偶臂的內(nèi)阻； α 塞貝克（ 數(shù)； K －熱傳導(dǎo)系數(shù)； － 熱源溫度； ′ －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： （ 2－ 12） 由上述三式可得到熱電發(fā)電器的轉(zhuǎn)換效率為 : 內(nèi)阻 （ 2－ 14） 式中： L N － N 型電偶臂臂長； ρ N － N 型電偶臂電導(dǎo)率； A N － N 型電 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 偶臂截面積； L P － P 型電偶臂臂長； ρ P － P 型電偶臂電導(dǎo)率； P － P 型電偶臂截面積。 ρ N＝ ρ P＝ 5 根據(jù)實驗得出 L /A＝ － 200（ μv/℃ ） R＝ ＝ 800℃ － － ＝ ＝ － ＝ － ＝ 當(dāng) R L＝ R 時，功率最大 所以： 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 ： v1*s 末溫為 25℃ 選擇尾氣溫度為： 800℃ 尾氣的流速為 ： 3 m/s 末溫為 100℃ 水的比 熱容 4200 j/ 尾氣的密度 ρ1＝ 誤 !未找到引用源。 水的密度 ρ1＝ 1000誤 !未找到引用源。 尾氣的比熱 003 j/ 尾氣的密度 ρ1＝ 誤 !未找到引用源。 假設(shè)：忽略熱的損耗，則 Q= C*M* ＝ C*ρ*V* =C*ρ*v*s*t* 設(shè) ： S 水道 ＝ S 氣道 ＝ 1*1＝ 2*v 2* 2 錯誤 !未找到引用源。 假設(shè)現(xiàn)在余熱發(fā)電系統(tǒng)有三個模塊 錯誤 !未找到引用源。 P=錯誤 !未找到引用源。 =誤 !未找到引用源。 = 未找到引用源。 未找 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 到引用源。 錯誤 !未找到引用源。 C 錯誤 !未找到引用源。 ρ錯誤 !未找到引用源。 V 錯誤 !未找到引用源。 =C 錯誤 !未找到引用源。 ρ錯誤 !未找到引用源。 v 錯誤 !未找到引用源。 s（通氣管道截面積） 錯誤 !未找到引用源。 t 錯誤 !未找到引用源。選擇尾氣溫度為 ： 800℃ 末溫為 100℃ 尾氣的比熱 003 j/ 尾氣的密度 ρ1＝ 誤 !未找到引用源。 尾氣的流速為 ： 1 m/s t=錯誤 !未找到引用源。 = 錯誤 !未找到引用源。 = s s（通氣管道截面積） = 未找到引用源。 未找到引用源。 = 700 ℃ 錯誤 !未找到引用源。 錯誤 !未找到引用源。 = 未找到引用源。 M 錯誤 !未找到引用源。 錯誤 !未找到引用源。 未找到引用源。 ρ錯誤 !未找到引用源。 V 錯誤 !未找到引用源。 =C 錯誤 !未找到引用源。 ρ錯誤 !未找到引用源。 v 錯誤 !未找到引用源。 s 錯誤 !未找到引用源。 未找到引用源。 錯誤 !未找到引用源。 2825.8 w 錯誤 !未找到引用源。 錯誤 !未找到引用源。 = 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 第 3 章 余熱發(fā) 電系統(tǒng) 的設(shè)計 電發(fā)生器結(jié)構(gòu)分析 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(jìn)行研討分析和剖析。 熱發(fā)電研究方案 國普林斯頓大學(xué)研究的方案 圖 3型線圈式電加熱器 在上圖所示中，雙環(huán)管作為微型線圈式電加熱器，也發(fā)生氣體化學(xué)反應(yīng)的主要場所。通常也被稱之為 尺寸約為 5料是氧 化鋁陶瓷，在這里我們使用 加工途徑完成立體材料，管寬度為 料和空氣從泵進(jìn)入通道，在 間通過兩個電極點(diǎn)燃，使燃料持續(xù)燃燒。燃料燃燒后的廢氣由管排出。普林斯頓大學(xué)研究了有氫氣，甲烷，甲醇和乙醇在內(nèi)的燃料，因為大部分燃料的保持燃燒，必須初始溫度（高于300° C）來連續(xù)燃燒。須要使用別的熱源預(yù)熱，氫氣就能在室溫下加熱進(jìn)行催化。調(diào)查結(jié)果還顯示，在 300℃下，氫氣和空氣的混合物能夠在很寬的比例范圍內(nèi)反應(yīng)，使 2 至 12 瓦的熱量，熱轉(zhuǎn)換為 100 毫瓦的燈泡。 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 除此之外，還有一些 方法，列如微火微電源系統(tǒng)，采用了 結(jié)構(gòu)。利用電化學(xué)微機(jī)械技術(shù)，設(shè)計的微型發(fā)動機(jī)。將發(fā)電機(jī)和熱交換器置于微型裝置中。 如下圖所示： 圖 3 2維和 3維的結(jié)構(gòu)模型 這就是這種 2 維和 3 維的構(gòu)造模型。在這種裝置中，火焰的溫度是通過氣體燃料的流入來進(jìn)行改變，通過測試兩種不同型號的燃燒器，在高低速流動，高低溫度，長時間和短時間停留得到在處于無焰燃燒可以進(jìn)行的溫度范疇，同時制作溫度分布仿真。如圖所示： 圖 3型線圈 式電加熱器 溫度分布仿真 實驗研究還表明，三維的 構(gòu)能減少熱量的損失。 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 國斯圖加特大學(xué)研究的方案 下圖是德國斯圖加特大學(xué)研制的 型熱電發(fā)生器 圖 3型熱電發(fā)生器 通過與標(biāo)準(zhǔn) 藝兼容的 薄膜工藝，可以容易地形成 微型熱電發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)。 英國加的夫大學(xué)的火力發(fā)電科研所將石英上的藍(lán)寶石和多晶硅膜上的硅膜用作熱電材料，作為產(chǎn)生為起搏器供電的微型熱電發(fā)電裝置。 它的尺寸： 5 10 于測試，包含不同數(shù)量和尺寸的電偶臂。 測試結(jié)果表明，每個長，寬，高分別為 450μ m， 100μ m， m 的熱電偶在兩種膜材料中的塞貝克電壓可以達(dá)到 K 左右。 采用較低的導(dǎo)熱系數(shù)的石英，由于大大降低了基板的熱泄漏，器件的能量轉(zhuǎn)換效率可以提高 50 倍，德國斯圖加特大學(xué)采用晶體硅微處理技術(shù)，制造了平面型微型熱電發(fā)電裝置的橋式結(jié)構(gòu)。 試驗裝置由硅材料制成， P 型和 N 型熱電臂長度和寬度分別為 500μ m 和 7μ m，在 10μ m 厚的硅薄膜的中間形成摻雜深度為 lμ m， 熱電偶連接 10 個。 該結(jié)構(gòu)提供與基板 的垂直側(cè)的溫度差，從而減小了與熱電偶套管平行的基板中的熱損失。 這說明，當(dāng)襯底垂直面的溫差為 10K 時，器件的熱電功率為 米。 電堆式熱電發(fā)電器 它是由美國噴氣動力實驗室（ 制的 下圖 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 圖 3裝置的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的跨平面型微電子冷卻裝置的結(jié)構(gòu)相同。交叉平面微電子冷卻裝置的原理與傳統(tǒng)的熱電冷卻裝置的原理非常相似，除了基板和熱電偶臂本體成為薄膜材料之外， 由于在這種冰箱構(gòu)造中，熱流的導(dǎo)向和基板其表面是如此垂直所謂的。雙層基板是連接到冷端和發(fā)電機(jī)的熱端的熱電偶。其原理是：根據(jù)塞貝克效應(yīng)，當(dāng)發(fā)電機(jī)的冷熱端溫度差時，電路會產(chǎn)生電流。他使用厚膜 時保持熱電臂的橫截面積和長度比相同的條件，減少熱電吊臂，增加每單位體積密度的熱功率。同時，微電子發(fā)電裝置連接數(shù)萬個熱電偶，在低溫差下獲得電壓高電壓，這種微電熱發(fā)電裝置的另一個特點(diǎn)是其制造工藝結(jié)合了電化學(xué)沉積和集成電路蝕刻工藝。測試裝置由 2300 個熱電偶組成，熱電臂的長度為 50μ m，直徑為 6μ m。 在 溫差下，可以在 電壓下提供 22 試驗表明，上述所用可用于 供微功率。 目前， 在研發(fā)使用 P 型和 N 型 米線替代厚膜合金，便用相似的措施完成更小尺寸的半導(dǎo)體電偶臂。 當(dāng)然發(fā)電器的構(gòu)造還有很多，然而就目前的選取的幾種上述結(jié)果證明，微卷熱電轉(zhuǎn)換器的熱損失較小，熱能利用率較高，但微加工愈加艱巨。同時，因為熱電材料在溫度梯度方向上為串聯(lián)，所以熱電材料的溫度差不是很大，所以發(fā)電量 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 也很小。薄膜熱電發(fā)電程序從來說微處理技術(shù)相對成熟，其尺寸相對較小。但是由一般低功率產(chǎn)生的功 率，僅有微瓦熱電堆 對 具備一樣的溫差，所以每對 串聯(lián)，功率較大，另外，熱源腔最好設(shè)計得相對大一點(diǎn)，這樣燃料燃燒，溫度掌控等比較容易，然而熱損失比微型線圈發(fā)電機(jī)要大。在這里用熱電堆式熱電發(fā)生器作為熱電電源的重要部件來設(shè)計。 熱發(fā)電器模塊的設(shè)計 熱電堆型微電熱發(fā)電機(jī)主要包括上，下熱罩，分流芯片，焊料層， 懸臂和輸出線等部件。 微電子發(fā)電機(jī)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。 余熱發(fā)電器模塊設(shè)計通常有，微卷式 電堆和薄膜熱發(fā)電，在這三者之間進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，微卷式雖然熱量損失小，但是加工很復(fù)雜，沒有條件不便使用。薄膜熱發(fā)電的處理技術(shù)相對不成熟，而且功率很低，不宜進(jìn)行試驗。 和溫度場的熱電堆并聯(lián)，每對 溫差相同，所以每對 串聯(lián)，發(fā)電功率較大，最終采用熱電堆熱電，發(fā)電機(jī)作為火力發(fā)電的部件來設(shè)計。為達(dá)到最大熱量的利用，所以我想到了“雙管形熱電發(fā)電器”和“方形熱電發(fā)電器 ”，雙管形熱電發(fā)電器的熱量利用率比方形熱電發(fā)電器要高，但其應(yīng)用中制作方面要求較高而且維修不方便，方形熱電發(fā)電器不但具有較高的熱利用率，并且后期用于制造方便，維修簡單所以最后采用方形熱電發(fā)電器。 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： 圖 3形熱電發(fā)電器電偶臂 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 下圖為余熱發(fā)電器系統(tǒng)的水、氣流向簡圖： 圖 3電器系統(tǒng)的水、氣流向簡圖 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。 圖 3－ 8 通氣管道 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 連接通氣管道位于通氣管道外部，組成為鋁合金 （ g，n） ,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。 圖 3氣管道連接零件 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 （ g， n） ，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： 0*2,還有一塊大的規(guī)格為： 04*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(bǔ)。 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 圖 3－ 10 通水管道（ 1） 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(diǎn)要求就是：焊接完畢后水檢，檢查何處漏水，及時進(jìn)行修補(bǔ)，防止后期漏水。 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 圖 3－ 11 通水管道（ 2） 熱發(fā)電器的設(shè)計 發(fā)電機(jī)組主要有熱蓋基板，導(dǎo)流板和電臂三部分。 當(dāng)電臂端部之間的溫差，P， N 結(jié)兩種不同的熱電材料會產(chǎn)生 應(yīng)，所以電路中有電流。 圖 3－ 12 電偶臂的理論圖形 動 臂式熱電發(fā)電機(jī) 在通風(fēng)管與水管之間 ， 電偶熱電發(fā)電機(jī)有電 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 絕緣熱套，引流銅和 臂，熱蓋 95％的氧化鋁陶瓷， 導(dǎo)電層材料為銅板，焊料層為 75％和 95％的錫和導(dǎo)電銀塑料和高溫銀漿。 電臂材料為 電發(fā)電機(jī)電臂橫截面尺寸為 33 臂對對 199 對。 從以往的理論分析可以看出，熱電材料的選擇賽貝克系數(shù)越高，質(zhì)量越好。圖 3絕緣導(dǎo)熱覆蓋片 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 圖 3流層 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 圖 3偶臂 電偶臂中的電流流向如下圖所示： 圖 3偶臂中 電流的流向 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 熱發(fā)電器的結(jié)構(gòu)制作 普通來說熱電熱電發(fā)電機(jī)包括氧化鋁陶瓷，熱電材料制備， 導(dǎo)體材料生產(chǎn)，熱電發(fā)電機(jī)組裝等部分工藝，生產(chǎn)工藝也規(guī)模大。 小型熱電源的結(jié)構(gòu)有陶瓷基板，銅流層，焊錫層，熱電偶電臂和引線等部件。 處理技術(shù)如圖 3示。 瓷基板的選用與制作 導(dǎo)電層上的陶瓷基材主要用于覆蓋鋁層工藝，有一些廠家采用銅成型工藝。 偏轉(zhuǎn)器陣列如圖 3示，左圖和右圖涵蓋了基板轉(zhuǎn)向?qū)拥年嚵袌D和半導(dǎo)體電偶臂的陣列結(jié)構(gòu)。 按照襯基板導(dǎo)流層陣列，這里用 水制造焊料層掩模，見圖 3罩通過孔和襯底層的重新固結(jié)和收緊。最后在方槽中進(jìn)入高溫導(dǎo)電銀膠，從而形成所需的焊料層。 電材料的選用與電偶臂的制作 與一般熱電發(fā)電機(jī)的熱電材料制造工藝一樣，碲化鉍材料和一些添加劑根據(jù)規(guī)定比例的配方，高于 920K 的溫度熔化，再通過晶棒拉絲，切片，切 粒加工，從而得到 們需要的熱電偶粒子 使用特殊定制的模具，如圖 3P 型電動臂顆粒和 N 型電臂顆粒布置在模具槽的正方形中。 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 圖 3－ 17 小型熱電發(fā)電器加工工藝框圖 圖 3－ 18 發(fā)電器覆蓋基板導(dǎo)流層結(jié)構(gòu) 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 圖 3－ 19 焊料層掩模 圖 3－ 20 小型電偶臂陣列模具 電器的裝配與封裝 將 P、 N 型電偶臂顆粒順次間隔分布在模具中后，再將模具對準(zhǔn)氧化鋁陶瓷下覆蓋基板，讓 P、 N 電偶臂對牢導(dǎo)流層，經(jīng)過焊料層將電偶臂與覆蓋層粘接在一起 。然后再用焊料將導(dǎo)出引線與導(dǎo)流層出口粘接在一塊。采取相同方法將上覆蓋基板與電偶臂顆粒粘接。等導(dǎo)電膠凝結(jié)后，將發(fā)電器置于高溫恒溫爐中靜置10 小時以上，讓焊料和電偶臂導(dǎo)流層充分焊合。高溫爐溫度保持在 450K～ 550K 之間。在高溫爐中靜置到時間后，將發(fā)電器取出，用電阻儀初步測試引線兩端的電阻，如電阻不是無窮大（一般在 1～ 10 歐姆），表明焊合成功。此時用高溫硅膠把發(fā)電器周圍封合固化，以起到保護(hù)作用。這樣，熱電發(fā)電器的制造就實現(xiàn)了。 熱發(fā)電器的工藝設(shè)計 熱電發(fā)電機(jī)電臂橫截面尺寸大多為 1上，粒徑較 大，熱電材料切割比較容易。 臂放在陣列的專用的模具中，用手動方法，總的加工相對容易。流程圖如圖 3－ 21。 現(xiàn)具體闡述如下： 在用導(dǎo)向?qū)犹幚硖沾苫逯螅酉聛硎巧a(chǎn)電臂。 因為電動臂的尺寸小，材料脆性好，所以這里是一個硅模工藝，也就是先制成一個正方形的正方形的硅模陣列，再放入熔融的熱電材料中，并將發(fā)電機(jī)覆蓋的基板，再去除原有的硅模，留下熱電電偶臂。 詳細(xì)的硅模工藝如下：按照熱電發(fā)生器的設(shè)計，制造光刻膠曝光用掩模膜。使用厚度為 拋光硅晶片，尺寸為 8.“蕩滌硅晶片，用氫氟酸緩 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 沖液作為 蝕刻溶液除去二氧化硅的外表，并在涂層上放置一層光機(jī)器光致抗蝕劑的厚度約為 50 微米。曝光顯影后，光致抗蝕劑在硅晶片的表面上形成方孔陣列，再經(jīng)過深度光刻，硅晶片形成方孔陣列，形成方孔陣列不是一個通孔，而是一個方形凹槽陣列。然后去除硅片上的光刻膠。兩片晶片，涂在光致抗蝕劑的另一面，重復(fù)曝光顯影，光刻，清洗等。方槽的另一面在方槽兩側(cè)形成的陣列排列成一列。這時要求在高溫爐中需要硅模，將 P 型和 N 型半導(dǎo)體懸臂材料放在石英容器 50℃。然后，將 P 型熱電材料注入硅模側(cè)面上的方形槽中，并且在 硅模具冷卻之后，固化了硅模，將硅模翻轉(zhuǎn)，將 通過行硅模冷卻，熱電材料固化。結(jié)束時在硅片兩面研磨直到露出熱電偶，并按照需求的熱電偶高度，確定研磨和研磨的量經(jīng)過模具的厚度電臂和焊接層的接合，發(fā)電機(jī)切割封裝，要求得到熱電發(fā)生器。 用圖形來體現(xiàn)。整個工藝有涂膠、曝光顯影、光刻、鑄模以及鍵合封裝等工藝，主要應(yīng)用了硅模和電偶臂的制造工藝。 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 圖 3－ 21 微型熱發(fā)電器制作工藝流程 熱發(fā)電器模塊的固定框架設(shè)計 考慮到固定框架的最大承受力，同時要讓內(nèi)部的原件牢牢固定在一起，無法移動，所以應(yīng)該選擇硬度較高的材料，這里可以使用不銹鋼。用螺母固定好之后，要注意在一側(cè)留下適宜的空間，方便最后將整個系統(tǒng)裝置與船體相連。 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 圖 3定框架 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖 紙 熱發(fā)電器模塊和固定框架裝配 固定框架 圖 3熱 發(fā)電器模塊 裝配的主要要求是：確保每個部件都緊密相連， 避免由于間隙過大而產(chǎn)生的電阻較大。 熱發(fā)電器模塊之間的連接部件 在上海滬旋旋轉(zhuǎn)接頭場購買的不銹鋼編織軟管，是模塊之間鏈接的主要結(jié)構(gòu)。 圖 3— 24 是金屬軟管的選取表格，在設(shè)計中要讓該金屬管與廢氣排放管道的銜接，必須要考慮到金屬管道的最大承受壓力，還有耐高溫