發(fā)動機冷卻循環(huán)水熱能回收利用設(shè)計【含3張cad圖紙+文檔全套資料】
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理工科類
本科生畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告
論文(設(shè)計)題目
發(fā)動機冷卻循環(huán)水熱能回收利用
作者所在系別
機電工程學院
作者所在專業(yè)
車輛工程
作者所在班級
B13142
作 者 姓 名
曾偉
作 者 學 號
201322422
指導教師姓名
孟立新
指導教師職稱
講師
完 成 時 間
2017
年
4
月
北華航天工業(yè)學院教務處制
說 明
1.根據(jù)學校《畢業(yè)設(shè)計(論文)工作暫行規(guī)定》,學生必須撰寫《畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告》。開題報告作為畢業(yè)設(shè)計(論文)答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。
2.開題報告應在指導教師指導下,由學生在畢業(yè)設(shè)計(論文)工作前期內(nèi)完成,經(jīng)指導教師簽署意見及所在專業(yè)教研室論證審查后生效。開題報告不合格者需重做。
3.畢業(yè)設(shè)計開題報告各項內(nèi)容要實事求是,逐條認真填寫。其中的文字表達要明確、嚴謹,語言通順,外來語要同時用原文和中文表達。第一次出現(xiàn)縮寫詞,須注出全稱。
4.開題報告中除最后一頁外均由學生填寫,填寫各欄目時可根據(jù)內(nèi)容另加附頁。
5.閱讀的主要參考文獻應在10篇以上(土建類專業(yè)文獻篇數(shù)可酌減),其中外文資料應占一定比例。本學科的基礎(chǔ)和專業(yè)課教材一般不應列為參考資料。
6.參考文獻的書寫應遵循畢業(yè)設(shè)計(論文)撰寫規(guī)范要求。
7.開題報告應與文獻綜述、一篇外文譯文和外文原文復印件同時提交,文獻綜述的撰寫格式按畢業(yè)設(shè)計(論文)撰寫規(guī)范的要求,字數(shù)在2000字左右。
4
畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告
學生姓名
曾偉
專 業(yè)
車輛工程
班 級
B13142
指導教師姓名
孟立新
職 稱
講師
工作單位
北華航天工業(yè)學院
課題來源
教師自擬題目
課題性質(zhì)
應用研究
課題名稱
發(fā)動機冷卻循環(huán)水熱能回收利用
本設(shè)計的科學依據(jù)
(科學意義和應用前景,國內(nèi)外研究概況,目前技術(shù)現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢等)
換熱器是化工、石油、鋼鐵、汽車、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設(shè)備,在生產(chǎn)中占有重要地位。尤其在化工生產(chǎn)中,換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等,應用甚為廣泛。二十世紀20年代出現(xiàn)板式換熱器,并應用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器,結(jié)構(gòu)緊湊,傳熱效果好,因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。30年代初,瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器,用于飛機發(fā)動機的散熱。30年代末,瑞典又制造出第一臺板殼式換熱器,用于紙漿工廠。在此期間,為了解決強腐蝕性介質(zhì)的換熱問題,人們對新型材料制成的換熱器開始注意。60年代左右,由于空間技術(shù)和尖端科學的迅速發(fā)展,迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器,再加上沖壓、釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展,換熱器制造工藝得到進一步完善,從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應用。此外,自60年代開始,為了適應高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要,典型的管殼式換熱器也得到了進一步的發(fā)展。70年代中期,為了強化傳熱,在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。近年來,隨著我國石化、鋼鐵等行業(yè)的快速發(fā)展,換熱器的需求水平大幅上漲,但國內(nèi)企業(yè)的供給能力有限,導致?lián)Q熱器行業(yè)呈現(xiàn)供不應求的市場狀態(tài),巨大的供給缺口需要進口來彌補。我國出口的換熱器均價平均不到進口均價的一半,2005年更是降到了25%以下。可以想見,我國出口的產(chǎn)品多是附加值低的中、低端產(chǎn)品,而進口的產(chǎn)品多是附加值高的高端產(chǎn)品。這充分說明我國對高端換熱器產(chǎn)品需求旺盛但供給不足的市場現(xiàn)狀。預計“十一五” 期間,我國的換熱器進口規(guī)模還將維持在一個相對較高的水平(約200~300萬臺之間),且更加向高端產(chǎn)品集中。
汽車冷卻系統(tǒng)的作用是保證發(fā)動機可以迅速達到理想的工作溫度,并且無論環(huán)境和工作條件如何變化,始終保持在這一溫度范圍。無論是在極冷或極熱的條件下,無論是在交通堵塞的城市環(huán)境中還是在高速公路上全力行駛時,發(fā)動機必須能夠高效的運轉(zhuǎn)?,F(xiàn)代的高效率發(fā)動機對工作溫度有著極其精確的要求。盡可能高效率的利用燃油對于尾氣排放也是很重要的。冷卻液在缸蓋和發(fā)動機缸體內(nèi)的水道中循環(huán)流動時吸收熱量,然后在水泵的作用下,使冷卻液流入散熱器,而車外的空氣穿過散熱器欄,將散熱器中的冷卻液進行冷卻,冷卻系統(tǒng)中的冷卻液流量是由一個節(jié)溫器控制的,可以保持升溫和冷卻的平衡保證發(fā)動機溫度在正常范圍內(nèi)。
設(shè)計內(nèi)容和預期成果
(具體設(shè)計內(nèi)容和重點解決的技術(shù)問題、預期成果和提供的形式)
通過本課題掌握車輛冷卻系統(tǒng)的構(gòu)造,加深了解對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)和相關(guān)因素的認知;通過了解發(fā)動機冷卻系統(tǒng)故障現(xiàn)象、原因。對冷卻系統(tǒng)進行維護保持升溫和冷卻的平衡保證發(fā)動機溫度在正常范圍內(nèi),保證現(xiàn)代高效率發(fā)動機對工作溫度有著極其精確的要求,盡可能高效率的利用燃油。分析不同原因診斷的方法和技巧來對維修診斷的方法方式進行一個有效的學習。
重點和難點:
重點:由于發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的復雜性,發(fā)動機冷卻系統(tǒng)受到有水泵、節(jié)溫器、水箱、水道、溫控開關(guān)、電子風扇、冷卻液等等因素的影響,并加以分析。
難點;由于發(fā)動機冷卻系統(tǒng)故障因素受多方面影響需逐步的按條理理清思路,從基礎(chǔ)著手一步一步深入探討才能使問題得到解決
擬采取設(shè)計方法和技術(shù)支持
(設(shè)計方案、技術(shù)要求、實驗方法和步驟、可能遇到的問題和解決辦法等)
(1)收集和查閱相關(guān)資料;
(2)查看實習單位的工作手冊;
(3)咨詢指導教師;
(4)上網(wǎng)查找相關(guān)文獻;
(5)根據(jù)實習報告中具體的工作內(nèi)容形成的體會。
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(chǔ),現(xiàn)有主要儀器設(shè)備、設(shè)計環(huán)境及協(xié)作條件等)
1、 可以從圖書館借閱相關(guān)的文獻資料
2、 了解熱能回收裝置的使用
3、 了解加工工藝要求
4、 使用繪圖軟件,能熟練繪制零件圖
各環(huán)節(jié)擬定階段性工作進度
(以周為單位)
1-2周 明確設(shè)計任務和目標。有關(guān)資料收集,完成外文翻譯,相關(guān)知識學習,完成開題報告。
3-6周? 系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計并進行程序調(diào)試,編寫調(diào)試報告。檢查畢業(yè)實習完成情況。
7-10周? 系統(tǒng)仿真。
11-13周?系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與設(shè)計修改,指導撰寫畢業(yè)設(shè)計論文。
13-16周 撰寫設(shè)計論文。相關(guān)表格填寫,申請答辯。
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:
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
北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文
畢業(yè)設(shè)計報告(論文)
報告(論文)題目:發(fā)動機冷卻循環(huán)水熱能回
收利用
作者所在系部: 機電工程學院
作者所在專業(yè): 車輛工程
作者所在班級: B13142
作 者 姓 名 : 曾偉
作 者 學 號 : 201322422
指導教師姓名: 孟立新
完 成 時 間 : 2017.05
北華航天工業(yè)學院教務處制
摘要
汽車行業(yè)和人類生活息息相關(guān),如今我們的生活已經(jīng)和汽車密不可分,它在我們生活的交通運輸中承擔著無比重要的作用。眾所周知,汽車長時間行駛后發(fā)動機會過熱,這時冷卻循環(huán)水會在發(fā)動機的冷卻循環(huán)水路內(nèi)循環(huán),給發(fā)動機降溫,使汽車能夠正常運行。然而冷卻循環(huán)水帶走的熱量直接散發(fā)到空氣中,造成熱量流失,從而造成發(fā)動機燃油經(jīng)濟性降低。為了提高經(jīng)濟效益,支持國家節(jié)能環(huán)保的政策方針,本文將對汽車發(fā)動機冷卻循環(huán)系統(tǒng)進行分析,并對發(fā)動機冷卻循環(huán)水的熱能進行二次利用,提高能量利用率,從而提高發(fā)動機燃油經(jīng)濟性。
關(guān)鍵詞:發(fā)動機 熱量 回收利用 經(jīng)濟性
Abstract
The automobile industry is closely related to human life. Nowadays, our life is closely related to the automobile. It plays a very important role in the transportation of our life. As we all know, the car will overheat after a long period of driving, when the cooling water cycle in the engine cooling cycle water, cooling the engine, so that the car can run properly. However, the cooling away water carries away the heat directly distributed into the air, causing heat loss, resulting in lower fuel economy of the engine. In order to improve economic efficiency, energy saving and environmental protection in support of national policy, this paper will analyze the cooling system of the engine, and the heat of the engine cooling water used for the two time, improve energy efficiency, thereby improving engine fuel economy.
Keywords: Engine heat recovery utilization economy
III
目錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 3
1.1 課題背景 3
1.1.1 課題應用情況 3
1.1.2 課題意義 4
1.2 冷卻循環(huán)水熱能回收利用的途徑 4
1.2.1 同級利用? 4
1.2.2 升級利用? 4
1.3 冷卻循環(huán)水低溫余熱回收利用的技術(shù) 5
1.3.1 利用朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電 5
1.3.2?熱泵余熱回收利用技術(shù)? 5
1.3.3 熱管換熱器余熱回收利用技術(shù)? 5
1.3.4 變熱器余熱回收利用技術(shù)? 5
1.4 本章小結(jié) 6
第2章 發(fā)動機余熱利用國內(nèi)外的研究背景與現(xiàn)狀 7
2.1 發(fā)動機余熱利用概述 7
2.2 發(fā)動機余熱利用采暖系統(tǒng) 8
2.2.1 作用 8
2.2.2 分類 8
2.3 溫差發(fā)電系統(tǒng) 9
2.3.1 溫差發(fā)電的基本理論 9
2.3.2 溫差發(fā)電的典型系統(tǒng)與實例 10
2.4 本章小結(jié) 11
第3章 發(fā)動機冷卻循環(huán)水熱能回收 12
3.1 回收原理 12
3.2 對冷卻循環(huán)水熱能回收利用裝置的設(shè)計 13
3.2.3 冷源散熱器的設(shè)計 17
3.3 冷卻循環(huán)水溫差發(fā)電裝置的整體結(jié)構(gòu)與要求 17
3.3.1 整體結(jié)構(gòu) 17
3.3.2 裝置要求 18
3.4 本章小結(jié) 19
結(jié)論 20
2
第1章 緒論
1.1 課題背景
1.1.1 課題應用情況
通過查閱資料得知發(fā)動機冷卻循環(huán)水所攜帶的熱能在冬季汽車取暖上有所應用。冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下:
圖1-1
節(jié)溫器是用來控制冷卻循環(huán)水路是進行小循環(huán)還是大循環(huán)的一個裝置。節(jié)溫器可以感知冷卻循環(huán)水的溫度。當冷卻循環(huán)水的溫度不足以進入大循環(huán)時,旁通閥關(guān)閉,這時冷卻循環(huán)水不進入散熱器,直接在發(fā)動機水套內(nèi)進行小循環(huán),這樣一來冷卻循環(huán)水避免了不必要的冷卻,溫度將會迅速的升高。當冷卻循環(huán)水溫度過高時,旁通閥打開,冷卻循環(huán)水進入散熱器進行大循環(huán),升溫的冷卻循環(huán)水經(jīng)風扇產(chǎn)生的空氣流冷卻,散失部分熱量。
冷卻循環(huán)水進行大循環(huán)時,部分熱能直接散失在空氣中,而這部分熱能在汽車取暖方面有所應用。冬天天氣寒冷時,我們會打開汽車的暖氣,使車廂內(nèi)溫度處于一個適宜的環(huán)境。汽車的暖氣系統(tǒng)就是將發(fā)動機冷卻循環(huán)系統(tǒng)的高溫冷卻循環(huán)水導入暖氣系統(tǒng)的暖風散熱器內(nèi)進行循環(huán)。汽車暖氣系統(tǒng)的風扇將空氣流吹過暖風散熱器進行加熱,再經(jīng)過管道進入車廂內(nèi),從而使車廂內(nèi)的環(huán)境溫度適宜。
1.1.2 課題意義
現(xiàn)如今能源資源越來越緊張,節(jié)能減排,能量回收利用已然成為一個世界性研究的課題。我國是一個社會主義國家,一直堅持走可持續(xù)發(fā)展的道路,在節(jié)能環(huán)保方面也是大力倡導,并且制定了一系列基本國策和政策方針。因此,對廢棄能源進行回收后二次利用,不僅符合我國的基本政策,還可以減少廢棄物的排放,為保護環(huán)境作出一份貢獻。本課題研究的是對發(fā)動機冷卻循環(huán)水的熱能進行回收利用,一方面減少了發(fā)動機排放在空氣中的熱量,另一方面提高了能量利用率,使發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性得到提升。我國一直跟隨世界的腳步,響應‘節(jié)能減排’這個世界口號的號召,對廢棄能源的回收技術(shù)也一直在進行研究。但有些廢棄的熱能還沒有被充分利用,有些熱能的回收利用中還存在者許多問題。而本課題將對發(fā)動機冷卻循環(huán)水的熱能進行回收利用,節(jié)省能源,提高能量利用率,從而提高發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性。
1.2 冷卻循環(huán)水熱能回收利用的途徑
冷卻循環(huán)水熱能回收利用的途徑多種多樣,人們也一直在研究怎樣更簡便、高效的回收熱能,提高廢棄能源的回收率。雖然回收的途徑多種多樣,但方式卻只有兩種‘同級’和‘升級’。
1.2.1 同級利用?
何謂同級利用,同級利用就是不提高廢棄能源的的品級,將廢棄能源的能量直接傳遞給別的載體來進行回收利用。比如在熱能回收當中,我們知道,由于溫差的緣故,熱量會從高溫處傳遞到低溫處,在生活中將高溫廢熱傳遞給生活用水,使人們有熱水可用。這就是能量回收的同級利用。
1.2.2 升級利用?
所謂升級利用就是將低溫余熱、廢熱等通過一定方式轉(zhuǎn)化為可以直接利用的高、中位能源。比如將風能、熱能轉(zhuǎn)化為便于儲存,可隨時利用的高品級的電能。在時代高速發(fā)展的今天,科技的突飛猛進,對于低溫余熱的回收利用技術(shù)的發(fā)展也有巨大的增益,低溫余熱的回收利用技術(shù)將會越來越多。
1.3 冷卻循環(huán)水低溫余熱回收利用的技術(shù)
1.3.1 利用朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電
郎肯循環(huán)就是利用低沸點有機工質(zhì)的蒸發(fā)膨脹來來推動透平做工。冷卻循環(huán)水將熱能通過換熱器傳遞給有機工質(zhì),使有機工質(zhì)在透平內(nèi)膨脹作工,從而將冷卻循環(huán)水的熱能轉(zhuǎn)化為機械能。有機工質(zhì)蒸汽膨脹作工后會進入冷凝器冷卻液化,如此往復不斷的循環(huán)就能發(fā)電或者產(chǎn)生動力。
1.3.2?熱泵余熱回收利用技術(shù)?
根據(jù)熵增原理我們知道,在自然狀態(tài)下熱量只能從高溫處傳遞到低溫處,而不能沿相反的方向進行傳遞。而熱泵就是通過機械功,將此傳遞進行逆轉(zhuǎn),使低溫處的能量傳遞到高溫處。熱泵采用的是逆卡諾循環(huán)的方式,將低溫熱能轉(zhuǎn)移到高溫熱能,從而進行回收利用。
1.3.3 熱管換熱器余熱回收利用技術(shù)?
熱管換熱器是一種導熱率特別高的傳熱元件,它的內(nèi)部也是通過工質(zhì)循環(huán)來傳遞熱量。它以導熱性能高而著稱,它的內(nèi)部由多根熱管排列組成。由于它的導熱率高,導熱性能好,因此,將它用于低溫熱能回收可以有效的提高回收率,減少熱散失。
1.3.4 變熱器余熱回收利用技術(shù)?
變熱器回收廢能的原理用廢能驅(qū)動變熱器將廢能轉(zhuǎn)化為兩部分,一部分轉(zhuǎn)化為高品級能量進行回收利用,另一部分轉(zhuǎn)化為更低品級能量排棄。這樣就能對廢棄能源進行部分回收。
我國已將變熱器技術(shù)列入重點研究項目,未來變熱器技術(shù)在節(jié)能減排,能量回收利用方面將起著越來越大的作用。
1.4 本章小結(jié)
1.現(xiàn)如今全世界都在倡導可持續(xù)發(fā)展,然而能源需求的缺口卻日益增大,我國的能源供需矛盾也十分突出。
2.發(fā)動機的能量轉(zhuǎn)換率還有待提高,大部分熱能隨煙氣和冷卻循環(huán)水排放到了大氣中,因此余熱回收利用空間較大,對冷卻循環(huán)水熱能的回收利用能有效的提高燃油經(jīng)濟性,并且起到節(jié)能減排、保護環(huán)境的作用。
第2章 發(fā)動機余熱利用國內(nèi)外的研究背景與現(xiàn)狀
2.1 發(fā)動機余熱利用概述
發(fā)動機在不同的工況下運轉(zhuǎn)時,燃料燃燒做功大部分轉(zhuǎn)化為機械能驅(qū)動汽車行駛,但仍有很大一部分能量隨汽車尾氣與冷卻循環(huán)水散發(fā)到空氣中。發(fā)動機熱能的表現(xiàn)形式不同,大致分為四個部分,一是驅(qū)動曲軸轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)化為機械能,二是被冷卻循環(huán)水帶走的熱量,三是被發(fā)動機排氣帶走的熱量,四是其他輻射、摩擦等 。根據(jù)能量守恒定律研究得其熱平衡方程如下:
(2-1)
—為燃料完全燃燒單位時間內(nèi)放出的總熱量。
—為轉(zhuǎn)化為有效功(機械能)的熱量。
—為冷卻循環(huán)水帶走的熱量。一般QS/Qb的值:汽油機為15%-35%,柴油機為12%-27%。
—為發(fā)動機排氣帶走的熱量。一般QT/Qb的值:汽油機為30%-50%,柴油機為25%-45%。
—為其他的熱量損失。除有效功、尾氣余熱、冷卻循環(huán)系統(tǒng)余熱以外熱量損失均在此項損失內(nèi),比如輻射所造成的熱損失、燃料燃燒不充分造成的損失和其他沒有計入的熱損失等。
表2-1發(fā)動機的熱平衡
熱平衡方程各項組成
汽油機(%)
柴油機(%)
轉(zhuǎn)化有效功熱量
25-30
30-40
尾氣帶走熱量
30-50
25-45
冷卻系統(tǒng)帶走熱量
15-35
12-27
其他熱量損失
2-10
2-10
由表中的數(shù)據(jù)可以得出,冷卻系統(tǒng)帶走了燃料燃燒產(chǎn)生的相當大的一部分熱量,如今想要提高發(fā)動機的功率相當困難。但是,如果對冷卻循環(huán)水熱能進行回收,也未嘗不是一種變相性提高發(fā)動機功率的方式。而且從數(shù)據(jù)來看,余熱回收的空間較大,發(fā)展前景廣闊。
2.2 發(fā)動機余熱利用采暖系統(tǒng)
2.2.1 作用
在天氣變冷的時候,汽車的暖風系統(tǒng)可以給汽車內(nèi)部供暖,使車內(nèi)人員可以處在一個溫度適宜環(huán)境中。而且汽車內(nèi)開了暖風,造成汽車內(nèi)外溫度不同,汽車的擋風玻璃會因為溫差的原因而起霜霧,影響駕駛者的視線,給安全駕駛帶來隱患。這時暖風系統(tǒng)可以將暖風通過暖風管送到擋風玻璃進行除霧,以保證安全駕駛。
2.2.2 分類
1)水暖式暖風系統(tǒng)
水暖式暖風系統(tǒng)就是將發(fā)動機高溫冷卻循環(huán)水作為汽車暖氣系統(tǒng)的熱源,如圖2-1所示,通過熱水調(diào)節(jié)閥,將發(fā)動機冷卻循環(huán)水導入到汽車暖氣系統(tǒng)的加熱器中,在鼓風機的作用下,冷空氣流經(jīng)加熱器的表面吸收熱量變成暖風再由風口吹到駕駛室中,供駕駛室取暖。
圖2-1汽車水暖式采暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
2)氣暖式暖風系統(tǒng)
氣暖式暖風系統(tǒng)的熱源來自發(fā)動機排氣系統(tǒng)的尾氣余熱。發(fā)動機排氣進入到換熱器中,新鮮空氣吹過換熱器表面進行加熱,然后再送入汽車車廂內(nèi)。使車廂內(nèi)的溫度上升,通過調(diào)節(jié)空氣的進入量,來調(diào)節(jié)車廂內(nèi)的溫度。
圖2-2汽車氣暖式采暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
2.3 溫差發(fā)電系統(tǒng)
溫差發(fā)電的研究包括兩個方面,一是熱電元器件,二是發(fā)電器。對溫差發(fā)電的研究已經(jīng)成為熱電學的一個重要領(lǐng)域。
2.3.1 溫差發(fā)電的基本理論
熱力學研究發(fā)現(xiàn)當一根金屬導體棒的兩端存在溫差時,導體棒熱端的電子會朝著冷端移動,從而形成電磁場產(chǎn)生電勢差。
19世紀20年代,塞貝克研究發(fā)現(xiàn),兩種不同導體組成的回路,當兩接頭有溫差時,回路中就會產(chǎn)生電流。
如圖2-3所示。 實驗表明,熱電動勢的大小與兩個觸點之間的溫度差成正比,塞貝克系數(shù)定義為兩點之間的電壓差。其數(shù)值為
(2-2)
單位為V/K但通常由于這個數(shù)值非常小,所以更常用的單位是/K。
圖2-3 塞貝克效應示意圖
賽貝克效應是第一熱電效應是將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能的途徑,是溫差發(fā)電的核心理論。
2.3.2 溫差發(fā)電的典型系統(tǒng)與實例
溫差發(fā)電系統(tǒng)通常由熱電模塊,廢熱通道和冷卻水箱三部分組成。典型的熱電發(fā)電系統(tǒng)如圖2-4所示。 熱電模塊平鋪在廢熱通道上,冷端為冷卻水,熱端為發(fā)動機排氣。該裝置結(jié)構(gòu)簡單,安裝方便,夾緊容易。缺點是在廢熱通道中,廢氣的分布存在空隙,部分廢氣熱量得不到充分利用。
圖2-4 典型的溫差發(fā)電系統(tǒng)
我國很多遠洋船只的發(fā)動機上安裝了余熱發(fā)電裝置,利用溫差發(fā)電原理對柴油機的排氣余熱進行回收。經(jīng)查閱資料得知,回收的能量大約占柴油機所產(chǎn)生總熱量的O.77%。雖然回收率不高,但從節(jié)約能量的角度來說,這些熱量本來就是廢熱,能夠進行回收利用對節(jié)能減排,提高能量利用率是相當可觀的。
2.4 本章小結(jié)
1.本章對發(fā)動機熱能的去向,以及分布進行了簡單的分析,分析表明發(fā)動機冷卻循環(huán)水帶走的熱量是相當可觀的,而對這部分熱量進行回收是有意義,有價值的事情。
2. 對現(xiàn)如今發(fā)動機冷卻循環(huán)水的熱能回收利用情況進行了簡單的介紹,目前對發(fā)動機冷卻循環(huán)水的熱能回收利用還僅是用于汽車在冬季的時候取暖使用。
3. 本章還對溫差發(fā)電原理進行了簡單的介紹,并且還對它在遠洋船舶發(fā)動機煙氣余熱回收的實際應用進行了介紹。這表明利用溫差發(fā)電的理論,來對發(fā)動機冷卻循環(huán)水進行回收利用是可行的。
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第3章 發(fā)動機冷卻循環(huán)水熱能回收
3.1 回收原理
采用溫差發(fā)電原理對發(fā)動機冷卻循環(huán)水進行回收,以冷卻循環(huán)水的熱能為熱源,通過對冷源、熱源以及發(fā)電模塊的設(shè)計,將冷卻循環(huán)水的熱能直接轉(zhuǎn)化為電能。
溫差發(fā)電原理是基于塞貝克效應,將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能。當一對溫差電偶的兩個接頭處于不同溫度時,電偶兩端就有一定電動勢。要得到較大的功率輸出,通常把若干對溫差電偶串(或并)聯(lián)成為溫差電堆。溫差發(fā)電原理如圖3-1所示,該裝置可利用溫差直接產(chǎn)生電力。將P型半導體和N型半導體在熱端連接,則在冷端可得到一個電壓,一個PN連結(jié)所能產(chǎn)生的電動勢有限,將很多個這樣的PN連結(jié)串聯(lián)起來就可得到足夠的電壓,成為一個溫差發(fā)電機。
圖3-1溫差發(fā)電原理圖
3.2 對冷卻循環(huán)水熱能回收利用裝置的設(shè)計
對溫差發(fā)電裝置的冷端、熱端、發(fā)電模塊進行設(shè)計,將發(fā)動機冷卻循環(huán)水的熱能進行收集并作用于溫差發(fā)電裝置的熱端,并對冷端散熱進行設(shè)計,使裝置的冷熱端具有一定溫差。將發(fā)電模塊置于兩端之間即可產(chǎn)生電能。
3.2.1 熱源集熱裝置的設(shè)計
圖3-2 冷卻循環(huán)水集熱器
1.冷卻循環(huán)水管路 2.吸熱翅板 3.集熱器耳朵
如圖3-2所示,圖中1為冷卻循環(huán)水路的進出口,發(fā)動機管路中的冷卻循環(huán)水從集熱器的一側(cè)進入流經(jīng)整個集熱器,將攜帶的熱量傳遞給集熱器后再由另一側(cè)排出回到發(fā)動機冷卻循環(huán)管路中去。圖中2為吸熱翅板,為的是增加冷卻循環(huán)水與集熱器的接觸面積,能更好的將冷卻循環(huán)水的熱量進行回收,之所以將集熱器內(nèi)部水路設(shè)計成曲折型,增加了冷卻循環(huán)水在集熱器中停留的時間,目的也是如此。圖中3是集熱器耳朵,用來與發(fā)電裝置的冷端進行聯(lián)接固定。
集熱器的下表面與溫差發(fā)電模塊的上表面相接觸,將熱量傳遞給發(fā)電模塊的上表面。
3.2.2 溫差發(fā)電模塊的設(shè)計
圖3-3 溫差發(fā)電模塊
4.溫差發(fā)電片 5.散熱器耳朵 6.散熱器主散熱片
如圖所示,圖3-3中的方塊為溫差發(fā)電片,它的上表面與集熱器的下表面相接觸,作為溫差發(fā)電器的熱端,它的下表面與主散熱片的上表面相接觸,作為溫差發(fā)電器的冷端。每個溫差發(fā)電片的之間的空隙用隔熱墊進行隔熱,并且在隔熱墊中嵌入導線,將所有溫差發(fā)電片串聯(lián)成一個整體,從而成為一個溫差發(fā)電器。
溫差發(fā)電片的發(fā)電原理:塞貝克效應(兩種不同導體組成的回路,當兩接頭有溫差時,回路中就會產(chǎn)生電流)。
圖3-4 溫差發(fā)電原理圖
:電勢差,與溫差成正比
:塞貝克系數(shù)
:熱端溫度
:冷端溫度
: 外接電阻
:內(nèi)阻
如圖3-4所示將N型和P型半導體串聯(lián)起來形成回路,一端連接熱源,另一端連接冷源,就形成了簡易的溫差電池(溫差電偶),這就是溫差發(fā)電的原理。而溫差發(fā)電片的內(nèi)部就是將若干個這樣的溫差電偶進行串并聯(lián),來提高電壓和電流,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-5所示
圖3-5 (a) 溫差發(fā)電片內(nèi)部結(jié)構(gòu)
圖3-5 (b) 溫差發(fā)電片
3.2.3 冷源散熱器的設(shè)計
由于熱源采用的是發(fā)動機冷卻循環(huán)水的熱能,最高溫度只有九十多度,對冷源降溫的要求并不高,因此將溫差發(fā)電裝置的冷源將直接設(shè)計為散熱片的形式,利用風冷降低溫度,作為溫差發(fā)電裝置的冷源。
圖3-6 散熱器
4.溫差發(fā)電片 5.散熱器耳朵 6.散熱器主散熱片 7.散熱器副散熱片
如圖3-6所示,散熱器為一個整體,主散熱片的上表面與溫差發(fā)電片的下表面相貼合,下方的副散熱片與主散熱片垂直。散熱器為風冷形式,當空氣流經(jīng)散熱片的表面,會帶走整個散熱器的熱量,從而持續(xù)給溫差發(fā)電片的下表面降溫。主散熱片的邊緣設(shè)計有耳朵,用于與集熱器進行螺栓聯(lián)接。
3.3 冷卻循環(huán)水溫差發(fā)電裝置的整體結(jié)構(gòu)與要求
3.3.1 整體結(jié)構(gòu)
該裝置的設(shè)計靈活性強,結(jié)構(gòu)簡單,可依據(jù)不同車型進行量身設(shè)計。如圖3-7所示,該裝置主要分為三個部分,一是熱源回收裝置(集熱器);二是溫差發(fā)電模塊,由多個溫差發(fā)電片通過導線聯(lián)接而成;三是冷源散熱裝置(散熱器)。集熱器和散熱器通過螺栓聯(lián)接,而溫差發(fā)電模塊置于集熱器下表面和散熱器上表面之間,在螺栓的作用下被加緊。溫差發(fā)電模塊之間的間隙由隔熱墊填充,并且溫差發(fā)電模塊相連接的導線鑲嵌在隔熱墊里邊以保護導線。
圖3-7 溫差發(fā)電裝置整體結(jié)構(gòu)
8.螺栓 9.隔熱墊
汽車正常運行時,發(fā)動機的冷卻循環(huán)水通過循環(huán)水管道進入集熱器,給溫差發(fā)電裝置提供熱源,之后再由另一側(cè)流出回到發(fā)動機冷卻循環(huán)系統(tǒng)。與此同時,空氣流對散熱片進行冷卻,熱源和冷源的獲得,產(chǎn)生溫差效應,這時發(fā)電模塊產(chǎn)生電壓,該電壓經(jīng)升壓整流后供用電器使用。
3.3.2 裝置要求
1.集熱器和散熱器的材料要求導熱率高,導熱速率快,在經(jīng)受溫度變化時的變形率低。
2.集熱器的下表面和散熱器的上表面平面度要求較高,要能與溫差發(fā)電模塊的上下表面完全貼合。
3.4 本章小結(jié)
1. 本章對溫差發(fā)電原理進行了介紹,并且將此原理運用到了發(fā)動機冷卻循環(huán)水熱能回收利用當中,利用溫差發(fā)電原理發(fā)動機冷卻循環(huán)水的熱能轉(zhuǎn)換為電能,從而實現(xiàn)對發(fā)動機冷卻循環(huán)水余熱的回收利用
2. 本章還對發(fā)動機冷卻循環(huán)水熱能回收利用的裝置進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計,該設(shè)計簡單、靈活、方便、實用??梢葬槍Σ煌能囆瓦M行結(jié)構(gòu)設(shè)計,切實能夠?qū)Πl(fā)動機冷卻循環(huán)水的熱能進行回收利用。
結(jié)論
經(jīng)過這段時間的畢業(yè)論文創(chuàng)作,可以說過程非常的不容易。從一開始看到題目的茫然,不知該怎么去做,到后來通過查閱大量資料,以及和老師互相討論才有了想法和方向。我的題目是‘發(fā)動機冷卻循環(huán)水熱能回收利用’,通過查閱資料發(fā)現(xiàn)冷卻循環(huán)水余熱回收的方法有很多,但是卻都不太適合用于發(fā)動機的冷卻水熱能回收。最后我采用的是溫差發(fā)電原理來對發(fā)動機冷卻循環(huán)水熱能進行回收利用,并且對熱能回收裝置進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計。利用溫差發(fā)電原理來對發(fā)動機冷卻循環(huán)水熱能進行回收是最切實可行的辦法。該回收裝置就是一個溫差發(fā)電器,利用發(fā)動機冷卻循環(huán)水的熱能作為溫差發(fā)電器的熱源,采用風冷散熱器作為溫差發(fā)電器的冷源。再根據(jù)塞貝克效應,在熱源和冷源之間加入溫差發(fā)電模塊。這樣就制成了一個簡易的溫差發(fā)電器。從而達到對發(fā)動機冷卻循環(huán)水熱能回收利用的目的。
致謝
首先感謝我的導師孟立新副教授,有你的指導我才能完成這次畢業(yè)論文。
大學四年即將結(jié)束,在這里我十分感謝在這四年里遇到的每一位老師和每一位同學,是你們陪伴我度過了這美好的四年。在這四年里,我經(jīng)歷了許多,也成長了許多。是你們傳授我知識,是你們教會我責任,是你們帶給我勇氣,也是因為你們,我這四年才活的精彩。謝謝!
我的大學--北華航天工業(yè)學院,是您培育了我四年,不僅豐富了我的知識,還教會了我如何做一個有責任心,勇于擔當,認真做事,踏實做人的人,謝謝您!我將謹記您的教誨--‘進德修業(yè),精益求精’,并將它奉為我行事做人的準則。
最后再向所有人,老師、同學、我的母校致以我最誠摯的祝福--愿明天更美好!
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本科生畢業(yè)設(shè)計(論文)文獻綜述
設(shè)計 (論文)題目
發(fā)動機冷卻循環(huán)水熱能回收利用
作者所在系別
機電工程學院
作者所在專業(yè)
車輛工程
作者所在班級
B13142
作 者 姓 名
曾偉
作 者 學 號
201322422
指導教師姓名
孟立新
指導教師職稱
講師
完 成 時 間
2017
年
4
月
北華航天工業(yè)學院教務處制
說 明
1.根據(jù)學?!懂厴I(yè)設(shè)計(論文)工作暫行規(guī)定》,學生必須撰寫畢業(yè)設(shè)計(論文)文獻綜述。文獻綜述作為畢業(yè)設(shè)計(論文)答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。
2.文獻綜述應在指導教師指導下,由學生在畢業(yè)設(shè)計(論文)工作前期內(nèi)完成,由指導教師簽署意見并經(jīng)所在專業(yè)教研室審查。
3.文獻綜述各項內(nèi)容要實事求是,文字表達要明確、嚴謹,語言通順,外來語要同時用原文和中文表達。第一次出現(xiàn)縮寫詞,須注出全稱。
4.學生撰寫文獻綜述,閱讀的主要參考文獻應在10篇以上(土建類專業(yè)文獻篇數(shù)可酌減),其中外文資料應占一定比例。本學科的基礎(chǔ)和專業(yè)課教材一般不應列為參考資料。
5.文獻綜述的撰寫格式按畢業(yè)設(shè)計(論文)撰寫規(guī)范的要求,字數(shù)在2000字左右。文獻綜述應與開題報告同時提交。
基于發(fā)動機冷卻循環(huán)水熱能回手利用文獻綜述
摘要:發(fā)動機的冷卻必須適度,如果冷卻過度,將使傳熱損失增加,發(fā)動機燃油經(jīng)濟性變差,此外還會引起下述不良后果:燃油蒸發(fā)霧化不良,燃燒惡化;低溫下機油粘度增大,使摩擦損失增大;溫度過低還會使氣缸的腐蝕磨損加劇。這些問題都將導致發(fā)動機輸出的有效功率下降,經(jīng)濟性變壞,使用壽命減少?,F(xiàn)代發(fā)動機中,冷卻系統(tǒng)帶走的熱量約等于發(fā)動機燃料實際放熱量的四分之一到三分之一左右。本裝置的設(shè)計就是利用溫差發(fā)電原理對冷卻水帶走的熱量進行再次回收利用。
關(guān)鍵字:冷卻系統(tǒng);熱量;回收利用
Abstract:
The cooling of the engine cooling must be moderate, if excessive, will make the heat transfer loss increases, fuel economy deteriorated, in addition will cause adverse consequences: the evaporation of the fuel atomization, combustion deterioration; low temperature oil viscosity increases, the friction loss increases; low temperature will make the cylinder corrosion wear. All these problems will lead to the decrease of the output power of the engine, the deterioration of the economy and the decrease of service life. In modern engines, the heat of the cooling system is about 1/4 to about 1/3 of that of the engine. This device is designed to take stone cooling water recycle heat.
Keywords:Cooling system;Quantity of heat;Recycling
文?獻?綜?述
1.引言
溫差熱發(fā)電技術(shù)是一種利用高、低溫熱源之間的溫差,采用低沸點工作流體作為循環(huán)工質(zhì),在朗肯循環(huán)( Rankine Cycle,RC) 基礎(chǔ)上,用高溫熱源加熱并蒸發(fā)循環(huán)工質(zhì)產(chǎn)生的蒸汽推動透平發(fā)電的技術(shù),其主要組件包括蒸發(fā)器、冷凝器、渦輪機以及工作流體泵. 通過高溫熱源加熱蒸發(fā)器內(nèi)的工作流體并使其蒸發(fā),蒸發(fā)后的工作流體在渦輪機內(nèi)絕熱膨脹,推動渦輪機的葉片而達到發(fā)電的目的,發(fā)電后的工作流體被導入冷凝器,并將其熱量傳給低溫熱源,因而冷卻并再恢復成液體,然后經(jīng)循環(huán)泵送入蒸發(fā)器,形成一個循環(huán)。
湯姆遜效應的物理學解釋是:金屬中溫度不均勻時,溫度高處的自由電子比溫度低處的自由電子動能大。像氣體一樣,當溫度不均勻時會產(chǎn)生熱擴散,因此自由電子從溫度高端向溫度低端擴散,在低溫端堆積起來,從而在導體內(nèi)形成電場,在金屬棒兩端便引成一個電勢差。這種自由電子的擴散作用一直進行到電場力對電子的作用與電子的熱擴散平衡為止。
2.溫差發(fā)電的發(fā)展及歷史
美國科學家發(fā)現(xiàn),鯊魚鼻子里的一種膠體能把海水溫度的變化轉(zhuǎn)換成電信號,傳送給神經(jīng)細胞,使鯊魚能夠感知細微的溫度變化,從而準確地找到食物,科學家猜測,其他動物體內(nèi)也可能存在類似的膠體.這種因溫差而產(chǎn)生電流的性質(zhì)與半導體材料的熱電效應類似,人工合成這種膠體,有望在微電子工業(yè)領(lǐng)域獲得應用。
美國舊金山大學的一位科學家在2003年1月30日出版的英國《自然》雜志上報告說,他從鯊魚鼻子的皮膚小孔里提取了一種與普通明膠相似的膠體,發(fā)現(xiàn)它對溫度非常敏感,0.1℃的溫度變化都會使它產(chǎn)生明顯的電壓變化。
鯊魚鼻子的皮膚小孔布滿了對電流非常敏感的神經(jīng)細胞.海水的溫度變化使膠體內(nèi)產(chǎn)生電流,刺激神經(jīng),使鯊魚感知到溫度差異.科學家認為,借助這種膠體,鯊魚能感知到0.001℃的溫度變化,這有利于它們在海水中覓食。
哺乳動物靠細胞表面的離子通道感知溫度:外界溫度變化導致帶電的離子進出通道,產(chǎn)生電流,刺激神經(jīng),從而使動物感知冷暖.與哺乳動物的這種方式不同,鯊魚利用膠體,不需要離子通道也能感知溫度變化。
威廉·湯姆遜1824年生于愛爾蘭,父親詹姆士是貝爾法斯特皇家學院的數(shù)學教授,后因任教格拉斯哥大學,在威廉8歲那年全家遷往蘇格蘭的格拉斯哥。湯姆遜十歲便入讀格拉斯哥大學 (你不必驚訝,在那個時代,愛爾蘭的大學會取錄最有才華的小學生),約在14歲開始學習大學程度的課程,15歲時憑一篇題為“地球形狀”的文章獲得大學的金獎章。湯姆遜后來到了劍橋大學學習,并以全年級第2名的成績畢業(yè)。他畢業(yè)后到了巴黎,在勒尼奧的指導下進行了一年實驗研究。1846年至1899年,湯姆遜新回到格拉斯哥大學擔任自然哲學 (即現(xiàn)物理學) 教授,1899年湯姆遜正式退休。
湯姆遜在格拉斯哥大學創(chuàng)建了第一所現(xiàn)代物理實驗室;24歲時發(fā)表一部熱力學專著,建立溫度的“絕對熱力學溫標”;27歲時發(fā)表《熱力學理論》一書,建立熱力學第二定律,使其成為物理學基本定律;與焦耳共同發(fā)現(xiàn)氣體擴散時的焦耳-湯姆遜效應;歷經(jīng)9年建立歐美之間永久大西洋海底電纜,由此獲得“開爾文勛爵”的貴族稱號。
湯姆遜一生研究范圍相當廣泛,他在數(shù)學物理、熱力學、電磁學、彈性力學、以太理論和地球科學等方面都有重大的貢獻。撇開這些不談,回到“湯姆遜效應”這個主題上來。在介紹湯姆遜效應之前,還是先介紹一下前人所做的工作。
1821年,德國物理學家塞貝克發(fā)現(xiàn),在兩種不同的金屬所組成的閉合回路中,當兩接觸處的溫度不同時,回路中會產(chǎn)生一個電勢,此所謂“塞貝克效應”。1834年,法國實驗科學家帕爾帖發(fā)現(xiàn)了它的反效應:兩種不同的金屬構(gòu)成閉合回路,當回路中存在直流電流時,兩個接頭之間將產(chǎn)生溫差,此所謂珀爾帖效應。1837年,俄國物理學家愣次又發(fā)現(xiàn),電流的方向決定了吸收還是產(chǎn)生熱量,發(fā)熱(制冷)量的多少與電流的大小成正比。
1856年,湯姆遜利用他所創(chuàng)立的熱力學原理對塞貝克效應和帕爾帖效應進行了全面分析,并將本來互不相干的塞貝克系數(shù)和帕爾帖系數(shù)之間建立了聯(lián)系。湯姆遜認為,在絕對零度時,帕爾帖系數(shù)與塞貝克系數(shù)之間存在簡單的倍數(shù)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上,他又從理論上預言了一種新的溫差電效應,即當電流在溫度不均勻的導體中流過時,導體除產(chǎn)生不可逆的焦耳熱之外,還要吸收或放出一定的熱量(稱為湯姆孫熱)?;蛘叻催^來,當一根金屬棒的兩端溫度不同時,金屬棒兩端會形成電勢差。這一現(xiàn)象后叫湯姆孫效應(Thomson effect),成為繼塞貝克效應和帕爾帖效應之后的第三個熱電效應(thermoelectric effect)。
塞貝克效應是導體兩端有溫差時產(chǎn)生電勢的現(xiàn)象,帕爾帖效應是帶電導體的兩端產(chǎn)生溫差(其中的一端產(chǎn)生熱量,另一端吸收熱量)的現(xiàn)象,兩者結(jié)合起來就構(gòu)成了湯姆遜效應。
?
3. 汽車廢熱利用:???
隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展,車輛消耗的能源與?日俱增,汽車的節(jié)能也越來越受關(guān)注。然而,以現(xiàn)有的內(nèi)燃機指標評估,燃油中60%左右的能量沒有得到有效利用,絕大部分以余熱的形式排放到大氣中,回收這些能量進行循環(huán)利用作為一種最直接的節(jié)能方式越來越被大家所重視。因此利用溫差發(fā)電技術(shù),回收汽車冷卻循環(huán)水余熱發(fā)電是一個很好的節(jié)能途徑,具有獨特的優(yōu)勢和良好的應用前景。近年來,車用發(fā)動機余熱溫差發(fā)電技術(shù)發(fā)展很快,轉(zhuǎn)換規(guī)模在數(shù)十瓦至上千瓦之間在國外,GM、BMW、Nissan和Delphi等汽車業(yè)巨頭也都在作這方面的研究,他們使用價格昂貴的高溫熱電材料提升熱電轉(zhuǎn)換效率。BMW以高溫熱電材料覆蓋發(fā)動機外壁直接從發(fā)動機機體回收熱量,能夠回收十幾千瓦的能量。據(jù)介紹,高效回收的電能將會超出一?輛汽車所需要的正常用電。多出來的這部分可以儲存作為汽車輔助動力從而形成混合動力區(qū)驅(qū)動車輛,而這也是余熱回收發(fā)電技術(shù)的最終目的。
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指導教師意見
指導教師:
年 月 日
專業(yè)教研室審查意見
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年 月 日
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