毕业设计（论文）-船用发动机废气余热回收设计（全套图纸）.pdf

1 毕业设计报告(论文) 报告(说明书)题目： 船用发动机余热回收设计 作者所在系部： 机电工程学院 作者所在专业： 车辆工程 作者所在班级： B13142 作 者 姓 名 ： 作 者 学 号 ： 指导教师姓名： 完 成 时 间 ： 2016.05.20 北华航天工业学院教务处制 北华航天工业学院毕业论文 I 中文摘要 在当今社会上，废气余热已经成为了一种对环境污染和资源浪费的现象，本 文主要设计了船用发动机废气余热回收的装置，也就是余热发电系统的模型。 文章主要介绍了余热发电系统模型的设计方案，主要原理是，在两个发电元 件之间通过温度差，将热能转化为电能。主要构成由有冷源和热源，微型发电机 组成。其特点是，使用便利，质量高，对环境无害，同时又节约了能源。 文章建立的余热发电机系统模型的理论基础是建立在赛贝克效应之上。 关键词：余热利用, 余热发电模型, 赛贝克效应 北华航天工业学院毕业论文 II Abstract In todays society, waste heat has become a phenomenon of environmental pollution and waste of resources. In this paper, a model of waste heat recovery of marine exhaust gas is designed, which is the model of waste heat power generation system. This paper mainly introduces the design scheme of the model of waste heat power generation system. The main principle is that the difference between the two power generation units is the conversion of thermal energy into electric energy through the temperature difference. The main component is a cold source and a heat source, and a micro generator is composed of a generator. The utility model is characterized in that the utility model has the advantages of convenient use, high quality, no harm to the environment and energy saving. The theoretical basis of the model of the waste heat generator system is based on the Thomsen effect. Key word: waste heat utilization, waste heat power generation model, Thomsen effect 北华航天工业学院毕业论文 III 北华航天工业学院毕业论文 I 目 录 中文摘要. I ABSTRACT . II 目 录. I 第一章 绪 论. 1 1.1 课题研究的背景. 1 1.2 课题研究的意义 . 2 1.3 国内外余热发电的研究现状 . 2 第 2 章 余热发电系统的原理与理论设计. 3 2.1 余热发电原理. 3 2.1.1 余热发电器的原理. 3 2.1.2 塞贝克效应. 3 2.1.3 帕尔帖效应. 4 2.1.4 汤姆逊效应. 4 2.2 余热发电器的理论模型 . 5 2.3 余热发电系统的理论计算. 6 2.3.1 余热发电系统温度梯度的计算. 6 2.3.2 单个电偶臂的功率计算和效率计算. 7 2.3.3 余热发电系统的功率与效率的理论计算. 9 第 3 章 余热发电系统的设计. 11 3.1 热电发生器结构分析. 11 3.2 余热发电研究方案. 11 3.2.1 美国普林斯顿大学研究的方案. 11 3.2.2 德国斯图加特大学研究的方案. 13 3.2.3 热电堆式热电发电器. 13 3.3 余热发电器模块的设计. 15 3.4 通气管道的结构设计. 16 3.5 通水管道的结构设计. 17 3.6 余热发电器的设计. 19 北华航天工业学院毕业论文 II 3.7 余热发电器的结构制作. 23 3.7.1 陶瓷基板的选用与制作. 23 3.7.2 热电材料的选用与电偶臂的制作. 23 3.7.3 发电器的装配与封装. 25 3.8 余热发电器的工艺设计. 25 3.9 余热发电器模块的固定框架设计. 27 3.10 余热发电器模块和固定框架装配 . 29 3.11 余热发电器模块之间的连接部件 . 29 第 4 章 总 结. 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献. 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 附录. 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致谢. 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 北华航天工业学院毕业论文 1 第一章 绪 论 1.1 课题研究的背景 在社会经济发展的同时，无法避免对环境的污染。为了面对这些情况，我们 也采取了一些相对比较新颖的政策和观念，比如我们的节约型社会的观念。还有 我们的可持续发展理论，在满足当代需要而又不对后代的需求产生影响。在当今 社会，交通工具不论是在生活中还是在生产中，都是必不可少的重要组成，比如 轮船。汽车，飞机等等。这些交通及工具在当今社会必不可少。在这些交通工具 里面，最重要的部件就是发动机。其应用范围非常广泛。不论是汽车，轮船还是 飞机，发动机都起着不可代替的作用，在当今现代，随着交通工具数量的增加， 发动机的数量也随之上升，而由于这样的原因，热排放量也每年逐渐提升，慢慢 的影响到了人类的生产发展。有研究数据表明，柴油发动机燃料燃烧率为 15 至 38，汽油发动机为 25至 28。从调查数据中可以看出，不论是汽油机还 是柴油机燃烧效率都不是很高，而大部分热量随着废气排放到空气中，造成了环 境的污染与能源的浪费。 从各种各样的发动机中排出的废气余热通过热量的形式 传递到不同的地域，对于各种动植物和人类都会产生不同的危害，废气中包含的 颗粒通过呼吸作用进入人体，对人体的健康产生威胁。除此，河水温度上升到一 些人工温床引起的致病微生物，使其能繁衍，淹水，导致疾病传播，危及人体安 全。 根据能量守恒定律，地面上的大多数能量最后都将以热量的形式散发到大气 当中，这样的结果会导致地面空气的温度低，而高空温度高，上升气流减少，容 易对农作物产生危害，形成干旱现象。在当今社会，随着各种各样的气体排放， 空气中的二氧化碳量已经呈现持续增长的趋势，使得一些地区的其后便的炎热， 同时对与地球上的冰川来说，随着温度上升，冰雪融化，使得海平面上升，在生 产方面来说，不论是汽油机还是柴油机，能量的利用率相对较低。也就造成了能 源短缺等问题。能够看出，无论哪个地区哪个时间，要促进国民经济的进步，都 需要相应的资源使用量上升。 基于上述的问题， 我们一方面除了要发展经济以外， 同时要注意对环境的保护和对资源的回收利用，提高能源的利用率，最大化的减 小损失，所以，能源是中国社会更好进步的要害。提高能源的利用率，有效的回 收利用二次能源是当今社会生产和发展的重要条件。 北华航天工业学院毕业论文 2 1.2 课题研究的意义 在现阶段基于我国基本国情，提高能源利用率，有效回收能源进行再利用， 具有重要意义。不仅仅是对环境的一种保护，而且从资源上来说也大大的节约了 资源。对于现代化传统工业来说，能源不能有效利用，所以提高能源利用率，回 收能源进行再次利用将会产生巨大的效应。 本课题的意义在于： 不只要提高能源的使用效率， 对废气余热进行回收处理。 同时保护环境，不对环境产生危害。 1.3 国内外余热发电的研究现状 目前在微电子发电机研究方面， 国外微电子发电机的理论具有代表性的是普 林斯顿大学，南加州大学和密歇根大学。美国的研究成果大多集中在日本的废热 使用研究的军事， 航空航天， 实践和高科技方面， 已经应用了热电发电机组。 我 国现阶段状况：热电是可逆的，热电发电和半导体冷却是热电现象的两个方面， 相互可逆。 一般是 PN 结，假设温差可以用来发电，若是电源，可以在一端使用 冷。 半导体制冷和使用具有一定的程度， 已经有商业设施和发售， 然而温差发电, 这几乎是一个空白。这是因为我国在军事高科技研发能力相对落后。现阶段随着 何种学术互补，我国许多学者对外接触相干技术，在以后的发展中，这种情况一 定会逐渐改善。 北华航天工业学院毕业论文 3 第 2 章 余热发电系统的原理与理论设计 2.1 余热发电原理 2.1.1 余热发电器的原理 余热发电的前提是利用余热发生器， 他是将热电材料产生的热电效应转化为 电流。包括塞贝克效应，珀耳帖效应和汤姆森效应。这三个因素与开尔文关系： 有关，如图所示： 图 21 热电转换工作原理图 2.1.2 塞贝克效应 法国物理学家 T.J.seebeck 在 1821.利用研究两种不同的材料构成不相同温度 的两个节点，电路就会形成热电流。这个定律被称为塞贝克效应。 如图 2- 2 所 示： 北华航天工业学院毕业论文 4 图 2-2 赛贝克效应图 a,b 为不同的两种材料。当两端的温度差在T 时，就会产生电动势V，将 其定义为电势率 ab=V/T，当T 趋近于 0 时，缩写为： ab = dV/Dt （21） 其中 ab 为塞贝克系数。 2.1.3 帕尔帖效应 法国物理学家卡佩尔蒂（Capeltier）在 1834 年观察到，当前的节点经过两 个导体节点产生温度变化：当它从一侧流向环路节点时，节点将变冷，反向电流 将会加热。1838 Lenz 给出 珀尔帖效应的实质。 表明热点可能会变冷。 这种现 象表明，导体电流存在差别时，电路节点的微弱电流会构成可逆的热效应，若单 位时间 dt 的热量 dQp 大小与电流的大小成正比关系： dQp=abIdt=abq （2-2） ab 称为 Peltier 系数，也是 Peltier 电势，q 是传输的电荷。通电时电流从 a 到 b, dQ0,吸热，ab 为正，当电流从 b 到 a, ab 为负，dQ 小于 0,吸热。 2.1.4 汤姆逊效应 当电流流经单个导体时，导体中存在温度梯度，产生了可逆效应，这是汤姆 森在 1854 年发现的。称为汤姆逊效应，所形成的热量称为汤姆森热，其与 电流 北华航天工业学院毕业论文 5 和时间过去，当温度梯度相对较小时： dQT = IdT / dx （23） 是汤姆森系数。 当电流到热端， 0，dT 0，dQ 0，而后吸热。 三个热点系数通过关系式连接得到： 在上式中，T 为绝对温度。从中得出: 从此我们可以得到，当汤姆逊系数已知时，我们可以计算塞贝克系数。 这 表 明 根 据 导 热 率 的 定 义 ， 这 种 效 应 应 该 表 示 为 ： 矩阵表示形式为： 在上式中， 分别是电流， 熵流和热流的密度， T 是电场强度， 温差，电导率，塞贝克系数，导热系数和温度。 在（2-6a）中，表明当材料以 温度差存储时，能够形成电流。 2.2 余热发电器的理论模型 余热发电器的主要参数是其热电转化功率， 也就是最后的输出功率和热电转 化效率。在图 2- 2 中，采用一堆 P,N 电偶臂的模型来进行详细的介绍。 北华航天工业学院毕业论文 6 图 23 理想的热发电器单对电偶臂结构 2.3 余热发电系统的理论计算 2.3.1 余热发电系统温度梯度的计算 图 2- 2，电臂式热电发电机主要是通过引流铜，电偶臂，电绝缘热覆盖板组 成。 计算三种导热系数： K c1 =错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 K c2=错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 K c3 =错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 （28） 容易推得总的热导率为： K =错错误！未指定书误！未指定书 签。签。 （29） 式中： c 1 导热覆盖基板有效热导率； c2 导流片的有效热导率； c3电偶臂有效热导率； l c1导热覆盖基板厚度； l c2导流片厚度； lc3电偶臂厚度； A c1导热覆盖基板的面积； A c2导流片的面积； A c3电偶臂面积； K c1导热覆盖基板导热率； 北华航天工业学院毕业论文 7 K c2导流层导热率； K c3电偶臂导热率。 氧化铝陶瓷是导热覆盖基板的组成，c 1（20 W/m.30 W/m.）为 有效导热率。当导热系数逐级增加c 1 = 5 W/m. 导热覆盖基板厚度取：l c1 = 1 mm 导热覆盖基板的面积取：A c1= 100mm*100mm 导流片的材料是铜, 有效热导率c 2 = 401W/m. （查自传热学赵镇南 高等教育出版社 P492 附录 3） 导流片的厚度取：l c2= 1 mm 导流片的面积取: A c2= 21mm*1mm 电偶臂材料是 Bi2Se3，有效热导率c 3 = 140 W/m. 电偶臂厚度取：l c3= 16.4 mm 电偶臂面积取: A c3= 3mm*3mm 所以： K c1 =错误！未指定书签。错误！未指定书签。 = 50 W/ K c2 =错误！未指定 书签。 错误！未指定 书签。 =8.421 W/ K c3 =错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 = 0.077 W/ K = =0.076 错误！未找到引用错误！未找到引用 源。源。W/ 错误！未指定书签。错误！未指定书签。 根据傅立叶效应 Qk= 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。(Th-Tc) = K T 设：热端温度启始为800 冷端温度为20 所以：Qk总= KT总 = 0.076 W/ * 780 =10.184 W Qk1= K c1T1 = Qk2= K c2T2 = Qk3= K c3T3 = Qk总 = 10.184W 所以： T1 = 0.2 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。T2 =1.2 错误！错误！ 未找到引用源。未找到引用源。T3 = 132.3 2.3.2 单个电偶臂的功率计算和效率计算 根据牛顿的热力学规律，当热电发电机两端的温度差异时，热电发生器 北华航天工业学院毕业论文 8 产生热量。 来自热源的热电偶得到的热量是珀尔帖热，焦耳热和热传递的三个 之和： 式中： 发电效率； P 输出到负载上的电能； I 回路中产生的电流； Q h 热端的热流； Q l 低温热源从低温端吸收的热流； R L 负载电阻； R 电偶臂的内阻； NP 塞贝克（Seebeck）系数； K 热传导系数； T1 热源温度； T2 冷源温度。 电流回路，消除未知量电流I ，则发电器的输出功率P 为： （212） 由上述三式可得到热电发电器的转换效率为: 内阻R计算公式为: （214） 式中： L N N 型电偶臂臂长；N N 型电偶臂电导率；A N N 型电 北华航天工业学院毕业论文 9 偶臂截面积； L P P 型电偶臂臂长；P P 型电偶臂电导率； P P 型 电偶臂截面积。 NP5 根据实验得出 L /A0.55mm NP= 200（v/） R0.00275 T1 8000.21.2798.6 T2 798.6132.3666.3 T1 T2 132.3 当 R LR 时，功率最大 所以： 2.3.3 余热发电系统的功率与效率的理论计算 选择开始水温为：20 水的流量为：q1 v1*s 末温为 25 选择尾气温度为：800 尾气的流速为：v23 m/s 末温为100 水的比热容C14200 j/kg* 尾气的密度 11.29kg/错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 水的密度11000kg/错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 尾气的比热 C2=1003 j/kg* 尾气的密度 11.29kg/错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 假设：忽略热的损耗，则 Q水Q气 Q= C*M*C*V*=C*v*s*t* 设： S水道 S气道 t1 t2 则 C1*1*q1*1C2*2*v 2*2 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 假设现在余热发电系统有三个模块错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。P=错误！错误！ 未找到引用源。未找到引用源。=152.8W 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。= C 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。M 错误！错误！ 北华航天工业学院毕业论文 10 未找到引用源。未找到引用源。错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 C错误！未找到引用错误！未找到引用 源。源。错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。V 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。=C 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。v 错错 误！未找到引用源。误！未找到引用源。s（通气管道截面积）错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 t错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 选择尾气温度为：800 末温为100 尾气的比热 C2=1003 j/kg* 尾气的密度 11.29 kg/错误！ 未找到引用错误！ 未找到引用 源。源。 尾气的流速为：v21 m/s t=错误！ 未找到引用源。错误！ 未找到引用源。 = 错错 误！未找到引用源。误！未找到引用源。 = 0.104 s s（通气管道截面积）= 0.1 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。0.1 = 0.01 错误！未找到引错误！未找到引 用源。用源。 = 700 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。= C 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。M 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。错误！未找到引用错误！未找到引用 源。源。 C 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 V错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。=C 错误！ 未找到引用源。错误！ 未找到引用源。 错误！错误！ 未找到引用源。未找到引用源。v 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。s错误！未找错误！未找 到引用源。到引用源。 t错误！ 未找到引用源。错误！ 未找到引用源。错误！ 未找到引用源。错误！ 未找到引用源。2825.8 w 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 = 北华航天工业学院毕业论文 11 第 3 章 余热发电系统的设计 3.1 热电发生器结构分析 相比以往一般的研究基础上，微卷式，热电堆，薄膜热电发电器是电热发电 器的重要构成，下面是对三种结构的讲解和分析，再使用功能和优、劣相比从而 选出所需求的发生器类型来进行研讨分析和剖析。 3.2 余热发电研究方案 3.2.1 美国普林斯顿大学研究的方案 图 3-1 微型线圈式电加热器 在上图所示中，双环管作为微型线圈式电加热器，也发生气体化学反应的主 要场所。通常也被称之为 SWISS ROLL。其尺寸约为 12.5mm * 12.5mm * 5mm， 材料是氧化铝陶瓷，在这里我们使用 Daestro 微加工途径完成立体材料，管宽度 为 0.075mm，燃料和空气从泵进入通道，在 Swiss Roll 中间通过两个电极点燃， 使燃料持续燃烧。燃料燃烧后的废气由管排出。普林斯顿大学研究了有氢气，甲 烷，甲醇和乙醇在内的燃料，因为大部分燃料的保持燃烧，必须初始温度（高于 300C）来连续燃烧。须要使用别的热源预热，氢气就能在室温下加热进行催 化。调查结果还显示，在 300下，氢气和空气的混合物能够在很宽的比例范围 内反应，使 2 至 12 瓦的热量，热转换为 100 毫瓦的灯泡。 北华航天工业学院毕业论文 12 除此之外， 还有一些方法， 列如微火微电源系统， 采用了 Swills Roll 的结构。 利用电化学微机械技术，设计的微型发动机。将发电机和热交换器置于微型装置 中。 如下图所示： 图 3-2微型线圈式电加热器的2维和3维的结构模型 这就是这种 Swiss Roll 的 2 维和 3 维的构造模型。在这种装置中，火焰的 温度是通过气体燃料的流入来进行改变，通过测试两种不同型号的燃烧器，在高 低速流动，高低温度，长时间和短时间停留得到在处于无焰燃烧可以进行的温度 范畴，同时制作温度分布仿真。如图所示： 图 3-3 微型线圈式电加热器温度分布仿真 实验研究还表明，三维的 Swiss Roll 结构能减少热量的损失。 北华航天工业学院毕业论文 13 3.2.2 德国斯图加特大学研究的方案 下图是德国斯图加特大学研制的 In-Plane 微型热电发生器 图 3-4 微型热电发生器 通过与标准 IC 工艺兼容的 IC 的薄膜工艺， 可以容易地形成 In- Plane 型微型 热电发电装置的结构。 英国加的夫大学的火力发电科研所将石英上的蓝宝石和 多晶硅膜上的硅膜用作热电材料，作为产生为起搏器供电的微型热电发电装置。 它的尺寸：5mm * 10mm * 0.45mm，用于测试，包含不同数量和尺寸的电偶臂。 测试结果表明，每个长，宽，高分别为 450m，100m，0.4m 的热电偶在两 种膜材料中的塞贝克电压可以达到 0.5mV / K 左右。 采用较低的导热系数的石 英，由于大大降低了基板的热泄漏，器件的能量转换效率可以提高 50 倍，德国 斯图加特大学采用晶体硅微处理技术， 制造了平面型微型热电发电装置的桥式结 构。 试验装置由硅材料制成， P 型和 N 型热电臂长度和宽度分别为 500m 和 7 m， 在 10m 厚的硅薄膜的中间形成掺杂深度为 lm， 热电偶连接 10 个。 该 结构提供与基板的垂直侧的温度差， 从而减小了与热电偶套管平行的基板中的热 损失。 这说明，当衬底垂直面的温差为 10K 时，器件的热电功率为 1.5 微米。 3.2.3 热电堆式热电发电器 它是由美国喷气动力实验室（JPL）研制的 Cross- Plane。如下图 北华航天工业学院毕业论文 14 图 3-5 Cross-Plane 该装置的结构与传统的跨平面型微电子冷却装置的结构相同。 交叉平面微电 子冷却装置的原理与传统的热电冷却装置的原理非常相似， 除了基板和热电偶臂 本体成为薄膜材料之外，由于在这种冰箱构造中，热流的导向和基板其表面是如 此垂直所谓的。双层基板是连接到冷端和发电机的热端的热电偶。其原理是：根 据塞贝克效应， 当发电机的冷热端温度差时， 电路会产生电流。 他使用厚膜Bi2Te3 合金材料，同时保持热电臂的横截面积和长度比相同的条件，减少热电吊臂，增 加每单位体积密度的热功率。同时，微电子发电装置连接数万个热电偶，在低温 差下获得电压高电压， 这种微电热发电装置的另一个特点是其制造工艺结合了电 化学沉积和集成电路蚀刻工艺。测试装置由 2300 个热电偶组成，热电臂的长度 为 50m，直径为 6m。 在 8.5K 的温差下，可以在 4.1V 的电压下提供 22mw 的功率。 试验表明，上述所用可用于 MEMS，提供微功率。 目前，JPL 正在研 发使用 P 型和 N 型 Bi2T3， 纳米线替代厚膜合金， 便用相似的措施完成更小尺寸 的半导体电偶臂。 当然发电器的构造还有很多，然而就目前的选取的几种上述结果证明，微卷 热电转换器的热损失较小，热能利用率较高，但微加工愈加艰巨。同时，因为热 电材料在温度梯度方向上为串联，所以热电材料的温度差不是很大，所以发电量 北华航天工业学院毕业论文 15 也很小。薄膜热电发电程序从来说微处理技术相对成熟，其尺寸相对较小。但是 由一般低功率产生的功率， 仅有微瓦热电堆PN结相对于温度场是一个并联结构， 每对 PN 结具备一样的温差，所以每对 PN 结串联，功率较大，另外，热源腔最 好设计得相对大一点，这样燃料燃烧，温度掌控等比较容易，然而热损失比微型 线圈发电机要大。在这里用热电堆式热电发生器作为热电电源的重要部件来设 计。 3.3 余热发电器模块的设计 热电堆型微电热发电机主要包括上，下热罩，分流芯片，焊料层，PN 结悬 臂和输出线等部件。 微电子发电机的输出功率和效率会被接触电阻影响，汤姆 逊效应和温度波动的影响以及热覆盖片，导流板和焊料层对热导率的影响。 热电发电器模块的设计有水流道、气流道和热电发电偶臂的构造设计。设计 这个模块的形态要注意热量的最大利用。 余热发电器模块设计通常有，微卷式 SwissRoll，热电堆和薄膜热发电，在 这三者之间进行比较发现，微卷式虽然热量损失小，但是加工很复杂，没有条件 不便使用。薄膜热发电的处理技术相对不成熟，而且功率很低，不宜进行试验。 PN 节和温度场的热电堆并联，每对 PN 结温差相同，所以每对 PN 结串联， 发电功率较大，最终采用热电堆热电，发电机作为火力发电的部件来设计。为达 到最大热量的利用，所以我想到了“双管形热电发电器”和“方形热电发电器” ， 双管形热电发电器的热量利用率比方形热电发电器要高， 但其应用中制作方面要 求较高而且维修不方便，方形热电发电器不但具有较高的热利用率，并且后期用 于制造方便，维修简单所以最后采用方形热电发电器。 下面我以简图的形式来介绍一下方形热电发电器电偶臂的具体组成： 图 3-6 方形热电发电器电偶臂 北华航天工业学院毕业论文 16 下图为余热发电器系统的水、气流向简图： 图 3-7 发电器系统的水、气流向简图 3.4 通气管道的结构设计 通气管道位于发电模块中心，选取铜为导热介质，在管道增加了一井字形的 材料为铜的导热肋板，增加整个管道的导热率，优化整体的热利用率。 图 38 通气管道 北华航天工业学院毕业论文 17 连接通气管道位于通气管道外部，组成为铝合金（4.5Cu，1.5%Mg， 0.6%Mn）,其安置方法是为底部四边用 75和 95的铅锡合金焊接在通气管道 的四边上。通气管道的这种隆起设计是为了将尾气分散导入通气管道，避免尾气 堵塞，也可以将尾气中的余热更好的被铜片吸收传递给导热层，提高热利用率。 图 3-9 通气管道连接零件 3.5 通水管道的结构设计 位于通气管道外面的是两对尺寸不同但外形一样的通水管道， 其材料为铝合 金（4.5Cu，1.5%Mg，0.6%Mn） ，该管道的元件有：2 个管道接头、三块铝合 金板（两块小的规格为：182.8*20*2,还有一块大的规格为：405.6*104*2） 。 管道的制造步骤为：管接头用 75和 95的铅锡合金焊接在打好孔的小铝 合金板上，焊接时防止产生空隙，避免漏水的的情况，再将那块大的铝合金依照 图纸折好，用 75和 95的铅锡合金焊接好，下一步整体焊接，再观察看出现 有无漏水现象，及时修补。 北华航天工业学院毕业论文 18 图 310 通水管道（1） 通水管道（2）与上方做法相同，只是规格不一样的，总的一点要求就是：焊 接完毕后水检，检查何处漏水，及时进行修补，防止后期漏水。 北华航天工业学院毕业论文 19 图 311 通水管道（2） 3.6 余热发电器的设计 发电机组主要有热盖基板， 导流板和电臂三部分。 当电臂端部之间的温差， P，N 结两种不同的热电材料会产生 Seebeck（Seebeck）效应，所以电路中有电 流。 图 312 电偶臂的理论图形 PN 电动臂式热电发电机在通风管与水管之间， PN 热电偶热电发电机有电 北华航天工业学院毕业论文 20 绝缘热套，引流铜和 PN 电臂，热盖 95的氧化铝陶瓷， 导电层材料为铜板， 焊料层为 75和 95的锡和导电银塑料和高温银浆。 电臂材料为 Bi2Se3，热 电发电机电臂横截面尺寸为 3mm3mm，高 16.4mm，电臂对对 199 对。 从以 往的理论分析可以看出，热电材料的选择赛贝克系数越高，质量越好。 图 3-13 电绝缘导热覆盖片 北华航天工业学院毕业论文 21 图 3-14 导流层 北华航天工业学院毕业论文 22 图 3-15 电偶臂 电偶臂中的电流流向如下图所示： 图 3-16 电偶臂中电流的流向 北华航天工业学院毕业论文 23 3.7 余热发电器的结构制作 普通来说热电热电发电机包括氧化铝陶瓷，热电材料制备，PN 半导体材料 生产，热电发电机组装等部分工艺，生产工艺也规模大。 小型热电源的结构有陶瓷基板， 铜流层， 焊锡层， 热电偶电臂和引线等部件。 处理技术如图 3- 17 所示。 3.7.1 陶瓷基板的选用与制作 导电层上的陶瓷基材主要用于覆盖铝层工艺，有一些厂家采用铜成型工艺。 偏转器阵列如图 3- 18 所示，左图和右图涵盖了基板转向层的阵列图和半导体电 偶臂的阵列结构。 按照衬基板导流层阵列，这里用 SU- 8 胶水制造焊料层掩模， 见图 3- 19， 面罩通过孔和衬底层的重新固结和收紧。 最后在方槽中进入高温导电 银胶，从而形成所需的焊料层。 3.7.2 热电材料的选用与电偶臂的制作 与一般热电发电机的热电材料制造工艺一样， 碲化铋材料和一些添加剂根据 规定比例的配方，高于 920K 的温度熔化，再通过晶棒拉丝，切片，切粒加工， 从而得到 PN 我们需要的热电偶粒子 使用特殊定制的模具，如图 3- 20，P 型电 动臂颗粒和 N 型电臂颗粒布置在模具槽的正方形中。 北华航天工业学院毕业论文 24 图 317 小型热电发电器加工工艺框图 图 318 发电器覆盖基板导流层结构 北华航天工业学院毕业论文 25 图 319 焊料层掩模 图 320 小型电偶臂阵列模具 3.7.3 发电器的装配与封装 将 P、 N 型电偶臂颗粒顺次间隔分布在模具中后， 再将模具对准氧化铝陶瓷 下覆盖基板，让 P、N 电偶臂对牢导流层，经过焊料层将电偶臂与覆盖层粘接在 一起。 然后再用焊料将导出引线与导流层出口粘接在一块。采取相同方法将上覆 盖基板与电偶臂颗粒粘接。等导电胶凝结后，将发电器置于高温恒温炉中静置 10 小时以上， 让焊料和电偶臂导流层充分焊合。 高温炉温度保持在 450K550K 之间。在高温炉中静置到时间后，将发电器取出，用电阻仪初