温差能驱动自治式水下机器人动力装置工作机理的研究
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摘要
海洋温差能是一种可再生的清洁能源，与以电能为动力的水下机器人相比，温差能驱动的自治式水下机器人具有活动范围广、航行时间长、下潜深度深等特点，具有广阔的发展前景。
温差能驱动装置是一种将热能转换为机械能的装置。本文研究了温差能驱动装置的循环过程，从热力学的角度分析了它的热循环机理，给出了装置热效率的估算方法。针对装置中存在的不可逆过程，建立了不可逆卡诺热机模型以及基本优化公式，对于驱动装置的结构优化和效率的提高具有理论指导意义。
温差能驱动装置中的热传导问题，是影响装置功率的关键因素。本文根据装置中热传导的特点，建立了求解相变传热的数学模型，介绍了两种求解相变热传导的方法，即焓法和热阻法。
研究温差能驱动装置的关键问题是工质材料的选择。本文在对多种材料进行分析的基础上，首次采用了具有温敏特性的相变材料十六号水凝胶作为温差能驱动装置的工质材料，通过对材料特性参数的测定，验证了材料的可行性。
本文研制出以十六号水凝胶作为工质材料的温差能驱动装置的试验样机，试验结果表明，该材料基本满足驱动装置的特性要求。
Ocean’s temperature difference energy is a kind of reproducible and clean energy. Compared with underwater vehicles, which is driven by electricity, AUV (Autonomous Underwater Vehicle) by temperature difference energy has wider range, longer voyage and deeper submergence. It will have more expansive foreground.
Drive-device depending on Ocean’s temperature difference energy can transform heat energy to mechanical energy. This thesis investigates the circulation processes of the drive-device, analyses the principle of heat circulation processes and shows the way to estimate the device’s thermal efficiency. The model of irreversible Carnot heat engine and optimum formula being set up according to irreversible processes in the device, that has guide significance in academics on optimizing structure of drive-device and improving efficiency.
Heat conduction in drive-device depending on temperature difference energy is the key factor to affect the power of drive-device. According to the features of heat conduction, the mathematics model on phase change heat conduction is set up, two kinds of methods to solve phase change heat conduction is introduced, and one is enthalpy method, the other is heat-resistance method.
The key problem in learning drive-device depending on temperature difference energy is to choose working medium. This device adopts No.16 hydrogel as working medium which is a kind of temperature?sensitive?PCM (Phase Change Material).The material’s feasibility is proved by measuring material’s characteristic parameters.
The model machine of drive-device depending on temperature difference energy is developed, which adopts No.16 hydrogel as working material. Depending on the model machine, the experimental results show that the material could meet the characteristic request of drive-device.
温差能驱动装置是一种将热能转换为机械能的装置。本文研究了温差能驱动装置的循环过程，从热力学的角度分析了它的热循环机理，给出了装置热效率的估算方法。针对装置中存在的不可逆过程，建立了不可逆卡诺热机模型以及基本优化公式，对于驱动装置的结构优化和效率的提高具有理论指导意义。
温差能驱动装置中的热传导问题，是影响装置功率的关键因素。本文根据装置中热传导的特点，建立了求解相变传热的数学模型，介绍了两种求解相变热传导的方法，即焓法和热阻法。
研究温差能驱动装置的关键问题是工质材料的选择。本文在对多种材料进行分析的基础上，首次采用了具有温敏特性的相变材料十六号水凝胶作为温差能驱动装置的工质材料，通过对材料特性参数的测定，验证了材料的可行性。
本文研制出以十六号水凝胶作为工质材料的温差能驱动装置的试验样机，试验结果表明，该材料基本满足驱动装置的特性要求。
Ocean’s temperature difference energy is a kind of reproducible and clean energy. Compared with underwater vehicles, which is driven by electricity, AUV (Autonomous Underwater Vehicle) by temperature difference energy has wider range, longer voyage and deeper submergence. It will have more expansive foreground.
Drive-device depending on Ocean’s temperature difference energy can transform heat energy to mechanical energy. This thesis investigates the circulation processes of the drive-device, analyses the principle of heat circulation processes and shows the way to estimate the device’s thermal efficiency. The model of irreversible Carnot heat engine and optimum formula being set up according to irreversible processes in the device, that has guide significance in academics on optimizing structure of drive-device and improving efficiency.
Heat conduction in drive-device depending on temperature difference energy is the key factor to affect the power of drive-device. According to the features of heat conduction, the mathematics model on phase change heat conduction is set up, two kinds of methods to solve phase change heat conduction is introduced, and one is enthalpy method, the other is heat-resistance method.
The key problem in learning drive-device depending on temperature difference energy is to choose working medium. This device adopts No.16 hydrogel as working medium which is a kind of temperature?sensitive?PCM (Phase Change Material).The material’s feasibility is proved by measuring material’s characteristic parameters.
The model machine of drive-device depending on temperature difference energy is developed, which adopts No.16 hydrogel as working material. Depending on the model machine, the experimental results show that the material could meet the characteristic request of drive-device.
引文
[1]朱光文，我国海洋探测技术五十年发展的回顾与展望（一），海洋技术 ， 1999， 2：1
[2]刘建成，万 磊 ，戴 捷等，水下机器人推力器容错控制技术的研究， 机器人，2003，25（2）：1
[3]燕奎臣， 李一平， 袁学庆， 远程自治水下机器人研究，机器人，2002，7，24（4）：1(2
[4]封锡盛， 刘永宽，自治水下机器人研究开发的现状和趋势，高技术通讯， 1999，9：1
[5]周善元，21世纪的新能源(海洋能，江西能源，2002（1）
[6]朱继懋，潜水器设计，上海：上海交通大学出版社，1992
[7]Webb, Douglas C.,“SLOCUM: An underwater glider propelled by environmental energy”, IEEE Journal of Oceanic Engineering v 26 n 4 October 2001 p 447-
[8]Webb, Douglas C., “Simplified approach to the prediction and optimization of performance of underwater gliders”，Proceedings of the International Symposium on Unmanned Untethered Submersible Technology 1997 p 60
[9]Webb,Douglas C., “Drifting, rotating deep-ocean shearmeter” ,Oceans Conference Record (IEEE) v 2 Oct 6-9 1997
[10]华自强，工程热力学，北京：高等教育出版社，1986
[11]陈贵堂, 工程热力学, 北京： 北京理工大学出版社，1998
[12]Gordon J M. Observation on efficiency of heat engines operation at maximum power .Am J Phys, 1991 ,59(6):551
[13]Gordon J M et al. General performance characteristic of real heat engines. J Appl Phys,1992,72(3):829
[14]胡经国，关于不可逆卡诺循环，扬州师院学报（自然科学版，1997，17（2）：1
[15]陈林根，曹 水，孙丰瑞，热漏、内不可逆性和导热规律对卡诺热机最优性能的影响，电站系统工程，1998，14（2）：2(4
[16]程俊国， 张洪济，张慕瑾等，高等传热学，重庆：重庆大学出版社，1991.77 (79
[17]邹 进, 黄素逸, 相变热传导的计算, 能源技术, 2000, 1: 1(4
[18]郭宪良, 孔祥谦, 陈善年, 计算传热学, 北京：中国科学技术出版社，1988
[19]A.B.雷柯夫著（苏），裘烈钧、丁履德译，热传导理论，北京: 高等教育出版社， 1955：281～288，92.
[20]宋又王, 工程热物理学报, 1981, 2(4): 360(365
[21]陈则韶, 求解凝固相变热传导问题的简便方法 —热阻法, 中国科学技术大学学报, 1991, 21(3): 2(8
[22]姚康德, 许美萱, 智能材料, 天津, 天津大学出版社, 1996.45(49
[23]单 军, 智能性高聚物水凝胶的种类及其合成方法, 化工新型材料, 1996, 4
[24]祁 荣, 何仲贵, “智能”水凝胶研究进展及其在医药与生物工程中的应用, 沈阳药科大学学报，2001，18（6）：1(4
[25]金曼蓉, 吴长发, 张贵英等, 聚N-烷基丙烯酰胺类凝胶及其温敏特性,高分子学报, 1995，3: 321(325
[26]王昌华, 曹维孝, 新型阴离子型温敏水凝胶, 高等学校化学学报, 1996 17（2）：332(333
[27]廖叶华, 董汝秀, 范 正, 一种温敏萃取凝胶, 高分子学报, 1993 6：672(677
[28]王昌华, 芦英先, 曹维孝, 阳离子型水凝胶的合成与性质, 高分子学报, 1998, 2：236(239
[29]Tanaka T.Collapse of Gels in an Electric Field [J]. Science,1982,218(29):467(469
[30]钟 兴, 王宇新, 王世昌, 温敏凝胶体积相变温度的压敏性, 高分子学报, 1994, 1
[31]卓仁禧, 张先正, 温度及PH敏感聚（丙烯酸）-CO-（丙烯腈）水凝胶的合成及性能研究, 高分子学报, 1997, 4: 500(503
[32]陈双基, 薛 梅, 李福绵, 甲基丙烯酸－N ,N-二甲基氨基乙脂及其聚合物的热和PH响应性, 高分子学报, 1995, 3：373(376
[33]卓仁禧, 张先正, 温度及PH敏感聚（丙烯酸）/聚（N-异丙基丙烯酰胺）互穿聚合物网络水凝胶的合成及性能研究, 高分子学报, 1998, 1：39(42
[34]Irie M. Properties and applications of photoresponsive polymers [J]. Pure & Appl Chem ,1990,62(8): 1499(1502.
[35]Suzaki A, Tanake T. Phase transition in polymer gels induced by visible light [J]. Nature ,1990,346(26):345(357
[36]丁小斌, 孙宗华, 万国祥等, 热敏性高分子包裹的磁性微球的合成, 高分子学报, 1998，5：628(631
[37]李文俊, 王汉夫, 卢玉华等, 壳聚糖.聚丙烯酸配合物半互穿聚合物网络膜及其对PH和离子的刺激响应, 高分子学报, 1997，1：106(110
[38]金曼蓉，吴长发，王世昌, 聚N-异丙基丙烯酰胺类凝胶及其温敏特性和酸敏性的研究, 化工学报, 1991, 19(2)
[39]金曼蓉, 尹秋山, 高吸水性树脂及其应用, 水处理技术, 1987, 4
[40]钟 兴, 王宇新, 王世昌, 温敏凝胶体积相变温度的压敏性, 高分子学报, 1994, 1
[41]Freund M ,Csikos R, Keszthelyi S and Mozes GY, Paraffin products, properties, technologies, applications, Elesevier Scientific Publishing Company,1982
[42][匈] M.弗罗因德, 石蜡产品的性质、生产及反应,烃加工出版社, 1988.129(130
[43]姚仲鹏, 王瑞君, 张喜军, 传热学, 北京: 北京理工大学出版社, 1995
[2]刘建成，万 磊 ，戴 捷等，水下机器人推力器容错控制技术的研究， 机器人，2003，25（2）：1
[3]燕奎臣， 李一平， 袁学庆， 远程自治水下机器人研究，机器人，2002，7，24（4）：1(2
[4]封锡盛， 刘永宽，自治水下机器人研究开发的现状和趋势，高技术通讯， 1999，9：1
[5]周善元，21世纪的新能源(海洋能，江西能源，2002（1）
[6]朱继懋，潜水器设计，上海：上海交通大学出版社，1992
[7]Webb, Douglas C.,“SLOCUM: An underwater glider propelled by environmental energy”, IEEE Journal of Oceanic Engineering v 26 n 4 October 2001 p 447-
[8]Webb, Douglas C., “Simplified approach to the prediction and optimization of performance of underwater gliders”，Proceedings of the International Symposium on Unmanned Untethered Submersible Technology 1997 p 60
[9]Webb,Douglas C., “Drifting, rotating deep-ocean shearmeter” ,Oceans Conference Record (IEEE) v 2 Oct 6-9 1997
[10]华自强，工程热力学，北京：高等教育出版社，1986
[11]陈贵堂, 工程热力学, 北京： 北京理工大学出版社，1998
[12]Gordon J M. Observation on efficiency of heat engines operation at maximum power .Am J Phys, 1991 ,59(6):551
[13]Gordon J M et al. General performance characteristic of real heat engines. J Appl Phys,1992,72(3):829
[14]胡经国，关于不可逆卡诺循环，扬州师院学报（自然科学版，1997，17（2）：1
[15]陈林根，曹 水，孙丰瑞，热漏、内不可逆性和导热规律对卡诺热机最优性能的影响，电站系统工程，1998，14（2）：2(4
[16]程俊国， 张洪济，张慕瑾等，高等传热学，重庆：重庆大学出版社，1991.77 (79
[17]邹 进, 黄素逸, 相变热传导的计算, 能源技术, 2000, 1: 1(4
[18]郭宪良, 孔祥谦, 陈善年, 计算传热学, 北京：中国科学技术出版社，1988
[19]A.B.雷柯夫著（苏），裘烈钧、丁履德译，热传导理论，北京: 高等教育出版社， 1955：281～288，92.
[20]宋又王, 工程热物理学报, 1981, 2(4): 360(365
[21]陈则韶, 求解凝固相变热传导问题的简便方法 —热阻法, 中国科学技术大学学报, 1991, 21(3): 2(8
[22]姚康德, 许美萱, 智能材料, 天津, 天津大学出版社, 1996.45(49
[23]单 军, 智能性高聚物水凝胶的种类及其合成方法, 化工新型材料, 1996, 4
[24]祁 荣, 何仲贵, “智能”水凝胶研究进展及其在医药与生物工程中的应用, 沈阳药科大学学报，2001，18（6）：1(4
[25]金曼蓉, 吴长发, 张贵英等, 聚N-烷基丙烯酰胺类凝胶及其温敏特性,高分子学报, 1995，3: 321(325
[26]王昌华, 曹维孝, 新型阴离子型温敏水凝胶, 高等学校化学学报, 1996 17（2）：332(333
[27]廖叶华, 董汝秀, 范 正, 一种温敏萃取凝胶, 高分子学报, 1993 6：672(677
[28]王昌华, 芦英先, 曹维孝, 阳离子型水凝胶的合成与性质, 高分子学报, 1998, 2：236(239
[29]Tanaka T.Collapse of Gels in an Electric Field [J]. Science,1982,218(29):467(469
[30]钟 兴, 王宇新, 王世昌, 温敏凝胶体积相变温度的压敏性, 高分子学报, 1994, 1
[31]卓仁禧, 张先正, 温度及PH敏感聚（丙烯酸）-CO-（丙烯腈）水凝胶的合成及性能研究, 高分子学报, 1997, 4: 500(503
[32]陈双基, 薛 梅, 李福绵, 甲基丙烯酸－N ,N-二甲基氨基乙脂及其聚合物的热和PH响应性, 高分子学报, 1995, 3：373(376
[33]卓仁禧, 张先正, 温度及PH敏感聚（丙烯酸）/聚（N-异丙基丙烯酰胺）互穿聚合物网络水凝胶的合成及性能研究, 高分子学报, 1998, 1：39(42
[34]Irie M. Properties and applications of photoresponsive polymers [J]. Pure & Appl Chem ,1990,62(8): 1499(1502.
[35]Suzaki A, Tanake T. Phase transition in polymer gels induced by visible light [J]. Nature ,1990,346(26):345(357
[36]丁小斌, 孙宗华, 万国祥等, 热敏性高分子包裹的磁性微球的合成, 高分子学报, 1998，5：628(631
[37]李文俊, 王汉夫, 卢玉华等, 壳聚糖.聚丙烯酸配合物半互穿聚合物网络膜及其对PH和离子的刺激响应, 高分子学报, 1997，1：106(110
[38]金曼蓉，吴长发，王世昌, 聚N-异丙基丙烯酰胺类凝胶及其温敏特性和酸敏性的研究, 化工学报, 1991, 19(2)
[39]金曼蓉, 尹秋山, 高吸水性树脂及其应用, 水处理技术, 1987, 4
[40]钟 兴, 王宇新, 王世昌, 温敏凝胶体积相变温度的压敏性, 高分子学报, 1994, 1
[41]Freund M ,Csikos R, Keszthelyi S and Mozes GY, Paraffin products, properties, technologies, applications, Elesevier Scientific Publishing Company,1982
[42][匈] M.弗罗因德, 石蜡产品的性质、生产及反应,烃加工出版社, 1988.129(130
[43]姚仲鹏, 王瑞君, 张喜军, 传热学, 北京: 北京理工大学出版社, 1995