首先指出，这里的设计计算首先给出的是压缩机的排气量Q_d (V³/min)以及进排气压力p_s、p_d (MPa),根据文献1与文献2以及顾兆林,郁永章1996年发表于《压缩机技术》上的《涡旋压缩机基本参数选择及结构参数λ=h/Pt》一文，选取基本结构参数Pt、t和h，于是计算过程如下：

1、计算电动机指示功率P_i (Kw)

指示功率计算公式

公式参见文献[2]第62页，书中压力使用单位为“公斤/平方厘米”，故在此使用是需要乘以10.

2、确定电动机功率P_e (Kw)

考虑到泄漏、摩擦等因素的影响，压缩机的轴功率P_z为

P_z=1.12P_e

选取电动机功率应保证有5%～15%的储备功率，故电机功率为

P_e=(1.05～1.15)P_z

3、选取电动机转速n_w，转速范围为1000～4000r/min

4、确定压缩机排气容积V_d (m³/r)

V_d=Q_d/(i*nw)

式中i为完全相同的工作腔容积的组数，对于单涡旋齿，两涡旋盘组成2组完全相同的工作腔容积，i=2；对于双涡旋齿，i=4，对于齿数为Z的多涡旋齿，i=2Z。

5、确定压缩机吸气几何容积V_s (m³/r)

为简化计算，用理想气体模型，设循环为绝热过程，则:

pV^k=常数

式中k为被压缩工质或制冷剂的绝热指数，对于空气及双原子气体，k=1.4.于是吸气几何容积，于是压缩机吸气几何内容积为：

涡旋压缩机吸气几何容积公式

6、计算几何内容积比ε_v

ε_v=V_s/V_d

7、 初选选节距P_t(mm)和涡旋壁厚t (mm). t取值在2～6mm

8、计算渐开线发生角α (弧度rad)

α=pi*t/P_t

其中pi为圆周率（这里不方便输入一些特殊符号，故使用matlab的输入方式代替了）。

9、求涡旋中心渐开线最终展角Φ_e(弧度rad)及排气角θ_d(单位rad，注意意此处所说排气角θ_d为主轴旋转角度)

ε_v=(2*Φ_e-3pi)/[2(Φ_e-θ_d)-3pi]

涡旋中心渐开线最终展角Φe及排气角θd方程组1

涡旋中心渐开线最终展角Φe及排气角θd方程组2

联立以上三个方程即可解除最终展开角和排气角。而中间参数即为涡圈外壁被干涉终点的渐开线展角，应该需要用到计算工具来计算，张鹏是在Matlab里解决的此方程。依然记住pi为圆周率。http://www.zhangpeng.info/

10、求涡圈高度h (mm)

V_s*1000000=P_t(P_t/2-t)h(2Φ_e-3pi)

式中pi依然为圆周率，式中乘以1000000是因为公式当中用的Pt与t均应转换为m的单位计算，而本计算过程当中一直以mm为单位，故需要转换一下。

11、验算λ=h/P_t，是否处于合适的范围

如果超出范围，则返回步骤5重新选取节距P_t和涡旋壁厚t，重复计算直至在适宜范围内。根据文献的记载，λ值最好在1.5～2.5之间。

12、计算基圆半径R_b (mm)

R_b=P_t/2pi

pi依然表示圆周率

13、计算主轴回转半径R_or (mm)

R_or=(P_t-2t)/2

14、动涡旋盘的平衡设计(计算公式过于复杂，这里不便给出了，可以查阅文献)

15、防自转机构强度计算

16、无油润滑形式的选择及自润滑材料的选取

参考文献资料：

1、刘振国.涡旋式流体机械与涡旋压缩机[M].机械工业出版社. 2009

2、编写组.活塞式压缩机设计[M].机械工业出版社. 1974

3、顾兆林,郁永章.涡旋压缩机设计计算研究[J].流体机械. 1996.2

4、顾兆林.涡旋压缩机设计研究[J].低温工程. 1996.1

在翻阅以上参考资料之时，请自行鉴别公式的错误之处，根据《涡旋式流体机械与涡旋压缩机》一书后面所附的设计计算过程，电机功率的计算会存在问题，而其参数的选取亦有可商榷之处。而文献3、4所记载公式应该一样，可能存在排版印刷上的纰漏。

作者：张鹏；曾狄根；黄学章（中南大学能源科学与工程学院，湖南长沙，410083）

【摘要】为研究半导体温差发电在工业余热利用中的可行性，设计了半导体温差发电测试实验装置，利用该实验装置测试了半导体温差发电器的输出特性、分析出了影响其输出特性的因素、计算了温差发电成本。实验结果表明，半导体温差发电用于工业余热利用是可行的，其发电1.89年其发电成本就相当于目前工业用电成本。

【关键词】温差发电；输出特性；余热利用

【中图分类号】 TM911 【文献标识码】A

1 引言

随着世界经济快速发展，人类对能源的需求量迅速增加。有资料显示：已探明常规能源石油、天然气和煤炭的保证年限分别是45年、52年和209年^[1]。因而，人们迫切需要寻找新型绿色的能源取代传统化石燃料。我国能源的利用率很低，只有33%左右，单位产值能耗比美国、欧盟、日本、印度分别高2.5倍、4.9倍、8.7倍和0.43倍^[2]。这就更要求我们积极寻找节能新办法。

半导体热电发电利用半导体热电材料制成，以其体积小、重量轻、无运动部件、寿命长、移动方便、可靠性高以及无污染等诸多优点，在军事、医疗、科研、通讯、航海、动力及工业生产的各个实践领域得到了广泛应用^[3]。而半导体热电发电技术在工业余热利用方面的应用尚不成熟，大规模应用仍需要进一步研究。

目前，国内相关研究多集中在温差材料方面^[4]，少见对温差发电应用的研究，本实验另辟蹊径，对其在工业余热利用中的可行性进行了一定的探讨。

2 理论分析

温差发电器是一种基于塞贝克效应，直接将热能转化为电能的热电转换器件。1982年，德国物理学家塞贝克发现了温差电流现象，即两种不同金属构成的回路中，若两种金属结点温度不同，该回路中就会产生一个温差电动势。这就是塞贝克效应^[5]。

半导体温差发电片的原理如图1，它由P、N 两种类型不同的半导体温差电材料经电导率较高的导流片串联并将导流片固定于陶瓷片上而成。在器件的两端建立一个温差, 使器件高温端保持T_h，低温端保持T_c，根据塞贝克效应，将产生一个电压，若在回路中接入负载电阻，则将有电流流过。

塞贝克效应电势差大小可用表示为^[6]：

塞贝克效应电势差

（1）

式中，S_h与S_c分别为两种材料的塞贝克系数。

如果S_h与S_c不随温度的变化而变化，式（1）即可表示为：

简化塞贝克效应电势差

（2）

温差发电原理图

图1 温差发电原理图

Fig. 1 Principle of thermoelectricity generation

为方便输出功率的计算，可以对实验对象做以下假设：①稳态，输出电流为稳恒电流；②半导体温差发电片侧面绝热；③冷热端之间的空气对流和辐射影响可以忽略；④半导体温差发电片内部导热系数不变。解得输出功率为：

半导体温差发电输出功率

（3）

式中，R为器件的总电阻；τ为汤姆逊系数；等号右端第1项为帕尔帖热，第2 项为汤姆逊热，第3项为焦耳热^[7]。

功率匹配条件为：R_L = R，得最大输出功率：

温差发电最大输出功率

（4）

3 实验研究

3.1改变温差条件下发电模块特性

利用图2所示的温差发电片性能测试装置进行实验，实验采用TEC1-12706作温差发电片，其输出功率情况如表1和图3所示。

温差发电性能测试装置图

图 2温差发电性能测试装置图

Fig. 2 Experiment platform

表1 温差发电性能测试实验中的输出功率情况

图3 变热端温度输出功率曲线图

Fig. 3 Relation between output power P and temperature differenceΔt

通过图3可以看出，输出功率随温差的增加而增加，当温差达到最大时输出功率也将达到最大值。而温差越大，输出功率随温差增加而增加的趋势也会变得更加明显，可以从曲线中看出在温差较大时曲线斜率比温差较小时的曲线斜率大。

因而，在利用温差发电时适当的提高冷热端的温差有利于提高输出功率。www.zhangpeng.info

3.2变负载条件下发电模块特性

变负载条件下实验中得到输出功率情况如表2和图4所示。

表2变负载条件下输出功率情况

图4 变负载条件下输出功率曲线图

Fig. 4 　Relation between output power P and resistance R

通过图4可以看出，在相同的冷热端温差条件下，负载逐渐增加，输出功率先增加后减小。这是由于输出功率与输出电压及电流均有关系，只有在负载达到匹配条件即负载等于温差发电片内阻的时候，输出功率才能达到最大值，可由式（5）表示：

输出功率

（5）

式中，R_L为负载电阻，r为温差发电片内阻，U为热电势。

通过式（3）可知，U在温差不变的条件下也是一个定值，故当最小时，输出功率将达到最大值。根据不等式，当R_L = R时，输出功率会达到最大值，且最大值为：

匹配最大输出功率

（6）

因此想要获得最大输出功率，需要选择最佳负载。由图可以看出，当负载在4 Ω附近时对应的输出功率达到最大值。

]]> http://www.zhangpeng.info/2010/analysis-for-the-feasibility-of-semiconductor-thermoelectric-generator-used-in-industrial-surplus-heat-recovery/feed/ 14 http://www.zhangpeng.info/2009/c-program-calculation-fuel/ http://www.zhangpeng.info/2009/c-program-calculation-fuel/#comments Mon, 06 Apr 2009 12:16:54 +0000 张鹏 http://zhangpeng.info/2009/%e7%87%83%e6%96%99%e5%8f%8a%e7%87%83%e7%83%a7%e8%ae%a1%e7%ae%97%e7%9a%84c%e8%af%ad%e8%a8%80%e7%a8%8b%e5%ba%8f%e5%ae%9e%e7%8e%b0.html 上学期学习了燃料及燃烧这门课程,期末作业有一个燃料及燃烧计算的程序,要求是把书本上所有在燃烧与燃烧设备中涉及到的计算用C语言程序实现,省去人工计算的麻烦.

于是张鹏便制作了这个燃料及燃烧的C语言计算程序.

由于C语言是在大二第一学期所学,离程序开发的日期将近一年,开发组员中大部分对C语言已经基本忘掉.加上时间短,任务紧,程序中产生了不少冗余部分,不过还是可以使用的.

下面把程序的基本任务说明一下:www.zhangpeng.info

程序开发目的:

在工程燃烧学的研究当中,常常涉及到大量的计算,传统的人工计算不仅浪费大量的时间成本,同时容易导致计算结果的不准确,这就对工程燃烧学的计算程序提出了要求,考虑到组员学习过C语言,因此我们开发了一个工程燃烧学计算的简单C语言程序用于燃烧计算.

程序开发旨在减少燃烧学计算中的人工成本,提高运算精度,为工程燃烧学的研究提供可靠的数据.

程序内容:

程序涉及燃烧学计算的十项主要内容,具体如下:

1.燃烧成份换算

2.燃烧发热量的计算

3.燃烧的空气需要量计算

4.固体燃料燃烧产物生成量计算

5.气体燃料燃烧产物生成量计算

6.完全燃烧的产物密度计算

7.燃料的空气消耗系数检测

8.不完全燃烧的检测计算

9.不完全燃烧的热损失计算

10.理论燃烧温度计算

燃烧计算C语言程序下载地址:http://docs.google.com/Doc?id=dhhmxwkj_28zwd666d5