节能设计说明2备份3.docx
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节能设计说明2备份3
斯太尔摩冷却段热电器件的设计
姓名：
柳洪魁
学号：
1162126304
班级：
热动11-3班
1.1热点器件冷却段计算
这次设计采纳斯太尔摩操纵冷却法，其工艺布置图如1-1。
1.1.1选定钢种及产量
更具本次设计，选用80号高碳钢，产量初步定为350t/h.
1.1.2确信冷却速度及运输速度
由参考文献，得80号高碳钢的CCT曲线如下：
【】【
【】【】[]
[]
[]【】[
】【】
热轧线材产品从高温状态冷却到低温状态即室温，其冷却方式将对产品的质量有着重要的阻碍，标准斯太尔莫冷却法适用于高碳钢材料，缓慢型斯太尔莫冷却适合于低碳及低合金线材。
由于缓冷型冷却需要附加加热设备，投资大，能耗高，而被延迟型冷却所替代。
延迟型冷却适应性广。
工艺灵活，投资适中，因此取得普遍应用。
依照刚种的特点，选择标准型斯太尔莫冷却法，标准斯太尔莫冷却的运输速度为0.25-1.3m/s,冷却速度为4—10℃/s.依照刚的CCT曲线确信斯太尔莫冷却曲线如下：
==
==
因为选择标准型斯太尔莫冷却运输速度为0.25-1.3m/s,冷却速度为4—10℃/s，吐丝温度，是操纵相变开始温度的关键参数。
关于斯太尔莫冷却法来讲，需要依照钢种和用途依情形而定，一样情形下咱们会把吐丝温度操纵在760—900℃范围内，依照文献定为选择800摄氏度。
依照CCT曲线上斜率转变，在4—10℃当选择适合的冷却速度，确信冷却辊道的运行速度为0.9m/s，而在800—400℃时由CCT曲线得出此段斜率为一个取值为4℃/s。
由此从800℃—400℃所需冷却时刻为（800-400）/4=100s，那么此段距离为0.9×100=90m.股后半段长度为150-90=60m，从而后半段走过的所需时刻为60/0.9=66s,
故后半段的冷却速度为（400-40）/66=5.4℃/s。
1.1.3确信辊道分段和换热器长度
由于CCT曲线所决定的冷却曲线已经分为两段为800-600℃，600-40℃，但考虑到线材在600-25℃段位的传热方式不同，直接阻碍到计算和布置的方式不同，因此将600-40℃分为600-100℃和100-40℃两段，现在，辊道分段如以下图所示：
换热器的形式要紧有冷却段辊道的长宽确信，而冷却辊道长宽，由冷却时刻和冷却运行速度确信。
由斯太尔莫的冷却工艺曲线得冷却时刻为166s，冷却运输速度前后端别离为0.9m/s和0.91m/s.
考虑到实际生产情形，将冷却辊道设为150m.冷却辊道的宽度由体会可得，现在，设b=2m.
又热点换热器的长度即为冷却辊道的长度，现在热电换热器的长度为L=150m。
1.1.4确信换热量
该线材质量的散热量为一个小时的350t线材释放出来的散热量。
依照公式
Q=cmΔt（1-1）
注：
m为线材质量kg
Δt为线材通过斯太尔莫冷却辊道后的温差
依照有关资料可得高碳钢比热容-温度曲线。
==
=
=
=
=
=
线材质量有产量决定，c为线材的比热容，但实际生产中线材的比热容会随着温度的转变而转变。
表1.1高碳钢的比热容
温度
℃
40
100
200
300
400
500
600
700
750
800
比热容
J/kg.k
470
500
520
550
600
640
740
890
1060
660
由于该钢种的比热容随温度转变的幅度不同，故将温度分为假设干组在进行计算
第一组40-100℃第二组100-200℃第三组200-300℃
第四组300-400℃第五组400-500℃第六组500-600℃
第七组600-700℃第八组700-750℃第九组750-800℃
第一组
Q1=
×m×Δt=350×103×
×（100-40）
=1.0185×1010J
第二组
Q2=
×m×Δt=350×103×
×（200-100）
=1.785×1010J
第三组
Q3=
×m×Δt=350×103×
×（300-200）
=1.8725×1010J
第四组
Q4=
×m×Δt=350×103×
×（400-300）
=2.0125×1010J
第五组
Q5=
×m×Δt=350×103×
×（500-400）
=2.17×1010J
第六组
Q6=
×m×Δt=350×103×
×（600-500）
=2.415×1010J
第七组
Q7=
×m×Δt=350×103×
×（700-600）
=2.8525×1010J
第八组
Q8=
×m×Δt=350×103×
×（750-700）
=1.70625×1010J
第九组
Q9=
×m×Δt=350×103×
×（800-750）
=1.505×1010J
总产量：
Q总=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7+Q8+Q9（1-2）
Q总=（1.0185+1.785+1.8725+2.0125+2.17
+2.415+2.8525+1.70625+1.505）×1010
=17.33725×1010J=1.733725×108KJ
该散热量为350t/h的80号高碳钢产量的散热总量
斯太尔莫冷却辊道上的线材要紧以辐射为主，辐射到热电器件下，进行回收利用。
1.1.5辐射热量
依照前述的分段原理，将辐射到保温材料的温度分段，
第一段800-750℃；750-700℃；700-600℃；600-500℃；
500-400℃；400-300℃；300-200℃；
最后两段200-100℃；100-40℃；
每50℃在4℃/s的速度下走过的时刻是12.5s.
第一段800-750℃
辐射热量:
ϕ=AC0ε（
）41-3
=（T1+T2）/21-4
ε=0.97
由1-3得
ϕ1=1492.2KW
第二段750-700℃；ϕ=AC0ε（
）4
=1227.6KW
第三段700-600℃；ϕ=1796.3KW
第四段600-500℃；
ϕ=AC0ε（
）4
=0.9×100/4×2×5.67×[（600+500+273+273）/200]4×0.97
=1135.4KW
第五段500-400℃；
ϕ=AC0ε（
）4
=0.9×25×2×5.67×[（500+400+273+273）/200]4×0.97
=676.3KW
第六段400-300℃；
ϕ=AC0ε（
）4
=0.9×（100/5.4）×2×5.67×[（300+400+273+273）/200]4×0.97
=279.2KW
第七段300-200℃；
ϕ=AC0ε（
）4
=0.9×18.52×2×5.67×[（300+200+273+273）/200]4×0.97
=138.7KW
第八段200-100℃；
ϕ=AC0ε（
）4
=0.9×18.52×2×5.67×[（100+200+273+273）/200]4×0.97
=59.4KW
第九段100-40℃；
ϕ=AC0ε（
）4
=25.7KW
总辐射量ϕ总=∑ϕ1-5
∑ϕ=1492.2+1227.6+1796.3+1135.4+676.3+279.2+138.7+59.4+25.7
=6817.8KW
1.1.6保温层厚度
由于利用的热电材料为中低温材料，要保证材料温度在300-400℃以下，因此需要加装保温层。
第一段所需保温层厚度
由ϕ=A×Δt×R,R=
2-6
得δ1=
δ1=
=3.8×10-3m2-7
第二段厚度
得δ2=
δ2=
=3.45×10-3m
第三段厚度
得δ3=
δ3=
=5.99×10-3m
第四段厚度
δ4=
=5.05×10-3m
第五段厚度
δ5=
=4.51×10-3m
第六段厚度
δ6=
=2.49×10-3m
第七段以后，因辐射能量已经不知足提供250℃，热电材料在该段可回收的温差本就低，功率也随之降低，回收的热能少，故不设保温材料。
1.2.1热点材料的选择
工业生产的进程必然伴随着大量余热的产生，在重工业行业上尤其突出。
而热电材料是利用温差，能够将热能转换为电能。
而电能作为一种比较干净的能源，关于环保来讲是一件好事，而且电能的转化比率比较高。
咱们能够从热电材料的发电机理中不难看出，热电特点存在干净,静音，无害，高效，保质期长，牢固，平安靠得住等一系列优势。
下面简单介绍热电器件的发电原理：
赛贝克效应：
由两种不同的导体a和b串联组成回路，让两个端头维持在不同温度下，那么在导体的开路地址会有一个点位差。
帕尔帖效应：
当有电流通过不同的导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，在不同导体的接头处随着电流方向的不同会别离显现吸热、放热现象。
汤姆逊效应：
金属中温度不均匀时，温度高处的自由电子比温度低处的自由电子动能大。
像气体一样，当温度不均匀时会产生热扩散，因此自由电子从温度高端向温度低端扩散，在低温端堆积起来，从而在导体内形成电场，在金属棒两头便引成一个电势差。
这种自由电子的扩散作用一直进行到电场力对电子的作用与电子的热扩散平稳为止。
由于本次设计的要紧目的是余热回收，据查得的资料明白大功率温差发电技术能够用于余热，废热回收和发电，且热电装置的结构简单，紧凑。
表1-2部份具有代表性的大功率温差发电装置
编号
部分制造商
功率/w
效率
/％
热端允许温度/℃
热电材料
价格
＄/W
1
BMW,GM
800
6
500
Co-Sb
13
2
Plante，Showa
21.6
6.2
280
n：
Ce-Co-Sb
P:
La-Fe-Sb
－
3
Themonamic
500
4.8
250
BiTe
≦2
4
KELK
200
7.2
280
BiTe
－
5
komatsu
500
10-
11
700
N:
Co-Sb
P:
Mn-Si
－
6
GM,Hi-z
1000
4.5
250
BiTe
11
表1-3部份厂商常常产值的热电器件的短路电流开路电压级最大输出功率
热端实测温度℃
冷端实测温度℃
实测温差
℃
开路电压
V（V）
短路电流I（A）
IV（W）
最大使用功率（W）
196
62.1
133.9
8.66
3.35
29.0
7.3
300
87.3
212.7
15.81
5.22
82.5
20.7
361
102.5
258.5
19.08
5.74
109.5
27.3
由所查得的文献可知，本材料的最高功率元件为800W,但单位功率资金为13＄/W。
可是由于实际情形，若是采纳13＄/W高功率800W元件。
那么热电材料的本钱将在6448万，明显不适合实际的铺装。
咱们能够看出实际情形不是采纳一个热电器件，而是采纳几个热电器件进行串联，以达到成效。
在本文中，依照有关资料采纳比较中段一点的。
初步选定用于400W级温差发电装置。
图1-8热电器件布置排演图
用热压烧结法制作的高性能P型Bi0.5Sb1.5Te3和n型Bi2Te3热电快为原料，热电优值系数为1.4-1.5
400W级温差发电装置是把12个32.6W的可拓展单元安装在一个中空导板上，组成额定功率为391.2W的低温发电装置，外观尺寸可能为220×220㎜2。
由于每一个32.6W可拓展单元都具有上下左右4组正负接线柱，因此能够依如实际需要连接自己需要的装置组成。
1.2.2确信平铺面积及热电材料数量
由于选取400W的热电模块，面积为S1=0.22×0.22m2
考虑到800-300℃就设有保温层，热电模块选择全铺在冷却辊道上，但利用率的不同仍是专门大，专门是200-25℃段利用率相关于其他段较低
平铺面积为：
S=l×d1-8
=300m2
平铺热电材料的数量
n=
1-9
=6200
最大功率Wmax=400W
平均功率：
W平=
1-10
=282.9W
实际发电率：
η=
1-11
且P=282.9×2500÷1000=707.25KW
发电效率η=
=10.37％
1.3校核是不是知足冷却工艺要求
图1-9热电装置串联图
实际应用的热电器件一样由多对性能相同的热电偶串联而成，假设热电偶对数为N时，可得输入热电器件高温端的热量为：
Qh=N[（aN+aP）ThI-
I2（RN+RP）+（kN+kP）（Th-Tc）]1-12
从器件低温端散出的热量
Qc=N[（aN+aP）TcI-
I2（RN+RP）+（kN+kP）（Th-Tc）]1-13
最大输出功率：
=
1-14
效率：
η=
1-15
考虑到实际情形，输入到热电器件高温端的热量近似取为辐射到保温材料上的热量，透过保温材料的热流不变。
Qh=QF=Qϕ1-16
理论最大转换效率
η=
1-17
Th=250+273K
且Tc=25+273k
2T=1.4
代入：
η=13.3％>10.37％
1.3.1
空气对流散热：
半导体热电器件在多数情形下采纳对流散热方式的散热器作为冷却系统。
而对流散热的空气散热器所利用的散热方式包括利用自然对流散热和强迫空气对流散热两种冷却途径。
在自认对流散热条件下，数值上的换热系数，一样都在一个比较小的范围内，只是
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