船用發(fā)動機廢氣余熱回收設計【含CAD圖紙優(yōu)秀畢業(yè)課程設計論文】

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購買設計文檔后加 費領取圖 紙 開題報告 學生姓名 專 業(yè) 班 級 指導教師姓名 職 稱 工作單位 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(fā)動機尾氣余熱回收裝置設計 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 本設計的科學依據(jù) （科學意義 和 應 用 前景，國內外研究概況，目前技術現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢等） 一、本設計的科學意義和應用前景 自 1973 年世界發(fā)生石油危機以來，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，減少船舶柴油機廢氣的排放，保護人類賴以生存的環(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 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(fā)展的今天，柴油機的額定功率最大的已超過 37285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 提高到現(xiàn)在的80，有些高速機高達 90°C 以上。船舶安裝廢氣余熱利用系統(tǒng)的設計提供正確 的方法和必要的參考。有系統(tǒng)不見的熱力設計可得到系統(tǒng)各部件的結構，所示與效率。對船舶廢氣余熱利用系統(tǒng)進行優(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。因此柴油機余熱的利用，無論從經(jīng)濟上或環(huán)保方面都具有重大價值。本文將著重探討如何優(yōu)化利用柴油機排氣余熱。 二、本設計的國內外研究概況 余熱回收系統(tǒng)應用在船舶行業(yè)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(tǒng)，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。 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 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(fā)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(jīng)濟性對外形裝置進行設計 三、預期成果 （ 1）完成對船用發(fā)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(yè)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(fā)動機余熱裝置主體部分進行測繪，并利用 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(xiàn)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(xiàn)有主要儀器設備、設計環(huán)境及 協(xié) 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(jīng)具備的條件 （ 1）已經(jīng)能熟練運用 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 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 各環(huán)節(jié)擬定階段性工作進度 (以周為單位 ) 第 1 熟悉課題，查閱相關文獻，撰寫文獻綜述； 第 4 繪制零件圖及總裝配圖； 第 9 設計內部齒輪傳動裝置； 第 11 整理思路，并撰寫畢業(yè)論文，答辯。 開 題 報 告 審 定 紀 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： 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 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 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 中文摘要在當今社會上，廢氣余熱已經(jīng)成為了一種對環(huán)境污染和資源浪費的現(xiàn)象，本文主要設計了船用發(fā)動機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，將熱能轉化為電能。主要構成由有冷源和熱源，微型發(fā)電機組成。其特點是，使用便利，質量高，對環(huán)境無害，同時又節(jié)約了能源。 文章建立的余熱發(fā)電機系統(tǒng)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(fā)電模型 , 賽貝克效應 購買設計文檔后加 費領取圖 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 購買設計文檔后加 費領取圖 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)的原理與理論設計 .......................................................... 3 熱發(fā)電原理 .............................................................................................. 3 熱發(fā)電器的原理 .............................................................................. 3 貝克效應 .......................................................................................... 3 爾帖效應 .......................................................................................... 4 姆遜效應 .......................................................................................... 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)的設計 .......................................................................... 11 電發(fā)生器結構分析 ................................................................................ 11 熱發(fā)電研究方案 .................................................................................... 11 國普林斯頓大學研究的方案 ......................................................... 11 國斯圖加特大學研究的方案 ......................................................... 13 電堆式熱電發(fā)電器 ......................................................................... 13 熱發(fā)電器模塊的設計 ............................................................................ 15 氣管道的結構設計 ................................................................................ 16 水管道的結構設計 ................................................................................ 17 熱發(fā)電器的設計 .................................................................................... 19 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 熱發(fā)電器的結構制作 ............................................................................ 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)電器的工藝設計 ............................................................................ 25 熱發(fā)電器模塊的固定框架設計 ............................................................ 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 .............................................................................................. 31 參考文獻 .............................................................................................................. 32 附錄 ...................................................................................................................... 34 致謝 ...................................................................................................................... 35 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 第一章 緒 論 題研究的背景 在社會經(jīng)濟發(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(fā)動機 。其應用范圍非常廣泛。 不論是汽車，輪船還是飛機，發(fā)動機都起著不可代替的作用，在當今現(xiàn)代，隨著交通工具數(shù)量的增加，發(fā)動機的數(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發(fā)展。 有研究數(shù)據(jù)表明，柴油發(fā)動機燃料燃燒率為 15％至 38％，汽油發(fā)動機為 25％至 28％。 從調查數(shù)據(jù)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(huán)境的污染與能源的浪費。從各種各樣的發(fā)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(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(xiàn)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(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(qū)哪個時間，要促進國民經(jīng)濟的進步，都需要相應的資源使用量上升。 基于上述的問題，我們一方面除了要發(fā)展經(jīng)濟以外，同時要注意對環(huán)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(fā)展的重要條件。 購買設計文檔后加 費領取圖 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，有效回收能源進行再利用，具有重 要意義。不僅僅是對環(huán)境的一種保護，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(huán)境，不對環(huán)境產生危害。 內外余熱發(fā)電的研究現(xiàn)狀 目前在微電子發(fā)電機研究方面，國外微電子發(fā)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(jīng)應用了熱電發(fā)電機組 。 我國現(xiàn)階段狀況：熱電是可逆的，熱電發(fā)電和半導體冷卻是熱電現(xiàn)象的兩個方面，相互可逆。 一般是 設溫差可以用來發(fā)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(jīng)有商業(yè)設施和發(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)階段隨著何種學術互補，我國許多學者對外接觸相干技術，在以后的發(fā)展中，這種情況一定會逐漸改善。 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 第 2 章 余熱發(fā)電系統(tǒng)的原理與理論設計 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 2－ 1 熱電轉換工作原理 圖 貝克效應 法國物理學家 路就會形成熱電流。這個定律被稱為塞貝克效應。 如圖 2示： 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 圖 2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 α，當⊿ T 趨近于 0 時，縮寫為： α t （ 2－ 1） 其中 α 爾帖效應 法國物理學家卡佩爾蒂（ 1834 年觀察到，當前的節(jié)點經(jīng)過兩個導體節(jié)點產生溫度變化：當它從一側流向環(huán)路節(jié)點時，節(jié)點將變冷，反向電流將會加熱。 1838 出 珀爾帖效應的實質。 表明熱點可能會變冷。 這種現(xiàn)象表明，導體電流存在差別時，電路節(jié)點的微弱電流會構成可逆的熱效應，若單位時間 熱量 小與電流的大小成正比關系： （ 2 π 數(shù)，也是 勢， q 是傳輸?shù)碾姾伞Ｍ姇r電流從a 到 b, ,吸熱， π正，當電流從 b 到 a, π負， 于 0,吸熱。 姆遜效應 當電流流經(jīng)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(fā)現(xiàn)的。稱為湯姆遜效應，所形成的熱量稱為湯姆森熱，其與 電流 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 和時間過去，當溫度梯度相對較小時： τ （ 2－ 3） Τ是湯姆森系數(shù)。 當電流到熱端，τ > 0， 0， 0，而后吸熱。 三個熱點系數(shù)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(shù)已知時，我們可以計算塞貝克系數(shù)。 這表明根據(jù)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(shù)，導熱系數(shù)和溫度。 在（ 2，表明當 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)是其熱電轉化功率，也就是最后的輸出功率和熱電轉化效率。在圖 2，采用一堆 P,N 電偶臂的模型來進行詳細的介紹。 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 圖 2－ 3 理想的熱發(fā)電器單對電偶臂結構 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(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） 容易推得總的熱導率為： =錯 誤 !未指定書簽。 （ 2－ 9） 式中 ： λc 1 －導熱覆蓋基板有效熱導率； λ導流片的有效熱導率； λ偶臂有效熱導率； 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 熱覆蓋基板導熱 率； 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 K 流層導熱率； K 偶臂導熱率。 氧化鋁陶瓷是導熱覆蓋基板的組成， λ c 1（ 20 W/m.℃ ～ 30 W/m.℃ ） 為有效導熱率。當導熱系數(shù)逐級增加 λ c 1 = 5 W/m.℃ 導熱覆蓋基板厚度?。?l 1 熱覆蓋基板的面積取： A 10000流片的材料是銅 , 有效熱導率 λ c 2 = 401W/m.℃ （查自《傳熱學》趙鎮(zhèn)南 高等教育出版社 附錄 3） 導流片的厚度?。?l 1 流片的面積取 : A 21偶臂材料是 有效熱導率 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 錯誤 !未找到引用源。 (= K T 設：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)牛頓的熱力學規(guī)律，當熱電發(fā)電機兩端的溫度差異時，熱電發(fā)生器 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 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： η －發(fā)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； α 塞貝克（ 數(shù)； K －熱傳導系數(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)電器的轉換效率為 : 內阻 （ 2－ 14） 式中： L N － N 型電偶臂臂長； ρ N － N 型電偶臂電導率； A N － N 型電 購買設計文檔后加 費領取圖 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 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：忽略熱的損耗，則 Q= C*M* ＝ C*ρ*V* =C*ρ*v*s*t* 設 ： S 水道 ＝ S 氣道 ＝ 1*1＝ 2*v 2* 2 錯誤 !未找到引用源。 假設現(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 購買設計文檔后加 費領取圖 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。 = 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 第 3 章 余熱發(fā) 電系統(tǒng) 的設計 電發(fā)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(fā)電器是電熱發(fā)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(yōu)、劣相比從而選出所需求的發(fā)生器類型來進行研討分析和剖析。 熱發(fā)電研究方案 國普林斯頓大學研究的方案 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)生氣體化學反應的主要場所。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 料和空氣從泵進入通道，在 間通過兩個電極點燃，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300° C）來連續(xù)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。 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 除此之外，還有一些 方法，列如微火微電源系統(tǒng)，采用了 結構。利用電化學微機械技術，設計的微型發(fā)動機。將發(fā)電機和熱交換器置于微型裝置中。 如下圖所示： 圖 3 2維和 3維的結構模型 這就是這種 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 構能減少熱量的損失。 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 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 型熱電發(fā)生器 圖 3型熱電發(fā)生器 通過與標準 藝兼容的 薄膜工藝，可以容易地形成 微型熱電發(fā)電裝置的結構。 英國加的夫大學的火力發(fā)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(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到 K 左右。 采用較低的導熱系數(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(fā)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 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 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 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 圖 3裝置的結構與傳統(tǒng)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(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(fā)電機的熱端的熱電偶。其原理是：根據(jù)塞貝克效應，當發(fā)電機的冷熱端溫度差時，電路會產生電流。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 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體電偶臂。 當然發(fā)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(lián)，所以熱電材料的溫度差不是很大，所以發(fā)電量 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 也很小。薄膜熱電發(fā)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 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(fā)電機要大。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計。 熱發(fā)電器模塊的設計 熱電堆型微電熱發(fā)電機主要包括上，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(fā)電器模塊 的設計有水流道、氣流道和熱電發(fā)電偶臂的構造設計。設計這個模塊的形態(tài)要注意熱量的最大利用。 余熱發(fā)電器模塊設計通常有，微卷式 電堆和薄膜熱發(fā)電，在這三者之間進行比較發(fā)現(xiàn)，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(fā)電的處理技術相對不成熟，而且功率很低，不宜進行試驗。 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)電機作為火力發(fā)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(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 購買設計文檔后加 費領取圖 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 氣管道的結構設計 通氣管道位于發(fā)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(yōu)化整體的熱利用率。 圖 3－ 8 通氣管道 購買設計文檔后加 費領取圖 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氣管道連接零件 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 （ 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。 購買設計文檔后加 費領取圖 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。 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 圖 3－ 11 通水管道（ 2） 熱發(fā)電器的設計 發(fā)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 應，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 在通風管與水管之間 ， 電偶熱電發(fā)電機有電 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 絕緣熱套，引流銅和 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 電發(fā)電機電臂橫截面尺寸為 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，質量越好。圖 3絕緣導熱覆蓋片 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 圖 3流層 購買設計文檔后加 費領取圖 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 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 熱發(fā)電器的結構制作 普通來說熱電熱電發(fā)電機包括氧化鋁陶瓷，熱電材料制備， 導體材料生產，熱電發(fā)電機組裝等部分工藝，生產工藝也規(guī)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示。 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 水制造焊料層掩模，見圖 3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。 電材料的選用與電偶臂的制作 與一般熱電發(fā)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(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。 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 圖 3－ 17 小型熱電發(fā)電器加工工藝框圖 圖 3－ 18 發(fā)電器覆蓋基板導流層結構 購買設計文檔后加 費領取圖 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，再將模具對準氧化鋁陶瓷下覆蓋基板，讓 P、 N 電偶臂對牢導流層，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(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)電器的工藝設計 熱電發(fā)電機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(fā)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(fā)生器的設計，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 購買設計文檔后加 費領取圖 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 50℃。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 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(jīng)過模具的厚度電臂和焊接層的接合，發(fā)電機切割封裝，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，主要應用了硅模和電偶臂的制造工藝。 購買設計文檔后加 費領取圖 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(tǒng)裝置與船體相連。 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 圖 3定框架 購買設計文檔后加 費領取圖 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 3— 24 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