蜗牛 热能回收装置研究

蜗牛 热能回收装置研究

张启志 金朝野 李其宏 姜涛 朱艳华

山东英才学院机械与电气工程学院 山东济南 250104

摘要：本文研究设计了一种简易的热能回收装置，该设计可将外界多余的热量收集起来，将其转换成电能，实现能源的再利用，进而实现“节能减排”，迎合“可持续发展”的时代主流。

关键词：热能回收、热能回收、能源的再利用、热传导

1引言

在建设创新型国家的时代背景下，“可持续发展”逐步融入当今经济发展的主旋律。为了迎合“可持续发展”，推动科技成果到高质量生产力的转化， “节能减排”刻不容缓。^[1]但是，我国以往的经济的高速发展是以自然资源的高消耗为前提的，自然资源的消耗巨大、发展的质量不高、而且存在很多的浪费现象，除此之外还导致了环境污染，这显然与“可持续发展”的理念相背离。绿色制造逐渐成为全球工业与经济发展的一个趋势，它要求把对环境影响降到最低以及对资源利用率的最大化作为前提，其目标是：在一个产品的技术研发、生产制造、投入使用、报废处理一系列过程中，尽可能减少不可再生资源的利用以及对自然环境的污染，从而实现经济发展的可持续。进行绿色家电设计的宗旨是：要制造出质量合格，低消耗，无污染的产品，同时在报废后还可以回收利用。能源消耗也是绿色设计的一部分，因此要研究节能减排产品创新设计的传热分析，并减少热能损耗。热能再用设计的热能利用效率是其中一个性能指标^[2]，它受结构、形状、材料、环境等因素的影响，或多或少，会有热损失。热损失是因为不同部位的外壳和周围的空气之间存在热交换，通过自然对流换热和辐射换热两种方式使热量流失。

随着社会的高速发展，能够循环、低碳的能源必将成为主导，取代目前主导的化石燃料能源。介于目前的认知情况，氢能源和生物能源终将成为最好的能源。因此对于目前我国新能源技术发展趋势可以汇总如下：①在技术未能够最终将氢能源和生物能源普及的情况下，必将出现能源发展多样化的情形，能够拥有公共的配套设施服务覆盖网络会成为主要的影响要素。②目前燃料的一个趋势就是向低碳化、低排放的基本方向发展，预计在未来2030年前，仍会以化石燃料为主导，市场覆盖率依然会达到60%。③虽然目前化石燃料仍然处于主导地位，但是也不是不能够撼动的，目前新能源技术已经越来越成熟，同时也存在经济和政策的帮助，今后的发展中，将会出现各种各样的新能源产品，如：混合动力、汽车燃料电池、生物燃料、氢气共同存在的一个情形^[3]。④随着时间的推移，不同的时期不同的技术，有着不同的商业模式，有着周期性，逐渐趋向成熟，燃料电池、生物燃料和氢气能源技术预测要到2030年才能达到技术上的成熟。

这几年，绿色制造的研究和发展进程越来越快。现在我们首先要面对的问题就是如何选择材料，如何设计。在这个趋势的推动下，越来越多的人投身于绿色设计的研究，有很多机构对此研究有了较大的进展，因此也为我们的研究提供了不少具有参考价值的东西。现在能源消耗尤为严重，因此，对家用电器的绿色环保设计，对绿色材料和传热部分进行研究分析，是推动国家经济发展，保护环境的一个有意义的研究项目这是时代和社会进步到一定程度的必然反映和要求，也是今后一段时间里世界各国尤其是我国经济和社会发展的一项非常重要而紧迫的任务；同时，它也是企业发展战略中的一个永恒的重要课题。说这一任务非常重要而紧迫，是因为当前全球所面临着资源利用过度和资源的极度贫乏，地球已经难以承担起人类的资源需求。

2设计背景

我国经济快速增长，各项建设取得巨大成就，但也付出了巨大的资源和环境被破坏的代价，因为我们必须重视起来，加以调整^[4]。因此，要充分利用好每一份资源。不加快调整经济结构、转变增长方式，资源支撑不住，环境容纳不下，社会承受不起，经济发展难以为继。只有坚持节约发展、清洁发展、安全发展，才能实现经济又好又快发展。在日常生活中，热能的散失无处不在：煮饭，电脑以及其他电子产品运行产热，热水壶煮水等。

我们本次的设计是使日常生活中所散失的能量转化成电能，使能源得到良好的循环利用。

3设计原理

面对上面列举这么多的能量的流失，我们要采取适当的措施使这些热能循环利用。因此，本文设计了一个简易的蜗牛热能回收装置，该装置主要由五个部分组成：壳体部分、能量转换装置（外燃机、热电转化材料）、电量显示部分、USB接口^[5]、底座吸盘。如下图1所示：

图1 蜗牛热能回收装置

工作过程：通过底座吸盘牢牢的吸附在散热物体上，散失的热能促使能量转化装置中汽缸里的氢气并膨胀，推动活塞运动，因而飞轮也跟着运动，致使动能转化成电能的形式。简单能量守恒：热能内能机械能电能。

4材料选取

4.1壳体部分材料选取

采用铝合金作为该设计的外壳材料，铝合金价格便宜而且密度小，非常适合用作外壳。为了隔热，在铝合金的内表面中间夹入导热性差的材料。例如：夹石棉、陶瓷纤维等。渲染如图2所示：

图2 壳体部分渲染图

4.2能量转换装置材料选取

外燃机：将外界热能转换为机械能的机构。这是一种外燃发动机，外部的热量^[6]通过加热器传给工质，这里采用氢气作为工质。蒸发的膨胀氢气作为动力气体使活塞运动，膨胀气体在冷气室冷却，反复地进行这样的循环过程。将外界热能转换为电能的原理图，如图5所示：

图3 原理图

4.3底座材料选取

经调查，发现导热硅胶是一种导热性好而且不导电的材料，而且它具有无毒、无味、无腐蚀性的特点^[7]，化学物理性能稳定而且具有优异的导热性、电绝缘性，耐高温、耐老化和防水的特性，非常适合用作该设计的底座。

5应用

设计的这个产品的规格是。由于小巧这个特点，它能应用到很多方面。

这个产品的应用可以涉及到日常生活的很多方面，如图4所示：

图4 应用

此外，我们还设计了一个存储和收集能量的装置—电能蓄能器。收集回来的能量相当于一个移动电源，可满足手机充电、台灯照明、电动剃须刀、数码相机等，如图5所示。通过计算和查找参考资料，我们设计的蓄能器的规格参数为：

产品容量：；

额定容量：；

规格尺寸：；

充电模式：；

输入电压/电流：；

输出电压/电流：；

适用于容量大于：手机或数码设备充电；

最大充电电流：；

最大输出电流： 电池寿命：充放电循环次数次

图5 电能蓄能器应用

6创新点和推广价值

6.1创新点

①高效率，低损耗。该设计能迅速的吸收热能并将其转化为电能，并储存于蓄能器中。它能有效的防止热能的散发和丢失；②无污染。由于该设计是将热能转化为电能，这对周围的环境没有任何影响；③广泛的适应性^[8]。对许多发热的电器都能用到，例如高压锅、电热水壶等发热物体都能适用；④转化制备系统简单。壳体采用良好的绝热超轻材料，里面的系统机构组成并非很复杂^[9]；⑤外型的创新性。从设计上来看，虽然结构简单、普通，但不失唯美，蜗牛的外形给人一种奋发向上的精神，这能让消费者更青睐。

6.2市场推广价值

这些年来，全球气候变幻无常、温室效应明显、荒漠化严重，生存环境恶劣，严重威胁着全人类的健康与生命。倡导绿色健康的“低碳新生活”，追求低碳生活，是人类现在所向往的。

再结合我国如今的形式来看，虽然经济快速增长，各项建设取得巨大成就，但也付出了巨大的资源和环境被破坏的代价，这两者之间的矛盾日趋尖锐，群众对环境污染问题反应强烈。不加快调整经济结构、转变增长方式，资源支撑不住，环境容纳不下，社会承受不起，经济发展难以为继。只有坚持节约发展、清洁发展、安全发展，才能实现经济又好又快发展。

而该设计清洁环保、无任何污染，没有燃烧过程，不排放粉尘和有害气体，有效解决了传统供电方式，同时也最大限度地消除了能量的丢失和环境的污染；

该设计还有运行成本低的优点，综合这些的优点，因此该设计很符合现在我国的基本国情和现状，很适合广大消费者的购买。

6.3后期展望

资源的短缺，环境的污染，生态的破环，已成为全人类所共同面临的现实问题！面对诸多问题，节能减排必然成为缓解日益增长的能源危机的有效而必要的途径。

这个热能再用设计产品的设计思想来源于生活，即解决生活中能量散失的实际问题，又能达到“技能减排”的效果，一举两得。虽然见到一些热能循环的一些措施，但未见到利用能量转化来实现资源循环的类似报道。我们的想法虽然简单，但却能解决生活中的实际问题。

热能再用设计实质上是一个能量中转站，运用了传热学、物理能量守恒力学、材料学等知识^[10]。它使用时零消耗，只要购置了它，就可以实现能源的循环利用，能为每个家庭节约很多成本。并且热能再用设计这个产品的结构简单，生产成本不会很高。

根据社会调查，现实生活中能源的散失很严重，到处都可以见到，而本产品的设计合理，现有生产技术能够满足其设计，如果能够批量生产，其成本会降低很多，具有市场开发价值。

现有的这个设计只是一个初步模型，随着研究的深入，设计将逐步趋于完美。随着新技术在热能再用设计上的应用，它的功能和效率会进一步提高，满足人们的需要，如果热能再用设计能够成为真正的产品，被人类使用，它可能走进千家万户，节能减排，造福全民！

7总结

随着世界工业经济的发展、人口的剧增、人类欲望的无穷上升和生孕育发糊口方式的无节制，世界气候面临越来越紧张的问题，二氧化碳排放量愈来愈大，地球臭氧层正遭受前所未有的危机，全世界灾难性气候变化屡屡出现，已经紧张风险到人类的生存情况和健康安全，即使人类曾经引以为豪的高速增长或膨胀的GDP也因为情况污染、气候变化而“大打扣头”。为了我们赖以生存的家园，因此我们必须提倡一种新的生活方式——节能减排，低碳生活！

低碳生活，对于我们普通人来说是一种态度，而不是能力，我们应该积极提倡并去实践低碳生活，为了你、为了我、为了他、也为了我们这个赖以生存的地球大家庭，更是为了明天的美好生活。让我们一起从节约“一滴水、一度电、一张纸”做起。

不积跬步，无以至千里；不积小流无以成江海。希望通过我们的努力，把“节能减排，低碳生活”的概念传递给每一个家庭。

参考文献：

[1]刘文霞.大学生节能减排认知践行调研报告.长江大学报 (社会科学版).

[2]陶克菲.节能减排打造绿色和谐中国[J].环境教育.

[3]张铁，李琳，李杞仪.创新思维与设计.国防工业出版社.

[4]何庭蕙.黄小清.陆丽芳.工程力学.华南理工大学.广州.

[5]林朝平. 家电产品开发中绿色设计的研究[J].轻工机械, 2006,24(3),9-11.

[6]刘志峰. 家电产品的绿色设计研究[J].家电科技,2005,(3),73-75.

[7]Glantschis WJ. Green design: An introduction to issues and challenges [J]. IEEE Translation on Components: Packaging and Manufacturing Technology, Part A,1994,17(4): 508-513.

[8]戚贇徽.面向能源节约的产品绿色设计理论与发法研究[D].合肥：合肥工业大学, 2006.

[9]辛文彤,李志尊,胡仁喜. ANSYS 13.0 热力学有限元分析从入门到精通[M]. 北京: 机械工业出版社,2011.

[10]夏婉婷.国内新概念电饭煲的发展趋势浅析[J].湖北美术学院学报,2010

作者简介;张启志，男，1997年出生，本科，机械设计制造及其自动化专业