中高温余热回收半导体温差发电热系统设计的研究

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1、，，JNanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofEnergyandPowerResearchonThermalSystemsofSemiconductorThermoelectricGeneratorinMiddle-HighTemperatureWasteHeatRecovery-AThesisinThermalPhysicsEngineeringbyZhongkaiBaiAdvisedbyVice—Prof．DongHartSubmitted

2、inPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofPhilosophyDecember,2009J●一承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学

3、位论文在解密后适用本承诺书)作者签名：刍生量：2：叁．日期：型!!：刍：叩．J■一，■南京航空航天大学硕士学位论文摘要工业生产中存在大量的中高温余热，尤其在冶金行业中节能潜力巨大。温差发电技术是利用热电转换材料直接将热能转化为电能，和其它的能量转换方式相比，具有清洁、无噪音污染、无有害物质排放、高效、寿命长、坚固、可靠性高、稳定等一系列优点。在许多特殊场合下，常规余热回收方式无法实现，但利用半导体温差发电则可以实现余热的回收利用，因此将温差发电技术应用于工业中高温余热回收，具有极其重要意义。本文根据中高温余热的特点，设计了一种自供电的强制风冷的

4、半导体温差发电模块，主要针对钢厂转炉壁面的中高温余热进行回收，是对温差发电技术应用于工业余热回收的初步探索，论文主要完成了如下基本工作：1．对国内外半导体温差发电系统的研究及应用现状进行了分析，特别对不同温差发电热系统的结构进行了系统的分析、归类和比较，明确了各种结构的优劣。2．根据转炉可以移动及转动的特点。设计了采用强制风冷式的冷却结构，并且每个发电模块采用独立的冷却系统，安装、维修简单，单个模块的破坏不影响整个系统的正常工作。3．对温差发电模块进行热系统分析及优化设计，通过数值模拟对温差发电模块的温度场、速度场进行分析，针对不同的散热器形式

5、，不同的风扇排布形式、不同的热沉高度以及不同的风扇压力，提出方案；此外研究中温差发电材料采用随温度变化的导热系数，空气入口边界采用压力风扇入口条件，使数值模拟更为准确，为采用强制对流冷却形式的温差发电器的研究奠定了理论基础。4．通过对温差发电模块的实验研究，确定了温差发电元件的导热系数随温度变化的规律；验证了温差发电模块采用强制空气对流的冷却方式具有更大的优势；此外测量了风扇排布形式对温差发电模块温度及开路电压的影响，验证了数值模拟的可靠性；最后分析单风扇与双风扇冷却效果下输出功率的特点，总结了负载电阻与输出功率的关系，为半导体温差发电器在回收

6、中高温热能方面提供了许多具有实用价值的可行方法。关键词：余热回收，温差发电，数值模拟，塞贝克效应，强制对流中高温余热回收半导体温差发电热系统设计研究AbstractThereal'ealotofmiddle-hightemperaturewasteheatinindustrialproduction,especiallyinthemetallurgicalindustry,whichhasgreatpotentialinenergysaving．Thermoelectricgeneratortechnologyistheuseofthermoe

7、lectricconversionmaterialsdirectlytotheheatintoelectricity．Comparetotheotherenergyconversion,itiscleaner,nonoise，nopollution,noemissionsofharmfulsubs伽ces，e伍c‘e11t，1。ng11fe，s。11也reliable，鼬1e·hmanyspecialc舔es’c伽ve施∞a1∞cove巧_modeisnotrealizable，butsemiconductorthermoelectriccan

8、cometure．Therefore，it’Sveryimportantinmiddle-hightemperaturewasteheatrecove