CN107592035A - 一种基于温差发电以及脉动热管技术的尾气余热利用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于温差发电以及脉动热管技术的尾气余热利用方法，包括使脉动热管单元的加热端与尾气接触，尾气余热加热脉动热管单元的冷却端，使升温的脉动热管单元的冷却端作为温差发电装置的热源，进而将尾气余热转换为电能。其中，脉动热管单元可以包括若干个脉动热管组，脉动热管组、温差发电器件以及冷却水箱交替堆叠，可以有效解决温差发电系统在提取大规模烟气热量时出现的有效热端面积少，导致温差发电片布置数量受限的问题，大幅度提高船舶尾气余热温差发电装置的发电量。

Description

一种基于温差发电以及脉动热管技术的尾气余热利用方法

技术领域

本发明涉及工业废热的利用。

背景技术

基于温差发电技术的尾气余热利用装置主要包括热源、冷源、温差发电器件和整流元件等，利用热电转换技术回收、利用热能。在发动机尾气、工业废热的利用过程中，通常采取增大流动阻力、降低流动速度，以增加废热滞留的时间，使热量持续、高效地输送到温差发电器件的热端，提高热电转化效率和废热的利用率。在温差发电系统装置设计上，目前有矩形式与多棱柱式。矩形式温差发电系统烟气流道横截面积为矩形，流道的上下两个表面布置温差发电片，且可通过增加流道层数提高功率，势必迅速增加烟气阻力以及装置体积。圆柱型温差发电系统外部横截面为正多边形，内部流道为圆柱面，烟气在管道内均匀流动，沿圆周布置温差发电片，若要提高发电功率只能通过延长烟道长度来完成，使装置体积迅速增加，烟气阻力增大。

但是以上两种基于温差发电的尾气余热利用装置中，温差发电片布置数量受排烟管长度及表面积限制，较适用于小规模尾气利用温差发电系统的安装使用。如若要提取大功率热负荷时，则会出现装置体积过大，烟气阻力迅速升高的问题，不适于船舶尾气余热利用的使用。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提出以下技术方案：

一种基于温差发电以及脉动热管技术的尾气余热利用方法，其特征在于，使脉动热管单元的加热端与尾气接触，尾气余热加热脉动热管单元的冷却端，使升温的脉动热管单元的冷却端作为温差发电装置的热源，进而将尾气余热转换为电能。

进一步地，所述脉动热管单元包括至少一个脉动热管组；所述脉动热管组包括至少一个脉动热管和一个热扩散板，所述热扩散板的双面具有供所述脉动热管的冷却端嵌入其内的沟槽。

进一步地，所述脉动热管竖直放置。

进一步地，所述温差发电装置包括热源、冷源和温差发电器件，所述温差发电器件的一端与热源连接，另一端与冷源连接，形成温差，将热能转化为电能。

进一步地，所述冷源为矩形冷却水箱，且其两外平面设有对称分布的凹槽，其侧壁设有冷却水出入口。

进一步地，所述温差发电器件包括用导线依次串联的多个温差发电片，所述温差发电片嵌装于所述矩形冷却水箱的两外平面的凹槽内。

进一步地，所述脉动热管组与所述矩形冷却水箱交替堆叠。

进一步地，所述热扩散板上的沟槽与所述脉动热管的上部之间设有导热硅脂层。

进一步地，所述矩形冷却水箱两外平面的凹槽的形状与所述温差发电片的形状一致；所述凹槽的形状为方形，深度为0.1m。

进一步地，所述热扩散板的材质为铜。

从上述技术方案可以看出，本发明通过将脉动热管作为管簇式换热器高效提取烟气热量传递至热延展面双槽热扩散板作为布置温差发电片的热端，可以有效解决温差发电系统在提取大规模烟气热量时出现的有效热端面积少，进而导致温差发电片布置数量受限的问题，提高船舶尾气余热温差发电装置的发电性能。

附图说明

图1为一种现有技术矩形式温差发电系统结构示意图；

图2为另一种现有技术多棱柱式温差发电系统结构示意图；

图3为本发明一种基于温差发电以及脉动热管技术的尾气余热利用装置单组模块结构示意图；

图4为本发明一种基于温差发电以及脉动热管技术的尾气余热利用装置整体组装结构示意图；

图5为图3中序号分别为1与2的零件组装成部件的示意图；

图6为图5中序号为1的零件的示意图；

图7为图5中序号为2的零件的示意图；

图8为图3中序号为5的零件的示意图；

图9为采用本发明的方法进行试验时在脉动热管不同放置状态下的温差发电装置的最大输出功率和热电转换效率与不同柴油机负载的关系示意图。

图中：1、脉动热管，2、热扩散板，3、沟槽，4、温差发电片，5、冷却水箱，6、冷却水出入口，7、凹槽，8、烟道壳体。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

从附图1与附图2的两种现有技术—矩形式温差发电系统结构与多棱柱式温差发电系统结构示意图均可以看出，这种结构的温差发电系统在提取大规模烟气热量时出现的有效热端面积少，因为它在烟道壳体8外表面布置的温差发电片4数量受限。若要提取大功率热负荷时，则会出现装置长度过大，烟气阻力也会迅速升高的问题。

本发明的发明点在于将脉动热管技术应用于尾气的余热回收，充分利用其结构简单无芯、形状可以任意弯曲、当量传热系数大、体积小及成本低等优点，有效的增加了温差发电装置的热源的有效面积，提高余热回收效率，尤其适用于大规模尾气余热的回收。

本发明的基于温差发电以及脉动热管技术的尾气余热利用方法，具体为：使脉动热管单元的加热端与尾气接触，尾气余热加热脉动热管单元的冷却端，使升温的脉动热管单元的冷却端作为温差发电装置的热源，进而将尾气余热转换为电能。

附图3到附图8为应用本发明的基于温差发电以及脉动热管技术的尾气余热利用方法的具体实施方式。如图4所示，多组脉动热管1的一端(下端，即加热端)伸入烟道壳体8内，当高温尾气沿烟道壳体8排出时，高温尾气与脉动热管1发生热交换，尾气温度降低，脉动热管1的另一端(上端，即冷却端)加热，温度升高，其可以作为温差发电装置的热源，进而将尾气余热转换为电能。

请参阅图5。脉动热管单元包括至少一个脉动热管组；脉动热管组包括至少一个脉动热管1和一个热扩散板2，脉动热管1的冷却端(即上端)固定在热扩散板2的双面上。在本实施例中，热扩散板2的双面具有供脉动热管1的冷却端嵌入其内的沟槽，如图7所示。热扩散板2的材质为铜，使热扩散板2作为脉动热管1的热延展面。热扩散板2上的沟槽与脉动热管1的上部(即冷却端)之间设有导热硅脂层(图中未画出)，用于填充其接触面减少接触热阻。

温差发电装置包括热源、冷源和温差发电器件，温差发电器件的一端与热源连接，另一端与冷源连接，形成温差，将热能转化为电能。请参阅图8，在本实施例中，冷源为一矩形冷却水箱5，且其两外平面设有对称分布的凹槽7，其侧壁设有冷却水出入口6。请参阅图3，温差发电片4嵌入冷却水箱5两侧平面对称分布的凹槽7中并通过导线相互连接，凹槽7的形状与温差发电片4的形状一致，具体地，凹槽7的形状为方形，深度为0.1m。温差发电片4嵌入冷却水箱5的双面的凹槽7中，将脉动热管组和冷却水箱5交替堆叠，形成如图4所示的多个热电模块叠加在一起的整体装置。各热电模块之间的温差发电片4也通过导线连接。

工作时，尾气沿烟道壳体8内部流过，伸入烟道壳体8内部的管簇式脉动热管1的下部即热端高效提取尾气余热，通过脉动热管1形成的管簇将热量高速传递到热扩散板2上，对温差发电片4的一侧即热侧进行加热，使其热侧处于较高温度状态。温差发电片4的另一侧即冷侧的冷却水箱5中经多个冷却水出入口6持续通过冷却水，使温差发电片4的另一侧即冷侧始终处于较低温度状态，这样在温差发电片4的两侧将形成大的温差。这种装置下部能够利用脉动热管1形成的管簇在较小温差范围内有效增加热扩展面积，而上部可以大幅度增加装置布置温差发电片4的数量，从而克服了为增加温差发电片4的数量而使装置长度过大，烟气阻力迅速升高的问题，实现船舶尾气余热利用的高效热电转换。将脉动热管作为管簇式换热器高效提取烟气热量传递至热扩散板作为布置温差发电片的热端，可以有效解决温差发电系统在提取大规模烟气热量时出现的有效热端面积少，导致温差发电片布置数量受限的问题，有效提高船舶尾气余热温差发电装置的发电量。

利用上述装置对尾气余热进行回收转化为电能的热电转化率进行了试验，不同柴油机工作负载情况下，采用冷源温度为20℃的3模块组温差发电装置，分别计算了脉动热管放置状态分别为垂直(与地面呈竖直放置)、水平(与地面呈水平放置)以及脉动热管未充液(即脉动热管不工作)时本发明的最大输出功率和热电转换效率，如图9所示。从图9可以看出：本发明的最大输出功率和热电转换效率随着柴油机工作负载的增加而增大；当脉动热管垂直放置时，输出功率最大且热电转换效率最高；当脉动热管未充液时，最大输出功率最小且热电转换效率最低，因此，脉动热管垂直放置时脉动热管的热传输性能最好。在柴油机负载为15KW条件下，冷源温度为20℃，脉动热管正常工作时热电转换效率可达6％，而在脉动热管不工作时，热电转换效率小于1％，可见，本发明能显著提高热电转化效率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于温差发电以及脉动热管技术的尾气余热利用方法，其特征在于，使脉动热管单元的加热端与尾气接触，尾气余热加热脉动热管单元的冷却端，使升温的脉动热管单元的冷却端作为温差发电装置的热源，进而将尾气余热转换为电能。

2.根据权利要求1所述的一种基于温差发电以及脉动热管技术的尾气余热利用方法，其特征在于，所述脉动热管单元包括至少一个脉动热管组；所述脉动热管组包括至少一个脉动热管和一个热扩散板，所述热扩散板的双面具有供所述脉动热管的冷却端嵌入其内的沟槽。

3.根据权利要求2所述的一种基于温差发电以及脉动热管技术的尾气余热利用方法，其特征在于，所述脉动热管竖直放置。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于温差发电以及脉动热管技术的尾气余热利用方法，其特征在于，所述温差发电装置包括热源、冷源和温差发电器件，所述温差发电器件的一端与热源连接，另一端与冷源连接，形成温差，将热能转化为电能。

5.根据权利要求4所述的一种基于温差发电以及脉动热管技术的尾气余热利用方法，其特征在于，所述冷源为矩形冷却水箱，且其两外平面设有对称分布的凹槽，其侧壁设有冷却水出入口。

6.根据权利要求5所述的一种基于温差发电以及脉动热管技术的尾气余热利用方法，其特征在于，所述温差发电器件包括用导线依次串联的多个温差发电片，所述温差发电片嵌装于所述矩形冷却水箱的两外平面的凹槽内。

7.根据权利要求6所述的一种基于温差发电以及脉动热管技术的尾气余热利用方法，其特征在于，所述脉动热管组与所述矩形冷却水箱交替堆叠。

8.根据权利要求2所述的一种基于温差发电以及脉动热管技术的尾气余热利用方法，其特征在于，所述热扩散板上的沟槽与所述脉动热管的冷却端之间设有导热硅脂层。

9.根据权利要求6所述的一种基于温差发电以及脉动热管技术的尾气余热利用方法，其特征在于，所述矩形冷却水箱两外平面的凹槽的形状与所述温差发电片的形状一致；所述凹槽的形状为方形，深度为0.1m。

10.根据权利要求2所述的一种基于温差发电以及脉动热管技术的尾气余热利用方法，其特征在于，所述热扩散板的材质为铜。