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南昌航空大学科技创新训练油烟机的自动发电装置及其自动控制系统研究
油烟机的自动发电装置及其自动控制研究
学生姓名:
班级:
100319
指导老师:
摘要:
温差发电是一种新型的发电方式,具有清洁、无噪音污染和有害物质排放、高效、寿命长、坚固、可靠性高、稳定等一系列优点,符合绿色环保要求,对国民经济的可持续发展具有重要的战略意义。
本课题通过实验模拟研究了热电偶的热电效应,借助生活中厨具产生的油烟高温同冷水低温分别作为热电偶的热端和冷端,从而得到一定的电压,使得热能转化为电能,并以此电能驱动抽油烟机运转,从而达到节能环保的目的。
同时利用热电偶的测温原理,实现对油烟机的自动控制,方便了人们的生活。
为了减少油烟气对人体产生的危害,必须要对其进行治理,而治理的前提是对油烟气的有效控制和捕集。
目前,室内厨房油烟气的捕集主要是由排风罩实现的,因此本文拟定采用计算机仿真计算,模拟不同倾角的排风罩的三维流场,通过分析比较不同角度的网罩所形成的流场,从而找出最佳的倾角值来对排风罩进行结构设计和优化。
关键词:
温差发电、吸油烟机、排风罩、结构设计
主要创新点:
1.巧妙地将热电偶应用于抽油烟机上,通过日常生活中炒菜时所产生的热能转化为电能,从而驱动抽油烟机的运转,实现了对温差发电的应用。
2.对排风罩进行结构分析和优化,实现了对油烟气的有效控制和捕集,从而减少了油烟气对人体产生的危害,提高了抽油烟机的工作效率。
目录
第1章引言......................................................3
第2章油烟机自发电装置的总体方案................................4
2.1介质导管和高低温差面的制作.................................5
2.2抽烟烟机温差发电模块的测试选用与装配.......................6
2.3发电模块组件的连接.........................................6
2.4实现抽油烟机的自动发电装置.................................7
2.5油烟机的自动控制系统.......................................7
第3章机械部分的设计............................................9
3.1抽油烟机的结构.............................................9
3.2 抽油烟机的工作原理........................................10
3.3 排风罩的结构分析及优化....................................10
3.3.1烟气的扩散规律........................................11
3.3.2模型的建立............................................12
3.3.3实验数据分析及结论....................................13
3.4 抽油烟机外形尺寸图........................................14
3.5抽油烟机安装结构图........................................14
第4章结论.....................................................15
第5章参考文献.................................................16
第1章引言
根据国际能源署(IEA)的数据,中国在2009年超过美国成为世界上最大
的能源消费国。
随着我国城镇化进程的不断推进,能源需求持续增长,能源供需矛盾也越来越突出,能源的可持续利用成了迫在眉睫的问题,节能减排是能源可持续发展的必由之路。
热能作为一种可再生的新型能源,其重要性可同太阳能相提并论。
十八世纪初,人们在利用电磁能的大量科学实验中发现某些金属材料有热电效应。
其中最著名的是塞贝克发现的温差电流现象和帕尔帖发现的温度反常现象。
塞贝克效应发现之后,人们就为它找到了应用场所。
利用塞贝克效应,可制成温差电偶(thermocouple,即热电偶)来测量温度。
当前,热电转换已趋成熟,有专家指出,冷热端温差达到60度时,每片可发电10-15W,热力发电有极广阔的应用前景。
但由于一直以来热电偶的转换效率比较低,所以一直没有得到广泛的应用,但相对于“高贵”的太阳能而言,热能的应用前景还是相对广泛,我们此次研究的课题,即是将热电偶应用于生活中最常用的抽油烟机,希望可以把热电转换带到寻常百姓家,以此方便人们的生活。
第2章油烟机自发电装置的总体方案
温差发电是一种将温差能(热能)转化成电能的固体状态能量转化方式。
发电装置无化学反应和机械运动,无噪声、无污染、无磨损、寿命长。
它的核心部件是半导体温差电偶模块(因多用于制冷,亦称半导体致冷片,电子元器件市场大多有售)。
将它的两根引出线连接到万用表的电压或电流挡,用体温传导到它的一个面,使其两面形成温差,指针就会偏转,实实在在的温差发电就展现在你的面前。
但是,目前半导体温差电偶模块热电转化效率低,近年有研究表明最高不到5%,这是半导体温差发电实用化的最大障碍。
制作抽烟烟机温差发电装置的第一件事是选择温差源,考虑到抽烟烟机在家庭生活中所处的位置,我们选择蜂窝煤热水炉的进出水为温差源,因为炉火昼夜不熄,炉灶热水与进水(自来水)的温差大,夏季摄氏60多度,冬季可达摄氏90多度,且比较稳定。
同时利用自来水的压力解决了能量无耗输送的难题,只要家庭成员洗菜、洗碗、洗手、洗脸、洗澡等一用热水,就能获得理想的温差。
下图是油烟机温差发电的模拟图。
图1油烟机温差发电模拟图
特别需要强调的是,抽烟烟机温差电偶模块是良好的导热体,如果两面没有高低温两种能量的输送,温差就不能维持,保温做得再好,模块两面的温度接近也是枉然。
这是许多失败案例的根本原因。
本发电装置用的是“过路水”,能耗视同为零,同时对热水的降温也不十分明显。
下图是抽烟烟机温差发电装置的结构示意图:
图2抽烟烟机温差发电装置结构示意图
制作要点如下:
2.1介质导管和高低温差面的制作
将两根直径30.5mm、长1000mm的铝管两端车丝,以便在使用时经活接头接入蜂窝煤热水炉的冷、热水管路,按图2剖面的形状加工后,分别和宽60mm、厚3mm、长1000mm的铝条焊在一起,焊接要充分、厚实。
铝条与半导体温差发电模块相贴的冷热端传导面要平整光滑。
再试着将要安装的半导体温差发电模块在冷热传导面间间隔排列,然后在铝板边缘按每个模块每边两个紧固螺栓钻好孔。
用绝缘板做一个尺寸合适的槽子,用空调保温套管作保温材料,将其剪开卡套在热(水)介质导管上,再将绝缘板槽固定上即可;冷(水)介质导管则无需保温。
2.2抽烟烟机温差发电模块的测试选用与装配
正规厂商提供的半导体温差模块一般都有性能指标,我们曾经测试过同一批产品的发电性能,空载电压有的3.4V有的2.7V,空载电流有的1.6A有的0.7A,由此性能指标并不稳定。
所以,只有采用对温差特别敏感的,才有可能实现理想的发电效果。
因此,我们在对购买的半导体温差模块进行相关的测试后,认定该发电装置符合厂商的标注的性能指标后,接下来就是对模块厚度一致性的把握,把稍薄和稍厚的拿下不用,不然整个组件都没法装紧。
这些工作完后就可以进行温差发电模块组件的装配了,均匀(特别注意)地在模块双面薄薄涂上导热硅脂,逐片拧上四个紧固螺栓,模块被卡紧不能移动就算装好了。
2.3发电模块组件的连接
将温差发电装置接入冷、热水管路,机械装配完成。
接着就是对发电模块单体发电工作状态的检测,看看有没有电压电流明显偏低的。
如果有多半是没有被紧固螺栓卡紧,需要采取措施解决,否则在并联中将成为负载,在串联中成为电流“瓶颈”。
抽烟烟机温差发电模块正反向电阻很低。
且差别不太大,摄氏10度温差时仅几欧至十几欧,这时它难与负载匹配,发电效率极低,但随着温差的加大迅速上升而电压逐渐增大。
由于安装面向的关系,红黑引线并不代表实际的正负,检测单体发电工作状态的同时也弄清了正负极。
可以根据负载的情况进行并联、串联的连接。
半导体发电模块组件的总功率并不等于单体功率的简单相加,会远小于它,尤其是并联状态。
我们采用了10块单体发电模块并将10块单体发电模块全部串联。
小流量使用热水,此时,测得开路电压为13.93V,开路电流345mA,热水停用,开路电压为6.23V,开路电流7mA。
具体计算见以下公式:
T=A0*U^0+A1*U^1+A2*U^2+A3*U^3+……
其中,U为测得的电动势,A0,A1,A2,A3……由于我们采用的是K型热电偶,可以通过手册查得,T为热电偶两端的温度。
2.4实现抽油烟机的自动发电装置。
以上是我们对油烟机发电装置的实验过程,考虑到市场上油烟机的额定电压为220V,额定功率为180W,且采用交流电,因此,需要采用一台逆变器,逆变器:
英文inverter,是一种电源转换装置,可将12V或24V的直流电转换成220V、50Hz交流电或其它类型的交流电。
它输出的交流电可用于各类设备.最大限度地满足移动供电场所或无电地区用户对交流电源的需要。
逆变器的工作原理如下图:
图3逆变器工作原理
油烟机的自动发电装置通过再连接一台逆变器,将12V的直流电转换为220V、50Hz的交流电并连接在油烟机上,实现油烟机的自发电装置。
2.5油烟机的自动控制系统
该系统不仅具备油烟机基本开关功能,而且还能根据厨房在烧菜做饭过程中产生的烟气温度高,而泄漏的燃气温度低的特点,利用热电偶的温感效应,即对温度高、污染大的烟气采用热电偶检测,而温度低但危险大的燃气采用气敏传感器检测,当厨房的油烟或可燃有害气体达到一定浓度的值时,经传感器进入单片机分析,使电机电路自动启动并发出声音报警,吸油烟机迅速将有害气体抽走。
该系统主要设计了油烟机的烟气、燃气检测模块,执行电路模块等,系统软件部分主要是对各模块的流程做了详细的的分析,控制主程序、中断按键扫描子程序、显示子程序,中断报警服务程序,以此从而实现抽油烟机自动控制的功能。
抽油烟机自动控制系统主要靠单片机进行控制,通过软件设计来自动控制抽油烟机的开关,所以相对于普通的抽油烟机来说,根据其自动检测功能,具有灵活性比较好,功耗低,便于操作等特点。
第3章机械部分的设计
3.1抽油烟机的结构
抽油烟机的结构包括:
上接口板、风机上壳前、弧形玻璃面板、前玻璃面板、按键、照明灯、风机上壳后、下腔外壳、过滤网罩。
抽油烟机按结构分深型、亚深型、薄型、欧式、近距式等;按拆洗方式:
分免拆洗、易拆洗、自动拆洗等,通常认为免拆洗是第一代、易拆洗是第二代、自动清洗是第三代吸油烟机;按吸油烟方式分侧吸式和直吸式。
吸油烟机的面板有冷轧钢板喷涂塑料、不锈钢、塑料和陶瓷等材质。
图4家用吸油烟机的结构示意图
3.2抽油烟机的工作原理
图5系统原理图
系统分为检测部分和控制部分,检测部分为按键输入、烟雾检测、煤气检测三部分,控制电路由继电器、抽油烟机开关电路、声音报警、定时四部分组成,其中当抽油烟机启动时,自动照明电路才有效。
抽油烟机安装于炉灶上部,接通吸油烟机电源,驱动电机,使得风轮作高速旋转,使炉灶上方一定的空间范围内形成负压区,将室内的油烟气体吸入吸油烟机内部,油烟气体经过油网过滤,进行第一次油烟分离,然后进入烟机风道内部,通过叶轮的旋转对油烟气体进行第二次的油烟分离,风柜中的油烟受到离心力的作用,油雾凝集成油滴,通过油路收集到油杯,净化后的烟气最后沿固定的通路排出。
3.3排风罩的结构分析及优化
为了减少油烟气对人体产生的危害,必须要对其进行治理,而治理的前提是对油烟气的有效控制和捕集。
一台好的高效、智能、环保的抽油烟机不仅要有一个好的控制系统,同时其排风罩的设计也非常重要,因为其风罩的形状直接影响其油烟的排出效率。
排风罩尺寸一般稍微大于灶台的,通过排风机产生一定的排风量,罩口处可以产生一定的控制风速,使得上升的热油烟气不外溢,从而排到室外。
为了找到过滤网罩的最佳倾角来对产品进行设计,本文拟定采用计算机仿真计算,模拟不同倾角的过滤网罩的三维流场,通过分析比较不同角度的过滤网罩所形成的流场,从而找出最佳的倾角值。
3.3.1烟气的扩散规律:
在上升的热气流中,油气分子、水气分子、热空气分子运动较之油烟雾运动得更快。
气体热分子运动遵循下面法则:
热分子运动最快速度:
平均速度:
式中,V—分子速度,VP—300m/w,K—玻耳兹曼常数,T—绝对温度,m—分子量
虽然气体分子运动速度很快,但由于分子密集度极高(P=1时,
含
个分子),平均自由程很小。
油气、水气分子运动仍主要决定于气体膨胀上升、 风机抽吸和浓度扩散速度,其相对流速不高,小于1m/s。
图6油预热时热气流流场图图7蒸汽的扩散规律
油预热时锅内外各种气流组成的流场图如图6所示。
从图7中不难看出,炒菜时吸油烟机吸的不仅是眼所见到的油烟,而是大于炒锅半径的各种热气流。
将菜投入锅中时;油烟雾流所形成的则是一个更大的骚动热气流柱。
各种气流分子无规则运动,相互扩散、渗透不断上升,向外扩展,加之烹饪者呼吸、走动,拥动、搅拌操作引起骚动,产生可见及不可见紊流。
3.3.2模型的建立:
结合平常家庭的实际情况,本文考虑的模型(如图8所示)是一个3×5×3.5的厨房,灶台为家庭常用的两炉头灶台,炉灶的发热量是46千瓦,布置在厨房的一角。
灶台上装设排气罩,排气罩比灶台宽0.1米。
灶台前站一个身高1.73米的人,面向灶台。
在远离灶台的侧墙上有一个1.1m×2m 的门,平时门处于开启状态。
房间的侧墙、底板和天花板都假是密封良好、绝热的墙体。
图8布置示意图图9不同角度的排风罩结构尺寸
本文用airpark流场模拟软件解算系统流场(如图10所示),安置三种过滤网罩,形成流场速度矢量图(分别如图11、图12、图13所示)。
图10流场解算结果示意图
图11罩口倾角45°图12罩口倾角55°图13罩口倾角65°
3.3.3实验数据分析及结论:
分析三种排风罩形成的流场在x=0.5m断面的速度矢量图可知:
罩口倾角为45°时,罩内主上升气流在排气罩的后部,但是人头部处的风速过低,达不到控制风速0.2m/s的标准,油烟气粒子可通过布朗运动扩散,被人吸入。
罩口倾角为55°时,主上升气流在排气罩中心偏后的位置。
虽然炉灶后存在一个小的涡流,但是炉灶后的空间并不是我们关心的重点。
其它空间流场均匀,速度大小和方向都能达到标准要求,因此可以认为此流场可以有效地控制油烟气的扩散。
倾角为65°时,排气罩的前部有一个明显的涡流,被主上升气流捕获的油烟气粒子在这个涡流的作用下会再次进入人头部的呼吸区,因此,这个角度不宜采用。
通过比较可以看出55°时罩口的最佳倾角。
3.4抽油烟机外型尺寸图
图14抽油烟机外型尺寸图
3.5抽油烟机安装结构图
图15抽油烟机安装结构图
第4章结论
本文采用计算机仿真计算和实验模拟相结合的方法,用airpark流场模拟软件模拟不同倾角的排风罩的三维流场,通过分析比较不同角度的网罩所形成的流场数据,从而找出了最佳的倾角值为55°,并利用此实验结果来对排风罩进行结构设计和优化。
实现了对油烟气的有效控制和捕集,从而减少了油烟气对人体产生的危害,提高了抽油烟机的工作效率。
文中还通过对抽油烟机的结构和工作原理的分析,提供了可供参考的外形尺寸图和安装结构图。
第5章参考文献
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