CN103114877A

CN103114877A - 一种能量回收装置

Info

Publication number: CN103114877A
Application number: CN2013100742488A
Authority: CN
Inventors: 郑艺华; 刘君; 张纪鹏; 马永志
Original assignee: Qingdao University
Current assignee: Qingdao University
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2013-03-08
Publication date: 2013-05-22
Anticipated expiration: 2033-03-08
Also published as: CN103114877B

Abstract

本发明涉及一种能量回收装置，包括两组半导体温差发电间壁板、壳体、盖板、热流体通道、冷流体通道和涡轮装置。实现了温差发电和涡轮做功的复合能量回收，提高了能量回收效率；涡轮装置的进气口和排气口分别与热流体通道的出口和冷流体通道的入口连通；温差发电的冷流体为流经热流体通道并推动涡轮装置做功后的热流体，无需额外冷源冷却，减少了系统复杂性，并降低成本和空间要求；采用双螺旋布置，冷、热流体热交换方式为逆流，冷流体温度随热流体温度关联变化，温差发电具有高且稳定的温差，可提高发电效率；结构紧凑、传热能力强，能够自清洗。可广泛应用于余热和废热回收、节能减排领域。

Description

一种能量回收装置

技术领域

本发明涉及一种能量回收装置，是复合利用温差发电和涡轮做功的能量回收装置，用于余热和废热回收利用，属于能量回收、节能减排领域。

背景技术

能量回收装置用于回收在各种类型的工作装置操作期间产生的剩余能量，以提高该工作装置的能量效率，其中余热和废热的回收利用价值较高。一次能源在其运送、储存、变换及利用过程中会产生废热并被排掉，这些废热通常达到一次能源总量的2/3，将大量放散的具有一定品位的热能回收利用，对能源节约和环境保护都起到了显著作用。

半导体温差发电是一种直接将热能转换成电能的全固态能量转换方式，在低品位热能利用方面具有优势，低温（300℃以下）、中温（300℃-600℃）、高温（600℃-1000℃）的高性能热电转换材料的出现，为半导体温差发电在余热或废热回收利用的规模应用提供了可能（郑艺华，马永志，温差发电技术及其在节能领域的应用，节能技术，2006，2（5）：142-146）。利用半导体温差转换可靠地发电，重要的是温差足够大并且稳定。目前，大量已有专利和文献涉及余热或废热的温差发电领域，像车辆尾气、锅炉烟气和工业废水的热量回收等（201010117120.1 一种发动机余热发电系统及其发电驱动模块；201010117118.4 一种发动机余热发电装置及其发电模块；00710109938.7 废热回收装置；200380107366.9 废热发电装置；200810172026.9 用于半导体温差发电模块的冷却装置；201110092711.2，一种适用于内燃机的复合式余热回收系统；200510061142.X，一种内冷式温差发电热电装置；徐立珍，李彦，杨知，陈昌和，汽车尾气温差发电的实验研究，清华大学学报(自然科学版)，2010，2（50）：287-289，294）。迄今为止，因温差发电需要形成温差，涉及的技术方案均设置了热源和冷源，其中热端热源来自余热或废热，冷端均使用了额外的冷源，主要采用空冷或液冷的方式进行冷却，增加了系统复杂性及成本和空间要求。以车辆排气温差发电系统为例：空冷方式往往冷却能力不足，冷端温度受环境影响，不稳定；液冷方式常利用冷却系的冷却液，提高了冷却能力，但增加冷却系热负荷，降低能量效率，影响发动机运行；当车辆变负荷导致排气温度变化时，冷端温度不会相应变化，缺乏适应性，难以保证温差恒定。上述问题不仅发生在用于车辆的情况下，还发生在用于其它设备的情况下。涡轮机是利用流体冲击涡轮转动而产生动力的发动机，是广泛用做发电、航空、航海等的动力机。目前，涡轮可以小到使用在车辆引擎内部，也存在数十米的大型涡轮。已有专利（200610118870.4，一种汽车发动机排气涡轮发电装置；201210185966.8 内燃机的尾气驱动涡轮发电装置）利用废气涡轮带动发电机发电，但技术方案和结构与公知的涡轮增压系统无异。对于余热和废热利用的气体，可通过涡轮机输出功，同时温度下降。以车辆涡轮增压为例：除输出机械功利用外，排气在通过涡轮增压器后温度下降100℃-200℃左右，这一温降可为温差发电的驱动温差，而不需要额外的冷源和冷却装置。

目前，未见有不需额外冷源冷却的温差发电系统的相关实用化产品和可行性方案，以及温差发电和涡轮做功有机结合（推动涡轮机做功的温降形成温差，实现稳定发电）的能量回收装置。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供无需额外冷源冷却的温差发电能量回收装置，本发明的另一目的在于提供温差发电和涡轮做功复合能量回收的装置。

本发明的技术方案是一种能量回收装置，是复合利用温差发电和涡轮做功的能量回收装置，包括两组半导体温差发电间壁板、壳体、盖板、热流体通道、冷流体通道、涡轮装置，所述半导体温差发电间壁板沿所述壳体的中心位置平行向外双螺旋形盘绕布置，在所述半导体温差发电间壁板的顶部和底部上分别有所述盖板，所述半导体温差发电间壁板、所述壳体和所述盖板密闭形成所述热流体通道和所述冷流体通道，所述热流体通道和所述冷流体通道的间壁是所述半导体温差发电间壁板，所述半导体温差发电间壁板的热端壁面侧是所述热流体通道，所述半导体温差发电间壁板的冷端壁面侧是所述冷流体通道，所述热流体通道的入口和出口布置在所述壳体的外围和中心位置，所述冷流体通道的出口和入口布置在所述壳体的外围和中心位置，所述壳体上设有所述热流体通道的入口和所述冷流体通道的出口，所述壳体的中心位置设有所述涡轮装置，所述涡轮装置的进气口与所述热流体通道的出口连通，所述涡轮装置的排气口与所述冷流体通道的入口连通，热流体是需进行废热和余热回收的气体或者是吸收废热和余热热量的工质的蒸发气体，冷流体是流经热流体通道并推动涡轮装置做功后的所述热流体，所述热流体推动涡轮装置做功后温度下降，所述热流体和所述冷流体存在温差，所述冷流体温度随所述热流体温度关联变化，所述热流体和所述冷流体间温差基本恒定，所述热流体和所述冷流体分别沿所述热流体通道和所述冷流体通道流动，流动方式是逆流，通过半导体温差发电间壁板进行热量交换，半导体温差发电间壁板输出电能。

所述半导体温差发电间壁板的壁面可以是圆弧形或多边形等形状，进一步地，所述热流体通道和所述冷流体通道的形状随之变化。

所述半导体温差发电间壁板可以通过半导体热电转换材料蚀刻、沉积到基板上制成，或者采用半导体温差发电组件串联和并联制成。

所述半导体温差发电间壁板的壁面可以设置二次换热面（肋片等）和进行其他表面处理方式（多孔表面或锯齿形表面等）以强化换热。

所述半导体温差发电间壁板输出的电能通过调制稳压电路调制到设定电压和电流等参数数值并稳定输出。

所述涡轮装置包括涡轮室、涡轮和涡轮轴，所述涡轮室内设有单级或多级涡轮，所述涡轮安装在所述涡轮轴上，并通过所述涡轮轴输出机械功，输出机械功可以驱动发电机或压缩机等其它用能设备。

所述用于吸收废热和余热热量的工质可以是水、氨、烷类和氟利昂类等低沸点工质。

本发明的有益效果是实现了温差发电和涡轮机做功的复合能量回收，提高了能量回收效率；利用推动涡轮做功的温降，无需额外冷源冷却，减少系统复杂性，降低成本和空间要求；采用双螺旋布置，冷、热流体热交换方式是逆流，冷流体温度随热流体温度关联变化，温差发电具有高且稳定的温差，可提高发电效率；装置结构紧凑、流体沿壁面切向流动，增强传热，能够自清洗。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的主视结构剖面示意图。

图2是本发明的半导体温差发电间壁板采用圆弧形壁面的俯视结构剖面示意图。

图3是本发明的半导体温差发电间壁板采用多边形壁面的俯视结构剖面示意图。

1a半导体温差发电间壁板，1b半导体温差发电间壁板，2壳体，3盖板，4热流体通道，5冷流体通道，6涡轮室，7涡轮，8涡轮轴，9 涡轮装置

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详述，籍由以下结合具体实施例来说明本发明之内容，而非限制本发明之范围。

图1给出了一种能量回收装置，包括半导体温差发电间壁板1a、半导体温差发电间壁板1b、壳体2、盖板3、热流体通道4、冷流体通道5、涡轮室6、涡轮7和涡轮轴8，半导体温差发电间壁板1a、1b沿壳体2的中心位置平行向外双螺旋形盘绕布置，半导体温差发电间壁板的壁面可以是圆弧形，结构如图2所示，也可以是多边形，结构如图3所示，前者由于壁面为弯曲的圆弧形，半导体温差发电间壁板1a、1b最优方案是通过半导体热电转换材料蚀刻、沉积到基板上制成，后者较为方便，半导体温差发电间壁板1a、1b可采用商用半导体温差发电组件串联和并联制成，在半导体温差发电间壁板1a、1b顶部和底部上分别有盖板3，半导体温差发电间壁板1a、1b、壳体2和盖板3密闭形成热流体通道4和冷流体通道5，热流体通道4和冷流体通道5的间壁是半导体温差发电间壁板1a、1b，进一步地，热流体通道4和冷流体通道5的形状随半导体温差发电间壁板1a、1b的形状变化，半导体温差发电间壁板1a、1b的热端壁面侧是热流体通道4，半导体温差发电间壁板1a、1b的冷端壁面侧是冷流体通道5，热流体通道4的入口和出口布置在壳体2的外围和中心位置，冷流体通道5的出口和入口布置在壳体2的外围和中心位置，壳体2上设有热流体通道4的入口和冷流体通道5的出口，壳体2的中心位置设有涡轮装置9，用以流体做功，涡轮装置9由涡轮室6、涡轮7和涡轮轴8组成，涡轮室6的进气口与热流体通道4的出口连通，涡轮室6的排气口与冷流体通道5的入口连通，涡轮室6内部设有单级或多级涡轮7，涡轮7安装在涡轮轴8上，并通过涡轮轴8输出机械功，可以连接发电机或压缩机等其它用能设备。以车辆排气回收为例，涡轮轴8输出的机械能可以驱动进气压缩机，取代原有的涡轮增压系统。

考虑到需回收废热和余热的介质不仅是气体，存在多种形态，本发明可利用水、氨、烷类和氟利昂类等低沸点工质间接吸收废热和余热后的蒸发气体，即热流体可以是需进行废热和余热回收的气体或者可以是吸收废热和余热热量的工质的蒸发气体，冷流体是流经热流体通道并推动涡轮7做功后的热流体，热流体推动涡轮7做功后温度下降，热流体和冷流体存在温差，冷流体温度随热流体温度关联变化，热流体和冷流体间温差基本恒定，可提高效率。

参照上述附图，本发明的结构类似于双螺旋换热器，热流体和冷流体分别沿热流体通道4和冷流体通道5流动，流动方式是逆流，通过半导体温差发电间壁板1a、1b进行热量交换，半导体温差发电间壁板1a、1b输出电能，然后通过调制稳压电路调制到设定电压和电流等参数数值并稳定输出。以车辆排气回收为例，输出的电能可并入车辆的供电系统。温差发电效率与传热性能有关，可以应用强化换热的公知技术，像半导体温差发电间壁板1a、1b的壁面设置二次换热面（肋片等）和其他表面处理方式（多孔表面或锯齿形表面等）等。

Claims

1.一种能量回收装置，是复合利用温差发电和涡轮做功的能量回收装置，其特征在于，包括半导体温差发电间壁板(1a) 、半导体温差发电间壁板(1b)、壳体(2)、盖板(3)、热流体通道(4)、冷流体通道(5)和涡轮装置(9)，所述半导体温差发电间壁板(1a)(1b)沿所述壳体(2)的中心位置平行向外双螺旋形盘绕布置，在所述半导体温差发电间壁板(1a)(1b)的顶部和底部上分别有盖板(3)，所述半导体温差发电间壁板(1a)(1b)、所述壳体(2)和所述盖板(3)密闭形成所述热流体通道(4)和所述冷流体通道(5)，所述半导体温差发电间壁板(1a)(1b)的热端壁面侧是所述热流体通道(4)，所述半导体温差发电间壁板(1a)(1b)的冷端壁面侧是所述冷流体通道(5)，所述热流体通道(4)的入口和出口布置在所述壳体(2)的外围和中心位置，所述冷流体通道(5)的出口和入口布置在所述壳体(2)的外围和中心位置，所述壳体(2)上设有所述热流体通道(4)的入口和所述冷流体通道(5)的出口，所述壳体(2)的中心位置设有所述涡轮装置(9)，所述涡轮装置(9)的进气口与所述热流体通道(4)的出口连通，所述涡轮装置(9)的排气口与所述冷流体通道(5)的入口连通，热流体是需进行废热和余热回收的气体或者是吸收废热和余热热量的工质的蒸发气体，冷流体是流经所述热流体通道(4)并推动所述涡轮装置(9)做功后的所述热流体，所述热流体和所述冷流体分别沿所述热流体通道(4)和所述冷流体通道(5)流动，流动方式是逆流。

2. 根据权利要求 1 所述的一种能量回收装置，其特征在于所述半导体温差发电间壁板(1a)(1b)的壁面可以是圆弧形或多边形，进一步地，所述热流体通道(4)和所述冷流体通道(5)的形状随之变化。

3. 根据权利要求 1 所述的一种能量回收装置，其特征在于所述半导体温差发电间壁板(1a)(1b)可以通过半导体热电转换材料蚀刻、沉积到基板上制成，或者采用半导体温差发电组件串联和并联制成。

4. 根据权利要求 1 所述的一种能量回收装置，其特征在于所述半导体温差发电间壁板(1a)(1b)的壁面可以设置肋片和进行多孔表面或锯齿形表面处理。

5. 根据权利要求 1 所述的一种能量回收装置，其特征在于所述半导体温差发电间壁板(1a)(1b)输出的电能通过调制稳压电路调制到设定电压和电流等参数数值并稳定输出。

6. 根据权利要求 1 所述的一种能量回收装置，其特征在于所述涡轮装置(9)包括涡轮室(6)、涡轮(7)和涡轮轴(8)，所述涡轮室(6)内设置有单级或多级涡轮(7)，所述涡轮(7)安装在所述涡轮轴(8)上，并通过所述涡轮轴(8)输出机械功到发电机或压缩机。

7. 根据权利要求1 所述的一种能量回收装置，其特征在于所述用于吸收废热和余热热量的工质是水、氨、烷类和氟利昂类低沸点工质。