中高温余热回收半导体温差发电热系统设计研究

摘要

工业生产中存在大量的中高温余热,尤其在冶金行业中节能潜力巨大。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,和其它的能量转换方式相比,具有清洁、无噪音污染、无有害物质排放、高效、寿命长、坚固、可靠性高、稳定等一系列优点。在许多特殊场合下,常规余热回收方式无法实现,但利用半导体温差发电则可以实现余热的回收利用,因此将温差发电技术应用于工业中高温余热回收,具有极其重要意义。
　　 本文根据中高温余热的特点,设计了一种自供电的强制风冷的半导体温差发电模块,主要针对钢厂转炉壁面的中高温余热进行回收,是对温差发电技术应用于工业余热回收的初步探索,论文主要完成了如下基本工作:
　　 1.对国内外半导体温差发电系统的研究及应用现状进行了分析,特别对不同温差发电热系统的结构进行了系统的分析、归类和比较,明确了各种结构的优劣。
　　 2.根据转炉可以移动及转动的特点。设计了采用强制风冷式的冷却结构,并且每个发电模块采用独立的冷却系统,安装、维修简单,单个模块的破坏不影响整个系统的正常工作。
　　 3.对温差发电模块进行热系统分析及优化设计,通过数值模拟对温差发电模块的温度场、速度场进行分析,针对不同的散热器形式,不同的风扇排布形式、不同的热沉高度以及不同的风扇压力,提出方案；此外研究中温差发电材料采用随温度变化的导热系数,空气入口边界采用压力风扇入口条件,使数值模拟更为准确,为采用强制对流冷却形式的温差发电器的研究奠定了理论基础。
　　 4.通过对温差发电模块的实验研究,确定了温差发电元件的导热系数随温度变化的规律；验证了温差发电模块采用强制空气对流的冷却方式具有更大的优势；此外测量了风扇排布形式对温差发电模块温度及开路电压的影响,验证了数值模拟的可靠性；最后分析单风扇与双风扇冷却效果下输出功率的特点,总结了负载电阻与输出功率的关系,为半导体温差发电器在回收中高温热能方面提供了许多具有实用价值的可行方法。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:图表目录、注释表

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.1.1 中国能源形势

1.1.2 节能重点

1.1.3 能源回收新技术

1.2 半导体温差发电技术在国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 主要的研究内容

1.3.1 课题的提出及意义

1.3.2 课题研究内容

1.3.3 本文的创新点

第二章 转炉半导体温差发电模块的研制

2.1 热电转换基本原理

2.1.1 塞贝克(Seebeck)效应

2.1.2 帕尔贴(Peltier)效应

2.1.3 汤姆逊(Thomson")效应

2.1.4 焦耳热效应

2.2 热电转换效率及功率

2.2.1 热电转换优值系数

2.2.2 热电转换的效率

2.2.3 温差发电的最大输出功率

2.3 温差发电模块设计

2.3.1 转炉余熟的基本特点

2.3.2 温差发电模块设计

2.3.3 温差发电元件的选择

2.3.4 散热器形式

2.3.5 风扇布置形式

2.3.6 热端形式

2.3.7 关键技术

第三章 半导体温差发电模块热分析

3.1 理论分析与数值计算方法

3.1.1 散热器导热

3.1.2 对流换热

3.1.3 湍流模型

3.2 不同肋片形式对温差发电模块冷却效果的影响

3.2.1 计算模型

3.2.2 gambit建模及边界条件设定

3.2.3 计算结果与分析

3.3 不同热沉高度对温差发电模块冷却效果的影响

3.3.1 计算模型

3.3.2 Gambit建模及边界条件设定

3.3.3 计算结果与分析

3.4 不同风扇布置形式对温差发电模块性能的影响

3.4.1 计算模型

3.4.2 Gambit建模及边界条件设定

3.4.3 计算结果与分析

3.5 不同风扇压力对温差发电模块性能的影响

3.5.1 计算模型

3.5.2 Gambit建模及边界条件设定

3.5.3 计算结果与分析

第四章 温差发电模块实验研究

4.1 实验装置建立

4.1.1 温差发电模块的组装

4.1.2 测量仪表

4.1.3 实验方法及内容

4.2 温差发电材料导热系数的测定

4.3 风扇排布形式对温差发电模块温度及开路电压的影响

4.3.1 温差发电模块温度特性

4.3.2 温差发电模块开路电压特性

4.4 空气自然对流与强制空气对流两种状况下对温差发电模块的影响

4.4.1 温差发电模块温度特性

4.4.2 温差发电模块开路电压特性...

4.5 单风扇与双风扇冷却效果下输出功率的特点

4.5.1 温差发电模块温度特性

4.5.2 温差发电模块伏安曲线

4.5.3 温差发电模块输出功率特性

第五章 总结

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文