线性唯象传热条件下给定周期的内可逆热机最大功率输出时最优构型

对线性唯象传热条件下给定循环周期的内可逆热机最优构型进行研究,利用最优控制理论得出最大功率输出时热机的最优构型为六分支结构,其中包括两个等温分支和四个最大功率分支,而没有绝热分支.给出各分支过程的时间和热源及工质温度,求出最大功率输出和相应效率.通过计算可知随着高温热源温度的减小,最大功率分支过程时间减小,最大功率输出、所需输入能量和循环效率都减小.随着汽缸容积变化率的减小,最大功率分支过程时间增加,最大功率输出减小,所需输入能量增加,循环效率减小.随着热导率的减少,最大功率分支过程时间减小,最大功率输出和所需输入能量减小,循环效率增加.将所得结果与牛顿传热规律下的结果比较可知两种传热规律下的循环最优构型均由两个等温分支和四个最大功率分支组成,且均不包括绝热分支.两种传热规律下的两个等温分支的温度不同,四个最大功率分支的过程路径也不同.两种最优构型对应的各分支过程时间不相同,最大功率输出、所需输入能量和循环效率均不相同.     

放射性同位素电池的热力学性能分析

建立了一种考虑外部有限速度传热的热离子电池模型,该系统以放射性同位素衰变热作为热源驱动装置的运行。基于系统的热量平衡和传热过程,导出了电池系统与外部热源之间传热服从辐射传热定律时输出功率和效率的一般表达式。通过数值计算详细分析了该同位素热离子电池装置的功率效率特性,讨论了有限速率传热及热源温度等参数对电池系统性能的影响。分析结果表明,运行过程中存在最优的输出电压和功函数可使同位素电池的输出功率与效率达到最大值。电池的功率与效率特性关系曲线呈回原点扭叶型,输出功率和效率随同位素热源温度的增加而增大。对比分析了考虑和不考虑传热时电池装置的性能,结果发现,如果考虑装置与外部热源之间的传热,热离子电极的工作温度不再与热源温度相等;由于存在有限速率传热的不可逆性,电池系统的输出功率、效率都会降低。所得结果对实际放射性同位素热离子核电池的设计和运行具有一定的理论指导意义。     

微型热电发电器的性能测试分析

按照微型热电发电器输出功率的理论模型，对内阻、塞贝克系数和热导率等热电性能参数在不同温度范围内进行了测量和拟合。实验测试了不同电偶臂对数、电偶臂高度以及不同冷热端温度时微型热电发电器的最大输出功率，结果表明：一定范围内的最大输出功率随电偶臂高度的减小而增大，对电偶臂高度面积的比值进行适当选取，可使最大输出功率达到最优值；一定范围内的最大输出功率随电偶臂对数的增多而增大；温差和平均温度达到一定值时，最大输出功率可得到最优。根据测试分析结果，研制了微小型热电转换装置。     

锯齿错列肋片尾气换热器的热电性能优化

由于尾气传热性能差,尾气余热热电转换系统中常采用具有强化换热结构的尾气换热器,其中,锯齿错列肋片式是常见型式之一.但如何平衡传热性能和流动阻力实现对换热器内部结构和整体尺寸的优化,使得热电系统获得总的净输出功率最大,是值得研究的内容.但现有成果均是基于限定尺寸结构,对换热器局部尺度及热电性能进行分析,没有针对强化换热器的整体优化结构和最大净输出功率展开研究.建立基于汽车尾气余热回收的热电转换数值模型,结合场协同理论,分析锯齿错列肋片式尾气换热器内部肋片结构对热电功率的影响.此外,综合考虑传热性能与流动阻力的平衡,以热电转换最大净输出功率为优化目标,对热电模块结构进行优化,并获得热电系统的相应最优性能.研究结果表明,固定热电模块尺寸时,净输出功随肋片高度增加明显增加,但受肋宽影响较小;对热电模块尺寸进行优化时,肋高和肋宽的变化均对热电模块的最优尺寸产生较大影响,单位面积最大净输出功随肋宽增加而明显降低,但受肋高的影响较小.     

船舶柴油机排气管道热电转换系统设计及其性能分析

提出了一种应用于船舶柴油机排气管道上的嵌入式鳍片热电转换系统,并对其结构进行了新型设计;建立排气管道热电转换系统三维模型,分析废气管道中嵌入式热电模组在不同条件下的流场、温度场以及电场分布特性;搭建排气管道热电转换系统模拟试验装置,验证数值计算结果准确性。结果表明:数值计算结果与实验结果相吻合,最大发电功率误差均在5%以内,嵌入式鳍片模组的发电功率比无嵌入式鳍片模组的发电功率提升了约3.2倍;系统设计过程中,需同时考虑鳍片高度、鳍片数量与流场特性、泵功率、净发电功率之间的关系,使其达到最大发电量,该装置通过鳍片增加传热面积,降低热阻,进而提升热电模组发电性能。     

热电制冷器对太阳能电池输出电压的影响

太阳能电池(photovoltaic,PV)长时间暴露在阳光下会使其表面温度迅速升高,从而降低其输出电压。为降低太阳能电池板的表面温度,对太阳能电池板背面装载的热电制冷器(thermoelectric cooler,TEC)进行了研究,测试其在不同室温下对太阳能电池板输出性能的影响。研究表明:当不含TEC且环境温度分别为26℃、29℃、33℃时,太阳能电池板的实验最大输出电压分别是2.32 V、2.25 V、2.20 V;加载TEC之后,在上述环境温度下太阳能电池板的最大输出电压分别为2.54 V、2.59 V、2.47 V,输出电压分别增加9.4%、15.1%、12.3%。因此在太阳能电池板中加载热电制冷器既可以增大输出电压,又可以避免因温度升高而降低太阳能电池板的寿命。     

热电子热机最大功率运行时的效率特性研究

基于单通道的热电子热机模型,导出了热机在中间运行模式和最大功率运行模式下输出功率和效率的解析表达式,系统分析了热机在这两种模式下的最大功率时的效率(EMP)特性,得到了EMP的一般特性关系曲线。获得了过滤器中心能量位置和能量宽度等设计参数对对EMP特性的影响特点;确定了该效率的取值界限和有效区间。所得结果对热离子和热电装置等实际电子热机系统的设计和运行具有理论指导意义。     

基于Abaqus的热流传感器非稳态传热研究

建立了热电堆式热流传感器在高温环境下的非稳态传热理论模型,深入分析了输出电压和热阻层上下表面温差等参数之间的关系;然后基于有限元软件Abaqus对模型进行了验证,并结合实验数据探讨了导热系数、塞贝克系数对输出信号的影响,最后提出了优化方案。结果表明,当热阻层最高温度超过1 500℃时,其导热系数会发生较明显变化从而引起输出信号的非线性,这是影响传感器工作时长的主要因素;而当热阻层上下表面温差超过600℃,塞贝克系数会发生变化从而使测量失效,这是影响传感器最大量程的主要因素。优化后的传感器最大量程可以达到1 MW/m~2,并且工作时间延长了17.2%。     

压缩空气小型发电系统的性能分析

为了研究压缩空气小型发电系统的性能,首先搭建试验平台并对系统各部分建立数学模型,其次基于试验平台和MATLAB/Simulink软件对系统进行试验验证和仿真研究,验证了仿真模型的合理性。进而获得不同进气压力和转速工况下发电系统的输出功率和效率特性。结果表明：该系统的输出功率随着进气压力的增加而增加,当系统进气压力为0.7 MPa,膨胀机输出转速为3000 r/min时,随着输出电压的增大,系统的输出功率先增加后趋于稳定,最大输出功率可达5.98 kW;不同的输出功率对应的最佳发电效率不同,当输出功率为1 kW和5 kW时,系统的发电效率分别为63.2%和76.7%;当气罐容积为500 L,储气罐初始压力为6 MPa,进气压力为0.7 MPa时,系统至多可以满足5.98 kW的输出功率工作2209 s。     

柴油机机油散热模块参数优化与试验研究

为了研究重型柴油机机油散热模块在不同工况下的传热性能,借助CFD软件对流固耦合传热模型进行了稳态数值模拟;将翅片区域简化为多孔介质,得到了不同条件下散热器的换热性能。研究结果表明:当冷却液流量越大、温度越低时,散热功率越高;当机油温度越高时,散热功率越大,温度每升高5℃,功率增加约10%;机油的流量在70L/min时散热器的综合性能最好。对比试验结果和仿真结果,误差在允许的范围内,表明了此研究方法的可行性。模拟结果对散热系统的优化设计提供了有价值的参考。