船用發動機廢氣余熱回收設計【9張CAD圖紙+畢業論文+文獻綜述+開題報告】

船用發動機廢氣余熱回收設計【9張CAD圖紙+畢業論文+文獻綜述+開題報告】,9張CAD圖紙+畢業論文+文獻綜述+開題報告,發動機,廢氣,余熱,回收,設計,CAD,圖紙,畢業論文,文獻,綜述,開題,報告 本科生畢業設計（論文）開題報告論文(設計)題目船用發動機尾氣余熱回收裝置設計作者所在系別機電工程學院作者所在專業車輛工程作者所在班級作 者 姓 名作 者 學 號指導教師姓名指導教師職稱完 成 時 間說 明1根據學校畢業設計(論文)工作暫行規定，學生必須撰寫畢業設計（論文）開題報告。開題報告作為畢業設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據材料之一。2開題報告應在指導教師指導下，由學生在畢業設計（論文）工作前期內完成，經指導教師簽署意見及所在專業教研室論證審查后生效。開題報告不合格者需重做。3畢業設計開題報告各項內容要實事求是，逐條認真填寫。其中的文字表達要明確、嚴謹，語言通順，外來語要同時用原文和中文表達。第一次出現縮寫詞，須注出全稱。4開題報告中除最后一頁外均由學生填寫，填寫各欄目時可根據內容另加附頁。5閱讀的主要參考文獻應在10篇以上（土建類專業文獻篇數可酌減），其中外文資料應占一定比例。本學科的基礎和專業課教材一般不應列為參考資料。6參考文獻的書寫應遵循畢業設計（論文）撰寫規范要求。7開題報告應與文獻綜述、一篇外文譯文和外文原文復印件同時提交，文獻綜述的撰寫格式按畢業設計（論文）撰寫規范的要求，字數在2000字左右。畢業設計(論文)開題報告課題來源教師自擬課題課題性質理論研究課題名稱船用發動機尾氣余熱回收裝置設計本設計的科學依據（科學意義和應用前景，國內外研究概況，目前技術現狀、水平和發展趨勢等）一、本設計的科學意義和應用前景自1973 年世界發生石油危機以來，加上環境污染的加劇，節能問題日益引起了人們的重視。如何提高能源的利用率，減少船舶柴油機廢氣的排放，保護人類賴以生存的環境是許多人致力研究的課題。就燃料大戶船舶而言，目前柴油機余熱的利用主要是利用廢氣渦輪增壓器將廢氣能量轉換成掃氣空氣的壓力來提高柴油機的功率和效率，同時利用廢氣鍋爐產生 0.5MPa 左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、高速化發展的今天，柴油機的額定功率最大的已超過37285KW，為減少耗油，柴油機冷卻水的出口溫度也從20世紀60 年代的60-65C提高到現在的80-85C，有些高速機高達90C以上。船舶安裝廢氣余熱利用系統的設計提供正確的方法和必要的參考。有系統不見的熱力設計可得到系統各部件的結構，所示與效率。對船舶廢氣余熱利用系統進行優化分析。冷卻水出口溫度的增加使冷卻水熱能的品質有了很大的提高，也為冷卻水余熱的利用創造了更好的條件。因此柴油機余熱的利用，無論從經濟上或環保方面都具有重大價值。本文將著重探討如何優化利用柴油機排氣余熱。二、本設計的國內外研究概況 余熱回收系統應用在船舶行業可以追溯較長的歷史和擁有廣泛的應用范圍，在眾多種的船舶上都裝有廢氣鍋爐系統，利用廢氣的能量轉化獲得船用蒸汽。與此同時，大功率低轉速的船用柴油機尾氣排放較大，隨著廢氣渦輪增壓器研究技術的改進，在尾氣進出口進入廢氣渦輪增壓器前進行分流，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化為機械能和的電能。這在技術上是可行的。設計內容和預期成果（具體設計內容和重點解決的技術問題、預期成果和提供的形式）一、設計內容（1）查閱相關文獻，搜集船用發動機尾氣余熱回收裝置設計。（2）簡述其工作原理性質二、重點解決的技術問題（1）如何最大限度利用余熱，以提高船舶運行的經濟性對外形裝置進行設計三、預期成果（1）完成對船用發動機尾氣余熱回收裝置的設計（2）繪制完成總裝配圖、零件圖（3）完成畢業設計報告擬采取設計方法和技術支持（設計方案、技術要求、實驗方法和步驟、可能遇到的問題和解決辦法等）先對船用發動機余熱裝置主體部分進行測繪，并利用solidworks軟件進行三維圖的繪制，并完成裝配。再查閱相關資料余熱裝置進行設計，使其在對應的工作原理下進行工作。實現本項目預期目標和已具備的條件（包括過去學習、研究工作基礎，現有主要儀器設備、設計環境及協作條件等）一、本項目的預期目標完成總裝配圖及零件圖，并且內部設計合理，能完成基本廢氣回收。 二、已經具備的條件（1）已經能熟練運用solidworks等制圖軟件；（2）本設計需要一定的機械設計功底及其一定機械設計方面的資料，這些可以從圖書館及老師處借閱，可以充分利用系里的CAD/CAM實驗室進行設計工作。 各環節擬定階段性工作進度(以周為單位)第1-3周 熟悉課題，查閱相關文獻，撰寫文獻綜述；第4-8周 繪制零件圖及總裝配圖；第9-11周 設計內部齒輪傳動裝置；第11-15周 整理思路，并撰寫畢業論文，答辯。開 題 報 告 審 定 紀 要時 間地點主持人參會教師姓 名職 務（職 稱）姓 名職 務（職 稱）論證情況摘要 記錄人：指導教師意見指導教師簽名： 年 月 日教研室意見教研室主任簽名： 年 月 日 本科生畢業設計(論文)文獻綜述設計 (論文)題目船用發動機尾氣余熱回收裝置設計作者所在系別機電工程學院作者所在專業車輛工程作者所在班級作 者 姓 名作 者 學 號指導教師姓名指導教師職稱完 成 時 間說 明1根據學校畢業設計(論文)工作暫行規定，學生必須撰寫畢業設計(論文)文獻綜述。文獻綜述作為畢業設計(論文)答辯委員會對學生答辯資格審查的依據材料之一。2文獻綜述應在指導教師指導下，由學生在畢業設計(論文)工作前期內完成，由指導教師簽署意見并經所在專業教研室審查。3文獻綜述各項內容要實事求是，文字表達要明確、嚴謹，語言通順，外來語要同時用原文和中文表達。第一次出現縮寫詞，須注出全稱。4學生撰寫文獻綜述，閱讀的主要參考文獻應在10篇以上（土建類專業文獻篇數可酌減），其中外文資料應占一定比例。本學科的基礎和專業課教材一般不應列為參考資料。5文獻綜述的撰寫格式按畢業設計(論文)撰寫規范的要求，字數在2000字左右。文獻綜述應與開題報告同時提交。畢 業 設 計（論 文）文 獻 綜 述摘要船舶就像是漂浮在海洋上面的城市。隨著科學和技術的發展，為了節省能源和更有效的利用船舶廢氣，所以我們要進行船舶廢氣利用的研究。對船舶廢氣利用研究的同時也促使了各種設備的推陳出新。超大型船舶主機功率龐大，廢氣排放熱量可觀。借助廢氣余熱利用系統，可將部分廢氣余熱利用，達到節能的目的。船舶安裝廢氣余熱利用系統可提高燃油利用率。對于不同的船舶，需從工作可靠性與經濟性綜合考慮，選取合適的廢氣余熱利用系統。通過系統靜態特性的模擬分析，可合理預測和效驗系統的實際工作情況，為船舶廢氣余熱利用系統的設計提供正確的方法和必要的參考。由系統的熱力平衡，可求出系統的熱力學參數，由柴油機部件的熱力計算可得到各部件的結構損失與效率損失。對船舶廢氣余熱利用系統進行優化分析，不僅可以為廢氣余熱利用系統提供最優的工作參數，同時也可以使柴油機達到最佳的工作狀態。關鍵詞：廢氣余熱；冷卻水余熱；余熱利用AbstractA ship is a city floating in the ocean .With the development of science and technology，to suit various operations on board，the life of the seaman，property and security of personnel needs，not only promote the equipment is gradually improving，but also created the deck equipments ，power plant. The ships are very big and the power is also big. And the exhaust emission is a lot.In virtue of the exhaust gas system can utilize part of the exhaust gas to reach the aim utilizating of waste heat in bessels. The fixing of utilization of waste heat in vessels could improve the using of fuel. For different vessels the dependability and economic should be taken into account. Choosing the proper exhaust gas system, By the static state idiocratic simulate analyse, can properly forecast and efficacy the situation of the practice system. To afford the correct method and necessary consult. By the account of the heat balance of the system can educe the energetics parameter of the system. Form the components heat design can acquirability the frame of every parts and the efficiency. Analysing the exhaust gas using system can provide the best working parameter to make the system reach the best working state. KEYWORDS: exhaust emission; waste heat ;working parameter一、本設計的科學意義及目的自1973 年世界發生石油危機以來，加上環境污染的加劇，節能問題日益引起了人們的重視。如何提高能源的利用率，減少船舶柴油機廢氣的排放，保護人類賴以生存的環境是許多人致力研究的課題。就燃料大戶船舶而言，目前柴油機余熱的利用主要是利用廢氣渦輪增壓器將廢氣能量轉換成掃氣空氣的壓力來提高柴油機的功率和效率，同時利用廢氣鍋爐產生 0.5MPa 左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、高速化發展的今天，柴油機的額定功率最大的已超過37285KW，為減少耗油，柴油機冷卻水的出口溫度也從20世紀60 年代的60-65C提高到現在的80-85C，有些高速機高達90C以上。船舶安裝廢氣余熱利用系統的設計提供正確的方法和必要的參考。有系統不見的熱力設計可得到系統各部件的結構，所示與效率。對船舶廢氣余熱利用系統進行優化分析。冷卻水出口溫度的增加使冷卻水熱能的品質有了很大的提高，也為冷卻水余熱的利用創造了更好的條件。因此柴油機余熱的利用，無論從經濟上或環保方面都具有重大價值。本文將著重探討如何優化利用柴油機排氣余熱。二、本文主要解決的問題如何更好的合理利用資源，提高船舶運行的經濟性；如何最大限度利用余熱，以提高船舶運行的經濟性。 三、船用發動機尾氣余熱回收裝置國內外研究狀況 余熱回收系統應用在船舶行業可以追溯較長的歷史和擁有廣泛的應用范圍，在眾多種的船舶上都裝有廢氣鍋爐系統，利用廢氣的能量轉化獲得船用蒸汽。與此同時，大功率低轉速的船用柴油機尾氣排放較大，隨著廢氣渦輪增壓器研究技術的改進，在尾氣進出口進入廢氣渦輪增壓器前進行分流，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化為機械能和的電能。這在技術上是可行的。四 總結 （一）船用發動機尾氣余熱回收裝置發展對我國農牧業發展具有重大作 作用。 （二）本文對國內外船用發動機尾氣余熱回收裝置的現狀及發展做了概述，明確了要考慮成本、實用性、使用壽命等方面去完成設計。參考文獻1吳恒，船舶動力裝置技術管理M，大連海事大學出版社,2005.8.2孫培廷，船舶柴油機M，大連海事大學出版社,2002.2.3詹宗勉，工程熱力學和傳熱學M，大連海事大學出版社，1995.4李國綱，管理系統工程M，中國人民出版社,1992.5王建斌，輪機英語M，大連海事大學出版社,2001.5.6滿一新，輪機維護與修理M，大連海事大學出版社,2000.5.7李 斌，孫培廷，柴油機余熱加熱壓載水的可行性研究 J ，大連海事大學學報，2001，27（2）：50-53.8杜榮銘，船舶柴油機M，大連海事大學出版社,1999.11.9（日）高田秋一， 大型熱泵與排熱回收M，東京：烴加工出版社，1986.10左春寬，現代輪機管理技術與經濟性研究M，大連海事大學，2003.3.11（美）R-JGOLDSTICK，余熱回收手冊J，中南工業大學出版社，1987.22-26.12IMO，Port State Control-an updateN，IMO，News,No.1 ，2000.畢 業 設 計（論 文）文 獻 綜 述指導教師意見 指導教師： 年 月 日專業教研室審查意見 負責人： 年 月 日 畢業設計報告(論文) 報告(說明書)題目： 船用發動機余熱回收設計 作者所在系部： 機電工程學院 作者所在專業： 車輛工程 33 中文摘要在當今社會上，廢氣余熱已經成為了一種對環境污染和資源浪費的現象，本文主要設計了船用發動機廢氣余熱回收的裝置，也就是余熱發電系統的模型。文章主要介紹了余熱發電系統模型的設計方案，主要原理是，在兩個發電元件之間通過溫度差，將熱能轉化為電能。主要構成由有冷源和熱源，微型發電機組成。其特點是，使用便利，質量高，對環境無害，同時又節約了能源。文章建立的余熱發電機系統模型的理論基礎是建立在賽貝克效應之上。關鍵詞：余熱利用, 余熱發電模型, 賽貝克效應 AbstractIn todays society, waste heat has become a phenomenon of environmental pollution and waste of resources. In this paper, a model of waste heat recovery of marine exhaust gas is designed, which is the model of waste heat power generation system.This paper mainly introduces the design scheme of the model of waste heat power generation system. The main principle is that the difference between the two power generation units is the conversion of thermal energy into electric energy through the temperature difference. The main component is a cold source and a heat source, and a micro generator is composed of a generator. The utility model is characterized in that the utility model has the advantages of convenient use, high quality, no harm to the environment and energy saving.The theoretical basis of the model of the waste heat generator system is based on the Thomsen effect.Key word: waste heat utilization, waste heat power generation model, Thomsen effect 目 錄中文摘要IABSTRACTII目 錄I第一章緒 論11.1課題研究的背景11.2 課題研究的意義21.3 國內外余熱發電的研究現狀2第2章 余熱發電系統的原理與理論設計32.1余熱發電原理32.1.1 余熱發電器的原理32.1.2 塞貝克效應32.1.3 帕爾帖效應42.1.4 湯姆遜效應42.2 余熱發電器的理論模型52.3余熱發電系統的理論計算62.3.1 余熱發電系統溫度梯度的計算62.3.2 單個電偶臂的功率計算和效率計算72.3.3 余熱發電系統的功率與效率的理論計算9第3章 余熱發電系統的設計113.1熱電發生器結構分析113.2余熱發電研究方案113.2.1美國普林斯頓大學研究的方案113.2.2德國斯圖加特大學研究的方案133.2.3熱電堆式熱電發電器133.3余熱發電器模塊的設計153.4通氣管道的結構設計163.5通水管道的結構設計173.6余熱發電器的設計193.7余熱發電器的結構制作233.7.1陶瓷基板的選用與制作233.7.2熱電材料的選用與電偶臂的制作233.7.3 發電器的裝配與封裝253.8余熱發電器的工藝設計253.9余熱發電器模塊的固定框架設計273.10 余熱發電器模塊和固定框架裝配293.11 余熱發電器模塊之間的連接部件29第4章 總 結31參考文獻32附錄34致謝35第一章緒 論1.1課題研究的背景在社會經濟發展的同時，無法避免對環境的污染。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，比如我們的節約型社會的觀念。還有我們的可持續發展理論，在滿足當代需要而又不對后代的需求產生影響。在當今社會，交通工具不論是在生活中還是在生產中，都是必不可少的重要組成，比如輪船。汽車，飛機等等。這些交通及工具在當今社會必不可少。在這些交通工具里面，最重要的部件就是發動機。其應用范圍非常廣泛。不論是汽車，輪船還是飛機，發動機都起著不可代替的作用，在當今現代，隨著交通工具數量的增加，發動機的數量也隨之上升，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發展。有研究數據表明，柴油發動機燃料燃燒率為15至38，汽油發動機為25至28。從調查數據中可以看出，不論是汽油機還是柴油機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，造成了環境的污染與能源的浪費。從各種各樣的發動機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生不同的危害，廢氣中包含的顆粒通過呼吸作用進入人體，對人體的健康產生威脅。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，導致疾病傳播，危及人體安全。根據能量守恒定律，地面上的大多數能量最后都將以熱量的形式散發到大氣當中，這樣的結果會導致地面空氣的溫度低，而高空溫度高，上升氣流減少，容易對農作物產生危害，形成干旱現象。在當今社會，隨著各種各樣的氣體排放，空氣中的二氧化碳量已經呈現持續增長的趨勢，使得一些地區的其后便的炎熱，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，在生產方面來說，不論是汽油機還是柴油機，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，無論哪個地區哪個時間，要促進國民經濟的進步，都需要相應的資源使用量上升?；谏鲜龅膯栴}，我們一方面除了要發展經濟以外，同時要注意對環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和發展的重要條件。1.2 課題研究的意義在現階段基于我國基本國情，提高能源利用率，有效回收能源進行再利用，具有重要意義。不僅僅是對環境的一種保護，而且從資源上來說也大大的節約了資源。對于現代化傳統工業來說，能源不能有效利用，所以提高能源利用率，回收能源進行再次利用將會產生巨大的效應。本課題的意義在于：不只要提高能源的使用效率，對廢氣余熱進行回收處理。同時保護環境，不對環境產生危害。1.3 國內外余熱發電的研究現狀目前在微電子發電機研究方面，國外微電子發電機的理論具有代表性的是普林斯頓大學，南加州大學和密歇根大學。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，已經應用了熱電發電機組。 我國現階段狀況：熱電是可逆的，熱電發電和半導體冷卻是熱電現象的兩個方面，相互可逆。 一般是PN結，假設溫差可以用來發電，若是電源，可以在一端使用冷。半導體制冷和使用具有一定的程度，已經有商業設施和發售，然而溫差發電, 這幾乎是一個空白。這是因為我國在軍事高科技研發能力相對落后?，F階段隨著何種學術互補，我國許多學者對外接觸相干技術，在以后的發展中，這種情況一定會逐漸改善。第2章 余熱發電系統的原理與理論設計2.1余熱發電原理2.1.1 余熱發電器的原理余熱發電的前提是利用余熱發生器，他是將熱電材料產生的熱電效應轉化為電流。包括塞貝克效應，珀耳帖效應和湯姆森效應。這三個因素與開爾文關系：有關，如圖所示：圖 21 熱電轉換工作原理圖2.1.2 塞貝克效應法國物理學家T.J.seebeck在1821.利用研究兩種不同的材料構成不相同溫度的兩個節點，電路就會形成熱電流。這個定律被稱為塞貝克效應。 如圖2-2所示： 圖2-2 賽貝克效應圖a,b為不同的兩種材料。當兩端的溫度差在T時，就會產生電動勢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 （21）其中 ab為塞貝克系數。2.1.3 帕爾帖效應法國物理學家卡佩爾蒂（Capeltier）在1834年觀察到，當前的節點經過兩個導體節點產生溫度變化：當它從一側流向環路節點時，節點將變冷，反向電流將會加熱。1838 Lenz給出 珀爾帖效應的實質。 表明熱點可能會變冷。 這種現象表明，導體電流存在差別時，電路節點的微弱電流會構成可逆的熱效應，若單位時間dt的熱量dQp大小與電流的大小成正比關系：dQp=abIdt=abq （2-2） ab稱為Peltier 系數，也是Peltier 電勢，q 是傳輸的電荷。通電時電流從a 到b, dQ0,吸熱，ab 為正，當電流從b到a, ab 為負，dQ小于0,吸熱。2.1.4 湯姆遜效應當電流流經單個導體時，導體中存在溫度梯度，產生了可逆效應，這是湯姆森在1854年發現的。稱為湯姆遜效應，所形成的熱量稱為湯姆森熱，其與 電流和時間過去，當溫度梯度相對較小時：dQT = IdT / dx （23）是湯姆森系數。 當電流到熱端， 0，dT 0，dQ 0，而后吸熱。三個熱點系數通過關系式連接得到：在上式中，T 為絕對溫度。從中得出:從此我們可以得到，當湯姆遜系數已知時，我們可以計算塞貝克系數。這表明根據導熱率的定義，這種效應應該表示為：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是電場強度，溫差，電導率，塞貝克系數，導熱系數和溫度。 在（2-6a）中，表明當材料以溫度差存儲時，能夠形成電流。2.2 余熱發電器的理論模型余熱發電器的主要參數是其熱電轉化功率，也就是最后的輸出功率和熱電轉化效率。在圖2-2中，采用一堆P,N電偶臂的模型來進行詳細的介紹。圖 23 理想的熱發電器單對電偶臂結構2.3余熱發電系統的理論計算2.3.1 余熱發電系統溫度梯度的計算圖2-2，電臂式熱電發電機主要是通過引流銅，電偶臂，電絕緣熱覆蓋板組成。 計算三種導熱系數： K c1 = K c2= K c3 = （28）容易推得總的熱導率為： K = （29）式中：c 1 導熱覆蓋基板有效熱導率； c2 導流片的有效熱導率；c3電偶臂有效熱導率；l c1導熱覆蓋基板厚度； l c2導流片厚度；lc3電偶臂厚度；A c1導熱覆蓋基板的面積；A c2導流片的面積； A c3電偶臂面積；K c1導熱覆蓋基板導熱率；K c2導流層導熱率； K c3電偶臂導熱率。氧化鋁陶瓷是導熱覆蓋基板的組成，c 1（20 W/m.30 W/m.）為有效導熱率。當導熱系數逐級增加c 1 = 5 W/m.導熱覆蓋基板厚度?。簂 c1 = 1 mm導熱覆蓋基板的面積?。篈 c1= 100mm*100mm導流片的材料是銅, 有效熱導率c 2 = 401W/m. （查自傳熱學趙鎮南 高等教育出版社 P492 附錄 3）導流片的厚度?。簂 c2= 1 mm導流片的面積取: A c2= 21mm*1mm電偶臂材料是 Bi2Se3，有效熱導率c 3 = 140 W/m. 電偶臂厚度?。簂 c3= 16.4 mm電偶臂面積取: A c3= 3mm*3mm所以：K c1 = = 50 W/ K c2 = =8.421 W/K c3 = = 0.077 W/ K = =0.076 W/ 根據傅立葉效應 Qk= (Th-Tc) = KT設：熱端溫度啟始為800 冷端溫度為20所以：Qk總= KT總 = 0.076 W/ * 780 =10.184 WQk1= K c1T1 = Qk2= K c2T2 = Qk3= K c3T3 = Qk總 = 10.184W所以： T1 = 0.2 T2 =1.2 T3 = 132.3 2.3.2 單個電偶臂的功率計算和效率計算 根據牛頓的熱力學規律，當熱電發電機兩端的溫度差異時，熱電發生器產生熱量。 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： 發電效率； P 輸出到負載上的電能；I 回路中產生的電流；Q h 熱端的熱流；Q l 低溫熱源從低溫端吸收的熱流；R L 負載電阻；R 電偶臂的內阻；NP 塞貝克（Seebeck）系數；K 熱傳導系數；T1 熱源溫度；T2 冷源溫度。電流回路，消除未知量電流I ，則發電器的輸出功率P 為： （212）由上述三式可得到熱電發電器的轉換效率為:內阻R計算公式為: （214）式中：L N N 型電偶臂臂長；N N 型電偶臂電導率；A N N 型電偶臂截面積；L P P 型電偶臂臂長；P P 型電偶臂電導率； P P 型電偶臂截面積。NP5 根據實驗得出 L /A0.55mmNP= 200（v/） R0.00275 T1 8000.21.2798.6T2 798.6132.3666.3T1 T2 132.3 當 R LR 時，功率最大所以： 2.3.3 余熱發電系統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：v23 m/s 末溫為100水的比熱容C14200 j/kg* 尾氣的密度 11.29kg/水的密度11000kg/ 尾氣的比熱 C2=1003 j/kg* 尾氣的密度 11.29kg/ 假設：忽略熱的損耗，則 Q水Q氣 Q= C*M*C*V*=C*v*s*t* 設： S水道 S氣道 t1 t2 則 C1*1*q1*1C2*2*v 2*2 假設現在余熱發電系統有三個模塊P=152.8W= CM CV=Cvs（通氣管道截面積）t選擇尾氣溫度為：800 末溫為100尾氣的比熱 C2=1003 j/kg* 尾氣的密度 11.29 kg/尾氣的流速為：v21 m/s t= = 0.104 s s（通氣管道截面積）= 0.10.1 = 0.01 = 700 = CM CV=Cvst2825.8 w =第3章 余熱發電系統的設計3.1熱電發生器結構分析相比以往一般的研究基礎上，微卷式，熱電堆，薄膜熱電發電器是電熱發電器的重要構成，下面是對三種結構的講解和分析，再使用功能和優、劣相比從而選出所需求的發生器類型來進行研討分析和剖析。3.2余熱發電研究方案3.2.1美國普林斯頓大學研究的方案圖 3-1 微型線圈式電加熱器在上圖所示中，雙環管作為微型線圈式電加熱器，也發生氣體化學反應的主要場所。通常也被稱之為SWISS ROLL。其尺寸約為12.5mm * 12.5mm * 5mm，材料是氧化鋁陶瓷，在這里我們使用Daestro微加工途徑完成立體材料，管寬度為0.075mm，燃料和空氣從泵進入通道，在Swiss Roll中間通過兩個電極點燃，使燃料持續燃燒。燃料燃燒后的廢氣由管排出。普林斯頓大學研究了有氫氣，甲烷，甲醇和乙醇在內的燃料，因為大部分燃料的保持燃燒，必須初始溫度（高于300C）來連續燃燒。須要使用別的熱源預熱，氫氣就能在室溫下加熱進行催化。調查結果還顯示，在300下，氫氣和空氣的混合物能夠在很寬的比例范圍內反應，使2至12瓦的熱量，熱轉換為100毫瓦的燈泡。除此之外，還有一些方法，列如微火微電源系統，采用了Swills Roll的結構。利用電化學微機械技術，設計的微型發動機。將發電機和熱交換器置于微型裝置中。如下圖所示：圖 3-2微型線圈式電加熱器的2維和3維的結構模型這就是這種Swiss Roll 的2 維和3 維的構造模型。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行的溫度范疇，同時制作溫度分布仿真。如圖所示： 圖 3-3 微型線圈式電加熱器溫度分布仿真實驗研究還表明，三維的Swiss Roll 結構能減少熱量的損失。3.2.2德國斯圖加特大學研究的方案 下圖是德國斯圖加特大學研制的In-Plane 微型熱電發生器 圖 3-4 微型熱電發生器通過與標準IC工藝兼容的IC的薄膜工藝，可以容易地形成In-Plane型微型熱電發電裝置的結構。 英國加的夫大學的火力發電科研所將石英上的藍寶石和多晶硅膜上的硅膜用作熱電材料，作為產生為起搏器供電的微型熱電發電裝置。 它的尺寸：5mm * 10mm * 0.45mm，用于測試，包含不同數量和尺寸的電偶臂。 測試結果表明，每個長，寬，高分別為450m，100m，0.4m的熱電偶在兩種膜材料中的塞貝克電壓可以達到0.5mV / K左右。 采用較低的導熱系數的石英，由于大大降低了基板的熱泄漏，器件的能量轉換效率可以提高50倍，德國斯圖加特大學采用晶體硅微處理技術，制造了平面型微型熱電發電裝置的橋式結構。 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500m和7m，在10m厚的硅薄膜的中間形成摻雜深度為lm， 熱電偶連接10個。 該結構提供與基板的垂直側的溫度差，從而減小了與熱電偶套管平行的基板中的熱損失。 這說明，當襯底垂直面的溫差為10K時，器件的熱電功率為1.5微米。3.2.3熱電堆式熱電發電器它是由美國噴氣動力實驗室（JPL）研制的Cross-Plane。如下圖 圖3-5 Cross-Plane該裝置的結構與傳統的跨平面型微電子冷卻裝置的結構相同。交叉平面微電子冷卻裝置的原理與傳統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，由于在這種冰箱構造中，熱流的導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電機的熱端的熱電偶。其原理是：根據塞貝克效應，當發電機的冷熱端溫度差時，電路會產生電流。他使用厚膜Bi2Te3合金材料，同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，微電子發電裝置連接數萬個熱電偶，在低溫差下獲得電壓高電壓，這種微電熱發電裝置的另一個特點是其制造工藝結合了電化學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50m，直徑為6m。 在8.5K的溫差下，可以在4.1V的電壓下提供22mw的功率。 試驗表明，上述所用可用于MEMS，提供微功率。 目前，JPL正在研發使用P型和N型Bi2T3，納米線替代厚膜合金，便用相似的措施完成更小尺寸的半導體電偶臂。當然發電器的構造還有很多，然而就目前的選取的幾種上述結果證明，微卷熱電轉換器的熱損失較小，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，所以熱電材料的溫度差不是很大，所以發電量也很小。薄膜熱電發電程序從來說微處理技術相對成熟，其尺寸相對較小。但是由一般低功率產生的功率，僅有微瓦熱電堆PN結相對于溫度場是一個并聯結構，每對PN結具備一樣的溫差，所以每對PN結串聯，功率較大，另外，熱源腔最好設計得相對大一點，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電機要大。在這里用熱電堆式熱電發生器作為熱電電源的重要部件來設計。3.3余熱發電器模塊的設計熱電堆型微電熱發電機主要包括上，下熱罩，分流芯片，焊料層，PN結懸臂和輸出線等部件。 微電子發電機的輸出功率和效率會被接觸電阻影響，湯姆遜效應和溫度波動的影響以及熱覆蓋片，導流板和焊料層對熱導率的影響。熱電發電器模塊的設計有水流道、氣流道和熱電發電偶臂的構造設計。設計這個模塊的形態要注意熱量的最大利用。余熱發電器模塊設計通常有，微卷式SwissRoll，熱電堆和薄膜熱發電，在這三者之間進行比較發現，微卷式雖然熱量損失小，但是加工很復雜，沒有條件不便使用。薄膜熱發電的處理技術相對不成熟，而且功率很低，不宜進行試驗。PN節和溫度場的熱電堆并聯，每對PN結溫差相同，所以每對PN結串聯，發電功率較大，最終采用熱電堆熱電，發電機作為火力發電的部件來設計。為達到最大熱量的利用，所以我想到了“雙管形熱電發電器”和“方形熱電發電器”，雙管形熱電發電器的熱量利用率比方形熱電發電器要高，但其應用中制作方面要求較高而且維修不方便，方形熱電發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電器。下面我以簡圖的形式來介紹一下方形熱電發電器電偶臂的具體組成：圖 3-6 方形熱電發電器電偶臂下圖為余熱發電器系統的水、氣流向簡圖：圖 3-7 發電器系統的水、氣流向簡圖3.4通氣管道的結構設計通氣管道位于發電模塊中心，選取銅為導熱介質，在管道增加了一井字形的材料為銅的導熱肋板，增加整個管道的導熱率，優化整體的熱利用率。圖38 通氣管道連接通氣管道位于通氣管道外部，組成為鋁合金（4.5Cu，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計是為了將尾氣分散導入通氣管道，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熱層，提高熱利用率。圖3-9 通氣管道連接零件3.5通水管道的結構設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（4.5Cu，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（兩塊小的規格為：182.8*20*2,還有一塊大的規格為：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，再觀察看出現有無漏水現象，及時修補。圖310 通水管道（1）通水管道（2）與上方做法相同，只是規格不一樣的，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。圖311 通水管道（2）3.6余熱發電器的設計 發電機組主要有熱蓋基板，導流板和電臂三部分。 當電臂端部之間的溫差，P，N結兩種不同的熱電材料會產生Seebeck（Seebeck）效應，所以電路中有電流。 圖 312 電偶臂的理論圖形PN電動臂式熱電發電機在通風管與水管之間， PN熱電偶熱電發電機有電絕緣熱套，引流銅和PN電臂，熱蓋95的氧化鋁陶瓷， 導電層材料為銅板，焊料層為75和95的錫和導電銀塑料和高溫銀漿。 電臂材料為Bi2Se3，熱電發電機電臂橫截面尺寸為3mm3mm，高16.4mm，電臂對對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越高，質量越好。圖3-13 電絕緣導熱覆蓋片圖3-14 導流層圖3-15 電偶臂電偶臂中的電流流向如下圖所示： 圖3-16 電偶臂中電流的流向3.7余熱發電器的結構制作普通來說熱電熱電發電機包括氧化鋁陶瓷，熱電材料制備，PN半導體材料生產，熱電發電機組裝等部分工藝，生產工藝也規模大。小型熱電源的結構有陶瓷基板，銅流層，焊錫層，熱電偶電臂和引線等部件。 處理技術如圖3-17所示。3.7.1陶瓷基板的選用與制作導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。 偏轉器陣列如圖3-18所示，左圖和右圖涵蓋了基板轉向層的陣列圖和半導體電偶臂的陣列結構。 按照襯基板導流層陣列，這里用SU-8膠水制造焊料層掩模，見圖3-19，面罩通過孔和襯底層的重新固結和收緊。最后在方槽中進入高溫導電銀膠，從而形成所需的焊料層。3.7.2熱電材料的選用與電偶臂的制作與一般熱電發電機的熱電材料制造工藝一樣，碲化鉍材料和一些添加劑根據規定比例的配方，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PN 我們需要的熱電偶粒子 使用特殊定制的模具，如圖3-20，P型電動臂顆粒和N型電臂顆粒布置在模具槽的正方形中。圖317 小型熱電發電器加工工藝框圖圖318 發電器覆蓋基板導流層結構圖319 焊料層掩模 圖 320 小型電偶臂陣列模具3.7.3 發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，再將模具對準氧化鋁陶瓷下覆蓋基板，讓P、N 電偶臂對牢導流層，經過焊料層將電偶臂與覆蓋層粘接在一起。然后再用焊料將導出引線與導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。等導電膠凝結后，將發電器置于高溫恒溫爐中靜置10 小時以上，讓焊料和電偶臂導流層充分焊合。高溫爐溫度保持在450K550K 之間。在高溫爐中靜置到時間后，將發電器取出，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110 歐姆），表明焊合成功。此時用高溫硅膠把發電器周圍封合固化，以起到保護作用。這樣，熱電發電器的制造就實現了。3.8余熱發電器的工藝設計熱電發電機電臂橫截面尺寸大多為1mm2以上，粒徑較大，熱電材料切割比較容易。 PN結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321?，F具體闡述如下：在用導向層處理陶瓷基板之后，接下來是生產電臂。 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，并將發電機覆蓋的基板，再去除原有的硅模，留下熱電電偶臂。詳細的硅模工藝如下：按照熱電發生器的設計，制造光刻膠曝光用掩模膜。使用厚度為0.3mm0.5mm的拋光硅晶片，尺寸為8.“蕩滌硅晶片，用氫氟酸緩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，重復曝光顯影，光刻，清洗等。方槽的另一面在方槽兩側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型半導體懸臂材料放在石英容器r用于高溫加熱和加熱直到熔融溫度為約650。然后，將P型熱電材料注入硅模側面上的方形槽中，并且在硅模具冷卻之后，固化了硅模，將硅模翻轉，將N型熱電材料注入到模具的另一側。再通過行硅模冷卻，熱電材料固化。結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過模具的厚度電臂和焊接層的接合，發電機切割封裝，要求得到熱電發生器。用圖形來體現。整個工藝有涂膠、曝光顯影、光刻、鑄模以及鍵合封裝等工藝，主要應用了硅模和電偶臂的制造工藝。 圖321 微型熱發電器制作工藝流程3.9余熱發電器模塊的固定框架設計考慮到固定框架的最大承受力，同時要讓內部的原件牢牢固定在一起，無法移動，所以應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，要注意在一側留下適宜的空間，方便最后將整個系統裝置與船體相連。圖3-22 固定框架3.10 余熱發電器模塊和固定框架裝配 導熱肋板導流層電偶臂通氣管道通水管道固定框架 圖3-23 余熱發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生的電阻較大。3.11 余熱發電器模塊之間的連接部件在上海滬旋旋轉接頭場購買的不銹鋼編織軟管，是模塊之間鏈接的主要結構。圖324是金屬軟管的選取表格，在設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，還有耐高溫的性質。其中RL型號的金屬軟管，能夠承受很強的壓力，同時承受高溫，是對此設計中所用到的理想材料。同時軟管的選取盡量較短一些，這樣做可以節約一定的空間。 圖3-24 金屬軟管選購表第4章 總 結在這次畢業設計之中，通過首先查閱資料，在圖書館瀏覽有關熱電一些基礎的書籍。然后通過互聯網資料，了解國內外的研究現狀，是我明白了對于余熱回收利用的熱量發電具有很重要的意義，在節約使用成本的同時也在一定程度上保護了環境。通過這次設計是我學習到了很多熱學電學有關的知識。同時也讓我了解新的領域，開闊了自己的眼界，也培養了自信心。同時也鍛煉了自我學習的能力和對于新知識的使用能力。參考文獻1 童志義, 趙曉東. 國外MEMS 器件現狀及發展趨勢. 電子工業專用設備,2002,31(4):200-206.2 張威, 張大成, 王陽元. 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