CN113098324A - 一种热管换热式水冷汽车尾气发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热管换热式水冷汽车尾气发电装置，包括温差发电模块、尾气端和冷却液端。温差发电模块包括温差发电单元，隔热垫，隔热毛毡、换热器以及热管，尾气端包括中间尾气箱，冷却液端包括两端冷却水箱。在尾气箱和冷却水箱中垂直于流体方向布置多组热管，将热管另一端分别插入冷热端的换热器中，通过重力热循环把尾气箱中的热量快速高效地传递到各温差发电单元中用于发电。该方案具有发电效率高、电压稳定，扩展性强的优势，且有利于温差发电装置的标准化、模块化、产品化。

Description

一种热管换热式水冷汽车尾气发电装置

技术领域：

本发明属于车辆热能管理技术领域，特别涉及一种热管换热式水冷汽车尾气发电装置。

背景技术：

内燃机作为传统汽车的主要动力源，只有30%左右的能量被车辆所使用，而通过汽车尾气所浪费的能量与发动机的输出做功大致相当，这造成了巨大的经济损失和能源浪费。即使一小部分的废气能量被回收发电，汽车动力性能和经济性能的提高也将会是令人兴奋的，具有很好的经济和社会效益。

温差发电技术是一种通过温度差将热能直接转化为电能的新型能源技术，一般基于半导体材料的塞贝克效应。塞贝克效应是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。由于温差发电材料工作时无噪音、无污染、零排放、性能稳定可靠、无运动部件、使用寿命长等特点，因此具有广泛的应用前景。

目前温差发电技术在应用过程中还受到两方面的限制，一方面为热电材料的热电优值不够高，导致发电效率较低；另一方面，缺少稳定高效的传热设备，进而在热电材料两端难以形成稳定的温差，此外现有温差发电系统还存在规模小、拓展性差、难以形成标准化、产品化、价格较高，且对原有系统可能形成破坏等问题。

现有的尾气发电装置，主要安装在汽车排气系统位于三元催化器与消音器之间的位置，部分技术采用只在尾气管表面，难以有效的进行热传导，温差较小，会导致发电效率低。因此，该问题成为尾气余热利用的一大难题。

热管是一种利用流动工质相变传热的自然传热设备，工质在蒸发器中蒸发吸热，气体流入冷凝器，在冷凝器中冷凝放热，冷凝液体在毛细力作用下返回蒸发器。热管技术具有传热效率高、等温性好、无噪音、无需动力驱动、安全可靠的优势，已被广泛应用在电子设备散热、太阳能利用、热回收等领域。热管技术与温差发电技术相结合可以保证传热过程的稳定高效，进而形成稳定且足够高的温差，提高温差发电效率。

中国发明专利申请“一种温差发电热管及温差发电装置”（申请号：200810220647.X，公开日：20090617）公开了热管与温差发电相结合的技术方案。但该方案仅利用单根热管回收管端热量，总体传热量较小，同时系统规模较小，扩展性比较差。

中国发明专利申请“基于平板热管的温差发电模块及其构成的热管循环余热温差发电系统”（申请号：201711032809.2，公开日：20180202）提出了一种基于平板热管的温差发电模块及其构成的热管循环余热温差发电系统。其利用了多组热管及散热肋片，但其系统需要较强的迎面气流，因此对布置方式提出很高的要求，并不适合汽车尾气布置。

总之，现有技术存在的问题是：热管与温差发电单元无法直接连接，采用其他介质会让热电效率极大的下降；尾气发电的能量效率较低，投入产出比较低；尾气发电装置的体积较大，且拆装较为麻烦；由于尾气在管道中的热损耗，造成发电片的等温性较差。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种利用正常散热过程发电的热管换热式水冷汽车尾气发电装置，从而克服上述现有技术中的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供了一种热管换热式水冷汽车尾气发电装置，包括：

中央尾气箱，置于车辆排气管中，利用高温尾气提供高温热源；

冷却水箱，连通车辆的冷却液系统，利用冷却液相对于高温尾气的低温提供低温冷源；

至少两组相对分布的换热器，用于分别将中央尾气箱和冷却水箱的温度传导到换热器的工作面；

温差发电单元，被夹紧在两组相对分布的换热器之间的工作面中，利用两组换热器的不同温度差产生电流。

优选地，上述技术方案中，中央尾气箱布有热管孔，热端热管一端通过热管孔插入中央尾气箱内、热端热管的另一端与热端换热器连通、相变工质在热端热管与热端换热器之间完成相变转换；

冷却水箱布有热管孔，冷端热管的一端通过热管孔插入冷却水箱内、冷端热管的另一端与冷端换热器连通、相变工质在冷端热管与冷端换热器之间完成相变转换；

热端换热器与冷却水箱之间，以及冷端换热器与中央尾气箱之间有隔热毛毡；

温差发电单元两侧贴合于冷端换热器与热端换热器，利用冷热端的温差进行发电。

优选地，上述技术方案中，中央尾气箱的前、后两侧分别设有尾气进口、尾气出口，尾气进口、尾气出口分别与车辆排气管相连；

冷却水箱的两端分别设有冷却水进口、冷却水出，冷却水进口、冷却水出分别与汽车冷却水系统相连。

优选地，上述技术方案中，冷却端包括两侧冷却水箱，两侧冷端换热器，两侧冷端热管及冷端换热器隔热毛毡，冷却水箱内侧表面存在热管孔，热管通过热管孔连接冷却水箱及冷端换热器。每个冷端换热器上插入4根冷端热管。

优选地，上述技术方案中，尾气端包括中央尾气箱，两侧热端换热器，两侧热端热管及热端换热器隔热毛毡；中央尾气箱两侧表面存在热管孔，热管通过热管孔连接中央尾气箱及热端换热器；每个热端换热器上插入4根热端热管。

优选地，上述技术方案中，热端换热器和冷端换热器材料为不锈钢。

优选地，上述技术方案中，冷端热管为中低温热管，工作温度在150℃以下，管壁材质为铜，内部相变工质选用水或乙醇；热端热管为高温热管，耐热温度需要达到850℃左右，管壁材质为不锈钢，内部相变工质选用陶氏导热油A。

优选地，上述技术方案中，热端的隔热毛毡贴于热端换热器后表面，紧贴热端换热器与冷却水箱表面；冷端的隔热毛毡贴于冷端换热器后表面，紧贴冷端换热器与尾气箱表面。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.热管与温差发电单元巧妙结合，构成模块化温差发电单元，有利于温差发电模块的标准化、模块化、产品化。切实降低产品价格，推动温差发电技术的广泛应用。

2.在有限的空间内布置了足够多的发电单元，使用热交换器让温差发电单元的布置可以垂直于流体（包括尾气和冷却水）的流动方向，从而尽量利用了有限的空间，使得发电模块的能量密度得到提高，并且由有等效性好，无需动力驱动等优点。

3.基于热管的换热式水冷汽车尾气发电装置设计安装灵活方便、扩展性强，可组建大容量余热温差发电系统，或构建多级温差发电系统。

4.热管传热过程中等温性较好，各温差发电片两侧温差基本相同，保障了发电电压的一致性和稳定性。

附图说明：

图1为一种热管换热水式汽车尾气发电装置的结构示意图。

图2为一种热管换热水式汽车尾气发电装置的结构剖面图。

图3为热管和换热器的具体转换原理示意图。

图4为冷却水箱热管孔布置结构示意图。

图5为尾气箱热管孔布置结构示意图。

图中的标号说明如下：1-尾气出口；2-冷却水进口；3-冷却水箱；4-热端换热器；4’-冷端换热器；5-尾气箱；6-冷却水出口；7-尾气入口；8-热端热管；8’-冷端热管；9-隔热毛毡；10-温差发电单元。

具体实施方式：

下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或 组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

图1为本发明一种热管换热式水冷汽车尾气发电装置的结构示意图，其主要由尾气出口1、冷却水入口2、冷却水箱3、换热器4、尾气箱5、冷却水出口6及尾气入口7组成。

温差发电单元10组装于热端换热器4和冷端换热器4’之间，尾气箱5与冷却水箱3通过热端热管8和冷端热管8’进行热交换。热端换热器4、冷端换热器4’与未连接的冷却水箱3或尾气箱5中设置有隔热毛毡9。

图2为本发明一种热管换热水式汽车尾气发电装置的结构剖面图。尾气箱5与两侧冷却水箱3平行设置。

垂直于尾气和冷却水流向自上到下平行设置若干组热管8，热管8另一侧紧密连接换热器4。

两换热器4之间紧夹温差发电单元10，利用尾气箱5以及冷却水箱3的温差进行发电。

如图3所示，热端热管8温度高于环境温度，工质在热端热管8中受热蒸发，气态工质沿热管上壁流入换热器4中，热端换热器4中的温度较低，气态工质冷却放热液化为液态工质，液态工质沿热管流回热管8的尾气箱5内，完成热管循环。

尾气箱5中的热量被转移到热端换热器4中。

冷却液段中的热管循环同理。相邻换热器4各为冷热换热器。因而产生温差。

图4为冷却水箱箱热管孔布置结构示意图。热管8外径为5mm，热管孔距离左上中心距为15mm*15mm，而热管孔之间的中心间隔为横向30mm、纵向20mm。阵列数量可按长边及短边长度选择，本图中阵列数量为长边13*短边4。

图5为尾气箱热管孔布置结构示意图。尾气箱5两侧都设有热管孔，分别与两侧冷却水箱3的热管孔相对应。

冷端热管8’为中低温热管，工作温度在150℃以下。因此选用管壁材质为铜，内部相变工质选用水或乙醇。热端热管8为高温热管，耐热温度需要达到850℃左右。因此选用管壁材质为不锈钢，内部相变工质选用陶氏导热油A。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种热管换热式水冷汽车尾气发电装置，其特征在于：包括：

中央尾气箱（5），置于车辆排气管中，利用高温尾气提供高温热源；

冷却水箱（3），连通车辆的冷却液系统，利用冷却液相对于高温尾气的低温提供低温冷源；

至少两组相对分布的换热器（4），用于分别将中央尾气箱（5）和冷却水箱（3）的温度传导到换热器（4）的工作面；

温差发电单元（10），被夹紧在两组相对分布的换热器（4）之间的工作面中，利用两组换热器的不同温度差产生电流。

2.根据权利要求1所述的热管换热式水冷汽车尾气发电装置，其特征在于：中央尾气箱（5）布有热管孔，热端热管一端通过热管孔插入中央尾气箱（5）内、热端热管的另一端与热端换热器（4）连通、相变工质在热端热管与热端换热器（4）之间完成相变转换；

冷却水箱（3）布有热管孔，冷端热管的一端通过热管孔插入冷却水箱（3）内、冷端热管的另一端与冷端换热器（4’）连通、相变工质在冷端热管与冷端换热器（4’）之间完成相变转换；

所述热端换热器（4）与冷却水箱（3）之间，以及冷端换热器（4’）与中央尾气箱（5）之间有隔热毛毡（9）；

温差发电单元（10）两侧贴合于冷端换热器（4’）与热端换热器（4），利用冷热端的温差进行发电。

3.根据权利要求1所述的热管换热式水冷汽车尾气发电装置，其特征在于：中央尾气箱（5）的前、后两侧分别设有尾气进口（7）、尾气出口（1），尾气进口（7）、尾气出口（1）分别与车辆排气管相连；

冷却水箱（3）的两端分别设有冷却水进口（2）、冷却水出（6），冷却水进口（2）、冷却水出（6）分别与汽车冷却水系统相连。

4.根据权利要求1或2所述的热管换热式水冷汽车尾气发电装置，其特征在于：冷却端包括两侧冷却水箱（3），两侧冷端换热器（4’），两侧冷端热管（8）及冷端换热器隔热毛毡（9），冷却水箱（3）内侧表面存在热管孔，热管（8）通过热管孔连接冷却水箱（3）及冷端换热器（4’）。

5.根据权利要求4所述的热管换热式水冷汽车尾气发电装置，其特征在于：每个冷端换热器（4’）上插入4根冷端热管（8’）。

6.根据权利要求1或2所述的热管换热式水冷汽车尾气发电装置，其特征在于：尾气端包括中央尾气箱（5），两侧热端换热器（4），两侧热端热管（8）及热端换热器隔热毛毡（9）；中央尾气箱（5）两侧表面存在热管孔，热管通过热管孔连接中央尾气箱（5）及热端换热器（4）。

7.根据权利要求6所述的热管换热式水冷汽车尾气发电装置，其特征在于：每个热端换热器（4）上插入4根热端热管（8）。

8.根据权利要求4或5所述的热管换热式水冷汽车尾气发电装置，其特征在于：热端换热器（4）和冷端换热器（4’）材料为不锈钢。

9.根据权利要求4或5所述的热管换热式水冷汽车尾气发电装置，其特征在于：冷端热管（8’）为中低温热管，工作温度在150℃以下，管壁材质为铜，内部相变工质选用水或乙醇；热端热管（8）为高温热管，耐热温度需要达到850℃左右，管壁材质为不锈钢，内部相变工质选用陶氏导热油A。

10.根据权利要求2或4或5所述的热管换热式水冷汽车尾气发电装置，其特征在于：热端的隔热毛毡（9）贴于热端换热器（4）后表面，紧贴热端换热器（4）与冷却水箱（3）表面；冷端的隔热毛毡（9）贴于冷端换热器（4’）后表面，紧贴冷端换热器（4’）与尾气箱（5）表面。

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