CN108023505A - 管-排式温差发电器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管‑排式温差发电器，包括多条热流管道、多条冷却管道、多块温差发电片、前端盖、后端盖、上盖板和下盖板，多条热流管道并排排列，在相邻的两条热流管道之间设有冷却管道，热流管道和冷却管道均采用金属薄板制成，热流管道和冷却管道的截面均呈等腰梯形，热流管道和冷却管道反向设置；温差发电片嵌于热流管道和冷却管道之间，冷却管道的两端分别设有进水接头和出水接头；前端盖设有进气口和与进气口相通的前集气室，后端盖设有出气口和与出气口相通的后集气室，热流管道的两端分别与前集气室和后集气室相连通，上盖板和下盖板分别固定于热流管道的上端面和下端面。本发明的结构紧凑、换热性能好，可充分利用转换系统的热源和冷源。

Description

管-排式温差发电器

技术领域

本发明涉及能源技术领域，具体涉及一种管-排式温差发电器。

背景技术

温差发电器是能够将热能直接转换为电能的设备，主要由：换热器、温差发电片，连接及压紧器件组成。它的基础理论是关于热电转换的三个物理效应(塞贝克效应、帕尔帖效应、汤姆逊效应)，应用中，通过热电偶回路中的温度差，将热能直接转换成直流电；作为一种物理电源，具有结构简单，免维护，无噪声无环境污染等优点，可应用于能源利用、节能、独立电源、宇航、生活电器等领域。

对温差发电器的技术要求是：体积紧凑、质量轻、输出功率大、工作可靠。它的基本工作方式是，在同一时间内，对温差发电片的高温面进行传热，对低温面进行冷却，并对各温差发电片进行电路连接。它的工作效率是换热效率与热电转换效率之乘积，前者取决于热源和冷源的形式、换热的方式和强度，以及换热器的结构；后者取决于热电材料的性能、温差发电片的结构和工艺。因而，在使用现有温差发电片产品的条件下，设计出高效率的换热器，最大程度地获取热量，是温差发电器的关键技术之一。

现有的温差发电器，按其换热器的形式可分为：平板式、多边柱式、环片式、板框式、翅片式等。其中：平板式换热器只有2个平面可以设置温差发电片；多边柱式换热器的热流管道内径较大，压紧机构复杂，二者的结构不够紧凑，功率体积比低。环片式换热器与板框式换热器类似，流道的变化频繁，不适合高速流体通过，强化换热的性能较差；环片式换热器中温差发电片的布置松散。实心翅片式换热器的导热量全部通过位于基础面的翅根截面，需要设置若干内翅片才能达到增加换热量的目的，而且外翅片的导热距离很远，使得换热器的结构变得复杂，功率质量比较低。实际应用中，这些温差发电器都不能满足上述的技术要求。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种结构紧凑、质量轻、换热性能更好的管-排式温差发电器。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：本管-排式温差发电器，包括多条热流管道、冷却管道、多块温差发电片、前端盖、后端盖、上盖板和下盖板，多条热流管道并排排列，在相邻的两条热流管道之间设有冷却管道，所述热流管道和冷却管道均采用金属薄板制成，所述热流管道和冷却管道的截面均呈等腰梯形，且所述热流管道和冷却管道反向设置；所述温差发电片嵌入热流管道和冷却管道之间，所述冷却管道的两端分别设有进水接头和出水接头；所述前端盖设有进气口和与进气口相通的前集气室，所述后端盖设有出气口和与出气口相通的后集气室，所述热流管道的两端分别与前集气室和后集气室相连通，所述上盖板和下盖板分别固定于热流管道的上端面和下端面。

优选的，所述热流管道的中部均设有导流片，此导流片将热流管道分隔成对称的上热流管道和下热流管道。

优选的，所述热流管道的内壁设有网状花纹。

优选的，所述热流管道与冷却管道相配合的腰线与冷却管道的中心垂线之间具有夹角。

优选的，在热流管道和冷却管道压紧温差发电片之前，所述热流管道的两个侧面和冷却管道的两个侧面均为弧形面。

优选的，所述冷却管道的前端端面与前集气室之间及冷却管道的后端端面与后集气室之间均设有隔板，且所述冷却管道的前端端面及后端端面均与相应的隔板之间具有间隙，此间隙填充有隔热材料；所述冷却管道的前端外壁面、后端外壁面、左右两侧壁面以及下端外壁面均设有隔热层。

优选的，所述冷却管道的两侧壁面均设有用于固定温差发电片的定位片。

优选的，所述上盖板通过螺钉组件固定于热流管道的上端面，所述下盖板通过螺钉组件固定于热流管道的下端面。

优选的，所述上盖板和下盖板均设有与冷却管道数量相同的压条；位于上盖板的各条压条压紧于相应冷却管道的上端面，位于下盖板的各条压条压紧于相应冷却管道的下端面。

优选的，所述上盖板的下面和下盖板的上面均设有隔热层。

本发明管-排式温差发电器的工作原理如下所述：

在管-排式温差发电器中，热流管道和冷却管道交替排列，由其中热流管道被导流片分隔成上下两层对称的上热流管道和下热流管道，从而形成一种紧凑的换热器结构。总热流道中的热流体通过进气口和前集气室，进入上、下热流管道，热流体与热流管道的内壁面进行热交换，即热流体的热量传递到热流管道的内壁面，这极大地增加了总换热面积；热流管道的内径相对较小，可以使热流体在热流管道内保持高速流动；而热流管道的内壁面加工有网状纹路，可以增加内壁面附近的热流体的扰动，有效地强化热流体与内壁面之间的换热效果及换热量。同时，热流管道壁面的法向导热的距离短、热阻小，热量可以通过热流管道的壁面，高效率地传递给位于热流管道和冷却管道之间的温差发电片的高温面；同时，冷却管道内的冷却水相对于热流体作逆向流动，对温差发电片的低温面进行有效地冷却，以使温差发电片工作在额定温度的状态下。而多块温差发电片同时安装于热流管道和冷却管道之间，将提高温差发电器的总输出功率。

热流管道和冷却管道的截面均呈等腰梯形，且热流管道和冷却管道反向设置，即冷却管道反向设置在相邻的两条热流管道之间，它们的相互配合形成了楔形效应：热流管道和冷却管道的两个底角相等，且管壁(热流管道和冷却管道的管壁)与冷却管道中心线之间具有一个小角度的夹角，当盖板上的压条对冷却管道施加了预紧力时，温差发电片将受到较大的法向反力；由于管道两侧的壁面均为弧面，法向受力时由于弹性变形而变成了平面，产生了类似弹簧的作用；此外，热流管道受热时还将产生热变形，提供额外的压紧力。这种结构简单、紧凑、工作可靠，共同作用形成了一种对温差发电片的“夹角-弹簧”压紧机构，可以使温差发电片获得额定的压紧力。

本发明相对于现有技术具有如下的优点：

本管-排式温差发电器既具有平板式换热器结构简单、导热距离短的优点，而且换热强度更高，冷却效果更好；也具有翅型换热器中发电片可以空间立体布置的优点，而且质量更轻，体积更紧凑。

本管-排式温差发电器的结构能够同时满足额定温度和额定压力的要求，有利于通过强化传热和冷却过程，提高输出功率并降低成本，可应用于紧凑型的热电转换装置中，满足高功率密度指标的要求。

附图说明

图1是本发明的管-排式温差发电器的结构示意图。

图2是本发明的管-排式温差发电器的横向剖视图。

图3是本发明的管-排式温差发电器的纵向剖视图。其中省略了上、下盖板。

图4是本发明的前、后端盖的结构示意图。

图5是本发明的冷却管道的结构示意图。

图6是本发明的管-排式温差发电器的半剖视图。其中省略了上、下盖板。

其中，1为热流管道，1-1为上热流管道，1-2为下热流管道，2为冷却管道，3为温差发电片，4为定位片，5为前集气室，6为后集气室，7为进气口，8为出气口，9为出水接头，10为进水接头，11为导流片，12为隔板，13为压条，14为螺钉组件，15为前端盖，16为后端盖，17为上盖板，18为下盖板，19为隔热层，20为铆螺母。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2和图6所示的管-排式温差发电器，包括多条热流管道、多条冷却管道、多块温差发电片、前端盖、后端盖、上盖板和下盖板，多条热流管道并排排列，在相邻的两条热流管道之间设有冷却管道，所述热流管道和冷却管道均采用金属薄板制成，所述热流管道和冷却管道的截面均呈等腰梯形，且所述热流管道和冷却管道反向设置；所述温差发电片嵌入热流管道和冷却管道之间，所述冷却管道的两端分别设有进水接头和出水接头；所述前端盖设有进气口和与进气口相通的前集气室，所述后端盖设有出气口和与出气口相通的后集气室，所述热流管道的两端分别与前集气室和后集气室相连通，所述上盖板和下盖板分别固定于热流管道的上端面和下端面。

如图2所示，所述热流管道的中部均设有导流片，此导流片将热流管道分隔成对称的上热流管道和下热流管道。这不仅可以使热流体保持高速的流动状态，还保证了热流管道的强度。在相邻两条热流管道之间设有冷却管道，冷却管道的两侧壁面分别与相邻的两条热流管道的侧壁面相匹配。由图3所示，热气流通过进气口进入前集气室，均匀地分配给各热流管道，与其内壁面进行对流换热，通过壁面加热发电片的高温面。热气流离开热管流道后，在后集气室汇合，最终由出气口流出；在前/后集气室内，隔板将冷却水管道与热气流分隔开来，冷却水由进水接头进入冷却管道，通过管道壁面冷却发电片的低温面，最后由出水接头流出。

所述热流管道和冷却管道均采用不锈钢薄板制成，导热性能好，质量轻，加工性能好。而相邻的热流管道和冷却管道之间具有较长的夹紧空间，可以同时轴向设置多块温差发电片(如图6所示)，形成一个空间立体排列的温差发电片阵列，电源的连接线由上方引出，沿冷却水管走向布置，这增加了温差发电器中温差发电片的使用量，可以提高温差发电器的总输出功率。

所述热流管道的内壁设有网状花纹。具体的，这网状纹路既可采用凸起状，也可采用凹槽状，增加热流管道的壁面的粗糙度，以增加了壁面附近的热气流的扰动，从而可以有效地强化换热的效果，增加换热量。

如图2所示，所述热流管道和冷却管道都采取等腰梯形截面，它们的管壁(即：几何截面中的腰线)与冷却管道中心线之间具有一个小角度的夹角，即所述热流管道与冷却管道相配合的腰线与冷却管道的中心垂线之间具有夹角，使冷却管道与其两侧的热流管道相互配合而形成楔形效应；而且热流管道和冷却管道的两侧壁面均采取对称的弧面(图5所示)，弧的弦长即梯形截面的等腰线长度，嵌入温差发电片后，弧面产生弹性变形成为平面，即热流管道的弧面和冷却管道的弧面因弹性变形而成为平面，即在热流管道和冷却管道压紧温差发电片之前，所述热流管道的两个侧面和冷却管道的两个侧面均为弧形面。因而热流管道和冷却管道的配合安装形成了夹角-弹簧压紧机构，只需通过盖板上的压条施加较小的压紧力，即可产生满足温差发电片所需要的预紧力。而且在受热状态下，热流管道的管壁将产生热变形，使温差发电片再获得额外的法向压力，保证了冷却管道两侧的发电片受到额定压力。这种结构简单，紧凑，且安装方便，可以保证温差发电片可靠地工作。

如图3、图4及图5所示，所述冷却管道的前端端面与前集气室之间及冷却管道的后端端面与后集气室之间均设有隔板，且所述冷却管道的前端端面及后端端面均与相应的隔板之间具有间隙，此间隙内填充有隔热材料。所述冷却管道的前端外壁面、后端外壁面、左右两侧壁面及下端外壁面均设有隔热层，目的是避免冷却管道的冷却水与热流管道的高温流体之间直接进行热交换，也可以减少能量的损失。

如图5所示，所述冷却管道的两侧壁面均设有用于固定温差发电片的定位片，此定位片与隔热层一起形成用于固定温差发电片的窗口。此结构方便了温差发电片的安装，保证了温差发电片的可靠定位。

如图1、图2及图6所示，所述上盖板通过螺钉组件固定于热流管道的上端面，所述下盖板通过螺钉组件固定于热流管道的下端面。所述进水接头和出水接头均穿过上、下盖板。具体的，上盖板和下盖板均通过螺钉组件与热流管道上的铆螺母连接，以使上盖板固定于热流管道的上端面，下盖板固定于热流管道的下端面。而螺钉组件主由垫片和螺钉构成，可以采用标准件。上盖板同时覆盖了热流管道的上端面及冷却管道的上端面，而下盖板同时覆盖了热流管道的下端面及冷却管道的下端面，可以对热流管道、冷却管道和温差发电片起到保护作用。

所述上盖板和下盖板均设有与冷却管道数量相同的压条。位于上盖板的各条压条压紧于相应冷却管道的上端面，位于下盖板的各条压条压紧于相应冷却管道的下端面。压条压紧各冷却管道，目的是通过冷却管道对温差发电片施加预紧力。

如图1和图2所示，所述上盖板的下面和下盖板的上面均设有隔热层。上盖板的下面通过隔热层与热流管道和冷却管道进行隔离，而下盖板的上面也通过隔热层与热流管道和冷却管道进行隔离，避免热流管道和冷却管道之间通过上盖板或下盖板进行热传导，保证了冷却水的冷却效果。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.管-排式温差发电器，其特征在于：包括多条热流管道、多条冷却管道、多块温差发电片、前端盖、后端盖、上盖板和下盖板，多条热流管道并排排列，在相邻的两条热流管道之间设有冷却管道，所述热流管道和冷却管道均采用金属薄板制成，所述热流管道和冷却管道的截面均呈等腰梯形，且所述热流管道和冷却管道反向设置；所述温差发电片嵌入热流管道和冷却管道之间，所述冷却管道的两端分别设有进水接头和出水接头；所述前端盖设有进气口和与进气口相通的前集气室，所述后端盖设有出气口和与出气口相通的后集气室，所述热流管道的两端分别与前集气室和后集气室相连通，所述上盖板和下盖板分别固定于热流管道的上端面和下端面。

2.根据权利要求1所述的管-排式温差发电器，其特征在于：所述热流管道的中部均设有导流片，此导流片将热流管道分隔成对称的上热流管道和下热流管道。

3.根据权利要求1所述的管-排式温差发电器，其特征在于：所述热流管道的内壁设有网状花纹。

4.根据权利要求1所述的管-排式温差发电器，其特征在于：所述热流管道与冷却管道相配合的腰线与冷却管道的中心垂线之间具有夹角。

5.根据权利要求1所述的管-排式温差发电器，其特征在于：在热流管道和冷却管道压紧温差发电片之前，所述热流管道的两个侧面和冷却管道的两个侧面均为弧形面。

6.根据权利要求1所述的管-排式温差发电器，其特征在于：所述冷却管道的前端端面与前集气室之间及冷却管道的后端端面与后集气室之间均设有隔板，且所述冷却管道的前端端面及后端端面均与相应的隔板之间具有间隙，此间隙填充有隔热材料；所述冷却管道的前端外壁面、后端外壁面、左右两侧壁面以及下端外壁面均设有隔热层。

7.根据权利要求1所述的管-排式温差发电器，其特征在于：所述冷却管道的两侧壁面均设有用于固定温差发电片的定位片。

8.根据权利要求1所述的管-排式温差发电器，其特征在于：所述上盖板通过螺钉组件固定于热流管道的上端面，所述下盖板通过螺钉组件固定于热流管道的下端面。

9.根据权利要求1所述的管-排式温差发电器，其特征在于：所述上盖板和下盖板均设有与冷却管道数量相同的压条；位于上盖板的各条压条压紧于相应冷却管道的上端面，位于下盖板的各条压条压紧于相应冷却管道的下端面。

10.根据权利要求1所述的管-排式温差发电器，其特征在于：所述上盖板的下面和下盖板的上面均设有隔热层。