文摘
为了解决余热回收的问题从能源消费,热能发电设备设计了形状记忆合金、压电材料有机地结合起来。形状记忆合金加热和连续变形驱动主动轮,和轮对压电悬臂梁变形的影响在驱动轮的转动发电。本文产生的冲击力影响轮和输出电压的压电悬臂梁在旋转过程中。最后,实验测试表明,驱动轮的半径越大,降低车轮的冲击力和压电悬臂梁的输出电压越低;形状记忆合金线的直径越大,越高冲击力的轮子和输出电压越高的压电悬臂梁;驱动轮的牙齿越多,影响压电悬臂梁的频率越高,输出电压越高。热电转换器的最大输出电压为14.2 V,当驱动轮半径为13毫米,形状记忆合金焊丝直径是1毫米和轮子的数量影响牙齿是6。新结构设计提供了一种新的结构模型为废热回收和热发电技术。新结构设计提供了一种新的方法和理念为废热回收和热发电技术。
1。介绍
所产生的废热能源消耗人们的日常生产和生活中排放的废热和热水,等。发射形式是复杂的,不能有效地大规模利用,不仅浪费大量的能量,但也污染了环境,也不符合当前社会发展低碳和环保的要求,节能、降耗,迫切需要改变。目前,人们对智能材料的研究更加深入,与压电1- - - - - -4],静电[5,6,电磁7- - - - - -9),形状记忆合金(10,11),和其他智能材料根据废热的吸收,和发电的研究广泛开展,形成各种各样的二次能源再利用技术和方法,呈现出蓬勃发展的局面。
目前,热力发电技术主要有温差发电(12- - - - - -14],热电发电[15- - - - - -17),热磁发电(18,19),和热弹性发电(11,20.),但他们都将受一些条件限制,不适合广泛应用于余热发电系统。前者可以将热能转化为应力-应变和拥有强大的机械能量转换的能力,而后者可以将应力-应变转换为电能,应用于无线网络,MEMS设备,自备的便携式设备。两种材料都容易获得,成本低,无污染。如果两个结合,它们可用于废热回收发电利用的优势对热能的一代。
本文结合了形状记忆合金线和压电材料的优点来设计一个新的结构基于现有热电转换材料。结构设计是将热能转化为机械能使用形状记忆合金,然后使用压电材料将机械能转换为电能。研究了热电转换装置的结构参数对输出电压的影响的压电振子,提供一个新的想法和小规模的废热回收的新方法和发电技术。
2。结构设计和发电机理论
2.1。结构设计
热电转换装置的原理图所示1,主要由形状记忆合金(Ni-Ti合金)、压电悬臂梁,驱动轮,轮和影响。当温度高于奥氏体相变,形状记忆合金线经历反向线马氏体相变,形状记忆合金线的长度收缩和变形弯曲矫直,形状记忆合金线产生转矩驱动轮,使驱动轮旋转,驱动轮旋转驱动形状记忆合金线位移,位移的形状记忆合金线将驱动轮连接旋转的影响。叶子形状记忆丝加热区域后,Ni-Ti线的长度,在马氏体状态,将会恢复,而马氏体在加热区域将继续转变成奥氏体,和Ni-Ti线将会收缩,使驱动轮和影响不断轮旋转。的旋转轮将影响压电悬臂梁的影响,导致压电悬臂梁变形并产生电能,在这个过程中完成热能转换成电能。
(一)热电装置的结构示意图
(b)热电装置的轴侧投影
2.2。发电机理论分析
传动部件的受力分析图如图2。形状记忆合金线是由接触驱动轮和影响轮通过一定的预加载,以及形状记忆合金线有一个初始预加载力 。形状记忆合金线弯曲在两个轮子上的包角的范围。当加热开始在低端驱动轮和达到相变温度点2,此时,形状记忆合金线开始整理由于形状记忆效应,导致形状记忆合金线之间的接触点和驱动轮边从2点到2 。形状记忆合金线收缩加热后,较低的一侧的形状记忆合金线的边缘,而力量的紧边分解和 , 在同一个方向吗 ,和垂直的方向吗 。从弯曲形状记忆合金开始伸直导致恶性转变的接触点,力生成一个转矩 ,导致整个设备驱动轮驱动旋转。同时,形状记忆合金线的初始预加载力增加来 ,和宽松的预加载力缩小来 。在这个时候,形状记忆合金线的有效张力 ,使形状记忆合金线旋转两个轮子一起有效张力的作用下,如图2(一个)。类似地,可以看出,当加热位置变化时,达到相变温度点的位置变化,如图2 (b)也,其旋转方向变化。
(一)
(b)
2.3。动力学分析
车轮在旋转动力学分析的影响进行了从能量吸收的角度和形状记忆合金线的释放。形状记忆合金之间的边界点的分析和接触点的两个轮子。
单位时间内应变能的形状记忆合金线在驱动轮2点
然后,应变能的形状记忆合金线驱动轮2点
在方程 的畸变能单位体积形状记忆合金线, 形状记忆合金线的体积是单位时间内移动,的弹性模量,形状记忆合金线加热时,驱动轮的半径,形状记忆合金线的直径,驱动轮的角速度。
在时间 ,获得的应变能的形状记忆合金线
在时间 ,两个轮子的动能变化如下:
由于两个轮子是由形状记忆合金线、连接 , 和是半径和驱动轮的角速度,然后呢和是驱动轮的半径和角速度和替换成(4)获得
在哪里驱动轮的转动惯量和吗轮子的转动惯量的影响。
根据能量守恒定律,形状记忆合金线的变形能转化为动能驱动轮和影响轮和两个车轮和轴承之间的摩擦损失,以及支撑轴承的轴承和轴之间的摩擦和热损失。忽略摩擦损失和散热,我们可以得到
方程两边除以
让 我们知道
为了计算冲击力的大小产生的影响牙齿在旋转,如图1(一),假设形状记忆合金线从2点到3点,影响轮使统一的变速曲线运动,根据力学计算公式:
可以引入切向角加速度
切向加速度
影响牙齿轮旋转过程中产生的影响
产生的电压双晶片悬臂梁压电振子在冲击力轮的影响(21]。 在这个公式
金属衬底的厚度,压电梁的高度,金属基体的弹性模量,压电陶瓷的弹性模量,压电材料的压电电压恒定,压电悬臂梁的长度,悬臂梁的宽度。
从上面的方程,轮有关的冲击力影响形状记忆合金线的直径和驱动轮的半径。材料是肯定时,输出电压的压电悬臂梁外加负载和大小有关。
3所示。仿真分析
冲击力是派生不同记忆合金钢丝直径在不同驱动轮半径通过绘制的MATLAB仿真驱动轮的半径- 17毫米,影响牙齿的长度5毫米,厚度3毫米,推导如图的曲线关系3。
从图可以看出3,当驱动轮的半径是13毫米,产生的最大冲击力影响牙齿达到0.1 N。随着驱动轮的半径增加,减少,产生的冲击力和形状记忆合金线的直径越大,产生的力就越大。
数据的冲击力影响轮对应于不同直径的形状记忆合金线和驱动轮的半径获得通过使用MATLAB仿真,并仿真分析模拟相应的输出电压大小的压电悬臂梁在输出端。所选双芯片压电悬臂梁的具体参数如表所示1和曲线绘制如图4。
4所示。实验研究
4.1。实验装置
热电发电实验主要由加热环形形状记忆合金线接触传动装置的驱动轮,使影响车轮不断旋转和压电悬臂梁。压电悬臂梁的电线连接,两端的线连接到示波器的探头,它显示生成的开路电压下的压电悬臂梁的影响影响牙齿。实验测试的原理图和实物图如图设置5。
(一)热电实验的原理图
(b)实验原型图
热电转换实验研究的冲击力影响轮牙与驱动轮的半径和形状记忆合金线的直径。冲击力的机械能驱动部分的压电悬臂梁能转化为电能的正压电效应,和传动部件的冲击力的振幅可以理解测试的电能输出压电悬臂梁。
4.2。驱动轮半径和输出电压之间的关系的压电悬臂梁
形状记忆合金的相变温度是60°C。形状记忆合金是用热风枪加热在80°C。不同驱动车轮的形状记忆合金焊丝直径1毫米的半径和13毫米,14毫米,15毫米,16毫米的输出电压来测试压电悬臂梁在输出端(在这个实验中,驱动轮之间的中心距和轮固定在150毫米的影响,冲击轮的直径60毫米,牙齿的数量是4,牙齿是3毫米的厚度,和室温20°c)。实验测试结果如图6。
从图可以看出6中心距的范围的两个轮子旋转时不同的驱动轮的半径是不同的。当驱动轮半径是13毫米,其中心距可以旋转时大于理论值,当驱动轮半径增加,两个轮子可以旋转的中心距小于理论值,所以驱动轮半径越大,输出电压越小的压电悬臂梁。
4.3。形状记忆合金线直径和输出电压之间的关系的压电悬臂梁
形状记忆合金线的不同直径的1毫米,0.8毫米,0.6毫米被热风枪加热测试输出电压在80°C的压电悬臂梁在输出端(在这个实验中,驱动轮之间的中心距和影响轮固定在150 mm,驱动轮的半径是13毫米,冲击轮的直径60毫米,牙齿的数量是4,齿厚3毫米,室温20°C)。实验测试结果如图7。
从图可以看出7热电转换装置的转换效率是不同的对于不同直径的形状记忆合金线。当形状记忆合金线的直径是1毫米,热电转换装置的转化率显著高于其他两个形状记忆合金线的直径和直径在一定范围内越大,输出电压越高的压电悬臂梁。
4.4。之间的关系影响轮的齿数和压电悬臂梁的输出电压
影响牙齿的数量主要影响压电悬臂梁的振动频率时,影响牙齿是用来不断影响压电悬臂梁。在实验中,形状记忆合金线的直径是1毫米,驱动轮的半径是13毫米,车轮是60毫米直径的影响,影响牙齿的长度是5毫米,影响牙齿的厚度是3毫米,和实验测试结果如图8。
从图8可以看出,当冲击轮的齿数较大,频率越高的轮胎击中压电悬臂梁的影响,输出电压越高的压电悬臂梁;牙齿的数量是6,压电悬臂梁的输出电压14.2 V。由于制造工艺和有限的车轮直径的影响,冲击轮的齿数本文将不会增加。
5。结论
在本文中,我们设计了一个装置,形状记忆合金、压电材料结合形成热发电并进行了理论分析和实验测试。是得出以下结论:(1)数据来源于理论模型通过仿真具体实验数据相匹配(2)在相同的驱动轮之间的中心距和影响轮,驱动轮的半径越大,输出电压越小的热电转换装置;不同直径的形状记忆合金线热电转化率也不同;在一定直径范围,大的直径压电悬臂梁输出电压较高;其他因素是相同的,牙齿轮的传动装置的影响,影响压电悬臂梁的频率越高,输出电压越高的热电转换装置。设备的输出电压就越高(3)形状记忆合金的结合和压电材料热电转换装置不仅在理论上可行,但也有一个非常有前途的应用程序。同时,它提供了一个新的想法和热电发电技术的一种新方法
数据可用性
数据请求作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是由中国国家自然科学基金资助(批准号51705031和51705031),资助项目吉林省科技发展计划(批准号20200201063 jc),和长春市科技局项目(批准号21 qc11)。实验视频的链接https://drive.google.com/file/d/1-4vPhj-e2YCIcXhuiMmeOxSrArFIFPy5/view?usp=drivesdk。