CN102102564A - 一种真空结构式热机废气能量回收利用装置 - Google Patents

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方祖华
张雯
沈丹墨
沈杰
车子君
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Abstract

本发明是一种节能减排装置，一种真空结构式热机废气能量回收利用装置，包括圆筒形的真空保温筒身(I)，位于真空保温筒身(I)中间的废气-水热交换器(II)，位于两端的废气消音器(III)和两端的连接部件(IV)；所述真空保温筒身(I)的内层加热内胆(3)和外层保护外壳(12)之间为真空；在所述废气-水热交换器(II)的水箱内垂直于水箱轴线设置若干折流板(13)，折流板(13)的直径小于水箱的直径，以交叉偏心的位置固定在水箱侧壁，高温导热管(5)密封穿套于孔内；本发明具有双层套筒的真空隔热结构以减少整个装置热损失，提高换热效率。在多束导热管上设有折流板，使待加热的液体流程增加，换热更充分。废气噪声降低，构造简单紧凑，体积小，重量轻，阻力小，传热系数高，无运动部件等优点。

Description

一种真空结构式热机废气能量回收利用装置
技术领域
本发明是一种节能减排的环境友好型装置，具体是对内燃机废气余热利用的一种装置。
背景技术
近年来，随着全球能源消耗日益增加、环境污染问题日益严重，经济社会发展与能源环境的矛盾更加突出，节能减排逐渐成为新时期各行各业工作的重中之重。在能源动力中，新能源技术正在逐步开发，完全取代石油资源还需相当长的时间，传统内燃机技术相当成熟，汽油机、柴油机等传统动力仍将在各个行业中发挥重要作用，内燃机如何高效节能减排在这能源结构形式转变的过渡期就显得至关重要。
汽油机、柴油机等内燃机的热效率只有30-45％，燃料燃烧总热量的55％-70％以排出废气和冷却水循环散热等方式被带到大气中，此部分能量未得到利用，此外，内燃机等热机排放的废气余热对环境还有严重热污染，因此如何高效利用这部分能量对于内燃机的节能减排是关键的，设计一套高效的热机能量回收利用装置具有重要的使用价值及现实意义。
目前利用内燃机余热的装置、机构不少，但是热利用效率不高，而且机构庞大，噪音大，还难以普遍推广应用。
发明内容
本发明的目的是，采用一种真空结构式热机废气能量回收利用装置，提高热机的利用效率，且达到结构紧凑、体积小、噪音低的目的，可应用于非移动设备和移动设备的内燃机上，本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种真空结构式热机废气能量回收利用装置，其特征在于：
所述废气能量回收利用装置包括圆筒形的真空保温筒身，位于真空保温筒身中间的废气-水热交换器，位于废气-水热交换器两端的废气消音器和两端的连接部件；
所述真空保温筒身为双层套筒，内层加热内胆和外层保护外壳之间为真空；
所述废气-水热交换器为封闭水箱，两端的热交换器前板和热交换器后板之间设置多根高温导热管，热交换器前板和热交换器后板上分别开设一根待加热进水管和一根待加热出水管；
在所述废气-水热交换器的水箱内垂直于水箱轴线设置若干折流板，折流板的直径小于水箱的直径，以交叉偏心的位置固定在水箱侧壁，折流板上开设与水箱中高温导热管数量相同、位置相应的孔，高温导热管密封穿套于孔内；
所述废气消音器的结构为，自两端的热交换器前板和热交换器后板分别向外侧连接两锥形的渐扩管和渐缩管，在渐扩管和渐缩管中分别置入开口朝外废气导入管和废气导出管，废气导入管和废气导出管呈圆筒形的杯状，在废气导入管和废气导出管的壁部和底部开设多个通气孔；
所述连接部件为法兰盘或螺纹连接口；
所述水管和气管的进、出方向可以是同向，也可以是逆向。
进一步的是，最两端的折流板固定在开设待加热进水管或待加热出水管一侧的水箱壁上。
进一步的是，所述高温导热管以焊接方式穿套固定于折流板上的孔内。
进一步的是，所述水管和气管的进、出方向是逆向。
采用本技术方案，在废气-水热交换器封闭水箱内，两端的热交换器前板和热交换器后板之间设置多根高温导热管，热交换器前板和热交换器后板上分别开设一根待加热进水管和一根待加热出水管，待加热冷水经过在封闭水箱内与多根高温导热管充分接触、换热可以得到很高的热量，而封闭水箱又处在真空保温筒身的双层套筒内，内层加热内胆和外层保护外壳之间为真空，使得换热、加热后的水温不易向外界散发，在待加热出水管中能取得较高温度的热水。
高温的废气不是直接、简单地由进出气管进入和排出，而是经过了“自两端的热交换器前板和热交换器后板分别向外侧连接两锥形的渐扩管和渐缩管，在渐扩管和渐缩管中分别置入开口朝外废气导入管和废气导出管，废气导入管和废气导出管呈圆筒形的杯状，在废气导入管和废气导出管的壁部和底部开设多个通气孔”，由此，急速的进、出气被瞬间细化、分散、减弱了，随之高分贝的噪音也得到降低。
所述废气-水高效热交换器，由若干导热管和多个折流板部件组成，导热管束穿套在多个折流板部件上，两者在结合处焊接，导热管将流入的废气分成多路，使热交换更充分。
多根导热管轴向之间由折流板部件起导流作用，使被加热水加热更充分。所述折流板部件为前后折流板位置错开，使被加热水曲折前进，加长待加热水在加热水箱中的滞留时间。其结构为，在折流板部件上钻一系列孔，用于使导热管穿过它。折流板的圆心与导热管的定位圆心为偏心结构，其偏心值为e，导热管定位圆心与折流板圆心偏心位置可以视折流板个数而定，如需4个，则每个折流板偏心位置可转过90°。在水箱加热器中不同位置折流板的偏心方向设计不同，目的是使折流板能在不同的方向上与水箱壁产生间隙，使待加热水流通。
废气导入管和废气导出管呈圆筒形的杯状，在废气导入管和废气导出管的壁部和底部开设多个通气孔，可以增大废气流通面积。其底板可以是带圆孔的弧形板，也可以是无弧度的直板。
所述废气消音部件包括废气流入部件和废气流出部件两个部分，废气流入部件是由废气导入管和渐扩管焊接而成，废气流出部件是由废气导出管和渐缩管焊接而成。所述渐扩管和渐缩管呈锥形，其渐扩、渐缩结构使废气能量在其中被吸收，使废气能量得到消耗，降低热机的排气噪声。
渐扩管的渐扩效果还可降低废气流速，减少热交换器前板受到的废气冲击，使整个装置工作更可靠。
废气导入管与废气导出管，在管子的圆周开有多排废气通过孔，增大排气面积，可以减小对热交换器前板受到的废气冲击和降低噪音。
所述进出水部件中一进水管接头可以位于整个装置的废气出口端，出水管接头可以位于在整个装置的废气入口端，如此配置使得被加热水冷流和废气热源两者逆流换热，可以得到更高的出水温度，提高热转换效率。
本发明的优点和有益效果：
①该装置采用独特双层套筒的真空隔热结构，以减少整个装置热损失，提高换热效率。
②该装置采用的废气-水热交换器热管由导热铜管、外壳和折流板组成，其构造简单、紧凑。
③导热管采用多管束加热设计，使换热更充分。
④在多束导热管上设有折流板，使待加热的液体流程增加，换热更充分。
⑤通过本装置后的废气能量被大大吸收，废气噪声降低。
⑥废气进出管采用多孔结果，壳侧采用渐扩管形式，废气对热交换器的冲击减少，提高整体装置的使用可靠性。
⑦被加热水冷流和废气热源为逆流换热，提高热转换效率。
该装置还具有体积小，重量轻，阻力小，传热系数高，以及无运动部件等优点。
附图说明
图1是本发明真空结构式热机废气能量回收利用装置的一种实施方式结构剖视示意图；
图2是图1的零件指示图；
图3是本发明的折流板以偏心方式固定在水箱侧壁的结构示意图；
图4是本发明真空结构式热机废气能量回收利用装置配置在汽车上的一种实施方式结构示意图。
图中，0是废气能量回收利用装置(本发明)、1是废气导出管、2是待加热出水管、3是加热内胆、5是导热管、6是渐扩管、7是法兰盘、8是废气导入管、9是待加热进水管、10是热交换器前板、12是外壳、13是折流板、14是热交换器后板、15是渐缩管。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明进行详细说明。
一种真空结构式热机废气能量回收利用装置，
所述废气能量回收利用装置包括圆筒形的真空保温筒身I，位于真空保温筒身I中间的废气-水热交换器II，位于废气-水热交换器II两端的废气消音器III和两端的连接部件IV；
所述真空保温筒身I为双层套筒，内层加热内胆3和外层保护外壳12之间为真空；
所述废气-水热交换器II为封闭水箱，两端的热交换器前板10和热交换器后板14之间设置多根高温导热管5，热交换器前板10和热交换器后板14上分别开设一根待加热进水管9和一根待加热出水管2；
在所述废气-水热交换器II的水箱内垂直于水箱轴线设置若干折流板13，折流板13的直径小于水箱的直径，以交叉偏心的位置固定在水箱侧壁，折流板13上开设与水箱中高温导热管5数量相同、位置相应的孔，高温导热管5密封穿套于孔内；
所述废气消音器III的结构为，自两端的热交换器前板10和热交换器后板14分别向外侧连接两锥形的渐扩管6和渐缩管15，在渐扩管6和渐缩管15中分别置入开口朝外废气导入管8和废气导出管1，废气导入管8和废气导出管1呈圆筒形的杯状，在废气导入管8和废气导出管1的壁部和底部开设多个通气孔；
所述连接部件IV为法兰盘7或螺纹连接口；
所述水管和气管的进、出方向可以是同向，也可以是逆向。
最两端的折流板13固定在开设待加热进水管9或待加热出水管2一侧的水箱壁上。本技术方案可以保证水箱中的水流经较长的路径，获得较大的热量。
所述高温导热管5以焊接方式穿套固定于折流板13上的孔内，折流板13也以焊接方式固定于水箱内壁。
所述水管和气管的进、出方向为逆向。经计算和试验，逆向方式获得的热效率更高。
以下结合附图和实施例，对本发明作详细说明。
实施例一
如图4所示为两套系统，系统一可加热座椅(图中实线回路)，通过废气能量回收利用装置0，将热水泵入加热坐垫，由坐垫中一系列管路将热水可控地流过驾驶座椅，为其加热，加热过的水则通过管路流回热能回收利用装置进行加热，为下一次坐垫加热做准备。因此，有了该装置冬天的驾乘更舒适，
系统二(图中虚线回路)，该系统可为驾乘人员提供暖风。该系统由本发明废气能量回收利用装置0，发热器、给水泵，冷却水箱组成。
热水发生器通过吸收热机排出的废热，加热来自冷却水箱的水，并由水泵将加热过的水送入发热器中发热，并由风扇将该部分热能吹入驾驶室，给驾乘人员供暖。
此外，由于发动机工作并非稳态，当热机在高负荷下工作，尾气热能大，被加热水的温度也自然高，而当热机负荷小时，则正相反，因此得有处理器处理来自热水发生器的水温传感器传来的温度信息，控制水泵的排量，使热水稳定在合适的温度值上。
实施例二
该装置安装在非移动设备的热机上，如发电机组，将其通过法兰与发动机排气管相连，热机工作时，待加热的水和进水管相连，进入该装置的热交换器，和热交换器内通过的废气充分交换热量后，经过出水管流出，可用作洗澡热水等。以1.8L的发动机为例，各部件的几何尺寸取以下值：
热机排气管的直径d3＝50mm
D-外壳直径           D＝128mm
d1-加热内胆直径      d1＝120mm
d2-导热管直径        d2＝12mm；
d3-热机排气管直径    d3＝50mm
L1-外壳长度          L1＝280mm
L2-渐缩(扩)管高度    L2＝80mm
遵循如下关系式：D＝d1+8mm；
Figure BDA0000042742170000061
Figure BDA0000042742170000062
d1∶d2∶d3＝10∶1∶4.17；d1∶d3＝2.56经试验取得较好的热效率。

Claims (4)

1.一种真空结构式热机废气能量回收利用装置，其特征在于：
所述废气能量回收利用装置包括圆筒形的真空保温筒身(I)，位于真空保温筒身(I)中间的废气-水热交换器(II)，位于废气-水热交换器(II)两端的废气消音器(III)和两端的连接部件(IV)；
所述真空保温筒身(I)为双层套筒，内层加热内胆(3)和外层保护外壳(12)之间为真空；
所述废气-水热交换器(II)为封闭水箱，两端的热交换器前板(10)和热交换器后板(14)之间设置多根高温导热管(5)，热交换器前板(10)和热交换器后板(14)上分别开设一根待加热进水管(9)和一根待加热出水管(2)；
在所述废气-水热交换器(II)的水箱内垂直于水箱轴线设置若干折流板(13)，折流板(13)的直径小于水箱的直径，以交叉偏心的位置固定在水箱侧壁，折流板(13)上开设与水箱中高温导热管(5)数量相同、位置相应的孔，高温导热管(5)密封穿套于孔内；
所述废气消音器(III)的结构为，自两端的热交换器前板(10)和热交换器后板(14)分别向外侧连接两锥形的渐扩管(6)和渐缩管(15)，在渐扩管(6)和渐缩管(15)中分别置入开口朝外废气导入管(8)和废气导出管(1)，废气导入管(8)和废气导出管(1)呈圆筒形的杯状，在废气导入管(8)和废气导出管(1)的壁部和底部开设多个通气孔；
所述连接部件(IV)为法兰盘(7)或螺纹连接口；
所述水管和气管的进、出方向可以是同向，也可以是逆向。
2.根据权利要求1所述真空结构式热机废气能量回收利用装置，其特征在于最两端的折流板(13)固定在开设待加热进水管(9)或待加热出水管(2)一侧的水箱壁上。
3.根据权利要求1所述真空结构式热机废气能量回收利用装置，其特征在于所述高温导热管(5)以焊接方式穿套固定于折流板(13)上的孔内。
4.根据权利要求1所述真空结构式热机废气能量回收利用装置，其特征在于所述水管和气管的进、出方向为逆向。
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