一种组合型热电转换装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种适用于高超飞行器热防护及热利用的组合型热电转换装置，是一种采用温差热电转换与朗肯热电转换组合的气动热热利用装置。温差发电模块的热端先吸收飞行器蒙皮气动热，冷端将热量传递给朗肯热电转换系统的蒸发器，朗肯热电转换系统可采用R141b有机工质，利用飞行器机载冷源带走朗肯热电转换系统的冷凝器的热量。本发明充分利用了高超声速飞行器表面的气动热，一方面可降低飞行器表面温度、对飞行器起到一定的热防护作用；另一方面将温度范围较广的温差发电技术与运行温度较低的朗肯循环相结合，实现了能源的充分利用，增加了能源利用效率，提高了系统整体热电转换效率。
【专利说明】一种组合型热电转换装置
【技术领域】
[0001] 本发明是涉及一种组合型热电转换装置，属飞行器热控制【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 高超声速飞行器飞行马赫数高，飞行器表面会因气动加热效应产生高温[1]。关于 气动热热电转换技术未见报道，其它领域的热电转换技术可分为两大类：直接转换类和热 力循环类。直接转换类技术可以实现热能到电能的直接转换，主要有半导体温差发电技术
[2] 、碱金属热电转换技术[3_4]和磁流体发电技术[5];循环类热电转换技术通过热力循环先将 热能转换为机械能，再带动发电机进行发电，主要有朗肯循环 [6_7]、布雷顿循环[8]和斯特林 循环[9]。
[0003] 但每种热电转换技术均存在自身弊端：半导体温差发电技术发展较为成熟，但热 电转换效率较低（一般低于10%);碱金属热电技术中核心装置BASE材料的性能衰退严 重、稳定性差，应用尚不成熟；磁流体技术需要庞大的超导磁体，不适宜应用于飞行器；朗 肯循环技术比较成熟，但主要适用于温度较低的环境（300°C以下）；布雷顿循环与斯特林 循环系统部件较为复杂。
[0004] 参考文献
[0005] [1]张纯学，晗旭.可负担的远程精确打击高超声速导弹[J].飞航导 弹· 2006(12). 6
[0006] [2]D. M. Rowe, M. Sc. Thermoelectric Power Generation [J]. Electrical Enginee rs, 1978, V125(ll) :1113 - 1136
[0007] [3]张来福，李斌.碱金属热电转化器实用化的两个关键问题[J].能源技 术，2004, 6 (25)
[0008] [4]张来福，倪秋芽，童建中.碱金属热电转化器（AMTEC)的电极极化过程分 析.太阳能学报.第26卷第6期.2005. 12
[0009] [5]孔庆毅，李淑英，李晓明.浅析磁流体发电技术[J].东北电力技术.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]李海伟，石林锁，李亚奇.斯特林发动机的发展与应用.能源技术.Vol. 31 No. 42010. 8
【发明内容】
[0014] 本发明提出一种组合型热电转换装置，适用于飞行器特殊的应用环境，有效解决 了单一热电转换技术的弊端。装置回收飞行器飞行过程中的气动热能，将其转化为电能，在 降低飞行器表面温度、起到热防护作用的同时，为飞行器电源系统提供一部分电能。
[0015] 一种组合型热电转换装置，包括蒙皮换热器、温差发电模块、蒸发器、供给泵、涡 轮、发电机、冷凝器。
[0016] 蒙皮换热器从高温壁面获取热量，将热量传递给温差发电模块，温差发电模块贴 合于蒙皮换热器与蒸发器之间，蒙皮换热器作为温差发电模块的高温端，蒸发器作为温差 发电模块的低温端，温差发电模块输出电能，涡轮、供给泵、发电机同轴安装，蒸发器对工质 进行加热，得到高温高压工质，工质冲击涡轮运转，涡轮运转带动发电机工作输出电能，并 且带动供给泵对降温后工质进行加压，涡轮排出工质通过冷凝器降温与供给泵加压，输送 到蒸发器中继续新一轮循环。
[0017] 本发明的优点在于：
[0018] (1)本发明采用飞行器蒙皮换热器直接吸收飞行器表明的气动热，将气动热转换 为飞行器可利用的电能，缓解了飞行器外壁面的气动加热效应，降低外壁温度，对飞行器起 到一定的热防护作用；
[0019] (2)本发明中温差发电模块贴合于蒙皮换热器与蒸发器之间，自身发电并可产生 约l〇〇°C温降，降温后温度范围适合于朗肯循环的安全运行；
[0020] (3)本发明中温差发电模块的废热传递给有机朗肯循环作为热源，实现能源的充 分利用，提高系统整体热电转换效率。
[0021] 本发明与现有技术的区别在于：在国内外现有资料中，有涉及温差发电与有机朗 肯循环相结合的热电转换系统，但与本发明的区别是：（1)现有废热利用技术中的温差发 电冷端的热量散给预冷器，蒸发器的热量直接来源于废热；本发明中温差发电模块直接与 蒸发器相接触，蒸发器的热量来自于温差发电模块冷端的排热，气动热是间接传递到蒸发 器中的，二者应用条件不同；（2)因飞行器对系统尺寸安装要求苛刻，本发明结构紧凑，而 现有技术的联合系统用于内燃机排气余热回收，应用部件多、结构尺寸大；本发明中涡轮、 供给泵、发电机同轴安装，涡轮运行带动供给泵与发电机，有效精简系统，而现有技术中供 给泵需要单独动力源进行驱动；（3)本发明适用于飞行器特殊的应用环境，热源为飞行过 程中的气动加热，完成热能到电能转换的同时，对飞行器起到了热防护的作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1是本发明的组合型热电转换装置示意图；
[0023] 图2是本发明的蒸发器/发电模块一体化结构示意图。
[0024] 图中：
[0025] 1.蒙皮换热器 2.温差发电模块 3.蒸发器
[0026] 4.供给泵 5.轴 6.涡轮
[0027] 7.发电机 8.冷凝器 9.高温壁面
[0028] 10.机载冷源入口 11.机载冷源出口
【具体实施方式】
[0029] 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0030] 本发明是一种组合型热电转换装置，如图1所示，包括蒙皮换热器1、温差发电模 块2、蒸发器3、供给泵4、涡轮6、发电机7、冷凝器8。
[0031] 飞行器高超声速飞行过程中，严苛的气动热导致舱体壁面温度较高，通过蒙皮换 热器1从高温壁面9获取热量，并将该热量传递给温差发电模块2,蒙皮换热器1作为温差 发电模块2的高温端，温差发电模块2低温端的热量传输给蒸发器3,温差发电模块2贴合 于蒙皮换热器1与蒸发器3之间，蒸发器3与温差发电模块2为一体化设置，如图2所示，温 差发电模块2输出电能，蒸发器3对有机朗肯循环的工质进行加热，得到高温高压的工质， 工质冲击涡轮6运转，涡轮6、供给泵4、发电机7采用轴5进行同轴安装，涡轮6运转带动 供给泵4对工质进行加压，通过变频技术控制供给泵4的转速，涡轮6还带动发电机7工作 输出电能；涡轮6排出工质通过冷凝器8降温与供给泵4加压，输送到蒸发器3中继续新一 轮循环。
[0032] 结合图1说明本发明一种组合型热电转换装置的工作过程：
[0033] 通过蒙皮换热器1从高温壁面9获取热量，传递给贴合于换热器上的温差发电模 块2热端，经过供给泵4加压的朗肯循环工质流经蒸发器3,吸收温差发电模块2冷端的全 部废热，工质吸收热量温度上升相变为高温高压蒸汽，冲击涡轮6运转，涡轮6、供给泵4、发 电机7同轴5安装，涡轮6运转带动供给泵4对工质进行加压，涡轮6驱动发电机7产生电 能，涡轮6出口工质通过冷凝器8降温，再又供给泵4加压后输送到蒸发器3中继续新一轮 循环。机载冷源入口 10的工质吸收冷凝器8的热量，由机载冷源出口 11排出。
[0034] 所述的温差发电模块2输出电能电压为U。
[0035] 所述的发电机7输出电能。
[0036] 所述的有机朗肯循环可以采用R141b作为工质。
[0037] 本发明将温度范围较广的温差发电技术与运行温度较低的朗肯循环相结合，温差 发电模块应用于高温区，作为顶部循环，朗肯循环作为底部循环，顶部循环的冷端作为底部 循环的热源，从而实现能源的充分利用，增加能源利用效率，提高系统整体热电转换效率。
[0038] 实施例：
[0039] 高超声速飞行器设计工况：飞行高度20km，飞行马赫数为5,气动热流密度10kW/ m2。选定朗肯循环的工质为R141b，冷凝温度为80°C，蒸发温度设定为200°C，过热度10°C。 关键部件运行参数见表1，工质流量为3.05Xl(T 3kg/S时，输出电功率为100W，系统热电转 换效率12. 57%。
[0040] 表1朗肯循环关键部件运行参数
[0041]
【权利要求】
1. 一种组合型热电转换装置，包括蒙皮换热器、温差发电模块、蒸发器、供给泵、涡轮、 发电机、冷凝器。 蒙皮换热器从高温壁面获取热量，将热量传递给温差发电模块，温差发电模块贴合于 蒙皮换热器与蒸发器之间，蒙皮换热器作为温差发电模块的高温端，蒸发器作为温差发电 模块的低温端，温差发电模块输出电能，涡轮、供给泵、发电机同轴安装，蒸发器对工质进行 加热，得到高温高压工质，工质冲击涡轮运转，涡轮运转带动发电机工作输出电能，并且带 动供给泵对降温后工质进行加压，涡轮排出工质通过冷凝器降温与供给泵加压，输送到蒸 发器中继续新一轮循环。
2. 根据权利要求1所述的一种组合型热电转换装置，所述的蒙皮换热器与温差发电模 块热端表面接触良好，保证温差发电模块的热端吸收蒙皮换热器的热量。
3. 根据权利要求1所述的一种组合型热电转换装置，所述的蒸发器与温差发电模块为 一体化设置。
4. 根据权利要求1所述的一种组合型热电转换装置，所述的冷凝器的冷源为机载冷 源。
【文档编号】H02N11/00GK104092409SQ201410341676
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月17日 优先权日:2014年7月17日
【发明者】张兴娟, 石佳, 杨春信, 李芳勇 申请人:北京航空航天大学