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回热型微燃烧温差发电系统的研究

作　者: 张硕果
导　师: 曹海亮
学　校: 郑州大学
专　业: 热能工程
关键词: 温差发电系统回热微小燃烧器燃烧特性温差发电器开路电压
分类号: TM913
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

微燃烧温差发电系统是将微小尺度燃烧释放的热能通过热电材料的塞贝克效应直接将转化为电能的装置。由于结构简单,布置灵活,无运动部件等特点,更容易应用在军事和民用领域的微型飞行器和便携式电子设备等设备中。本文基于回热燃烧技术与温差发电器的热量回收技术,开发了微小尺度燃烧温差发电系统,采用数值模拟和实验研究方法对系统的燃烧特性和热电性能进行了研究。采用CFD技术对微小燃烧器的燃烧特性进行了数值研究。研究结果表明,由于采用了回热燃烧结构,微小燃烧器能够在较宽的运行范围实现高效燃烧,燃烧效率维持在0.94以上,并且具有较低的热损失。通过把温差发电器的散热重新回收到系统,不仅能够实现微小燃烧器的稳定高效燃烧,而且能够尽可能降低系统的对外热损失。系统燃烧器能够作为中低温温差发电器的热源,在过量空气系数a≥8,匀热片温度在600K以下,均匀度低于40K,可保证低温温差发电器的安全高效运行。对设计的温差发电系统进行了数值研究。研究了过量空气系数、燃烧功率、空气分流狭缝宽度d对燃烧效率、热损失和温度场分布的影响规律。研究结果表明,在空气过量系数8≤α≤12的范围,狭缝宽度d=0.5mm时系统具有相对较高燃烧效率,故以d=0.5mm作为狭缝的最优设计。随着过量空气的增加,温差发电器冷热端平均温差,在过量空气系数α≥8.5,能够保证温差发电器的安全运行,冷热端平均温差最大为62K左右。分析表明,燃烧室侧壁存在较大的热损失,以及烟气通道中较大的热阻都会影响温差发电系统的冷热端温差。在此基础上,对不同壁面材料、烟气通道强化换热对系统性能的影响进行了数值研究,研究结果表明,侧壁和后隔板采用石英材料后,系统壁面热损失降低,温差发电器冷热端平均温差得到提高,温差最大为70K,运行范围为过量空气系数α≥7.8。在烟气通道中添加多孔介质材料,能明显降低烟气通道的传热热阻,提高了热流密度和温差发电器的冷热端温差,温差最大为88K,安全运行范围为α≥11.6。对回热型微燃烧温差发电系统进行了实验研究,结果表明,温差发电系统整体的热电转换效率较低。随着过量空气系数的增加,系统开路电压随之下降,在a=26时,P=150W的系统开路电压最高为1.9V。分析对了系统效率较低的原因,提出了进一步的改进措施。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-11
1 绪论  11-25
  1.1 课题的研究背景及意义  11-12
  1.2 微燃烧温差发电系统的国内外研究进展  12-18
    1.2.1 微燃烧温差发电系统的国外研究进展  12-17
    1.2.2 微燃烧温差发电系统的国内研究进展  17-18
  1.3 回热燃烧技术的研究概述  18-21
  1.4 回热型微燃烧温差发电系统的研究概述  21-23
  1.5 本论文主要研究内容  23-25
2 扩散混合燃烧机理及热电转换理论  25-38
  2.1 微燃烧器燃料和空气混合的物理机理  25-27
    2.1.1 燃料/空气对流混合机制  25-26
    2.1.2 燃料/空气扩散混合机制  26-27
    2.1.3 微燃烧器燃料和空气混合强化的方法  27
  2.2 气体燃料的扩散燃烧  27-30
    2.2.1 扩散燃烧火焰的类型  27-28
    2.2.2 自由射流层流扩散燃烧火焰  28-29
    2.2.3 受限射流层流扩散燃烧火焰  29-30
  2.3 热电转化理论  30-33
    2.3.1 热电转换的工作原理  30-31
    2.3.2 热电效应  31-32
    2.3.3 热电转换优值系数  32
    2.3.4 温差发电器的最大输出功率及热电转换效率  32-33
  2.4 回热型微燃烧温差发电系统的效率计算与分析  33-37
    2.4.1 回热型微燃烧温差发电系统能量转化效率的理论计算  33-35
    2.4.2 回热型微燃烧温差发电系统能量转换效率的分析  35-37
  2.5 小结  37-38
3 回热型微燃烧温差发电系统的数值研究  38-64
  3.1 模型结构  38-40
  3.2 数学模型  40-44
    3.2.1 控制方程  40-41
    3.2.2 湍流模型  41
    3.2.3 反应动力学模型  41-42
    3.2.4 边界条件  42-43
    3.2.5 材料参数的设定  43-44
    3.2.6 网格划分及网格考核  44
  3.3 温差发电系统燃烧器的燃烧特性  44-52
    3.3.1 燃烧效率  45-46
    3.3.2 壁面热损失  46-47
    3.3.3 燃烧室火焰结构形态及温度场分布  47-49
    3.3.4 燃烧器内部温度场分布  49-51
    3.3.5 匀热片的温度分布  51-52
  3.4 温差发电系统的性能  52-56
    3.4.1 狭缝宽度对系统燃烧室空气量和燃烧效率的影响  52-53
    3.4.2 温差发电系统传热分析  53-56
    3.4.3 温差发电器冷热端平均温差  56
  3.5 材料对温差发电系统性能的影响  56-60
    3.5.1 材料对系统壁面温度和热损失率的影响  57-58
    3.5.2 材料对系统内部温度分布的影响  58-59
    3.5.3 材料对温差发电器冷热端温差的影响  59-60
  3.6 烟气通道强化传热对温差发电系统性能的影响  60-62
    3.6.1 烟气通道传热强化对系统传热的影响  60-62
    3.6.2 烟气通道传热强化对系统温差发电器冷热端温差影响  62
  3.7 本章小结  62-64
4 回热型微燃烧温差发电系统的实验研究  64-72
  4.1 实验件的设计加工  64-67
  4.2 实验装置及测量系统  67-68
    4.2.1 实验装置  67
    4.2.2 实验测量系统  67-68
  4.4 实验调试与点火  68-69
  4.5 实验结果分析  69-71
  4.6 本章小结  71-72
5 结论与展望  72-74
  5.1 全文总结  72-73
  5.2 展望  73-74
参考文献  74-78
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  78-79
致谢  79

回热型微燃烧温差发电系统的研究

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