一種組合型熱電轉換裝置製造方法
2023-05-05 16:48:06 2
一種組合型熱電轉換裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種適用於高超飛行器熱防護及熱利用的組合型熱電轉換裝置，是一種採用溫差熱電轉換與朗肯熱電轉換組合的氣動熱熱利用裝置。溫差發電模塊的熱端先吸收飛行器蒙皮氣動熱，冷端將熱量傳遞給朗肯熱電轉換系統的蒸發器，朗肯熱電轉換系統可採用R141b有機工質，利用飛行器機載冷源帶走朗肯熱電轉換系統的冷凝器的熱量。本發明充分利用了高超聲速飛行器表面的氣動熱，一方面可降低飛行器表面溫度、對飛行器起到一定的熱防護作用；另一方面將溫度範圍較廣的溫差發電技術與運行溫度較低的朗肯循環相結合，實現了能源的充分利用，增加了能源利用效率，提高了系統整體熱電轉換效率。
【專利說明】一種組合型熱電轉換裝置
【技術領域】
[0001] 本發明是涉及一種組合型熱電轉換裝置，屬飛行器熱控制【技術領域】。
【背景技術】
[0002] 高超聲速飛行器飛行馬赫數高，飛行器表面會因氣動加熱效應產生高溫[1]。關於 氣動熱熱電轉換技術未見報導，其它領域的熱電轉換技術可分為兩大類：直接轉換類和熱 力循環類。直接轉換類技術可以實現熱能到電能的直接轉換，主要有半導體溫差發電技術
[2] 、鹼金屬熱電轉換技術[3_4]和磁流體發電技術[5];循環類熱電轉換技術通過熱力循環先將 熱能轉換為機械能，再帶動發電機進行發電，主要有朗肯循環 [6_7]、布雷頓循環[8]和斯特林 循環[9]。
[0003] 但每種熱電轉換技術均存在自身弊端：半導體溫差發電技術發展較為成熟，但熱 電轉換效率較低（一般低於10%);鹼金屬熱電技術中核心裝置BASE材料的性能衰退嚴 重、穩定性差，應用尚不成熟；磁流體技術需要龐大的超導磁體，不適宜應用於飛行器；朗 肯循環技術比較成熟，但主要適用於溫度較低的環境（300°C以下）；布雷頓循環與斯特林 循環系統部件較為複雜。
[0004] 參考文獻
[0005] [1]張純學，晗旭.可負擔的遠程精確打擊高超聲速飛彈[J].飛航導 彈· 2006(12). 6
[0006] [2]D. M. Rowe, M. Sc. Thermoelectric Power Generation [J]. Electrical Enginee rs, 1978, V125(ll) :1113 - 1136
[0007] [3]張來福，李斌.鹼金屬熱電轉化器實用化的兩個關鍵問題[J].能源技 術，2004, 6 (25)
[0008] [4]張來福，倪秋芽，童建中.鹼金屬熱電轉化器（AMTEC)的電極極化過程分 析.太陽能學報.第26卷第6期.2005. 12
[0009] [5]孔慶毅，李淑英，李曉明.淺析磁流體發電技術[J].東北電力技術.2009. 9
[0010] [6]Tuo, H. F. , Energy and exergy-based working fluid selection for organic Rankine cycle recovering waste heat from high temperature solid oxide fuel cell and gas turbine hybrid systems, International Journal of Energy Research, 37 (14) (2013) :1831-1841.
[0011] [7]Tuo, H. F. , Thermal-Economic Analysis of a Transcritical Rankine Power Cycle with Reheat Enhancement for a Low-Grade Heat Source, International Journal of Energy Research, 37(8)(2013):857-867.
[0012] [8]Bao Wen, Qin Jiang, Yu Daren Integrated Thermal Management Method of Energy Based On Closed Brayton Cycle for Scramjet. AIAA2006-4685
[0013] [9]李海偉，石林鎖，李亞奇.斯特林發動機的發展與應用.能源技術.Vol. 31 No. 42010. 8
【發明內容】
[0014] 本發明提出一種組合型熱電轉換裝置，適用於飛行器特殊的應用環境，有效解決 了單一熱電轉換技術的弊端。裝置回收飛行器飛行過程中的氣動熱能，將其轉化為電能，在 降低飛行器表面溫度、起到熱防護作用的同時，為飛行器電源系統提供一部分電能。
[0015] 一種組合型熱電轉換裝置，包括蒙皮換熱器、溫差發電模塊、蒸發器、供給泵、渦 輪、發電機、冷凝器。
[0016] 蒙皮換熱器從高溫壁面獲取熱量，將熱量傳遞給溫差發電模塊，溫差發電模塊貼 合於蒙皮換熱器與蒸發器之間，蒙皮換熱器作為溫差發電模塊的高溫端，蒸發器作為溫差 發電模塊的低溫端，溫差發電模塊輸出電能，渦輪、供給泵、發電機同軸安裝，蒸發器對工質 進行加熱，得到高溫高壓工質，工質衝擊渦輪運轉，渦輪運轉帶動發電機工作輸出電能，並 且帶動供給泵對降溫後工質進行加壓，渦輪排出工質通過冷凝器降溫與供給泵加壓，輸送 到蒸發器中繼續新一輪循環。
[0017] 本發明的優點在於：
[0018] (1)本發明採用飛行器蒙皮換熱器直接吸收飛行器表明的氣動熱，將氣動熱轉換 為飛行器可利用的電能，緩解了飛行器外壁面的氣動加熱效應，降低外壁溫度，對飛行器起 到一定的熱防護作用；
[0019] (2)本發明中溫差發電模塊貼合於蒙皮換熱器與蒸發器之間，自身發電並可產生 約l〇〇°C溫降，降溫後溫度範圍適合於朗肯循環的安全運行；
[0020] (3)本發明中溫差發電模塊的廢熱傳遞給有機朗肯循環作為熱源，實現能源的充 分利用，提高系統整體熱電轉換效率。
[0021] 本發明與現有技術的區別在於：在國內外現有資料中，有涉及溫差發電與有機朗 肯循環相結合的熱電轉換系統，但與本發明的區別是：（1)現有廢熱利用技術中的溫差發 電冷端的熱量散給預冷器，蒸發器的熱量直接來源於廢熱；本發明中溫差發電模塊直接與 蒸發器相接觸，蒸發器的熱量來自於溫差發電模塊冷端的排熱，氣動熱是間接傳遞到蒸發 器中的，二者應用條件不同；（2)因飛行器對系統尺寸安裝要求苛刻，本發明結構緊湊，而 現有技術的聯合系統用於內燃機排氣餘熱回收，應用部件多、結構尺寸大；本發明中渦輪、 供給泵、發電機同軸安裝，渦輪運行帶動供給泵與發電機，有效精簡系統，而現有技術中供 給泵需要單獨動力源進行驅動；（3)本發明適用於飛行器特殊的應用環境，熱源為飛行過 程中的氣動加熱，完成熱能到電能轉換的同時，對飛行器起到了熱防護的作用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022] 圖1是本發明的組合型熱電轉換裝置示意圖；
[0023] 圖2是本發明的蒸發器/發電模塊一體化結構示意圖。
[0024] 圖中：
[0025] 1.蒙皮換熱器 2.溫差發電模塊 3.蒸發器
[0026] 4.供給泵 5.軸 6.渦輪
[0027] 7.發電機 8.冷凝器 9.高溫壁面
[0028] 10.機載冷源入口 11.機載冷源出口
【具體實施方式】
[0029] 下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。
[0030] 本發明是一種組合型熱電轉換裝置，如圖1所示，包括蒙皮換熱器1、溫差發電模 塊2、蒸發器3、供給泵4、渦輪6、發電機7、冷凝器8。
[0031] 飛行器高超聲速飛行過程中，嚴苛的氣動熱導致艙體壁面溫度較高，通過蒙皮換 熱器1從高溫壁面9獲取熱量，並將該熱量傳遞給溫差發電模塊2,蒙皮換熱器1作為溫差 發電模塊2的高溫端，溫差發電模塊2低溫端的熱量傳輸給蒸發器3,溫差發電模塊2貼合 於蒙皮換熱器1與蒸發器3之間，蒸發器3與溫差發電模塊2為一體化設置，如圖2所示，溫 差發電模塊2輸出電能，蒸發器3對有機朗肯循環的工質進行加熱，得到高溫高壓的工質， 工質衝擊渦輪6運轉，渦輪6、供給泵4、發電機7採用軸5進行同軸安裝，渦輪6運轉帶動 供給泵4對工質進行加壓，通過變頻技術控制供給泵4的轉速，渦輪6還帶動發電機7工作 輸出電能；渦輪6排出工質通過冷凝器8降溫與供給泵4加壓，輸送到蒸發器3中繼續新一 輪循環。
[0032] 結合圖1說明本發明一種組合型熱電轉換裝置的工作過程：
[0033] 通過蒙皮換熱器1從高溫壁面9獲取熱量，傳遞給貼合於換熱器上的溫差發電模 塊2熱端，經過供給泵4加壓的朗肯循環工質流經蒸發器3,吸收溫差發電模塊2冷端的全 部廢熱，工質吸收熱量溫度上升相變為高溫高壓蒸汽，衝擊渦輪6運轉，渦輪6、供給泵4、發 電機7同軸5安裝，渦輪6運轉帶動供給泵4對工質進行加壓，渦輪6驅動發電機7產生電 能，渦輪6出口工質通過冷凝器8降溫，再又供給泵4加壓後輸送到蒸發器3中繼續新一輪 循環。機載冷源入口 10的工質吸收冷凝器8的熱量，由機載冷源出口 11排出。
[0034] 所述的溫差發電模塊2輸出電能電壓為U。
[0035] 所述的發電機7輸出電能。
[0036] 所述的有機朗肯循環可以採用R141b作為工質。
[0037] 本發明將溫度範圍較廣的溫差發電技術與運行溫度較低的朗肯循環相結合，溫差 發電模塊應用於高溫區，作為頂部循環，朗肯循環作為底部循環，頂部循環的冷端作為底部 循環的熱源，從而實現能源的充分利用，增加能源利用效率，提高系統整體熱電轉換效率。
[0038] 實施例：
[0039] 高超聲速飛行器設計工況：飛行高度20km，飛行馬赫數為5,氣動熱流密度10kW/ m2。選定朗肯循環的工質為R141b，冷凝溫度為80°C，蒸發溫度設定為200°C，過熱度10°C。 關鍵部件運行參數見表1，工質流量為3.05Xl(T 3kg/S時，輸出電功率為100W，系統熱電轉 換效率12. 57%。
[0040] 表1朗肯循環關鍵部件運行參數
[0041]
【權利要求】
1. 一種組合型熱電轉換裝置，包括蒙皮換熱器、溫差發電模塊、蒸發器、供給泵、渦輪、 發電機、冷凝器。 蒙皮換熱器從高溫壁面獲取熱量，將熱量傳遞給溫差發電模塊，溫差發電模塊貼合於 蒙皮換熱器與蒸發器之間，蒙皮換熱器作為溫差發電模塊的高溫端，蒸發器作為溫差發電 模塊的低溫端，溫差發電模塊輸出電能，渦輪、供給泵、發電機同軸安裝，蒸發器對工質進行 加熱，得到高溫高壓工質，工質衝擊渦輪運轉，渦輪運轉帶動發電機工作輸出電能，並且帶 動供給泵對降溫後工質進行加壓，渦輪排出工質通過冷凝器降溫與供給泵加壓，輸送到蒸 發器中繼續新一輪循環。
2. 根據權利要求1所述的一種組合型熱電轉換裝置，所述的蒙皮換熱器與溫差發電模 塊熱端表面接觸良好，保證溫差發電模塊的熱端吸收蒙皮換熱器的熱量。
3. 根據權利要求1所述的一種組合型熱電轉換裝置，所述的蒸發器與溫差發電模塊為 一體化設置。
4. 根據權利要求1所述的一種組合型熱電轉換裝置，所述的冷凝器的冷源為機載冷 源。
【文檔編號】H02N11/00GK104092409SQ201410341676
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月17日 優先權日:2014年7月17日
【發明者】張興娟, 石佳, 楊春信, 李芳勇 申請人:北京航空航天大學