CN103362619B - 一种利用尾气余热与声波进行发电的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用尾气余热与声波进行发电的装置，包括尾气余热发电单元和尾气声波发电单元，其中：所述尾气余热发电单元包括集热器、斯特林发电机以及散热器，其中，集热器通过热腔管与斯特林发电机的热腔连接，斯特林发电机的冷腔通过冷腔管与散热器连接，散热器通过进气管与集热器连接；所述尾气声波发电单元包括亥姆霍兹共振器、磁铁和金属圈，其中，金属圈连接在亥姆霍兹共振器的鼓膜上，所述磁铁产生当金属圈随鼓膜往复振动时受金属圈切割的磁场；沿着尾气的流动方向，依次设置气余热发电单元和尾气声波发电单元。本发明的利用尾气余热与声波进行发电的装置可以有效减少能量耗损，缓解日益严重的全球温室效应，达到节能减排的效果。

Description

一种利用尾气余热与声波进行发电的装置

技术领域

本发明涉及汽车节能减排技术领域，具体涉及一种利用汽车排气管废气的余热与声波进行发电的装置。

背景技术

能源短缺和环境污染是全球性问题，日益引起人们的高度关注，也是目前制约汽车行业可持续发展的两大主要问题。发动机燃烧后产生的废气经过排气管排放到大气中，其具有温度高、压强大、能量高等特点，尾气所含能量占发动机消耗浪费能量中的大部分，因此尾气直接排入大气，会造成大量的热量被浪费，使得发动机的燃料燃烧效率低下，同时也给目前已经严重的全球温室效应带来更大的压力。

国内外对汽车尾气的处理有三种方式：一是机前处理；二是机内改善；三是后处理。对于燃油品质及机内结构优化的研究已经比较完善，想在此方面有大的突破比较难，难以满足日益严格的排放要求。而汽车排放尾气不仅具有很高的热量，同时由于发动机排放的间歇性，尾气具有波动能量，如果把尾气这两个特点联合利用进行发电，将能较大限度回收尾气的能量，在汽车的节能减排上取得明显的环境效应。

发明内容

本发明的目的在于回收利用汽车排放尾气的能量，提供了一种利用尾气余热与声波进行发电的装置。该装置可以有效减少能量耗损，缓解日益严重的全球温室效应，达到节能减排的效果。

本发明实现上述目的的技术方案为：

一种利用尾气余热与声波进行发电的装置，包括尾气余热发电单元和尾气声波发电单元，其中：

所述尾气余热发电单元包括集热器、斯特林发电机以及散热器，其中，集热器通过热腔管与斯特林发电机的热腔连接，斯特林发电机的冷腔通过冷腔管与散热器连接，散热器通过进气管与集热器连接；

所述尾气声波发电单元包括亥姆霍兹共振器、磁铁和金属圈，其中，金属圈连接在亥姆霍兹共振器的鼓膜上，所述磁铁产生当金属圈随鼓膜往复振动时受金属圈切割的磁场；

沿着尾气的流动方向，依次设置所述的尾气余热发电单元和尾气声波发电单元。

所述尾气余热发电单元中，集热器包括两个空心封闭的铜环，两个铜环之间设有多根将两个铜环的内腔连通的铜管；所述热腔管连接在其中一个铜环上，进气管连接在另一个铜环上。优选地，所述多根铜管呈环形布置。该集热器的工作原理是：工作气体通过进气管进入集热器的其中一个铜环中，然后分散到多个铜管中，与流过集热器外表的尾气进行充分的热交换，受热后的工作气体经过另一个铜环并从热腔管流出。铜环结构与铜管的环形布置有利于尾气排放顺畅，防止产生被压。

所述散热器包括壳体以及设在壳体内的铜管束，其中，铜管束的两端设有密封圈；壳体上设有进水口、出水口、进气口以及出气口，铜管束的一端与进水口连通，另一端与出水口连通；进气口与冷腔管连接，出气口与进气管连接。该散热器采用水冷方式，水经进水口进入铜管束并从出水口流出，由斯特林发电机的冷腔排出的工作气体从进气口进入壳体与铜管束进行热交换，最后从出气口中排出，具有结构简单、散热效果好的优点。

所述散热器与进气管之间设有气流缓冲器，该缓冲器的一端与散热器的出气口连接，另一端与进气管连接。设置该气流缓冲器可以防止高低温气体的冲击产生波动，类似与电路中的电容。具体地，该气流缓冲器为一中空的球状体。

所述的工作气体为He气。He气作为工作气体是单相气体，可以达到40％的最高效率，气体压力可达13MPa。因此，斯特林发电机采用密闭高压He气，安全可靠，气体在斯特林发电机内循环利用，通过集热器加热，在散热器中冷却，循环往复使斯特林发电机转动发电。

所述亥姆霍兹共振器与进气短管连接，该进气短管的半径为2mm～10mm、长度为5mm～80mm,空腔半径为16mm～100mm、空腔长度为20mm～200mm。进气短管的半径、长度以及空腔半径、长度的数值的选取会对亥姆霍兹共振器的性能产生影响，上述数值范围为一个较佳的实施方案。实际应用中，考虑到排气管的尺寸和排放畅通问题，在保证进气口面积与空腔表面积的比值满足亥姆霍兹共振器结构要求前提下，实际尺寸可以适当增大进气短管半径的值，减小进气短管长度与空腔半径、长度值，这可以有效提高共振器的放大性能，提高金属圈切割磁感线发电的效率。

所述尾气余热发电单元和尾气声波发电单元设置于外罩内，该外罩的端部设有与尾气排放管连接的连接管。

本发明的一种利用尾气余热和声波进行发电的装置在使用时，其能量转换过程为：热能→机械能→电能，声能→机械能→电能，具体为：尾气通过集热器对其中的工作气体进行加热，加热后的气体流入热腔管，斯特林发电机通过热腔与冷腔的活塞运动循环，实现发电；其次，尾气通过进气短管进入亥姆霍兹共振器进行波动效应放大，带动鼓膜的振动，带动相连接的金属圈在磁场中做切割磁感线运动，实现切割发电。

本发明与现有的技术相比具有以下有益效果：

1、由于该利用尾气余热和声波进行发电的装置综合考虑内燃机排放废气具有高热量与间歇性声波两个特性，分别通过尾气余热发电单元与尾气声波发电单元对尾气进行回收利用，实现清洁能源的再生。相比现有单独的尾气回收利用技术，本发明的工作效率高，效果明显，可以更大程度上减少尾气废热排入大气，缓解温室效应。具有技术手段简便易行、造价低廉、工作效率高、安全可靠、节约能源等优点。

2、本发明适用范围广，整个装置可以方便地单独串联接于柴油机车的尾气排放管路中，亦可以和其他净化装置(如催化装置等)串联或并联接于柴油机车的尾气排放管路中，不对柴油机产生任何背压，对尾气排放不造成任何影响。

3、本发明环境适应性强，比如在易燃、高温、振动、潮湿、粉尘等恶劣条件下都可正常工作。

附图说明

图1为本发明的利用尾气余热与声波进行发电的装置的工作流程示意图。

图2为本发明的利用尾气余热与声波进行发电的装置的一种具体实施方式的结构示意图(图中未显示斯特林发电机)。

图3和图4为图2所示实施方式中散热器的结构示意图，其中，图3为主视图，图4为俯视图(放大图)。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

参见图1和图2，本发明的利用尾气余热与声波进行发电的装置包括尾气余热发电单元和尾气声波发电单元。其中，所述尾气余热发电单元包括集热器3、斯特林发电机以及散热器5，其中，集热器3通过热腔管4与斯特林发电机的热腔连接，斯特林发电机的冷腔通过冷腔管与散热器5连接，散热器5通过进气管6与集热器3连接。所述尾气声波发电单元包括亥姆霍兹共振器9、磁铁8和金属圈10，其中，金属圈10连接在亥姆霍兹共振器9的鼓膜上，所述磁铁8产生当金属圈10随鼓膜往复振动时受金属圈10切割的磁场。所述尾气余热发电单元和尾气声波发电单元设置于外罩1内，该外罩1的端部设有与尾气排放管连接的连接管2；沿着尾气的流动方向，依次设置所述的尾气余热发电单元和尾气声波发电单元。

参见图2，所述尾气余热发电单元中，集热器3包括两个空心封闭的铜环3-1，两个铜环3-1之间设有多根将两个铜环3-1的内腔连通的铜管3-2，这些铜管3-2呈环形布置；所述热腔管4连接在其中一个铜环3-1上，进气管6连接在另一个铜环3-1上。

参见图2～图4，所述散热器5包括圆柱形的壳体5-1以及设在壳体5-1内的铜管束5-2，其中，壳体5-1的两头分别形成进水口5-3和出水口5-4；铜管束5-2的轴线与壳体5-1的轴线平行设置，且铜管束5-2的两端设有密封圈，使得壳体5-1的内腔与铜管束5-2相互分开，形成水、气流动通道的分隔；铜管束5-2的一端与进水口5-3连通，另一端与出水口5-4连通。壳体5-1的侧壁上与进水口5-3对应的一端设有进气口5-5，与出水口5-4对应的一端设有出气口5-6，且进气口5-5的轴线与出气口5-6的轴线相互垂直，其中，进气口5-5与冷腔管连接，出气口5-6与进气管6连接。该散热器5与进气管6之间设有气流缓冲器7，该气流缓冲器7呈中空的球体状，该气流缓冲器7的一端与散热器5的出气口5-6连接，另一端与进气管6连接。

所述的斯特林发电机为USAB/SPS公司制造的15KW级(2活塞V形)引擎。所述的工作气体为13MPa的He气。

参见图2，所述亥姆霍兹共振器9的进气短管的半径为8mm,、进气短管长度为30mm；该亥姆霍兹共振器9的空腔半径为30mm、空腔长度为60mm。

参见图2，本发明的利用尾气余热与声波进行发电的装置安装在后排气管中，具体位于三元催化器之后，消声器之前的位置。尾气经过三元催化器发生氧化反应，可释放热量，有利于提高尾气余热发电单元的工作效率，同样，尾气声波发电单元位于消声器之前有利于充分利用其波动能量，实现有效发电。

下面结合附图对本发明的利用尾气余热与声波进行发电的装置的工作原理作进一步详细的描述。

参见图1～图4，尾气在余热发电单元中的工作流程如下：内燃机燃烧后的废气经过前排气管和三元催化器后进入集热器3中，与此同时，工作气体通过进气管6进入其中一个铜环3-1后分散到铜管3-2中由高温尾气加热，吸收尾气余热，在另一铜环3-1汇合后由热腔管4排入斯特林发电机加热，斯特林发电机热腔膨胀做功，热腔中的活塞下降，冷腔中的活塞向上运动，工作气体从冷腔流入热腔，斯特林发电机内部压力上升；密闭空间中的压力上升到临界值，两个活塞均向下运动，此时斯特林发电机就得到一个驱动动力发电；由于惯性轮储备的能量使曲柄轴转动起来，这使热腔中的活塞向上运动，冷腔中的活塞向下运动，工作气体便由热腔进入冷腔，斯特林发电机内的压力便下降；由于受到工作气体压力与两个活塞背面的压力差，两个活塞同时向上推进；如此周而复始，斯特林发电机就实现了热能——机械能——电能之间的转化，工作气体由斯特林发电机的冷腔通过冷腔管进入到散热器5，经过散热器5水冷后的工作气体经气流缓冲器7由进气管6重新进入集热器3中由高温尾气进行加热，如此循环，实现有效余热利用发电。

经过余热发电单元的尾气能量被削减了一部分，但由于内燃机排放的间歇性，尾气仍具有高能量的声波，能量上表现为声能，因此把尾气接着引入声波发电单元可以进一步削减并利用尾气的能量，使排放入大气的废气能量大大减少，实现节能减排和降噪的效果。尾气通过亥姆霍兹共振器9的进气短管进入共振空腔，由进气短管的半径与长度、空气腔的半径与长度等结构参数实现声波在密闭空间内放大，带动鼓膜的振动，进而带动金属圈10在磁铁8形成的磁场中做切割磁感线运动，实现切割发电。

参见图1，本发明的利用尾气余热与声波进行发电的装置在使用时，其能量转化过程为：热能→机械能→电能，声能→机械能→电能；具体为：首先利用集热器3吸收尾气热量，对工作气体进行加热，工作气体吸收热量后进入斯特林发电机带动其循环工作从而发电，转换为机械能、电能；经过热交换后的尾气仍具有一定能量的波动特性，表现为声能，通过亥姆霍兹共振器9的进气短管进入共振空腔，产生共振并带动鼓膜以及与其相连的金属圈10振动，此时声能转为机械能，金属圈10在磁铁8形成的磁场中做来回切割运动，产生电动势，因此机械能转换为电能。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利用尾气余热与声波进行发电的装置，其特征在于，包括尾气余热发电单元和尾气声波发电单元，其中：

所述尾气余热发电单元包括集热器、斯特林发电机以及散热器，其中，集热器通过热腔管与斯特林发电机的热腔连接，斯特林发电机的冷腔通过冷腔管与散热器连接，散热器通过进气管与集热器连接；

所述尾气声波发电单元包括亥姆霍兹共振器、磁铁和金属圈，其中，金属圈连接在亥姆霍兹共振器的鼓膜上，所述磁铁产生当金属圈随鼓膜往复振动时受金属圈切割的磁场；

沿着尾气的流动方向，依次设置所述的尾气余热发电单元和尾气声波发电单元。

2.根据权利要求1所述的利用尾气余热与声波进行发电的装置，其特征在于，所述尾气余热发电单元中，集热器包括两个空心封闭的铜环，两个铜环之间设有多根将两个铜环的内腔连通的铜管；所述热腔管连接在其中一个铜环上，进气管连接在另一个铜环上。

3.根据权利要求2所述的利用尾气余热与声波进行发电的装置，其特征在于，所述多根铜管呈环形布置。

4.根据权利要求1所述的利用尾气余热与声波进行发电的装置，其特征在于，所述散热器包括壳体以及设在壳体内的铜管束，其中，铜管束的两端设有密封圈；壳体上设有进水口、出水口、进气口以及出气口，铜管束的一端与进水口连通，另一端与出水口连通；进气口与冷腔管连接，出气口与进气管连接。

5.根据权利要求4所述的利用尾气余热与声波进行发电的装置，其特征在于，所述散热器与进气管之间设有气流缓冲器，该缓冲器的一端与散热器的出气口连接，另一端与进气管连接。

6.根据权利要求1所述的利用尾气余热与声波进行发电的装置，其特征在于，所述亥姆霍兹共振器的进气短管的半径为2mm～10mm、长度为5mm～80mm，空腔半径为16mm～100mm、空腔长度为20mm～200mm。

7.根据权利要求1所述的利用尾气余热与声波进行发电的装置，其特征在于，所述尾气余热发电单元和尾气声波发电单元设置于外罩内，该外罩的端部设有与尾气排放管连接的连接管。