CN101793185A - 一种发动机余热发电系统及其发电驱动模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发动机余热发电系统及其发电驱动模块，属于发动机余热的再利用技术领域，使用本发明可以有效回收发动机尾气中的余热用于发电，提高能源利用率。该发动机余热发电系统包括发动机余热收集模块和气动发电子系统，气动发电子系统包括发电驱动模块和气液回收装置，发动机余热收集模块包括气体管道、蒸发层、冷却层和保温层，在气体管道与蒸发层之间设有储能层，冷却层位于蒸发层和保温层之间，保温层位于最外层。
Description
技术领域
本发明属于发动机余热的再利用技术领域，具体涉及一种发动机余热发电系统及其发电驱动模块。
背景技术
随着不可再生的石油能源价格的不断攀升和环境污染不断扩大，环保和节能已成为当今社会发展的主题。调查研究表明，发动机燃料燃烧所发出的能量只有部分被有效利用，柴油机的能量利用率一般为34％～38％，汽油机的能量利用率一般为25％～28％，其它的能量被排放到发动机体外，仅由排出的气体带走的热量就占发动机中的燃料所产生热量的30％～45％，而发动机循环冷却水带走的热量则占整个发动机燃料能量的15％～25％。在城市道路中，由于汽车不断的变速及刹车，这导致余热大量排放现象尤为明显，能量浪费严重。
现有的热电转换器一般承受的最大温差在200度左右，最佳温差范围一般为60度至100度，如果温差过大，会影响热电转换器热电转换效率。例如，公开号为CN1794557A的中国专利公开了一种发动机排气管余热发电方法及其发电装置，该发明专利的发电方法是直接利用尾气的温度与发电装置周围环境温度之间的温度差，使热电转换器完成发电功能；发电装置的管壁是热电转换器主体，热电转换器的高温端直接放入排气管内与尾气接触，低温端与周围环境接触。使用该发明专利的余热发电方法，当发动机高速运转时，对热电转换器提供的热量就会过多，热电转换器高温端与低温端之间的温差太大，超出了最佳温差范围，使得热电转换器不能获得最佳的热电转换效率。另外，现有的这种发电设备没有储能装置，不能维持发电的稳定性。即，当发动机空转或者怠速时，发动机排出的尾气热量不足，不能满足热电转换器的需要。
发明内容
为解决现有技术的上述缺陷，本发明的目的是提供一种发动机余热气动发电系统，在发动机高速运转时，将一部分热量产生的气流进行发电，将多余部分的热量储存起来；在发动机空转或者怠速时，将储存起来的热量释放出来，用来产生气流进行发电，保证发电需要。
为实现本发明的目的，采用下述的技术方案：
一种发动机余热发电系统，包括发动机余热收集模块和气动发电子系统，其中：
所述气动发电子系统包括发电驱动模块和气液回收装置，发电驱动模块包括转子、转动轴、转子壳体和气流喷嘴，转子壳体内有一圆柱形空腔，转子位于空腔内；转动轴与发电机相连；气流喷嘴朝向转子端部；在空腔下方设有与空腔相通的气液出口，该气液出口与气液回收装置相连；
所述发动机余热收集模块包括气体管道、蒸发层、冷却层和保温层，在气体管道与蒸发层之间设有储能层，冷却层位于蒸发层和保温层之间，保温层位于最外层；所述蒸发层上设有气流管路与回流管路，气流管路与气动发电子系统的气流喷嘴相通，回流管路与气动发电子系统的气液回收装置相通。
进一步的，所述发动机余热收集模块还可以再包括一层蒸发层，相应的，所述发动机余热发电系统也可以再包括一组所述的气动发电子系统，该蒸发层位于冷却层和保温层之间，该蒸发层上设有气流管路与回流管路，所述气流管路与该第二组气动发电子系统的气流喷嘴相通，所述回流管路与该第二组气动发电子系统的气液回收装置相通。
进一步的，所述气流喷嘴的出气方向与空腔壁相切；在空腔下方设有与空腔相通的集液槽，气液出口通过集液槽与空腔相通。
进一步的，在气流管路上设有蓄能器，蓄能器通过节流阀与气流管路相连。
进一步的，在气体管道的尾气进口端为喇叭状进口端，喇叭口朝向气体管道的入口。
进一步的，所述气体管道内设有格栅，格栅沿垂直于气体管道中气体流通方向分布，用于增加气体管道壁的吸热面积。
进一步的，气流喷嘴可以至少为两个，沿圆柱形空腔周边顺时针或者逆时针方向均匀布置。
进一步的，所述储能层内壁上设有格栅。
进一步的，所述的发动机余热收集模块可以至少为两级，相邻两级发动机余热收集模块的冷却层相通，每一级蒸发层的气流管路相通。
所述气液回收装置包括冷凝器、收集箱、单向阀、增压装置，冷凝器的一端与发电驱动模块的气液出口相连，另一端与收集箱相连，收集箱出口与单向阀进口连接；增压装置一端与单向阀出口连接，另一端与发动机余热收集模块的回流管路相连。
进一步的，所述增压装置为液压泵或增压缸，或液压泵和增压缸的组合。
本发明的目的还在于提供一种发动机余热收集模块，该发动机余热收集模块包括气体管道、冷却层、蒸发层和保温层，在气体管道与蒸发层之间设有储能层，冷却层位于蒸发层和保温层之间，保温层位于最外层；所述蒸发层设有发电气流管路并通过该发电气流管路与外界相通。
进一步的，在冷却层和保温层之间还设有一层蒸发层，该蒸发层设有发电气流管路并通过该发电气流管路与外界相通。
进一步的，在气体管道的尾气进口端为喇叭状进口端，喇叭口朝向气体管道的入口。
进一步的，所述气体管道内设有格栅，格栅沿垂直于气体管道中气体流通方向分布，用于增加气体管道壁的吸热面积。
进一步的，所述储能层内壁上设有格栅。
本发明的目的还在于提供一种发电驱动模块，该发电驱动模块包括转子、转动轴、转子壳体和气流喷嘴，转子壳体内有一圆柱形空腔，转子位于空腔内，气流喷嘴的出气方向与空腔壁相切；在空腔下方设有与空腔相通集液槽，集液槽的下部设有与壳体外部相通的气液出口。
进一步的，气流喷嘴可以至少为两个，沿圆柱形空腔周边顺时针或者逆时针方向均匀布置。
本发明的优点是：通过在蒸发层和气体管道之间设置储能层，可以储存发动机高速运转时多余的热量，在发动机空转或怠速时可以释放出储存的能量，这样可以提高能量的利用率。当发动机处于满负荷工作时，发动机排出的尾气中的热量过多，其中一部分热量储存在储能器层中，另一部分用于产生气流进行发电；当发动机空转或者怠速时，发动机排出的尾气中的热量不足，储存在储能器层中的热量被释放，用于发电。由于发动机排出的尾气温度过高，储能器层可以作为多余热量的缓存装置，保证气流流速的相对稳定，提高能量利用效率，起到发电缓冲作用。
附图说明
下面，结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
图1为本发明第一种发动机余热发电系统实施例的结构示意图；
图2为本发明第二种发动机余热发电系统实施例的结构示意图；
图3为本发明一种发动机余热收集模块实施例的主视图；
图4为本发明一种发动机余热收集模块实施例的左视图；
图5为本发明一种发动机余热收集模块实施例的储能层主视剖面图；
图6为本发明一种发电驱动模块实施例的主视剖面图。
具体实施方式
参照附图1。本发明实施例的一种发动机余热发电系统，包括发动机余热收集模块I和气动发电子系统。在发动机余热收集模块I的蒸发层30上设有气流管路与回流管路，气流管路与气动发电子系统的气流喷嘴114相通，回流管路与气动发电子系统的气液回收装置相通，在气流管路上设有蓄能器70，蓄能器70通过节流阀71与气流管路相连。其中：
所述发动机余热收集模块I包括气体管道10、蒸发层30、冷却层40和保温层50，在气体管道10与蒸发层30之间设有储能层20，冷却层40位于蒸发层30和保温层50之间。在气体管道10的尾气进口端11为喇叭状进口端，喇叭口朝向气体管道10的入口。
所述气动发电子系统包括发电驱动模块110和气液回收装置。在发电驱动模块110的空腔下方设有与空腔相通的气液出口115，该气液出口115与气液回收装置相连。
所述气液回收装置包括冷凝器121、收集箱122、单向阀123、增压装置，冷凝器121的一端与发电驱动模块110的气液出口115相连，另一端与收集箱122相连，收集箱122出口与单向阀123进口连接；增压装置一端与单向阀123出口连接，另一端与发动机余热收集模块I的回流管路相连。所述增压装置可以选液压泵124和增压缸125中的一种或二种的组合。在本实施例中，增压装置采用液压泵124和增压缸125的组合，液压泵124的进口与单向阀123出口连接，液压泵124的进口与增压缸125的油液进口连接，增压缸125的油液出口与发动机余热收集模块I的回流管路相连，同时，增压缸125的进气口与发动机余热收集模块I的气流管路连接。
图2所示为第二种发动机余热发电系统实施例结构示意图。该实施例的发动机余热收集模块冷却层40和保温层50之间设有一层蒸发层31，相应的，所述发动机余热发电系统也要再增加一组如第一种实施例所述的气动发电子系统。增加一层蒸发层及气动发电子系统的目的是为了充分吸收尾气中的余热并用于发电，提高能源利用率。为便于区分，第一种实施例的气动发电子系统称为第一组气动发电子系统，第二种实施例的气动发电子系统称为第二组气动发电子系统。蒸发层31上也设有气流管路与回流管路，该气流管路与第二组气动发电子系统的气流喷嘴214相通，该回流管路与第二组气动发电子系统的气液回收装置220相通。第一组气动发电子系统的发电驱动模块110与第二组气动发电子系统的发电驱动模块210通过插装的方式连接在一起，发电驱动模块110的转动轴112与发电驱动模块210的转动轴212连接在一起，共同带动发电机118转动。
本实施例的发动机余热收集模块I共四级，相邻两级发动机余热收集模块I的冷却层40相通，每一级蒸发层30的气流管路相通，每一级蒸发层31的气流管路也相通；每一级蒸发层30的回流管路相通，每一级蒸发层31的回流管路也相通。相邻两级发动机余热收集模块I可以通过焊接或者通过夹具夹持固定在一起。相邻两级冷却层40的相连接端部设有定位接头，相邻两级发动机余热收集模块I通过定位接头41定位。相邻两级发动机余热收集模块I的气体管道10为相通。
相邻两级发动机余热收集模块I的气体管道10的横截面面积从尾气进口端11到尾气出口端13依次递减，相应地，相邻两级发动机余热发电模块I的储能层20的横截面面积依次递增。这样的设计是因为前一级发动机余热收集模块I吸收尾气热量后，尾气温度降低导致体积收缩，为了保证尾气流速的稳定，有必要将下一级发动机余热发电模块I的气体管道10的横截面面积适当减小。
参照附图3至图5。本发明实施例的一种发动机余热收集模块I，包括气体管道10和冷却层40，还包括保温层50和至少一层蒸发层。本实施例中蒸发层为一层，即蒸发层30，在气体管道10与蒸发层30之间设有储能层20，蒸发层30和保温层50之间设有冷却层40，保温层50位于最外层，蒸发层30通过发电气流管路与外界相通。
为了增加气体管道10壁的吸热面积，可以在气体管道10内设置网格或肋板等格栅12，格栅12沿垂直于气体管道10中尾气流通的方向分布，尾气流经气体管道10时，格栅12能与尾气充分接触，并将捕获的热量传递到与格栅12相连的气体管道壁上。在气体管道10的尾气进口端11为喇叭状进口端，喇叭口朝向气体管道10的入口，这样的设计是为了防止发动机产生背压，即保证气体管道10的有效空气流通横截面积大于发动机排气口的横截面积。
所述储能层20为管状结构，内部为密封的空腔，空腔内装满高温高贮热相变材料，所谓高温高贮热相变材料主要为高相变潜热的固-液相变材料，例如高温结晶水合盐、AlCl3、LiNO3、Na2O2等，为增加高温高贮热相变材料自身的导热性，可在高温高贮热相变材料中添加高导热性能的金属粉末，例如银粉、铜粉或者铝粉，或者添加耐热性能较高的硅油。进一步的，储能层20内壁上可以设有肋板21，也可以设有网格等其它结构，这样的设计是为了增加高温高贮热相变材料在储能层20内的受热面积。
所述蒸发层30为管状结构，内部设有空腔，空腔内装有液体介质。蒸发层30内的液体介质可以为无机溶液，如NH4HSO4溶液等，此无机溶液在高温环境下可以发生化学反应产生大量气体，形成高压气流；该液体介质也可以为有机溶液，如五氟丙烷、三氯三氟乙烷等，此有机溶液在高温环境下会被气化产生大量气体，形成高压气流。
所述冷却层40为冷却水循环腔，空腔内流通有冷却液体介质，通道的两端通过管道连接冷却源，冷却器40通道内的冷却液体介质可以为发动机冷却水。为保证冷却水出口温度能维持发动机正常运转所需温度(约80℃左右)，冷却层40内冷却液体介质的流动方向与尾气的流动方向相反，本实施例中，冷却层的冷却液体介质进口端41与尾气出口端13位于同一侧，以使得冷却层40内冷却液体介质的流动方向与尾气的流动方向相反。
所述保温层50为管状结构，内部为空腔，空腔内填充有保温材料，具有保温作用。
所述蒸发层30、冷却层40和保温层50为C型管状结构，在冷却层40和保温层5的C型口处设有伸出的法兰60，法兰60通过螺栓61固定住。为了避免蒸发层内的液体泄露，蒸发层30的C型口31与冷却层40和保温层50的C型口错开一定角度。采用C型口这样的设计使得安装更方便，便于将储能层20和蒸发层30夹持住。
参照附图6。本发明实施例的一种发电驱动模块110，包括转子111、转动轴112、转子壳体113和气流喷嘴114。转子壳体113内有一卧式圆柱形空腔，转子111位于空腔内，气流喷嘴114的出气方向与空腔壁相切；在空腔下方设有与空腔相通集液槽116，集液槽116的下部设有与转子壳体113外部相通的气液出口115。
所述气流喷嘴114可以至少为两个，沿圆柱形空腔周边顺时针或者逆时针方向均匀布置。所述转子111的尖部设有滑块117，滑块117可以在滑槽中滑动。所述集液槽81为长条状槽，槽的方向可以沿转子周向，也可以沿转子轴线方向。
本发明实施例的工作原理是：发动机排出的尾气从尾气进口端11进入发动机余热收集模块I，流经气体管道10，气体管道10的格栅12及管道壁吸收尾气中的热量，并将热量转移到储能器层20中，在高温环境下，蒸发层30中的液体介质转变成气体，形成高压气流从出气口51流出，高压气流流经节流阀71、蓄能器70和发电驱动模块110。转子111在气流的冲击下带动转轴112转动，同时转轴112带动发电机118转动发电。气流冲击转子111后，部分气流冷却为液体介质，该液体介质和剩余的气流流经集液槽116从发电驱动模块110的气液出口115流出，之后，该液体介质和剩余的气流经过冷凝器103的冷却作用产生的液体介质一同流入收集箱122。最后，收集箱122中的液体介质在液压泵125和增压缸126的作用下从回流口52流回发动机余热收集模块I的蒸发层30，完成一个发电循环过程。
Claims (19)
1.一种发动机余热发电系统，其特征在于包括发动机余热收集模块和气动发电子系统，其中：
所述气动发电子系统包括发电驱动模块和气液回收装置，发电驱动模块包括转子、转动轴、转子壳体和气流喷嘴，转子壳体内有一圆柱形空腔，转子位于空腔内；转动轴与发电机相连；气流喷嘴朝向转子端部；在空腔下方设有与空腔相通的气液出口，该气液出口与气液回收装置相连；
所述发动机余热收集模块包括气体管道、蒸发层、冷却层和保温层，在气体管道与蒸发层之间设有储能层，冷却层位于蒸发层和保温层之间，保温层位于最外层；所述蒸发层上设有气流管路与回流管路，气流管路与气动发电子系统的气流喷嘴相通，回流管路与气动发电子系统的气液回收装置相通。
2.如权利要求1所述的发动机余热发电系统，其特征在于：还包括一层蒸发层和一组如权利要求1所述的气动发电子系统，该蒸发层位于冷却层和保温层之间，该蒸发层上设有气流管路与回流管路，所述气流管路与该第二组气动发电子系统的气流喷嘴相通，所述回流管路与该第二组气动发电子系统的气液回收装置相通。
3.如权利要求1所述的发动机余热发电系统，其特征在于：所述气流喷嘴的出气方向与空腔壁相切；在空腔下方设有与空腔相通的集液槽，气液出口通过集液槽与空腔相通。
4.如权利要求2所述的发动机余热发电系统，其特征在于：所述气流喷嘴的出气方向与空腔壁相切；在空腔下方设有与空腔相通的集液槽，气液出口通过集液槽与空腔相通。
5.如权利要求4所述的发动机余热发电系统，其特征在于：在气流管路上设有蓄能器，蓄能器通过节流阀与气流管路相连。
6.如权利要求5所述的发动机余热发电系统，其特征在于：在气体管道的尾气进口端为喇叭状进口端，喇叭口朝向气体管道的入口。
7.如权利要求6所述的发动机余热发电系统，其特征在于：所述气体管道内设有格栅，格栅沿垂直于气体管道中气体流通方向分布，用于增加气体管道壁的吸热面积。
8.如权利要求5所述的发动机余热发电系统，其特征在于：气流喷嘴至少为两个，沿圆柱形空腔周边顺时针或者逆时针方向均匀布置。
9.如权利要求7所述的发动机余热发电系统，其特征在于：所述储能层内壁上设有格栅。
10.如权利要求1至9任一项所述的发动机余热发电系统，其特征在于：所述的发动机余热收集模块至少为两级，相邻两级发动机余热收集模块的冷却层相通，每一级蒸发层的气流管路相通。
11.如权利要求10所述的发动机余热发电系统，其特征在于：所述气液回收装置包括冷凝器、收集箱、单向阀、增压装置，冷凝器的一端与发电驱动模块的气液出口相连，另一端与收集箱相连，收集箱出口与单向阀进口连接；增压装置一端与单向阀出口连接，另一端与发动机余热收集模块的回流管路相连。
12.如权利要求11所述的发动机余热发电系统，其特征在于：所述增压装置为液压泵或增压缸，或液压泵和增压缸的组合。
13.一种发动机余热收集模块，其特征在于：包括气体管道、冷却层、蒸发层和保温层，在气体管道与蒸发层之间设有储能层，冷却层位于蒸发层和保温层之间，保温层位于最外层；所述蒸发层设有发电气流管路并通过该发电气流管路与外界相通。
14.如权利要求13所述的发动机余热收集模块，其特征在于：在冷却层和保温层之间还设有一层蒸发层，该蒸发层设有发电气流管路并通过该发电气流管路与外界相通。
15.如权利要求13或14所述的发动机余热收集模块，其特征在于：在气体管道的尾气进口端为喇叭状进口端，喇叭口朝向气体管道的入口。
16.如权利要求15所述的发动机余热收集模块，其特征在于：所述气体管道内设有格栅，格栅沿垂直于气体管道中气体流通方向分布，用于增加气体管道壁的吸热面积。
17.如权利要求16所述的发动机余热收集模块，其特征在于：所述储能层内壁上设有格栅。
18.一种发电驱动模块，其特征在于包括转子、转动轴、转子壳体和气流喷嘴，转子壳体内有一圆柱形空腔，转子位于空腔内，气流喷嘴的出气方向与空腔壁相切；在空腔下方设有与空腔相通集液槽，集液槽的下部设有与壳体外部相通的气液出口。
19.如权利要求18所述的发电驱动模块，其特征在于：气流喷嘴至少为两个，沿圆柱形空腔周边顺时针或者逆时针方向均匀布置。
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