發(fā)動(dòng)機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 目發(fā)動(dòng)機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) ignofsystemforwastethermalofgenerator 分院 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書(shū) 學(xué)號(hào) 三、指導(dǎo)教師對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)的進(jìn)度安排及任務(wù)要求：:參考文獻(xiàn):至年月日指導(dǎo)教師(簽名)職稱負(fù)責(zé)人(簽名)年月日3畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)工作記錄卡選題(選題)(搜集資料)(開(kāi)題報(bào)告) (說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě))主要工作內(nèi)容4畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)工作指導(dǎo)卡姓名指導(dǎo)教師日期工作內(nèi)容完成情況指導(dǎo)教師檢查答疑記錄檢查答疑內(nèi)容假記請(qǐng)假原因錄I隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的快速發(fā)展，為MEMS提供電能的微小型功率器件(POWERMEMS)逐步得到了廣泛的研制。微小型熱電電源是其中得到發(fā)IIAbstractIII 2.3.3余熱發(fā)電系統(tǒng)的功率與效率的理論計(jì)算 10 2 1緒論1.1課題研究的背景我國(guó)建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的現(xiàn)狀不容樂(lè)觀，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)繼設(shè)個(gè)飛速發(fā)展的社會(huì)中交通無(wú)疑是很重要的一塊，而汽車、 就占進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料所產(chǎn)生熱量的30％~45％。這一方面造成了較大的能2熱減少，1.2課題研究的意義節(jié)能與環(huán)保是21世紀(jì)人類面臨的嚴(yán)重問(wèn)題。中國(guó)正處在持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵階可以節(jié)約大量燃料,對(duì)于降低我國(guó)在二氧化碳,二氧化硫和氮氧化物的排放都環(huán)1.3國(guó)內(nèi)外余熱發(fā)電的研究現(xiàn)狀善的有Princeton大學(xué)、南加州大學(xué)和Michigan大學(xué)。美國(guó)USC空氣動(dòng)力實(shí)3廢熱，熱電現(xiàn)象的兩個(gè)方面,互相可逆?？赏粋€(gè)PN結(jié),若目前已有商品器件和設(shè)備出售,但對(duì)溫差學(xué)術(shù)交流的廣泛開(kāi)展,國(guó)內(nèi)不少學(xué)者到國(guó)外接觸了相關(guān)技術(shù),相信我國(guó)在這一領(lǐng)域相對(duì)落后的面貌將逐漸改觀.4第2章余熱發(fā)電系統(tǒng)的原理與理論設(shè)計(jì)2.1余熱發(fā)電系統(tǒng)的原理2.1.1余熱發(fā)電器的原理余熱發(fā)電器主要是利用熱電材料的熱電效應(yīng)產(chǎn)生電流而工作的。熱電效應(yīng)逆熱效應(yīng)和溫差引起的電效應(yīng)的總稱，它包括塞貝克(Seebeck)，帕爾帖(Peltier)效應(yīng)和湯姆遜(Thomson)效應(yīng)。這三個(gè)效應(yīng)通過(guò)開(kāi)爾文圖2－1熱電轉(zhuǎn)換工作原理2.1.2塞貝克效應(yīng)1821年法國(guó)物理學(xué)家T.J.Seebeck在考察Bi-Cu與Bi-Te回路的電磁效個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度不同時(shí)，回路中有熱電流產(chǎn)生，這就是Seebeck效應(yīng)如圖所示5C.A.Peltier觀察到當(dāng)電流通過(guò)兩個(gè)不同導(dǎo)體的節(jié)點(diǎn)間dt內(nèi)其熱量dQp的大小與流過(guò)的電流I成正比：62.1.4湯姆遜效應(yīng)度，就會(huì)有可逆的熱效應(yīng)產(chǎn)生，稱為T(mén)homson效應(yīng)，產(chǎn)生的熱為T(mén)homson熱。Thomson熱與通過(guò)的電流，經(jīng)歷的時(shí)間成正比，假定溫度梯度較?。罕壤禂?shù)τ為湯姆遜(Thomson)系數(shù)。符號(hào)規(guī)則與Peltier效應(yīng)相同，當(dāng)電流三個(gè)熱電系數(shù)可以通過(guò)開(kāi)爾文(Kelvin)關(guān)系式聯(lián)系起來(lái)：T一材料的Seekeck系數(shù)和Thomson系7度差，則可以產(chǎn)生電流；反之，式(2—6b)顯示了電流可以在2.2余熱發(fā)電器的理論模型描述熱電發(fā)電器熱電轉(zhuǎn)換性能的參數(shù)主要包括輸出功率和熱電轉(zhuǎn)換效率。對(duì)微小型熱電發(fā)電機(jī)而言，還有質(zhì)量(體積)比功率(或稱為輸出能量密度)等性電偶臂兩端存在溫差時(shí)，P、N結(jié)兩種不同熱電材料將產(chǎn)生塞貝克(Seebeck)效圖2－3熱發(fā)電器單對(duì)電偶臂理想結(jié)構(gòu)2.3余熱發(fā)電系統(tǒng)的理論計(jì)算2.3.1余熱發(fā)電系統(tǒng)溫度梯度的計(jì)算的：((2－8)Kc=8((2－9)Ka=Kc=9Kc=Ka=QQkThTc)=KT溫度為20℃WWkW2.3.2單個(gè)電偶臂的功率計(jì)算和效率計(jì)算按照牛頓熱力學(xué)定律，熱電發(fā)電器電偶臂兩端存在溫差時(shí)，產(chǎn)生熱流。電偶臂從熱源吸收的熱量為帕爾特?zé)?、焦耳熱和傳?dǎo)熱三部分之和，即：IR －塞貝克(Seebeck)系數(shù)；K－熱傳導(dǎo)系數(shù)；22由電流回路，消除未知量電流I，可以得到發(fā)電器的輸出功率P為：(2－12(2－12)上述公式中，內(nèi)阻R為P、N半導(dǎo)體電偶臂的電阻，其計(jì)算公式為:((2－14)NNNNNNNPNP222T′－T′2LL2.3.3余熱發(fā)電系統(tǒng)的功率與效率的理論計(jì)算CC=Cρvs(通氣管道截面積)CC=Cρvs(通氣管道截面積)t Vρj/kg*CVC=12水的比熱C1＝4200j/kg*℃水氣假設(shè)：忽略熱的損耗，則Q水氣QQ=C*M*＝C*ρ*V*=C*ρ*v*s*t*水道氣道2t2111111112222現(xiàn)在假設(shè)有三個(gè)模塊組成余熱發(fā)電系統(tǒng)P==152.8W尾氣的比熱C=1003℃尾氣的密度ρ1＝1.29kg/ (通氣管道截面積)=0.10.1==700=CM==CMρvsρvst=3.1熱電發(fā)生器結(jié)構(gòu)分析卷式，熱電堆和薄膜熱電發(fā)電器等等幾種結(jié)構(gòu)。我們?cè)谶@里選擇3種來(lái)進(jìn)行說(shuō)明3.2.1美國(guó)普林斯頓大學(xué)研究的方案圖3-1SWISSROLL12.5mm*12.5mm*5mm，材料Daestro微加工方法實(shí)現(xiàn)三維實(shí)物，管道寬度為0.075mm, 與此相類似的還有南加州大學(xué)的方案，他們運(yùn)用的也是SwillsRoll的結(jié)圖3-2SwissRoll的2維和3維的結(jié)構(gòu)模型這就是這種SwissRoll的2維和3維的結(jié)構(gòu)模型。研究人員通過(guò)控制氣體燃mm圖3-3SwissRoll溫度分布仿真SwissRoll熱量的損失.2.2美國(guó)普林斯頓大學(xué)研究的方案加特大學(xué)研制的In-Plane微型熱電發(fā)生器，如下圖圖3-4In-Plane微型熱電發(fā)生器ff英上的多晶硅膜作為熱電高分別為450μm,100μm,0.4μm的熱電偶在兩種薄膜于襯底熱泄露大大降低，器件能量轉(zhuǎn)換效率可提高50倍,德國(guó)斯圖加特大學(xué)用K器件的熱電功率達(dá)到它是由美國(guó)噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室(JPL)研制的Cross-Plane。如下圖圖3-5Cross-Plane端和器熱器件熱我們?cè)谶@里選擇熱電堆式熱電發(fā)生器作為熱電電源的核心部件來(lái)設(shè)計(jì)。3.2余熱發(fā)電器模塊的設(shè)計(jì)、熱電發(fā)電器模塊的設(shè)計(jì)主要包括水流道、氣流道和熱電發(fā)電偶臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)這個(gè)模塊的整體形狀要以熱量的最大利用為目標(biāo)。我考慮過(guò)的形狀有：微卷式(SwissRoll)、熱電堆和薄膜熱電發(fā)電器。微卷式(SwissRoll)熱電轉(zhuǎn)換器熱損失比較小，對(duì)熱能的利用率比較高，但場(chǎng)是并聯(lián)結(jié)構(gòu)，每一對(duì)PN結(jié)均有相同的溫差，故每一對(duì)PN結(jié)串聯(lián)后，產(chǎn)生的形熱方形熱電發(fā)電器不但具有較高的熱利用率而且后期用于實(shí)際中制作方便，維修簡(jiǎn)單，所以最后在我和老師的討論下決定設(shè)計(jì)方形熱電發(fā)電器模塊。下面我以簡(jiǎn)圖的形式來(lái)介紹一下方形熱電發(fā)電器電偶臂的具體組成：圖3-6方形熱電發(fā)電器電偶臂3.2.1通氣管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)位于發(fā)電器模塊中心的是一通氣管道，材料為導(dǎo)熱較好的銅，在管道的內(nèi)3.2.2通水管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)位于通氣管道外面的是兩對(duì)尺寸不一但形狀一樣的通水管道，其材料為鋁圖3－10通水管道(1)通水管道(2)的制作方式是一樣的，只是材料的規(guī)格不一樣的，總的一點(diǎn)要圖3－11通水管道(2)3.2.3余熱發(fā)電器的設(shè)計(jì)圖3－12電偶臂的理論圖形位于通氣管道和通水管道的中間是PN電偶臂熱電發(fā)電器，一對(duì)PN電偶臂PN偶臂，導(dǎo)熱覆蓋層采材料賽貝克系數(shù)越高越好，同時(shí)，也希望該材料能耐高溫(溫差越大，熱電材料.4余熱發(fā)電器的結(jié)構(gòu)制作普通熱電堆式熱電發(fā)電器主要包括氧化鋁陶瓷片制作加工，熱電材料的配特點(diǎn)。小型熱電電源的結(jié)構(gòu)包括陶瓷基板、銅導(dǎo)流層、焊料層、熱電偶電偶臂以等幾部分。其加工工藝如圖3－17。發(fā)電器制作工藝：(1)陶瓷基板的選用與制作陶瓷基板上的導(dǎo)流層則主要采取覆蓋鋁層工藝，也有部分廠家采用滲銅工。導(dǎo)流層陣列見(jiàn)圖3－18，圖左和圖右分別覆蓋基板導(dǎo)流層陣列圖形以及電偶臂陣列結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)基板導(dǎo)流層陣列，這里用SU-8膠制作出焊料層合緊固。然后在方形槽內(nèi)(2)熱電材料的選用與電偶臂的制作和普通熱電發(fā)電器熱電材料制作工藝一樣，將碲化鉍材料以及一些添加劑粒的切割等工藝，從而得到我們所需要的PN熱電電偶臂顆粒。采用專門(mén)定制的小型熱電發(fā)電器加工工藝框圖導(dǎo)流層結(jié)構(gòu)圖3－19焊料層掩模圖3－20小型電偶臂陣列模具(3)發(fā)電器的裝配與封裝將P、N型電偶臂顆粒依次間隔排列在專用模具中后，再將模具對(duì)準(zhǔn)氧化鋁陶瓷下覆蓋基板，讓P、N電偶臂對(duì)牢導(dǎo)流層，通過(guò)焊料層將電偶臂與覆蓋層粘550K的范圍。在高溫爐中靜置一段時(shí)間后，將發(fā)電器取出，用電阻儀初步測(cè)試引線兩端的電阻，如電阻不是無(wú)窮大(一般在1~10歐姆的范圍)，說(shuō)明焊合正2.5余熱發(fā)電器的工藝設(shè)計(jì)電材料的切割相對(duì)比較容易。將PN結(jié)電偶臂置于專用的模具中進(jìn)行陣列，一般容易。具體流程圖如圖3－21。：出掩模膠片，用于光刻 (熔化溫度在650℃左右)。然后將P型熱電材料注入到硅模一面的方形槽中。作工藝流程3.3余熱發(fā)電器模塊的固定框架設(shè)計(jì)3.4余熱發(fā)電器模塊和固定框架裝配通氣管道道框架電絕緣導(dǎo)熱層、導(dǎo)流層裝配的主要要求是：確保每一個(gè)部分緊密的結(jié)合在一起，避免產(chǎn)生過(guò)多間隙3.5余熱發(fā)電器模塊之間的連接部件高壓，外表是不繡鋼絲編織而成，材質(zhì):銅芯銅帽鋁絲/不銹鋼絲或者是銅芯鋅的壓力要求，以減少軟管的成本。在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開(kāi)始我首先了解了有關(guān)于熱電的一些基礎(chǔ)參考文獻(xiàn)[1]童志義,趙曉東.國(guó)外MEMS器件現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì).電子工業(yè)專用設(shè)備,[3]李德勝,王東紅