CN109989811A - 一种中间介质型内燃机尾气温差发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种中间介质型内燃机尾气温差发电装置，包括热电模块、冷却水换热器，其特征在于，该装置还包括相变腔体、尾气管束、中间介质以及变截面尾气通道，所述相变腔体对称的两个面上均设置有通道口，两个通道口分别连接一个变截面尾气通道的一端，变截面尾气通道的另一端连接内燃机排气管，相变腔体四周封闭，相变腔体内充灌液态的中间介质，相变腔体内底部布置尾气管束，并且尾气管束浸没在中间介质中，相变腔体上部外表面安装热电模块与冷却水换热器。本发明在相同热电模块下，具有更高的发电效率与发电密度，可延长热电模块的使用寿命，缓解尾气波动引起的发电性能不稳定的问题，避免热电模块温度超过使用温度。
Description
技术领域
本发明涉及与内燃机尾气余热回收利用相结合的温差发电技术领域，具体涉及一种中间介质型内燃机尾气温差发电装置。
背景技术
随着汽车行业的高速发展，汽车耗能在总能耗中的比重逐渐加大，以燃油为能源的内燃机效率一般只有30-40％，大约有40％的能量随着汽车尾气排放到环境中，不仅造成能量的浪费，而且加剧了环境污染。为了减小尾气余热能的损失，提高能源的利用效率，利用温差发电器回收尾气中的余热能进行发电，被认为是最有效的方式之一。温差发电作器作为一种固态能量转换装置,其能够将热量直接转换为电能，与动力循环相比，由于结构简单、无传动部件，使得温差发电器的安装与维护更加方便。
现有的汽车尾气温差发电器，结构为在尾气通道与冷却装置之间加装热电模块,利用尾气通道表面的高温与冷却装置表面的低温构建热电模块的温差,从而产生电能。但是由于尾气通道内尾气的对流换热系数较低，使得热电模块热端温度远低于尾气的温度，造成发电器的发电效率往往较低。因此通过强化尾气通道内尾气的对流换热是提高尾气温差发电性能的有效方式。例如，授权公告号为CN206820677U的中国专利在尾气通道内添加吸热结构以增大发电器的热电转换效率。授权公告号为CN207743904U的中国专利在尾气通道内安装脉动热管以提高发电装置的发电量。这些方法虽然能够提高尾气温差发电器的发电性能，但会引起尾气通道阻力压降的大幅增加，不仅对内燃机的正常运行造成影响，而且换热系数的提高幅度也有限。此外，沿尾气流动方向，由于尾气温度的逐渐降低，热电模块的热端温度也会逐渐降低，发电器热应力较大，影响使用寿命。上述方法亦不能改善由于尾气温度降低引起的模块温度分布的不均匀性。
发明内容
本发明的目的是为了提高尾气温差发电器的发电性能,降低发电器成本,同时避免发电器的安装引起内燃机排气阻力的额外增加；提高热电模块温度分布的均匀性，且能够保持在安全运行温度范围内工作，延长发电器的使用寿命，提高发电器的安全可靠性。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
本发明提供了一种结构简单、发电密度高、成本低廉的中间介质型内燃机尾气温差发电装置。
本发明所提供的中间介质型内燃机尾气温差发电装置包括热电模块、冷却水换热器、相变腔体、尾气管束、中间介质以及变截面尾气通道，所述相变腔体对称的两个面上均设置有通道口，两个通道口分别连接一个变截面尾气通道的一端，其中一个变截面尾气通道的另一端连接内燃机排气管，相变腔体四周封闭，相变腔体内充灌液态的中间介质，相变腔体内底部布置尾气管束，并且尾气管束浸没在中间介质中，相变腔体上部外表面安装热电模块与冷却水换热器；所述变截面尾气通道的小径端设有与内燃机尾气排气管直径相配合的开口，大径端截面积不小于尾气管束整体的横截面积；所述变截面尾气通道连接相变腔体的一端上均匀开有多个尾气管连接口，每个尾气管连接口上连接尾气管束中尾气管的一端，尾气管束中的多个尾气管平行布置在相变腔体内。
本发明所提供的中间介质型内燃机尾气温差发电装置的运行流程为：来自内燃机的尾气，自一个变截面尾气通道进入尾气管束，通过尾气管束与中间介质换热后，尾气温度降低，并由另一个变截面尾气通道排出；在相变腔体内，来自尾气的热量引起中间介质的气化，气态的中间介质在相变腔体上部、铺贴热电模块的部位发生冷凝并放热，冷凝的中间介质依靠重力回流到相变腔体底部，而冷凝释放的热量则传递给热电模块进行发电，热电模块的冷端利用冷却水换热器进行散热。
与现有尾气温差发电器相比，本发明具有的优点和积极效果是：
本发明由于存在中间介质的气液相变，从而具有一定的蓄热能力，可缓解尾气波动引起的发电性能不稳定的问题。
本发明由于中间介质的存在，可避免热电模块温度超过使用温度，保持在安全运行温度范围内工作，进而保证系统安全运行。
本发明能够在内燃机排气管上快速安装，由于对排气的阻力压降几乎无影响，可避免对内燃机正常运行的影响。
本发明设置变截面通道，能便于排气管与尾气管束相连，使尾气均匀流过管束，通过增加尾气管束中尾气管的数量降低阻力，不会影响内燃机的正常运行。在使用相同热电模块下，本发明装置具有更高的发电效率与发电密度，提高了尾气温差发电系统的经济性，可以使热电模块的温度分布更加均匀，有利于延长热电模块的使用寿命。
附图说明
图1为本发明提供的中间介质型尾气温差发电装置的正视图。
图2为本发明提供的中间介质型尾气温差发电装置的侧视图。
图3为本发明提供的中间介质型尾气温差发电装置的俯视图。
具体实施方式
为了进一步了解本发明的内容、特点及功效，兹列举以下实施方案，并配合附图详细说明：
如图1-3所示，本发明中间介质型内燃机尾气温差发电装置包括热电模块1、冷却水换热器2、相变腔体3、尾气管束4、中间介质5以及变截面尾气通道6。所述相变腔体3为长方体形，在长方体的左右两个侧面上均设置有通道口，两个通道口分别连接一个变截面尾气通道的一端，变截面尾气通道的另一端连接内燃机尾气排气管，相变腔体四周封闭，相变腔体3内充灌液态中间介质5，相变腔体3底部布置尾气管束4，并且尾气管束4浸没在中间介质5中。相变腔体3顶部外表面安放热电模块1与冷却水换热器2。在相变腔体3与热电模块1、热电模块1与冷却水换热器2之间涂有导热硅脂以减少传热热阻。冷却水换热器2可利用螺丝或者夹具固定在相变腔体3顶部，冷却水换热器用于给热电模块进行换热，并给予热电模块1施加一定的夹紧力。变截面尾气通道6一端与相变腔体3焊接在一起，变截面尾气通道为圆台型，圆台的小径端与内燃机排气管直径一致，方便二者密封连接，圆台的大径端面封端，封端的截面板上具有多个尾气管接口，每个尾气管接口均连接一个尾气管束的尾气管的一端，变截面通道的大径端截面覆盖尾气管束4。变截面尾气通道6的作用是保证尾气能够均匀流过尾气管束4，且尾气仅通过尾气管束进入排出。尾气管接口在截面板上均匀分布。
本发明所提供的中间介质型内燃机尾气温差发电装置的所用中间介质可根据尾气参数选择水或者乙二醇等有机工质。中间介质一般选择常压沸点在100～300℃的有机工质，当尾气排气管进入相变腔体内的温度过高时，也可以选择更高沸点的有机工质。中间介质气化的温度主要受尾气出口温度的影响，出口温度要低于进口温度，因此可避免尾气进口(此时温度较高)部位的热电模块超温运行。
本发明所提供的中间介质型内燃机尾气温差发电装置的中间介质的填充高度要比尾气管束最高点位置高3-5mm，同时要比热电模块最低点位置低10mm以上。
本发明所提供的中间介质型内燃机尾气温差发电装置的相变腔体形状可根据具体安装空间来调整，但要保证热电模块放置在相变腔体顶部外表面位置，尾气管束位于相变腔体内底部位置。本发明中两个变截面尾气通道的另一端可以根据具体的安装环境决定是连接排气管还是直接连接外部，对发电装置本身性能无影响。
本发明所提供的中间介质型内燃机尾气温差发电装置的尾气管束可根据具体工况调节管束直径与数量，但管束的总换热面积要高于热电模块的面积。
本发明所提供的中间介质型内燃机尾气温差发电装置的冷却水换热器亦可用其他高效冷却方式代替。
本发明中间介质型内燃机尾气温差发电装置的运行流程为：来自内燃机的尾气，自变截面尾气通道6进入尾气管束4，通过尾气管束4与相变腔体3内的中间介质5换热后，尾气温度降低，并由变截面尾气通道6排放到环境中或者排气管中。在相变腔体3内，由尾气管束4传递来的热量引起中间介质5的气化，气态的中间介质5在相变腔体3上部、铺贴热电模块1的部位发生冷凝并放热，冷凝的中间介质5依靠重力回流到相变腔体3底部，而冷凝释放的热量则传递给热电模块1进行发电，热电模块1的冷端利用冷却水换热器2进行散热。
本发明所述的中间介质型内燃机尾气温差发电装置中，尾气不直接与热电模块1接触，而是通过中间介质5的气液相变传递能量，因此可实现热电模块1数量与尾气管束4中尾气管数量的任意比例布置(热电模块跟尾气管束互相之间不影响，因此可利用增加管束中尾气管的模式增大尾气换热面积与热电模块面积的比例)，通过增大尾气管束中尾气管数量从而增大尾气侧换热面积，能够使热电模块1热端的能量更加富集，从而提高热电模块1的热端温度，发电器发电密度得到提升。由于本发明只要保证足够的尾气侧换热面积即可，不需要强化尾气通道的换热，因此可避免尾气通道强化所带来的阻力压降的大幅增加，尽可能减小了对内燃机正常工作的影响。
本发明所述的中间介质型内燃机尾气温差发电装置中，热电模块1的热端依靠相变腔体3内的气态中间介质5的冷凝放热进行发电，由于整个相变腔体3内处于气液相平衡状态，相变腔体3内气态中间介质5的温度基本一致，因此热电模块1的热端温度分布更加均匀，避免了尾气温度大幅降低所带来的模块性能的不均匀问题。
本发明所述的中间介质型内燃机尾气温差发电装置中，中间介质5的气化潜热量较大，因此本发明具有一定的蓄热功能，可以缓解因尾气温度与流量波动所带来的发电性能不稳定的问题。
考虑到目前商用热电模块的使用温度普遍在300℃以下，选择中间介质为水或乙二醇，本发明可避免热电模块超温使用，保证系统安全运行。
本发明所述的中间介质型内燃机尾气温差发电装置的尾气侧流动阻力可通过增加尾气管束4中尾气管数量的方式得到降低，可实现阻力压降低于或者等于相同长度的排气管，因此可直接应用到汽车上，不影响内燃机的正常工作。
本发明适用于流体型的废热，不仅能够应用于小型车辆，也能应用于大型、重型车辆以及船舶等使用内燃机的交通工具，还可应用于工业废热的回收发电。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (7)
1.一种中间介质型内燃机尾气温差发电装置，包括热电模块、冷却水换热器，其特征在于，该装置还包括相变腔体、尾气管束、中间介质以及变截面尾气通道，所述相变腔体对称的两个面上均设置有通道口，两个通道口分别连接一个变截面尾气通道的一端，变截面尾气通道的另一端连接内燃机排气管，相变腔体四周封闭，相变腔体内充灌液态的中间介质，相变腔体内底部布置尾气管束，并且尾气管束浸没在中间介质中，相变腔体上部外表面安装热电模块与冷却水换热器；所述变截面尾气通道的小径端设有与内燃机尾气排气管直径相配合的开口，大径端的截面积不小于尾气管束整体的横截面积；所述变截面尾气通道连接相变腔体的一端上开有多个尾气管连接口，每个尾气管连接口上连接尾气管束中尾气管的一端，尾气管束中的多个尾气管平行布置在相变腔体内。
2.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，该发电装置的运行流程为：来自内燃机的尾气，自一个变截面尾气通道进入尾气管束，通过尾气管束与中间介质换热后，尾气温度降低，并由另一个变截面尾气通道排出；在相变腔体内，来自尾气的热量引起中间介质的气化，气态的中间介质在相变腔体上部、铺贴热电模块的部位发生冷凝并放热，冷凝的中间介质依靠重力回流到相变腔体底部，而冷凝释放的热量则传递给热电模块进行发电，热电模块的冷端利用冷却水换热器进行散热。
3.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述变截面尾气通道为圆台型。
4.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述中间介质为水或者常压沸点在100～300℃的有机工质。
5.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述相变腔体的形状根据具体安装空间来调整，但要保证热电模块放置在相变腔体顶部外表面位置，尾气管束位于相变腔体内底部位置。
6.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述中间介质的填充高度要比尾气管束最高点位置高3-5mm，同时要比热电模块最低点位置低10mm以上。
7.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，尾气管束的总换热面积高于热电模块的面积。
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