适用于微小型燃烧式半导体温差发电机的热源设计研究

摘要

温差发电技术是利用热电转换材料直接将热能转化为电能，是一种全固态能量转换方式，无噪声、无动力装置，轻巧灵便，虽然转化率比较低，但是对于回收中低温热能而言具有很重要的意义。如果将温差发电技术应用于燃烧式热电转换，因为碳氢燃料的能量密度约为40～50MJ/kg，即使转换效率只有5%，其能量密度有2～2.5MJ/kg(555～700Wh/kg)，对于微尺度燃烧/热电发生装置，即使它的能量转化率处于3%以下，其功率密度也比锂电池有优势。 对于微小型燃烧式半导体温差发电机而言，能量利用采用火焰燃烧的方式，处于熄火直径范围内的相同管径，燃气不会在其中燃烧，从燃烧室内部带出热量也很少，导致燃烧产生的热量过于集中在燃烧室内部，使温度场的分布不均匀，进而产生新的问题：首先，半导体材料的发电功率不稳定；其次，半导体材料内部温度梯度过大，则相应的热应力必然很大，寿命降低；再者，由于存在温度极值点，会直接烧毁半导体材料，而若为了避免烧毁材料，则只能减少燃料，致使发电效率以及功率都下降，燃烧也失去稳定性。 本论文对热源结构进行了单燃烧室和多燃烧室的设计，然后采用计算流体动力学软件CFD模拟了各种模型下的甲烷与空气混合燃气的二维和三维的微燃烧情况，得到了更适合于温差发电材料的热源结构。本论文研究内容主要分为以下几个部分： 1.基于微热源的特点，选择合理的物理模型和数学计算方法，包括控制方程、化学反应动力学、物质传输理论、数值算法及合理的边界条件等。提出了单燃烧室和多燃烧室变通道结构的初步设想以及具体实施方式。 2.在此思想基础上，对单燃烧室的进出口做了四种结构假设，并依据理论上能使用的热源条件设定某一预混气体流量和相同边界条件，然后仿真得到了合适的单燃烧室变通道模型，接着研究了此模型的可燃极限以及安全燃烧范围，并与恒通道单燃烧室结构进行了温度场和内部换热数值比较。按照多燃烧室的结构设想，对四燃烧室热源进行数值仿真，比较其变通道与横通道的温度场均匀度，同时也发现在变通道基础上四燃烧室较单燃烧室温度场分布更加均匀。 3.对单燃烧室热源进行三维建模，更多地结合实际因素，按照不同流速下对三维结构数值模拟，结果发现在同一对流换热系数情况下，三维结构同样存在安全燃烧范围，只是相对二维平面有一定差别。 4.尝试了线切割与雕刻两种加工方法，最后选用数控雕刻加工出单燃烧室变通道热源，搭建实验台，实验进行了初步调试。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录、注释表

声明

第一章 绪论

第二章 热端组织的结构设计和数学模型

第三章 热源结构的二维数值模拟

第四章 热源结构的三维仿真与实验研究

第五章 总结

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间取得的学术成果

附录