节能设计说明2备份.doc

斯太尔摩冷却段热电器件的设计 姓名：柳洪魁 学号：1162126304 班级：热动11-3班1.1热点器件冷却段计算此次设计采用斯太尔摩控制冷却法，其工艺布置图如1-1。1.1.1 选定钢种及产量更具本次设计，选用80号高碳钢，产量初步定为350t/h.1.1.2 确定冷却速度及运输速度 由参考文献，得80号高碳钢的CCT曲线如下：【】【】【】【】【】 热轧线材产品从高温状态冷却到低温状态即室温，其冷却方式将对产品的质量有着重要的影响，标准斯太尔莫冷却法适用于高碳钢材料，缓慢型斯太尔莫冷却适合于低碳及低合金线材。由于缓冷型冷却需要附加加热设备，投资大，能耗高，而被延迟型冷却所替代。延迟型冷却适应性广。工艺灵活，投资适中，因此得到广泛应用。根据刚种的特点，选择标准型斯太尔莫冷却法，标准斯太尔莫冷却的运输速度为0.25-1.3m/s,冷却速度为410/s.根据刚的CCT曲线确定斯太尔莫冷却曲线如下：= 因为选择标准型斯太尔莫冷却运输速度为0.25-1.3m/s,冷却速度为410/s，吐丝温度，是控制相变开始温度的关键参数。对于斯太尔莫冷却法来说，需要根据钢种和用途依情况而定，一般情况下我们会把吐丝温度控制在760900范围内，根据文献定为选择800摄氏度。 根据CCT曲线上斜率变化，在410中选择合适的冷却速度，确定冷却辊道的运行速度为0.9m/s，而在800400时由CCT曲线得出此段斜率为一个取值为4/s。由此从800400所需冷却时间为（800-400）/4=100s，则此段距离为0.9100=90m.股后半段长度为150-90=60m，从而后半段走过的所需时间为60/0.9=66s,故后半段的冷却速度为（400-40）/66=5.4/s。1.1.3 确定辊道分段和换热器长度 由于CCT曲线所决定的冷却曲线已经分为两段为800-600，600-40，但考虑到线材在600-25段位的传热方式不同，直接影响到计算和布置的方式不同，所以将600-40分为600-100和100-40两段，此时，辊道分段如下图所示： 换热器的形式主要有冷却段辊道的长宽确定，而冷却辊道长宽，由冷却时间和冷却运行速度确定。 由斯太尔莫的冷却工艺曲线得冷却时间为166s，冷却运输速度前后端分别为0.9m/s和0.91m/s. 考虑到实际生产情况，将冷却辊道设为150m.冷却辊道的宽度由经验可得，此时，设b=2m. 又热点换热器的长度即为冷却辊道的长度，此时热电换热器的长度为L=150m。1.1.4 确定换热量该线材质量的散热量为一个小时的350t线材释放出来的散热量。根据公式 Q=cmt (1-1) 注：m为线材质量 kg t为线材经过斯太尔莫冷却辊道后的温差根据相关资料可得高碳钢比热容-温度曲线。=线材质量有产量决定，c为线材的比热容，但实际生产中线材的比热容会随着温度的变化而变化。 表1.1高碳钢的比热容温度40100200300400500600700750800比热容J/kg.k4705005205506006407408901060660由于该钢种的比热容随温度变化的幅度不同，故将温度分为若干组在进行计算第一组 40-100 第二组 100-200 第三组 200-300第四组 300-400 第五组 400-500 第六组 500-600第七组 600-700 第八组 700-750 第九组 750-800第一组Q1=mt=350103（100-40） =1.01851010J第二组Q2=mt=350103（200-100） =1.7851010J第三组Q3=mt=350103（300-200） =1.87251010J第四组Q4=mt=350103（400-300） =2.01251010J第五组Q5=mt=350103（500-400） =2.171010J第六组Q6=mt=350103（600-500） =2.4151010J第七组Q7=mt=350103（700-600） =2.85251010J第八组Q8=mt=350103（750-700） =1.706251010J第九组Q9=mt=350103（800-750） =1.5051010J总产量：Q总=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7+Q8+Q9 （1-2）Q总=（1.0185+1.785+1.8725+2.0125+2.17 +2.415+2.8525+1.70625+1.505）1010 =17.337251010J=1.733725108KJ 该散热量为350t/h的80号高碳钢产量的散热总量 斯太尔莫冷却辊道上的线材主要以辐射为主，辐射到热电器件下，进行回收利用。1.1.5 辐射热量 根据前述的分段原理，将辐射到保温材料的温度分段，第一段 800-750；750-700；700-600；600-500； 500-400；400-300；300-200；最后两段 200-100；100-40；每50在4/s的速度下走过的时间是12.5s.第一段800-750辐射热量:=AC0()4 1-3 =(T1+T2)/2 1-4 =0.97由1-3得 1=1492.2KW 第二段750-700； =AC0()4 =1227.6 KW 第三段700-600； = 1796.3 KW第四段600-500； =AC0()4 =0.9100/425.67（600+500+273+273）/20040.97 =1135.4KW第五段500-400； =AC0()4 =0.92525.67（500+400+273+273）/20040.97 =676.3KW 第六段400-300； =AC0()4 =0.9(100/5.4)25.67（300+400+273+273）/20040.97 =279.2KW第七段300-200； =AC0()4 =0.918.5225.67（300+200+273+273）/20040.97 =138.7KW第八段200-100；=AC0()4 =0.918.5225.67（100+200+273+273）/20040.97 =59.4KW第九段100-40； =AC0()4 =25.7KW总辐射量 总= 1-5=1492.2+1227.6+1796.3+1135.4+676.3+279.2+138.7+59.4+25.7 = 6817.8KW1.1.6 保温层厚度由于使用的热电材料为中低温材料，要保证材料温度在300-400以下，所以需要加装保温层。第一段所需保温层厚度 由=AtR, R= 2-6 得1= 1=3.810-3m 2-7第二段厚度得2= 2= =3.4510-3m 第三段厚度 得3= 3= =5.9910-3m 第四段厚度 4= =5.0510-3m 第五段厚度5= =4.5110-3m 第六段厚度6= =2.4910-3m 第七段以后，因辐射能量已经不满足提供250，热电材料在该段可回收的温差本就低，功率也随之降低，回收的热能少，故不设保温材料。1.2.1 热点材料的选择工业生产的过程必然伴随着大量余热的产生，在重工业行业上尤其突出。而热电材料是利用温差，可以将热能转换为电能。而电能作为一种比较干净的能源，对于环保来说是一件好事，并且电能的转化比率比较高。我们可以从热电材料的发电机理中不难看出，热电特点存在干净,静音，无害，高效，保质期长，坚固，安全可靠等一系列优点。下面简单介绍热电器件的发电原理：赛贝克效应：由两种不同的导体a和b串联组成回路，让两个端头保持在不同温度下，则在导体的开路地方会有一个点位差。帕尔帖效应：当有电流通过不同的导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象。汤姆逊效应：金属中温度不均匀时，温度高处的自由电子比温度低处的自由电子动能大。像气体一样，当温度不均匀时会产生热扩散，因此自由电子从温度高端向温度低端扩散，在低温端堆积起来，从而在导体内形成电场，在金属棒两端便引成一个电势差。这种自由电子的扩散作用一直进行到电场力对电子的作用与电子的热扩散平衡为止。由于本次设计的主要目的是余热回收，据查得的资料知道大功率温差发电技术可以用于余热，废热回收和发电，且热电 装置的结构简单，紧凑。表1-2 部分具有代表性的大功率温差发电装置编号部分制造商功率/w效率/热端允许温度/热电材料价格/W1BMW,GM8006500Co-Sb132Plante，Showa21.66.2280n：Ce-Co-SbP:La-Fe-Sb3Themonamic5004.8250BiTe24KELK2007.2280BiTe5komatsu50010-11700N:Co-SbP:Mn-Si6GM,Hi-z10004.5250BiTe11表1-3部分厂商经常产值的热电器件的短路电流开路电压级最大输出功率热端实测温度冷端实测温度实测温差开路电压V(V)短路电流I(A)IV (W)最大使用功率(W)19662.1133.98.663.3529.07.330087.3212.715.815.2282.520.7361102.5258.519.085.74109.527.3 由所查得的文献可知，本材料的最高功率元件为800W,但单位功率资金为13/W。但是由于实际情况，如果采用13/W高功率800W元件。那么热电材料的成本将在6448万，明显不适合实际的铺装。我们可以看出实际情况不是采用一个热电器件，而是采用几个热电器件进行串联，以达到效果。在本文中，根据相关资料采用比较中段一点的。初步选定用于400W级温差发电装置。图1-8 热电器件布置排练图 用热压烧结法制作的高性能P型Bi0.5Sb1.5Te3和n型Bi2Te3热电快为原料，热电优值系数为1.4-1.5400W级温差发电装置是把12个32.6W的可拓展单元安装在一个中空导板上，组成额定功率为391.2W的低温发电装置，外观尺寸大概为2202202。由于每个32.6W可拓展单元都具有上下左右4组正负接线柱，因此可以根据实际需要连接自己需要的装置组成。1.2.2 确定平铺面积及热电材料数量 由于选取400W的热电模块，面积为S1=0.220.22m2 考虑到800-300就设有保温层，热电模块选择全铺在冷却辊道上，但利用率的差别还是很大，特别是200-25段利用率相对于其他段较低 平铺面积为： S=ld 1-8 =300m2平铺热电材料的数量 n= 1-9 =6200 最大功率Wmax=400W 平均功率： W平= 1-10 =282.9W 实际发电率： = 1-11且P=282.925001000=707.25KW发电效率 =10.371.3 校核是否满足冷却工艺要求图1-9 热电装置串联图 实际应用的热电器件一般由多对性能相同的热电偶串联而成，假设热电偶对数为N时，可得输入热电器件高温端的热量为：Qh=N(aN+aP)ThI-I2(RN+RP)+(kN+kP)(Th-Tc) 1-12从器件低温端散出的热量Qc=N(aN+aP)TcI-I2(RN+RP)+(kN+kP)(Th-Tc) 1-13最大输出功率：= 1-14效率：= 1-15考虑