CN110868103A - 基于层叠式温差换热器的余热利用发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于层叠式温差换热器的余热利用发电装置，包括汽油发电机、层叠式温差换热器和水泵，层叠式温差换热器为由多片平行设置的温差半导体发电板片依次固定连接形成长方体状结构，在相邻的两个温差半导体发电板片中，一个作为冷端，另一个作为热端，多片温差半导体发电板片形成冷端和热端交错布置形式，每片温差半导体片的内部均设有温差发电模块，每片温差半导体的外部均设有一个凹腔，作为冷端的温差半导体发电板片上的凹腔为冷却水凹腔，作为热端的温差半导体发电板片上的凹腔为尾气凹腔。本发明层叠式设计，结构紧凑，结构和强度可靠，换热效率高；温差半导体冷端温度提高，热端温度降低，更有助于两端换热。

Description

基于层叠式温差换热器的余热利用发电装置

技术领域

本发明属于余热利用发电技术领域，尤其是涉及一种基于层叠式温差换热器的余热利用发电装置。

背景技术

现阶段的温差半导体余热利用只是将温差半导体贴附在热源旁边，没有直接进行温差换热，能量利用率不高。另外，现有的温差换热器结构一般为圆筒状，很少有层叠板式的结构。

温差半导体发电是一种利用塞贝克效应将热能转化为电能的新型发电方式，“塞贝克效应”是指当两种不同的金属构成闭合回路时，如果两个接头之间存在温差，那么回路中将产生电流，温差半导体发电它具有无污染、无噪声、结构紧凑、免维护、性能稳定等诸多优势。早期的温差发电技术因成本较高而仅被用于航空航天、军事野外和海洋作业等特殊领域，随着温差半导体材料的发展，此项技术较之前正在应用于地热能、太阳能、工业余热等低品位能源的应用领域，适用范围逐渐扩大。

全球经济的飞速发展，使得球工业化的进程加快，工业生产中存在着大量的中高温余热，尤其像冶金工业这样的耗能大户，合理利用工业余热将之变废为宝，就能为日益紧张的能源和缓解环境带来的压力问题找到一条解决问题的新途径。

国内温差发电技术在船舶、汽车、海洋等领域的应用都有所涉及，但是在发电机尾气的余热回收的应用相对较少。近几年，随着科技的发展进步，温差半导体的材料现阶段的温差半导体余热利用只是将温差半导体贴附在热源旁边，没有直接进行温差换热，能量利用率不高。

现有的温差换热器结构一般为圆筒状，很少有层叠板式的结构。

该温差半导体换热器可以做成一系列模块状结构，可以根据实际需要，进行可重构的换热器重组；也可根据不同的适用环境，进行多换热板片的并联。所以该结构的换热器具有良好的适应性、换热效率高、结构紧凑和可重构的特性，具有良好的市场前景。

发明内容

鉴于此，本发明旨在提出一种基于层叠式温差换热器的余热利用发电装置，层叠式设计，结构紧凑，结构和强度可靠，换热效率高；温差半导体冷端温度提高，热端温度降低，更有助于两端换热。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于层叠式温差换热器的余热利用发电装置，包括汽油发电机、层叠式温差换热器和水泵，所述的层叠式温差换热器为由多片平行设置的温差半导体发电板片依次固定连接形成长方体状结构，在相邻的两个所述的温差半导体发电板片中，一个作为冷端，另一个作为热端，多片所述的温差半导体发电板片形成冷端和热端交错布置形式，每片所述温差半导体片的内部均设有温差发电模块，每片所述温差半导体的外部均设有一个凹腔，作为冷端的温差半导体发电板片上的凹腔为冷却水凹腔，作为热端的温差半导体发电板片上的凹腔为尾气凹腔，在每片所述温差半导体的四个角处均设有开口，其中一条对角线两端的开口为进气口和出气口，另一条对角线两端的开口为进水口和出水口；

在同一片温差半导体发电板片上所述的尾气凹腔与进气口和出气口连通，所述的尾气凹腔与进水口和出水口隔离，在同一片温差半导体发电板片上所述的冷却水凹腔与进水口和出水口连通，所述的冷却水凹腔与进气口和出气口隔离；

所述的汽油发电机的热尾气经进气管与层叠式温差换热器的第一片温差半导体发电板片上的进气口连通，经层叠式温差换热器换热后的气体最终经第一片温差半导体发电板片上的出气口进入到出气管中，所述的水泵3的冷却水经进水管与层叠式温差换热器的第一片温差半导体发电板片上的进水口连通，经层叠式温差换热器换热后的液体最终经第一片温差半导体发电板片上的出水口进入到出水管中，所述的层叠式温差换热器以多片平行设置的温差半导体发电板片并联连接的形式与用电设备电连接。

进一步的，在每一个冷却水凹腔中均设有若干人字形波纹板，在每一个尾气凹腔中内均设有若干个铆钉式凸块，若干个铆钉式凸块以叉排形式排列。

进一步的，在作为热端的温差半导体发电板片上的尾气凹腔与进水口和出水口之间、在作为冷端的温差半导体发电板片上的冷却水凹腔与进气口和出气口之间均通过双道密封结构隔离。

进一步的，所述双道密封结构包括分隔沿、渗漏凹腔和信号孔，所述的尾气凹腔与进水口和出水口之间、所述的冷却水凹腔与进气口和出气口之间均通过分隔沿分隔，所述的分隔沿与相应处的温差半导体发电板片的角落处的两个直角边以及此角落处的开口围成渗漏凹腔，所述的信号孔设置在温差半导体发电板片的角落处的两个直角边上。

进一步的，所述发电装置还包括一缓冲管，所述的缓冲管两端分别与进气管和出气管连通，所述缓冲管上设有调节阀。

进一步的，所述层叠式温差换热器通过固定板固定。

进一步的，所述层叠式温差换热器设置多个，且多个层叠式温差换热器串联后再与用电设备电连接。

相对于现有技术，本发明所述的基于层叠式温差换热器的余热利用发电装置具有以下优势：

本发明所述的基于层叠式温差换热器的余热利用发电装置，换热器结构采用层叠式，通过多个单层温差发电装置叠加而成，结构紧凑，包含多层废热通道及冷却水道，总工作面积大，尾气热能利用的效率高；层叠式结构可以添加/删除通道，实现灵活配置，满足多种功率需求；尾气和循环水采用逆流的方式，传热系数高，对数平均温差大，可以使烟气以低温排出，增加对能量的利用；本发明具有可重构性，该换热板片可以根据实际使用工况的不同，进行不同温差半导体板片的组合，适用不同的环境来进行重构，携带方便。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的基于层叠式温差换热器的余热利用发电装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的基于层叠式温差换热器的余热利用发电装置中层叠式温差换热器的结构示意图；

图3为冷端结构示意图；

图4为热端结构示意图；

图5为温差发电模块连接拓扑结构示意图；

图6为层叠式温差换热器的工作原理图。

附图标记说明：

1-汽油发电机，2-层叠式温差换热器，3-冷端，4-热端，5-冷却水凹腔，6-尾气凹腔，7-进气口，8-出气口，9-进水口，10-出水口，11-进气管，12-出气管，13-进水管，14-出水管,15-人字形波纹板，16-铆钉式凸块，17-分隔沿，18-渗漏凹腔，19-信号孔，20-缓冲管，21-调节阀，22-固定板,23-水泵。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-图4所示，基于层叠式温差换热器的余热利用发电装置，包括汽油发电机1、层叠式温差换热器2和水泵23，所述的层叠式温差换热器2为由多片平行设置的温差半导体发电板片依次固定连接形成长方体状结构，在相邻的两个所述的温差半导体发电板片中，一个作为冷端3，另一个作为热端4，多片所述的温差半导体发电板片形成冷端3和热端4交错布置形式，每片所述温差半导体片的内部均设有温差发电模块，每片所述温差半导体的外部均设有一个凹腔，作为冷端3的温差半导体发电板片上的凹腔为冷却水凹腔5，作为热端4的温差半导体发电板片上的凹腔为尾气凹腔6，在每片所述温差半导体的四个角处均设有开口，其中一条对角线两端的开口为进气口7和出气口8，另一条对角线两端的开口为进水口9和出水口10；

在同一片温差半导体发电板片上所述的尾气凹腔6与进气口7和出气口8连通，所述的尾气凹腔6与进水口9和出水口10隔离，在同一片温差半导体发电板片上所述的冷却水凹腔5与进水口9和出水口10连通，所述的冷却水凹腔5与进气口7和出气口8隔离；

所述的汽油发电机1的热尾气经进气管11与层叠式温差换热器2的第一片温差半导体发电板片上的进气口连通，经层叠式温差换热器2换热后的气体最终经第一片温差半导体发电板片上的出气口进入到出气管12中，所述的水泵23的冷却水经进水管13与层叠式温差换热器2的第一片温差半导体发电板片上的进水口连通，经层叠式温差换热器2换热后的液体最终经第一片温差半导体发电板片上的出水口进入到出水管14中，所述的层叠式温差换热器2以多片平行设置的温差半导体发电板片并联连接的形式与用电设备电连接。

在每一个冷却水凹腔5中均设有若干人字形波纹板15，在每一个尾气凹腔6中内均设有若干个铆钉式凸块16，若干个铆钉式凸块16以叉排形式排列。

在作为热端4的温差半导体发电板片上的尾气凹腔6与进水口9和出水口10之间、在作为冷端3的温差半导体发电板片上的冷却水凹腔5与进气口7和出气口8之间均通过双道密封结构隔离。

双道密封结构包括分隔沿17、渗漏凹腔18和信号孔19，所述的尾气凹腔6与进水口9和出水口10之间、所述的冷却水凹腔5与进气口7和出气口8之间均通过分隔沿17分隔，所述的分隔沿17与相应处的温差半导体发电板片的角落处的两个直角边以及此角落处的开口围成渗漏凹腔18，所述的信号孔19设置在温差半导体发电板片的角落处的两个直角边上。

发电装置还包括一缓冲管20，所述的缓冲管20两端分别与进气管11和出气管12连通，所述缓冲管20上设有调节阀21，此设置主要是换热器不工作时热尾气经过缓冲管20排入到出气管12中。

层叠式温差换热器2通过固定板22固定。

层叠式温差换热器2设置多个，且多个层叠式温差换热器2串联后再与用电设备电连接，连接拓扑结构图如图5所示。

如图6所示，基于层叠式温差换热器的余热利用发电装置的工作原理为：以四片温差半导体发电板为例，且第一片温差半导体发电板片和第三片温差半导体发电板片为冷端，第二片温差半导体发电板片和第四片温差半导体发电板片为热端；

来自汽油发电机1的热尾气经进气管11与层叠式温差换热器2的第一片温差半导体发电板片(作为冷端)上的进气口7连通，热尾气经过第一片温差半导体发电板片(作为冷端)上的进气口7进入第二片温差半导体发电板(作为热端)上的进气口7后一部分热尾气继续向前扩散，一部分热气经由进气口7进入到尾气凹腔6中，在尾气凹腔6中的若干个铆钉式凸块16的作用下，加快流动与冷端换热后，依次经过第二片温差半导体发电板(作为热端)上的出气口8和第一片温差半导体发电板(作为冷端)上的出气口8通过出气管12排出，扩散的那部分热尾气进入第三片温差半导体发电板(作为冷端)上进气口7后进入到第四片温差半导体发电板片(作为热端)上的进气口7后进入到尾气凹腔6中，在尾气凹腔6中的若干个铆钉式凸块16的作用下，加快流动与冷端换热后，依次经过第四片温差半导体发电板(作为热端)、第三片温差半导体发电板片、第二片温差半导体发电板片和第一片温差半导体发电板(作为冷端)上的出气口8，最终通过出气管12排出；

而冷却水的流通与热尾气的流通大体相同，具体为：来自水泵23的冷却水经进水管13与层叠式温差换热器2的第一片温差半导体发电板片(作为冷端)上的进水口9连通，冷却水经过第一片温差半导体发电板片(作为冷端)上的进水口9后一部分冷却水继续向前流动，一部分冷却水经由进水口7进入到冷却水凹腔5中，在冷却水凹腔5中的若干个人字波纹板15的作用下，加快流动与热端换热后，经过第一片温差半导体发电板(作为冷端)上的出水口10通过出水管14排出，扩散的那部分冷却水经过第二片温差半导体发电板(作为热端)上进水口9进入到第三片温差半导体发电板片(作为冷端)上的进水口9后进入到冷却水凹腔5中，在冷却水凹腔5中的若干个人字波纹板15的作用下，加快流动与热端换热后，依次经过第三片温差半导体发电板(作为冷端)、第二片温差半导体发电板片和第一片温差半导体发电板(作为冷端)上的出水口10，最终通过出水管14排出。

温差半导体制作成为板式换热器的板片，结构和强度可靠，中间设有凹腔，凹腔内设置若干人字形波纹板15和若干个铆钉式凸块16，可以增加湍流程度，提高换热系数。针对发动机尾气的余热利用，一端用循环水冷却，一端通过烟气与循环水进行换热，排出的烟气温度较低，经过尾气处理装置，可以减少有害物质的排放。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于层叠式温差换热器的余热利用发电装置，其特征在于：包括汽油发电机(1)、层叠式温差换热器(2)和水泵(23)，所述的层叠式温差换热器(2)为由多片平行设置的温差半导体发电板片依次固定连接形成长方体状结构，在相邻的两个所述的温差半导体发电板片中，一个作为冷端(3)，另一个作为热端(4)，多片所述的温差半导体发电板片形成冷端(3)和热端(4)交错布置形式，每片所述温差半导体片的内部均设有温差发电模块，每片所述温差半导体的外部均设有一个凹腔，作为冷端(3)的温差半导体发电板片上的凹腔为冷却水凹腔(5)，作为热端(4)的温差半导体发电板片上的凹腔为尾气凹腔(6)，在每片所述温差半导体的四个角处均设有开口，其中一条对角线两端的开口为进气口(7)和出气口(8)，另一条对角线两端的开口为进水口(9)和出水口(10)；

在同一片温差半导体发电板片上所述的尾气凹腔(6)与进气口(7)和出气口(8)连通，所述的尾气凹腔(6)与进水口(9)和出水口(10)隔离，在同一片温差半导体发电板片上所述的冷却水凹腔(5)与进水口(9)和出水口(10)连通，所述的冷却水凹腔(5)与进气口(7)和出气口(8)隔离；

所述的汽油发电机(1)的热尾气经进气管(11)与层叠式温差换热器(2)的第一片温差半导体发电板片上的进气口连通，经层叠式温差换热器(2)换热后的气体最终经第一片温差半导体发电板片上的出气口进入到出气管(12)中，所述的水泵(23)的冷却水经进水管(13)与层叠式温差换热器(2)的第一片温差半导体发电板片上的进水口连通，经层叠式温差换热器(2)换热后的液体最终经第一片温差半导体发电板片上的出水口进入到出水管(14)中，所述的层叠式温差换热器(2)以多片平行设置的温差半导体发电板片并联连接的形式与用电设备电连接。

2.根据权利要求1所述的基于层叠式温差换热器的余热利用发电装置，其特征在于：在每一个冷却水凹腔(5)中均设有若干人字形波纹板(15)，在每一个尾气凹腔(6)中内均设有若干个铆钉式凸块(16)，若干个铆钉式凸块(16)以叉排形式排列。

3.根据权利要求2所述的基于层叠式温差换热器的余热利用发电装置，其特征在于：在作为热端(4)的温差半导体发电板片上的尾气凹腔(6)与进水口(9)和出水口(10)之间、在作为冷端(3)的温差半导体发电板片上的冷却水凹腔(5)与进气口(7)和出气口(8)之间均通过双道密封结构隔离。

4.根据权利要求3所述的基于层叠式温差换热器的余热利用发电装置，其特征在于：所述双道密封结构包括分隔沿(17)、渗漏凹腔(18)和信号孔(19)，所述的尾气凹腔(6)与进水口(9)和出水口(10)之间、所述的冷却水凹腔(5)与进气口(7)和出气口(8)之间均通过分隔沿(17)分隔，所述的分隔沿(17)与相应处的温差半导体发电板片的角落处的两个直角边以及此角落处的开口围成渗漏凹腔(18)，所述的信号孔(19)设置在温差半导体发电板片的角落处的两个直角边上。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的基于层叠式温差换热器的余热利用发电装置，其特征在于：所述发电装置还包括一缓冲管(20)，所述的缓冲管(20)两端分别与进气管(11)和出气管(12)连通，所述缓冲管(20)上设有调节阀(21)。

6.根据权利要求5所述的基于层叠式温差换热器的余热利用发电装置，其特征在于：所述层叠式温差换热器(2)通过固定板(22)固定。

7.根据权利要求6所述的基于层叠式温差换热器的余热利用发电装置，其特征在于：所述层叠式温差换热器(2)设置多个，且多个层叠式温差换热器(2)串联后再与用电设备电连接。

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