发动机余热发电系统设计方案

发动机余热发电系统设计方案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，使地面反射太阳热能的反射率增高，吸收太阳辐射热减少，沿地面空气的热减少，上升气流减弱，阻碍云雨形成，造成局部地区干旱，影响农作物生长。

近一个世纪以来，地球大气中的二氧化碳不断增加，气候变暖，冰川积雪融化，使海水水位上升，一些原本十分炎热的城市，变得更热。

造成热污染最根本的原因是能源未能被最有效、最合理地利用。

在其它工程机械、船舶、飞机运输工具中，发动机对能量的利用效率也存在同样的效率低、能源浪费等问题。

现代化国家的经济发展和能源有着密切的关系，在正常的情况下，经济发展与能源之间存在着正相关，也就是说，能源消费量越大，国民生产总值也越高。

反之，能源不足就会影响国民经济的发展，甚至会造成巨大的损失。

据分析，由于能源不足所引起的国民经济损失，约为能源本身价值的20到60倍。

由此可见，不论哪个国家哪一个时期，若要加快发展国民经济，就必须保证能源消费量的相应增长。

目前，我国正处于改革开放的前期阶段，要尽快发展社会主义经济建设，除了其他的必要条件外，还必须重视能源这一重要的物质基础。

因此，能源是我国更好地进行社发济的关键。

一方面要增加能源的采集，另一方面还要注重提高能源的利用率。

1.2课题研究的意义节能与环保是21 世纪人类面临的严重问题。

中国正处在持续发展的关键阶段, 开发新能源和充分利用低品位能源、废能源具有重大意义。

同时, 通过节能可以节约大量燃料, 对于降低我国在二氧化碳, 二氧化硫和氮氧化物的排放都具有直接的影响。

我国在各种工业过程中存在大量的热能浪费现象, 发展各种环境友好的节能技术, 是十分重要的。

本课题的意义在于：一方面不仅提高了对能源的利用率，节约了能源，另外一方面也减少了对大自然的热污染，保护了环境。

1.3 国外余热发电的研究现状目前在微小型热电发电器的研究方面，国外对微型热电发电机研究比较完善的有Princeton 大学、南加州大学和Michigan 大学。

美国USC 空气动力实验室于2000 年推出微型热电发电机（MicroFire），德国Dresden 科技大学，利用铜箔作为介质研发了一种微型热电发电器，其面积为16*30mm^2,输出电压达到250mV。

美国和日本是目前国际上对热电材料与工程研究投入最多的国家。

美国的研究主要侧重于军事、航天、理论和高科技方面日本的研究侧重于废热利用，同时相应地着力于耐高温的瓷温差电材料的研究在大尺寸的围，热电发电装置已经取得实际的应用。

国研究现状：热电现象本身是可逆的, 温差发电和半导体致冷是热电现象的两个方面, 互相可逆。

可同一个PN 结, 若施加温差则可用来发电,若对其通电, 则可用于在一端致冷。

国对半导体致冷现象和应用研究具有一定水平, 目前已有商品器件和设备出售, 但对温差发电,则几乎是一片空白. 这主要是因为我国在军事高技术研究能力方面相对落后, 未能刺激起足够的需求. 随着国际学术交流的广泛开展,国不少学者到国外接触了相关技术, 相信我国在这一领域相对落后的面貌将逐渐改观.第2章余热发电系统的原理与理论设计2.1余热发电系统的原理2.1.1 余热发电器的原理余热发电器主要是利用热电材料的热电效应产生电流而工作的。

热电效应是电流引起的可逆热效应和温差引起的电效应的总称，它包括塞贝克(Seebeck)效应，帕尔帖(Peltier)效应和汤姆逊(Thomson)效应。

这三个效应通过开尔文(Kelvin)关系式联系在一起。

这三个效应奠定了热力学热电理论发展的基础。

热电效应还伴随产生了其它效应：焦耳热效应和傅立叶效应。

下面分别介绍热电发电器的基本理论。

图 2－1 热电转换工作原理2.1.2 塞贝克效应1821 年法国物理学家T.J.Seebeck 在考察 Bi-Cu 与Bi-Te 回路的电磁效应时发现了热电流、他的实验表明，当由两种不同导体材科构成的闭合回路的两个节点温度不同时，回路中有热电流产生，这就是Seebeck 效应如图所示图2-2 赛贝克效应图不同导体材料,a.b 两端节点存在温差⊿T 时，便会产生Seebeck 电势⊿V，定义Seebeck 电势率αab=V/T,当⊿T→0 时,写成:αab = dV/Dt （2－1）αab称为塞贝克系数,其符号取决于组成热电偶的材料本身及节点的温度/一般规定在低温是a 到b,其值为正,他的大小取决于两节点的温度和金属导体的材料性质。

2.1.3 帕尔帖效应1834 年,法国物理学家C.A.Peltier 观察到当电流通过两个不同导体的节点时，在节点附近有温度变化：当电流从某一方向流经回路的节点时，节点会变冷，而当电流反向的时候，结点温度会变热。

Lenz 于1838 年给出Peltier 效应的本质特征。

Peltier 效应显示出热电致冷的可能性。

Peltier 效应表明，流经两种不同的导体组成的回路的结点的微小电流会产生可逆的热效应，在时间dt 其热量dQp 的大小与流过的电流I 成正比：dQp=πab Idt=πab q （2-2）比例系数π ab称为Peltier 系数，也叫Peltier 电势，q 是传输的电荷。

当电流由a 到b,πab 为正，dQ>0,吸热：反之则放热。

πab 的大小与节点温度及热电偶组成材料有关。

Peltier 效应产生的原因是位于节点两边材料中载流子浓度与Fermi 能级不一样，当电流通过节点时，为了维持能量和电荷守恒必须与环境交换能量。

2.1.4 汤姆逊效应1854 年，Thomson 发现当电流通过一个单一导体，且该导体中存在温度梯度，就会有可逆的热效应产生，称为Thomson 效应，产生的热为Thomson 热。

Thomson 热与通过的电流，经历的时间成正比，假定温度梯度较小： dQ T =τ IdT / dx （2－3）比例系数τ为汤姆逊（Thomson）系数。

符号规则与Peltier 效应相同，当电流流向热端，dT>0，τ>0，dQ>0，吸热。

三个热电系数可以通过开尔文（Kelvin）关系式联系起来：T 为绝对温度。

从上两项关系式可导出单一材料的Seekeck 系数和Thomson系数的关系：从该关系式看出，如果知道Thomson 系数，就可以通过积分得到的单一材料的Seebeck 系数。

可见，热电效应是热传导和电传导之间的一种可逆的交叉耦合效应。

根据电导，热导的通常定义，可把这种热—电偶合效应表示为：矩阵表示形式为：式中，，分别是电流，熵流和热流密度，，以及T 分别为电场强度、温度差、电导率、Seebeck 系数、热导率和温度。

式(2—6a)表明了材料存在温度差，则可以产生电流；反之，式(2—6b)显示了电流可以在材料中产生热流。

2.2 余热发电器的理论模型描述热电发电器热电转换性能的参数主要包括输出功率和热电转换效率。

对微小型热电发电机而言，还有质量（体积）比功率（或称为输出能量密度）等性能指标。

对普通尺寸热电发电器，一般按照图2－2 这种一对P、N 电偶臂简化模型进行分析计算。

理想模型主要包括导热覆盖基板、导流层和电偶臂三部分。

当电偶臂两端存在温差时，P、N 结两种不同热电材料将产生塞贝克（Seebeck）效应，故而在回路中产生电流。

图 2－3 热发电器单对电偶臂理想结构2.3余热发电系统的理论计算2.3.1 余热发电系统温度梯度的计算图2－2为理论的一对PN 电偶臂热电发电器结构。

一对PN 电偶臂热电发电器主要包括电绝缘导热覆盖片、导流铜片和焊料层。

导热覆盖片为高导热率的绝缘片，冷热端的材料、尺寸一样，则可以得到三者的热导率分别为：K c1 = K c2= K c3 = （2－8）容易推得总的热导率为：Kａ=（2－9）式中：λc 1 －导热覆盖基板有效热导率；λc2 －导流片的有效热导率；λc3－电偶臂有效热导率；l c1－导热覆盖基板厚度；l c2－导流片厚度；l c3－电偶臂厚度；A c1－导热覆盖基板的面积；A c2－导流片的面积；A c3－电偶臂面积；K c1－导热覆盖基板导热率；K c2－导流层导热率；K c3－电偶臂导热率。

导热覆盖基板的材料是氧化铝瓷，有效热导率λc1（20 W/m.℃～30 W/m.℃），这里设置导热系数依次递增λc 1 = 5 W/m.℃（存在接触间隙）导热覆盖基板厚度取：l c1 = 1 mm导热覆盖基板的面积取：A c1= 100mm*100mm导流片的材料是铜, 有效热导率λc2 = 401W/m.℃ （查自《传热学》镇南高等教育 P492 附录 3）导流片厚度取：l c2= 1 mm导流片面积取: A c2= 21mm*1mm电偶臂材料是 Bi2Se3，有效热导率λc 3 = 140 W/m.℃电偶臂厚度取：l c3= 16.4 mm电偶臂面积取: A c3= 3mm*3mm所以：K c1 = = 50W/℃ K c2 = =8.421 W/℃K c3 = = 0.077W/℃Kａ==0.076 W/℃傅立叶效应 Q k= (T h-T c) = KT设：热端温度启始为800℃冷端温度为20℃所以：Q k总= KａT总 = 0.076W/℃ * 780℃ =10.184WQ k1= K c1T1 = Q k2= K c2T2 = Q k3= K c3T3 = Q k总 = 10.184W 所以： T1 = 0.2℃T2 =1.2 ℃ T3 =132.3 ℃2.3.2 单个电偶臂的功率计算和效率计算按照牛顿热力学定律，热电发电器电偶臂两端存在温差时，产生热流。