CN108535445A - 一种测量催化燃烧和热电转换集成装置热电性能的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量催化燃烧和热电转换集成装置热电性能的装置和方法，包括空气气瓶、减压阀、流量计、玻璃瓶、热电装置、电流表、电压表、滑动变阻器、气体分析仪、热电偶及其连接的数据采集装置，各设备之间通过聚四氟乙烯管相连。通过热电偶及其连接的数据采集装置测量热电装置热端和冷端距入口端和出口端不同位置的温度，利用电压表和电流表分别测量热电装置产生的温差电动势和电流，并利用气体分析仪实时测量排出气体成分及其含量。本发明的装置和方法可以分别测量热电装置冷、热端距离入口和出口不同位置的温度分布，并通过气体分析仪计算出催化燃烧转化效率，根据电流表和电压表的读数，从而得到输出功率和热电转换效率。

Description

一种测量催化燃烧和热电转换集成装置热电性能的装置和 方法

技术领域

本发明属于热电性能测试领域，具体涉及一种测量催化燃烧和热电转换集成装置热电性能的装置和方法，可以测量催化燃烧和热电转换集成装置冷、热端温度分布，催化燃烧转化率，输出功率和热电转换效率。

背景技术

利用热电装置收集催化燃烧反应产生的热量，并将其转换成电能，由于催化燃烧是无焰燃烧，且反应是在催化剂表面发生，所以，催化燃烧所产生的热量大部分传递给催化剂，因此，可以直接将热电装置和催化燃烧装置相连接，特别是将催化剂和热电装置的电极相连接，这样，催化燃烧所产生的热量可以直接传递给热电装置，可以节约空间，减少能量的损失。但催化燃烧和热电转换集成装置的热电性能测量是一个比较困难的问题。

现有的测试装置，只能测量催化燃烧和热电转换集成装置的输出功率和热电转换效率，而催化燃烧和热电转换集成装置冷、热端温度分布以及催化燃烧转化率则无法直接测量，而且，在现有的测试装置中，热电转换效率的测试大多通过测量进入热电装置热端的能量Q₁和从冷端流出的能量Q₂,通过输出功率P与两者的差值Q₁-Q₂的比值来得到热电转换效率，这其中热量Q₁和Q₂的测量较为复杂，且测量的结果存在较大的误差，导致最后计算得到的转换效率也不精确。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种测量催化燃烧和热电转换集成装置热电性能的装置和方法，通过这种装置和方法可以同时得到催化燃烧和热电转换集成装置冷、热端温度分布，催化燃烧转化率，输出功率和热电转换效率。这种方法操作简单，测量结果可靠，而且不需要复杂的仪器设备。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种测量催化燃烧和热电转换集成装置热电性能的装置，包括空气气瓶、减压阀、流量计、玻璃瓶、热电装置、电流表、电压表、滑动变阻器、气体分析仪、热电偶及其连接的数据采集装置，其特征在于，在空气气瓶与两个减压阀之间的导管连接一个三通，使得从气瓶出来的空气经过三通后分流成甲、乙两个支流，并通过减压阀控制两个支流的气体流量，两个减压阀分别与相应的流量计相连，通过流量计测量减压后相应的气体流量；玻璃瓶通过橡胶塞密封，在橡胶塞上留有两个孔，在橡胶塞的两个孔中分别插入玻璃管，作为气流的入口和出口，甲支流的空气流入装满挥发性好的液体燃料的玻璃瓶，流出时则空气中带有燃料气体；甲、乙两空气流再通过一个三通混合，乙空气流对带有燃料气体的甲空气流起到稀释作用，通过调节甲、乙空气流的流量，来改变空气和燃料气体混合后各组分的浓度。待测的热电装置由冷端导电薄膜、热端导电薄膜以及位于两者之间的P型半导体薄膜热电元件和N型半导体薄膜热电元件组成，在热端导电薄膜上沉积了一层催化燃烧催化剂薄膜；在冷、热端导电薄膜的不同位置插入热电偶，通过与热电偶相连的数据采集装置可以实时读出不同位置的温度分布；从热电装置前后两个独立的导电薄膜引入导线连接到电流表、电压表、滑动变阻器；气体分析仪布置于热电装置气体出口端，用于测量催化燃烧后的气体成分及其含量。

导管为聚四氟乙烯管、硅胶管、PVC管、PE管、PPR管中的一种。

热电偶是K、R、J、E、S、B、T等型号热电偶中的一种，热电偶在冷、热端导电薄膜上布置的数量和位置完全相同。

气体分析仪包括红外气体分析仪、热导式气体分析仪、气相色谱分析仪等，所述气体分析仪可测量所有混合气体成分及其浓度。

一种测量催化燃烧和热电转换集成装置热电性能的方法，采用所述的测量催化燃烧和热电转换集成装置热电性能的装置进行测量，本方法的具体实施步骤为：

1)通过控制阀门开关以及流量计来控制两支路的空气流速以及从玻璃瓶中鼓出燃料气体的含量，燃料气体在甲、乙两支流混合后，确保混合气体中的燃料气体的含量则保持稳定；

2)混合气体先后经过待测装置的冷端和热端，经过热端时，在催化剂薄膜表面发生催化燃烧反应，并产生热量，从而使得冷、热端形成温度差，通过热电偶及其连接的数据采集系统可以实时得到冷、热端不同位置的温度分布，经过一段时间后，冷、热端所形成的温度差将保持稳定；

3)通过改变滑动变阻器的阻值以及电流表、电压表的读数，根据伏安特性曲线和输出功率计算公式得到待测装置的输出功率；

4)通过气体分析仪所得到的气体成分及其含量，根据碳平衡计算出燃料气体催化燃烧的转化率；

5)通过前面所得到的待测装置的输出功率和催化燃烧的转化率，结合燃料气体的比焓，根据质量守恒、能量守恒以及效率计算公式得到热电转换效率。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明通过流量计和气体分析仪可以实时得到混合气体的总流量以及热电装置出口端的气体成分及其含量，通过计算可以得到燃料气体的转换率，从而得到发生催化燃烧的燃料气体的质量流量；2、本发明利用质量流量与燃料气体比焓的乘积得到催化燃烧释放的能量，再根据电流表、电压表的读数可以计算出热电装置的输出功率，利用输出功率与催化燃烧释放的能量的比值可以得到催化燃烧和热电转换集成装置的转换效率。

附图说明

图1为测量催化燃烧和热电转换集成装置热电性能的装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所式，一种测量催化燃烧和热电转换集成装置热电性能的装置，包括空气气瓶1、减压阀2、流量计3、玻璃瓶4、热电装置5、电流表6、电压表7、滑动变阻器8、气体分析仪9、热电偶及其连接的数据采集装置10，其特征在于，在空气气瓶1与两个减压阀2之间的导管连接一个三通，使得从气瓶出来的空气经过三通后分流成甲、乙两个支流，并通过减压阀2控制两个支流的气体流量，两个减压阀2分别与相应的流量计3相连，通过流量计3测量减压后相应的气体流量；玻璃瓶4通过橡胶塞密封，在橡胶塞上留有两个孔，在橡胶塞的两个孔中分别插入玻璃管，作为气流的入口和出口，甲支流的空气流入装满挥发性好的液体燃料的玻璃瓶4，流出时则空气中带有的燃料气体；甲、乙两空气流再通过一个三通混合，乙空气流对带有燃料气体的甲空气流起到稀释作用，通过调节甲、乙空气流的流量，来改变空气和燃料气体混合后各组分的浓度。待测的热电装置5由冷端导电薄膜、热端导电薄膜以及位于两者之间的P型半导体薄膜热电元件和N型半导体薄膜热电元件组成，在热端导电薄膜上沉积了一层催化燃烧催化剂薄膜；在冷、热端导电薄膜的不同位置插入热电偶，通过与热电偶相连的数据采集装置10可以实时读出不同位置的温度分布；从热电装置前后两个独立的导电薄膜引入导线连接到电流表6、电压表7、滑动变阻器8；气体分析仪9布置于热电装置气体出口端，用于测量催化燃烧后的气体成分及其含量。

在本实施例中，减压阀2选择的是PR-1系列的Go减压阀，量程范围为0-250psi，通过减压阀2来控制流过甲、乙两支流的空气气流流量；导管选择聚四氟乙烯管，其直径和玻璃管直径、集成装置5入口端的内径相同，均为1/4英寸，所有接口处都进行密封处理；橡皮塞中两个孔插入的玻璃管长度不同，入口玻璃管插入到距离玻璃瓶4底部约2cm处，出口玻璃管插入到距离橡胶塞2cm处；为了增大冷、热端温差，空气/燃料气体混合物从催化燃烧和热电转换集成装置5的冷端流入，从其热端流出，混合气体流过冷端时可以吸收从热端传递到冷端的热量，不仅可以降低冷端的温度，保持冷、热端较高的温差，还可以通过吸收热量来对混合气体进行预热，提高燃料气体催化燃烧反应的转化率；热电偶选择K型热电偶，热电偶在冷、热端导电薄膜上布置的数量和位置完全相同。

一种测量催化燃烧和热电转换集成装置热电性能的方法，采用所述的测量催化燃烧和热电转换集成装置热电性能的装置进行测量，本方法的具体实施步骤为：

1)通过控制阀门开关以及流量计3来控制两支路的空气流速以及从玻璃瓶4中鼓出燃料气体的含量，燃料气体在甲、乙两支流混合后，确保混合气体中的燃料气体的含量则保持稳定；

2)混合气体先后经过待测装置5的冷端和热端，经过热端时，在催化剂薄膜表面发生催化燃烧反应，并产生大量的热量，从而使得冷、热端形成温度差，通过热电偶及其连接的数据采集系统可以实时得到冷、热端不同位置的温度分布，经过一段时间后，冷、热端所形成的温度差将保持稳定；

3)通过改变滑动变阻器8的阻值以及电流表6、电压表7的读数，根据伏安特性曲线和输出功率计算公式可以得到待测装置的输出功率；

4)通过气体分析仪9所得到的气体成分及其含量，根据碳平衡可以计算出燃料气体催化燃烧的转化率；

5)通过前面所得到的待测装置5的输出功率和催化燃烧的转化率，结合燃料气体的比焓，根据质量守恒、能量守恒以及效率计算公式可以得到热电转换效率。

上述步骤3)中的输出功率的测量原理为：

输出功率P可由电压表7和电流表6的读数求得，具体的表达式为：

P＝U·I (1)

通过改变滑动变阻器电阻8可得到电压U和电流I的关系曲线，通过曲线可以得到U和I乘积的最大值，此时，所得到的为最大输出功率P_max。

上述步骤4)中的燃料气体催化燃烧转化率的测量原理为：

根据转化率α的定义，其物理意义是发生反应的物质占该种物质起始量的百分数，具体的表达式为：

式中V₁为发生反应的燃料气体含量，V₀为燃料气体起始量，根据反应前后的碳平衡，燃料气体所含的碳元素最后将以二氧化碳和未反应的燃料气体的形式存在，通过气体分析仪测得反应后气体中CO₂含量和剩余燃料气体含量，再根据燃料气体反应生成CO₂的化学反应式推算出发生反应的燃料气体含量，求出燃料气体催化燃烧反应的转化率。

上述步骤5)中的热电转换效率的测量原理为：

根据热电转换效率η的定义，其物理意义为装置向外界输出的电能占向装置提供的能量的百分数，具体的表达式为：

式中，P为输出功率，Q为单位时间内向装置提供的能量。

在本发明中，向装置提供的能量由燃料气体催化燃烧提供，因此，单位时间内向装置提供的能量Q可通过燃料气体的质量流量m和燃料气体的比焓h的乘积求得，具体的表达式为

Q＝m·h (4)

将(3)式和(4)式进行合并就可以得到热电转换效率η的最终表达式为：

Claims (6)

1.一种测量催化燃烧和热电转换集成装置热电性能的装置，包括：空气气瓶(1)、减压阀(2)、流量计(3)、玻璃瓶(4)、集成装置(5)、电流表(6)、电压表(7)、滑动变阻器(8)、气体分析仪(9)、热电偶及与其连接的数据采集装置(10)，其特征在于，设有混合气体装置，具体为：在空气气瓶(1)与两个减压阀(2)之间通过第一三通连接，使得从气瓶出来的空气经过三通后分流成甲、乙两个支流，并通过减压阀(2)控制两个支流的气体流量，两个减压阀(2)分别与相应的流量计(3)相连，通过流量计(3)测量减压后相应的气体流量；乙支流通入玻璃瓶(4)后与甲支流通过第二三通混合，所述的玻璃瓶(4)通过橡胶塞密封，在橡胶塞上留有两个孔，在橡胶塞的两个孔中分别插入玻璃管，作为气流的入口和出口；

待测的集成装置(5)中，在集成装置冷、热端的不同位置插入热电偶，通过与热电偶相连的数据采集装置(10)实时读出不同位置的温度分布；从集成装置(5)引入导线连接到电流表(6)、电压表(7)、滑动变阻器(8)；气体分析仪(9)布置于集成装置(5)气体出口端，用于测量催化燃烧后的气体成分及其含量；

混合气体装置的第二三通的出口通过导管与集成装置的热端相连。

2.根据权利要求1所述的一种测量催化燃烧和热电转换集成装置热电性能的装置，其特征在于，所述的混合气体装置中各个部件通过导管相连，导管为聚四氟乙烯管、硅胶管、PVC管、PE管或PPR管。

3.根据权利要求1所述的一种测量催化燃烧和热电转换集成装置热电性能的装置，其特征在于，所述的热电偶是K、R、J、E、S、B、T型号热电偶中的一种，热电偶在冷、热端导电薄膜上布置的数量和位置完全相同。

4.根据权利要求1所述的一种测量催化燃烧和热电转换集成装置热电性能的装置，其特征在于，所述气体分析仪(9)为红外气体分析仪、热导式气体分析仪或气相色谱分析仪。

5.一种测量催化燃烧和热电转换集成装置热电性能的方法，其特征在于，具体步骤为：

1)通过控制阀门开关以及流量计(3)来控制两支路的空气流速以及从玻璃瓶(4)中鼓出燃料气体的含量，燃料气体在甲、乙两支流混合后，确保混合气体中的燃料气体的含量则保持稳定；

2)混合气体先后经过待测装置(5)的冷端和热端，经过热端时，在催化剂薄膜表面发生催化燃烧反应产生热量，从而使得冷、热端形成温度差，通过热电偶及其连接的数据采集系统(10)实时得到冷、热端不同位置的温度分布，经过一段时间后，冷、热端所形成的温度差将保持稳定；

3)通过改变滑动变阻器(8)的阻值以及电流表(6)、电压表(7)的读数，根据伏安特性曲线和输出功率计算公式得到待测装置的输出功率；

4)通过气体分析仪(9)所得到的气体成分及其含量，根据碳平衡可以计算出燃料气体催化燃烧的转化率；

5)通过得到的待测装置(5)的输出功率和催化燃烧的转化率，结合燃料气体的比焓，根据质量守恒、能量守恒以及效率计算公式得到热电转换效率。

6.根据权利要求5所述的测量催化燃烧和热电转换集成装置热电性能的方法，其特征在于，所述的空气流速在0.1L/min-1L/min。