发动机余热发电系统设计

摘要

随着微机电系统（MEMS）的快速发展，为MEMS 提供电能的微小型功率器件（POWER MEMS）逐步得到了广泛的研制。微小型热电电源是其中得到发展的研究课题。

本文提出了发动机余热发电系统设计方案，它是在发电器两端施加强制温差并利用热电效应将热能转换为电能的一种器件，它包括冷源、热源和微小型热电发电器三险要部件，具有寿命长、可靠性高、无污染、安静无噪声和无可动部件等优点。

本文结合热电堆式热电发电器的理论模型，考虑到汤姆孙效应的影响，建立了发动机余热发电系统的模型。

关键词：关键词1：设计; 关键词2：分析; 关键词3：结构; 关键词4：尺寸; 关键词5：组合

Abstract

The widely use of MEMS prompted the extensive research of Power MEMS．Micro (small) thermoelectric generation device is one of the research programs for Power MEMS.

In the paper, the design of system for waste thermal of generator was put forward, and the theory of which is put temperature in difference actively to two sides of the micro (small) thermoelectric generator. The device includes mainly three parts such as heat source, sink source and micro (small) thermoelectric generator etc, which has merits of quiet, long life-span for use, no pollution and having no movable components etc.

Combined with perfect model of common thermoelectric generator, generator were built up based on such factors as the effect of Thomson effect ，then the design of system for waste thermal of generator were optimized.

Key word: 1. design 2. analyze 3. configuration 4. size bination

目录

中文摘要

英文摘要

第1章绪论 (1)

1.1 课题研究的背景 (1)

1.2 课题研究的意义 (2)

1.3 国内外余热发电的研究现状 (2)

第2章余热发电系统的原理与理论设计 (4)

2.1余热发电系统的原理 (4)

2.1.1 余热发电器的原理 (4)

2.1.2塞贝克效应 (4)

2.1.3 帕尔帖效应 (5)

2.1.4 汤姆逊效应 (6)

2.2余热发电器的理论模型 (7)

2.3余热发电系统的理论计算 (7)

2.3.1 余热发电系统温度梯度的计算 (7)

2.3.2 单个电偶臂的功率计算和效率计算 (9)

2.3.3 余热发电系统的功率与效率的理论计算 (11)

第3章余热发电系统的设计 (13)

3.1热电发生器结构分析 (13)

3.2.1 美国普林斯顿大学研究的方案 (13)

3.2.2 美国普林斯顿大学研究的方案 (15)

3.2.3 热电堆式热电发电器 (16)

3.2余热电发电器模块的设计 (17)

3.2.1通气管道的结构设计 (19)

3.2.2通水管道的结构设计 (20)

3.2.3余热发电器的设计 (22)

3.2.4 余热发电器的结构制作 (26)

3.2.5 余热发电器的工艺设计 (28)

3.3余热发电器模块的固定框架设计 (30)

3.4余热发电器模块和固定框架装配 (32)

3.5余热发电器模块之间的连接部件 (32)

第4章总结 (34)

参考文献 (35)

附录 (37)

致谢 (38)

第1章绪论

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中交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，其应用范围非常广泛。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谢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