CN101645679B - 以柴油机余热为热源的碱金属热电直接转换器发电装置 - Google Patents

以柴油机余热为热源的碱金属热电直接转换器发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种以柴油机余热为热源的碱金属热电直接转换器发电装置。柴油机的排气管道排出的排气，连接于热交换器上的传热工质流入端口，热交换器设置于蓄热器内部，热交换器的周围为蓄热器的吸热材料，热交换器和蓄热器之间有绝热密封装置，碱金属热电转换装置与蓄热器通过接口连接，蓄热器中的热量通过其热输出接口和碱金属热电转换装置的热输入接口传导到碱金属热电转换装置内，使碱金属热电转换装置内的碱金属工质达到工作条件要求，碱金属热电转换装置工作产生电流，电流经其正极流出流过负载做功后回到负极。本发明用柴油机的排气作为碱金属热电直接转换器的热源，有效地利用了资源，提高了能量的利用效率。

Description

以柴油机余热为热源的碱金属热电直接转换器发电装置
(一)技术领域
本发明涉及的是一种动力能源领域的能量综合利用系统，具体地说是一种用柴油机的排气作为碱金属热电直接转换器的热源的发电装置。
(二)背景技术
当今社会，能源问题已经成为困扰人类社会进步和发展的重大课题之一。自从英国工业革命以来，以煤炭、石油和天然气等化石燃料为一次能源的供能系统极大地促进和推动了世界各国的经济发展。但是地球上的能源并不是取之不尽用之不竭的，自1973年世界发生石油危机以来，加上环境污染的加剧，节能问题日益引起了人们的重视。如何提高能源的利用率，减少资源的浪费，保护人类赖以生存的环境是许多人致力研究的课题。进入21世纪，我国的能源问题，尤其是石油问题，也变得日益严重。我国的矿物能源储量比较丰富，但是人均能源资源却只有世界人均能源资源的二分之一左右。二十多年来，我国经济快速、持续发展，其发展速度与质量为世界所瞩目。但同时又面临着有限的化石燃料资源和更高的环境保护要求的严峻挑战，目前我国已经世界第二大石油进口国，能源问题十分紧迫。
内燃机尤其是内燃机的主力军-柴油机是一个耗油大户。船舶柴油机燃料产生的热能中大约50％左右转化为柴油机的输出功，其余50％左右通过排气、冷却水等排放到船外，造成很大的能源浪费，以排气和气缸冷却水、活塞冷却水的排热占主要部分。其中排气废热约占燃油总热量的18％，而这其中真正可供利用的可达12％，冷却水带出的热量约占燃油总热量的16％，柴油机其它散热占燃油总热量的的比例大约为16％。但是并不是所有的除了输出功以外的50％的能量都能拿来进行余热再利用的，比如柴油机的其它散热这项，这部分热量主要通过柴油机机体、空气冷却器、滑油冷却器、油头冷却器等多条途径散失，这部分余热利用较困难，经济价值不高。在可再利用的余热中由于热量自身性质的不同(温度、压力等参数)其可应用的范围也不同。
对余热的利用不仅仅是利用余热的多少，更重要的是根据余热的品质好坏提高其利用的经济性。余热的温度越高，其品质越好，利用价值也越高。柴油机废气能量约占燃油总热量18％左右，其可利用部分也达12％左右，约为柴油机有效功率的1/4。
碱金属热电转换装置(the Alkali Metal Thermal to Electric converter)简写为AMTEC，是一种新型能量转换技术，它以液态碱金属或气态碱金属(锂、钾、钠)为工质，β”-Al2O3固体电解质(BASE)为离子选择性渗透膜，这种陶瓷材料对离子是良导体，而对电子几乎是绝缘体，这是碱金属热电转换器工作的基础。理论上，热电转换效率可达30％-40％。AMTEC可直接将太阳能、外部燃烧、放射性同位素、反应器热源和余热产生的热能转换成电能。工质钠(液态或气态)在封闭循环系统中运行，其转换过程特点为等温膨胀/压缩，等压加热，因此可获得高效率。AMTEC具有很多优点：洁净无噪声、设备结构紧凑、维护量小、适合分散布置等。
在柴油机众多的余热中，排气废热的温度大约在400℃左右，在一定的条件下这可以满足碱金属热电直接转换器对热源温度的要求，可用来作为AMTEC的热源使用。AMTEC可使这部分余热得到很好的利用。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种合理利用柴油机的排气余热，以期对这些能量进行合理的利用，提高能量的利用效率的以柴油机余热为热源的碱金属热电直接转换器发电装置。
本发明的目的是这样实现的：
柴油机的排气管道排出的排气，连接于热交换器上的传热工质流入端口，热交换器设置于蓄热器内部，热交换器的周围为蓄热器的吸热材料，热交换器和蓄热器之间有绝热密封装置，排气余热经热交换器的外壁兼导热层传导到蓄热器吸热材料储存在蓄热器中，碱金属热电转换装置与蓄热器通过接口连接，蓄热器中的热量通过其热输出接口和碱金属热电转换装置的热输入接口传导到碱金属热电转换装置内，使碱金属热电转换装置内的碱金属工质达到工作条件要求，碱金属热电转换装置工作产生电流，电流经其正极流出流过负载做功后回到负极，废气先后经过热交换器的排气流出端口和废气排放管道排出。
柴油机的排气管道通过连接件连接一外部附加排气管道，外部附加排气管道外部有一层保温层，外部附加排气管道连接于热交换器上的传热工质流入端口。
所述蓄热器为高温相变蓄热器或者高温化学蓄热器。
为了满足碱金属热电直接转换器的工作条件要求，需要用蓄热器将从热源获得的热量储存起来，从而保证温度能够稳定在AMTEC工作所需要的温度范围内。AMTEC和蓄热器具有相应的接口，利用柴油机的排气余热(约400℃)作为AMTEC的热源在一定条件下可以保证蓄热器的温度在AMTEC的适用温度范围内，用其结合AMTEC进行发电有利于对能源进行合理有效的利用。使用蓄热器在一方面保证了热源条件满足AMTEC工作条件的要求，另一方面在柴油机的排气不能连续供应的时候还能将热量储存起来以保证AMTEC的工作更具有连续性。
本发明是一种动力能源领域的能量综合利用系统，用柴油机的排气作为碱金属热电直接转换器的热源，有效地利用了资源，提高了能量的利用效率。
(四)附图说明
附图说明
图1是本发明的连接关系框图；
图2是排气管道到蓄热器的连接方式示意图；
图3是热交换器和蓄热器的连接方式示意图；
图4是蓄热器和AMTEC连接方式示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
在图1-图4中，1：柴油机排气管道；2：连接件；3：附加排气管道管外的保温层；4：附加排气管道；5：热交换器；6：利用后的废气排气管道；7：蓄热器；8：蓄热器外壁；9：绝热密封装置；10：蓄热器内的吸热单元；11：热交换器的外壁兼导热层；12：蓄热器内的其它结构；13：碱金属热电直接转换器；A：热交换器上的传热工质流出端口；B、蓄热器上的热输出端口；C：热交换器上的传热工质流入端口；D：AMTEC上用来连接蓄热器的热输入接口E：AMTEC的电源正极；F：AMTEC的电源负极；G：AMTEC的高温端；H：AMTEC的低温端；a：柴油机排气；b：利用后的废气；柴油机的排气通过排气管道1排出，排气管道1通过连接件2连接到外部的附加排气管道4，4外部有一层保温层3确保热量不至于泄露，柴油机的排气经过4后经过热交换器上的传热工质流入端口C流入热交换器5，5处于蓄热器7内部，其周围是蓄热器的吸热材料10，热交换器和蓄热器之间有绝热密封装置9保证蓄热器内热量不泄露，排气余热经热交换器的外壁兼导热层11传导到蓄热器吸热材料10，经过蓄热器内其它结构12的一系列的工作过程储存在蓄热器中。当碱金属热电直接转换器13和蓄热器7连接时蓄热器中的热量通过其热输出接口B和AMTEC的热输入接口D传导到AMTEC内，使AMTEC内的碱金属工质达到工作条件要求，AMTEC工作产生电流，电流经其正极E流出流过负载做功后到负极F。而利用完的废气则先后经过热交换器的排气流出端口A和废气排放管道6排出(可直接排出也可进行再利用)。

Claims (3)

1.一种以柴油机余热为热源的碱金属热电直接转换器发电装置，其特征是：柴油机的排气管道排出的排气，连接于热交换器上的传热工质流入端口，热交换器设置于蓄热器内部，热交换器的周围为蓄热器的吸热材料，热交换器的两端和蓄热器之间有绝热密封装置，排气余热经热交换器的外壁兼导热层传导到蓄热器吸热材料储存在蓄热器中，碱金属热电转换装置与蓄热器通过接口连接，蓄热器中的热量通过其热输出接口和碱金属热电转换装置的热输入接口传导到碱金属热电转换装置内，使碱金属热电转换装置内的碱金属工质达到工作条件要求，碱金属热电转换装置工作产生电流，电流经其正极流出流过负载做功后回到负极，废气先后经过热交换器的排气流出端口和废气排放管道排出。
2.根据权利要求1所述的以柴油机余热为热源的碱金属热电直接转换器发电装置，其特征是：柴油机的排气管道通过连接件连接一外部附加排气管道，外部附加排气管道外部有一层保温层，外部附加排气管道连接于热交换器上的传热工质流入端口。
3.根据权利要求1或2所述的以柴油机余热为热源的碱金属热电直接转换器发电装置，其特征是：所述蓄热器为高温相变蓄热器或者高温化学蓄热器。
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