高效率废热回收热电热水器

论文摘要

在21世纪,随着能源需求的增加与储量的减少,我国的能源形势不容乐观。同时,我们目前主要利用的一次能源,不仅储量越来越少,同时对环境造成了极为恶劣的破坏,严重影响了人类的健康生活。作为新型补充能源的太阳能、风能和热核能,受到成本费用、地域、气候、技术等方面的限制,暂时无法满足需求。这样,更有效的利用好一次能源很有必要。热电热水器由于其高的制热效率,对节约能源很有帮助。前人设计热电热水器时,仅根据实验现象定性解释了不同工况下制热效率变化的原因,忽略了与热电热水器制热效率关系密切的接触效应与散热片性能,这对于完善热电热水器设计理论是不够的。本论文重点研究从淋浴废水中回收废热。在前人实验的基础上,通过实验和数值计算,结合有限元仿真,讨论了散热片结构、换热片结构、接触温差、输入电流、成本等因素对制热效率的影响。为在不同工况下设计热电热水器提供了理论依据。本论文的主要内容如下:本论文以理论与实验相结合的方式讨论了接触效应、散热片结构、换热装置、水温、输入电流等因素对总制热效率的影响。根据理论计算,发现在大温差、大输入电流的情况下,引入直接换热可以提高总制热效率。然后通过在不同工况下热电热水器制热性能的测试,对计算结果进行了验证。通过对不同输入功率情况下制热效率的分析,发现高的制热效率需要以高的成本为代价。为了提高散热片与换热片性能,以提高热电热水器总制热效率和换热片利用率,使用了ANSYS的流固耦合功能,对散热片与换热片进行了优化仿真。本论文结合实验、仿真、数值计算,对热电热水器的制热性能进行了深入的探讨,为其实用化提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 目前热水器市场形势
• 1.2.2 散热器及换热器现状
• 1.2.3 散热器及换热器设计研究现状
• 1.2.4 热电材料发展现状
• 1.3 研究方法概述
• 1.4 本论文的工作
• 第二章 基本理论与仿真软件简介
• 2.1 热电效应基本理论
• 2.1.1 塞贝克效应
• 2.1.2 珀尔帖效应
• 2.1.3 焦耳效应
• 2.1.4 傅里叶效应
• 2.1.5 热电材料的性能参数——优质系数ZT
• 2.1.6 热泵制热原理
• 2.2 热传递基本理论
• 2.3 流体力学与传热学基本理论
• 2.3.1 雷诺数
• 2.3.2 速度边界层
• 2.3.3 热边界层
• 2.3.4 压强损失
• 2.4 仿真软件ANSYS 简介
• 第三章 理论分析与计算机仿真
• 3.1 影响热电热水器效率的各个因素
• 3.2 散热片有限元仿真
• 3.2.1 矩形翅片散热片
• 3.2.2 对材料导热性影响的的仿真
• 3.2.3 流量对散热片性能的影响
• 3.2.4 矩形翅片散热器的改进
• 3.3 换热片有限元仿真
• 3.3.1 顺流逆流对换热的影响
• 3.3.2 长度对换热的影响
• 3.3.3 流量对换热的影响
• 3.3.4 流体温度对换热的影响
• 3.4 热电偶结构尺寸优化
• 第四章 实验与数据分析
• 4.1 实验设计
• 4.2 实验准备工作
• 4.2.1 可变直流电源
• 4.2.2 热水器的加工装配
• 4.2.3 测量仪器
• 4.3 实验测量
• 4.4 实验数据处理
• 4.4.1 热电模块加热段数据处理
• 4.4.2 初始温度数据处理
• 4.4.3 实际工况的延伸推导
• 4.4.4 加入直接换热段的影响
• 第五章 前景展望
• 5.1 接触热阻
• 5.2 智能控制系统
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果