CN113300634B - 一种基于热管传热的两级温差发电余热回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于热管传热的两级温差发电余热回收装置，本发明将不锈钢管接入汽车排气管道以获得高温余热，利用不锈钢‑钾热管将热量导入高温温差发电片热端，通过铜‑水热管为高温温差发电片冷端散热，并将热量导入低温温差发电片，最后使用MFNP冷却装置和冷风管通入的车外强气流，对低温温差发电片冷端进行双重冷却降温。本发明利用热管进行传热，可以使得温差发电器的位置不再局限于排气管、换热器表面，使其布置方案更具灵活性、多样化，从而可以多方位、高效率地回收汽车尾气余热。

Description

一种基于热管传热的两级温差发电余热回收装置

技术领域

本发明涉及汽车排放尾气余热回收技术领域，具体涉及一种基于热管传热的两级温差发电余热回收装置。

背景技术

随着汽车工业的快速发展，其能源消耗问题日益凸显，汽车节能已成为人们关注的焦点。有关研究表明，汽车发动机的热效率不到45％，而大部分能量损失于汽车发动机的冷却水和高温尾气中，其中大概有30％-40％的能量以尾气余热的形式排放到大气中，不仅造成能源的严重浪费，还对环境造成无法挽回的影响。汽车行驶时排气温度可达500℃以上，若能将这部分热量进行回收利用，则可以大大节省汽车油耗，减少尾气污染，降低温室气体排放。

温差发电技术是一种新型发电技术，具有绿色环保、无噪音、结构简单紧凑等优势，运用温差发电技术可以将汽车排出的高温尾气进行回收发电并在车载系统中加以利用，对提高汽车发动机的燃油经济性、降低排放污染物、节约能源具有重要意义。目前运用在汽车尾气余热回收的温差发电装置主要是将温差发电片单一地布置在排气管、换热器的表面，如此布置会因为排气系统复杂的结构而导致温差发电片安装数量受限；同时也会因为集热器表面温度不稳定，使得温差发电片冷热端得不到较大的有效温差。

温差发电装置的传统散热方式主要有水冷和风冷两种，使用水冷散热时对冷却水水温和流速要求较高，推动冷却水循环流动所造成的泵损失也不可忽视，而且普通水冷导热率较低，使用导热率较高的纳米增强型冷却液时成本也会大幅增加；使用风冷散热时，气体流动特性对其冷却效果影响较大，汽车行驶时所带来的气流流动特性复杂，冷却效果不佳。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于热管传热的两级温差发电余热回收装置，充分回收汽车的高温排气余热，提高能量回收效率。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于热管传热的两级温差发电余热回收装置，包括多个串联的传热铜板，传热铜板包括交错布置的完整传热铜板和断开传热铜板，相邻两传热铜板之间上半部设置低温温差发电片、下半部设置高温温差发电片；

断开传热铜板上下端分别嵌入铜-水热管的蒸发段、不锈钢-钾热管的冷凝段；铜-水热管冷凝段伸入冷风管中，铜-水热管的绝热段外围设有MFNP冷却装置；

完整传热铜板内部也设有铜-水热管。

上述技术方案中，所述两级温差发电余热回收装置设置一个，不锈钢-钾热管的蒸发段伸入不锈钢管中，且不锈钢-钾热管的蒸发段设有窄距铜翅片。

上述技术方案中，所述窄距铜翅片的表面积小于宽距铜翅片的表面积。

上述技术方案中，所述两级温差发电余热回收装置设置多个，围绕不锈钢管各个平面进行布置，多个不锈钢-钾热管的蒸发段等距交叉排布于不锈钢管中。

上述技术方案中，所述铜-水热管的冷凝段设有宽距铜翅片。

上述技术方案中，所述MFNP冷却装置内部以泡沫金属铜通过真空钎焊制作成导热骨架，所述导热骨架中填充耦合有1wt％～1.5wt％CuO纳米颗粒的石蜡基相变材料。

上述技术方案中，所述不锈钢管采用304不锈钢制作。

上述技术方案中，所述低温温差发电片为工作温度在250℃左右的碲化铋温差发电片，高温温差发电片为运行温度在500℃左右的方钴矿温差发电片。

上述技术方案中，所述低温温差发电片、高温温差发电片与传热铜板之间均匀涂抹高性能界面导热材料。

上述技术方案中，所述冷风管进出口处都布置有密集金属网格。

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过不锈钢-钾热管、铜-水热管进行传热，使得温差发电器的位置不再局限于集热器表面，布置方案更具灵活性、多样化，从而可以多方位、高效率地回收汽车尾气余热。

(2)本发明利用不锈钢-钾热管、铜-水热管连接低温温差发电片和高温温差发电片的传热，可以最大程度地回收汽车高温余热，将高温余热转化为可资利用的电能，同时也有效提高了燃油利用效率，减少能源消耗。

(3)本发明利用MFNP冷却装置为铜-水热管进行辅助降温，MFNP冷却装置内部以高导热性的泡沫金属铜通过真空钎焊的方式制作成导热骨架，导热骨架中填充耦合有1wt％～1.5wt％CuO纳米颗粒的石蜡基相变材料，从而有效降低两级温差发电余热回收装置对冷风管中空气流速、温度的要求，MFNP冷却装置与风冷结合形成的双重冷却在各种汽车行驶情况下均可稳定发挥散热效果，以维持两级温差发电余热回收装置的持续电能输出。

附图说明

图1为本发明所述基于热管传热的两级温差发电余热回收装置结构示意图；

图2为本发明传热结构示意图；

图3为本发明不锈钢管和冷风管布置图；

图4为本发明布置多个两级温差发电余热回收装置的不锈钢管示意图。

图中：1-不锈钢管，2-不锈钢-钾热管，3-窄距铜翅片，4-传热铜板，5-铜-水热管，6-铜-水热管，7-宽距铜翅片，8-MFNP冷却装置，9-低温温差发电片，10-高温温差发电片，11-固定杆。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，一种基于热管传热的两级温差发电余热回收装置，包括不锈钢管1、不锈钢-钾热管2、窄距铜翅片3、传热铜板4、铜-水热管5、冷风管6、宽距铜翅片7、MFNP冷却装置8、低温温差发电片9和高温温差发电片10；不锈钢-钾热管2和铜-水热管5均为吸液芯热管。本实施例中，不锈钢管1采用304不锈钢制作。

如图1、2所示，多个传热铜板4对齐设置，且上下两端以及中间位置分别通过固定杆11相连接，相邻两传热铜板4之间设有温差发电片，具体为：两传热铜板4之间上半部分设置低温温差发电片9、下半部分设置高温温差发电片10，且温差发电片和传热铜板4之间均匀涂抹高性能界面导热材料，以减少热阻。其中低温温差发电片9为工作温度在250℃左右的碲化铋温差发电片，高温温差发电片10为运行温度在500℃左右的方钴矿温差发电片。

传热铜板4包括完整传热铜板和断开传热铜板两种，两种传热铜板交错布置，且最外端的两块传热铜板为完整的。完整传热铜板内部设有铜-水热管5。

断开传热铜板上下端分别钻设有与铜-水热管5、不锈钢-钾热管2同一直径的孔洞，然后将铜-水热管5的蒸发段、不锈钢-钾热管2的冷凝段分别嵌入传热铜板4上下端的孔洞，另外，在铜-水热管5、不锈钢-钾热管2与传热铜板4的接口处进行焊接，以保持结构紧密性。嵌有铜-水热管5和不锈钢-钾热管2的传热铜板4断开为上下两部分，避免低温温差发电片9冷端铜板无法正常散热。

如图1、3所示，铜-水热管5冷凝段伸入冷风管6中，且铜-水热管5的冷凝段设有宽距铜翅片7，宽距铜翅片7位于冷风管6中，冷风管6与传热铜板4顶端之间焊接固定有MFNP(metal foam nanoparticle phase change materials，泡沫金属纳米相变材料)冷却装置8，MFNP冷却装置8位于铜-水热管5的绝热段外围；不锈钢-钾热管2的蒸发段伸入不锈钢管1中，且不锈钢-钾热管2的蒸发段设有窄距铜翅片3，窄距铜翅片3位于不锈钢管1中，不锈钢管1与传热铜板4底端焊接固定。不锈钢管1可接入汽车排气管道为热管提供热量，在实际应用中可根据所接入的位置改变为各种形状的管道，在其外侧都要包裹上绝缘材料，以避免漏热。其中，不锈钢-钾热管2为高温热管，工作介质为钾，相容壳体材料为不锈钢；铜-水热管5为中低温热管，工作介质为高纯水，相容壳体材料为铜。不锈钢-钾热管2和铜-水热管5的吸液芯均为多层卷绕钢丝网在壳体的内表面焊接而成，可为工作介质提供较强毛细力，使工作介质从冷凝段重新流回蒸发段。直接接触高温废气的窄距铜翅片3的表面积小于宽距铜翅片7的表面积，以避免不锈钢-钾热管2及温差发电片温度过高而遭到破坏，由于宽距铜翅片7的表面积大，从而可提升铜-水热管5的散热效率。

MFNP冷却装置8内部以高导热性的泡沫金属铜通过真空钎焊的方式制作成导热骨架，导热骨架中填充耦合有1wt％～1.5wt％(质量分数)CuO纳米颗粒的石蜡基相变材料，该相变材料具有极高的导热率和储能效率，能够在温度不变的情况下发生固液相变，从而吸收大量潜热。由于热管的绝热段在实际工作中并非完全绝热，液相工作介质经过绝热段时也会通过壁面向外界传热，所以将MFNP冷却装置8设置在铜-水热管5的绝热段外围，能够快速吸收热管绝热段散发的热量，从而在短时间内为热管降温。

冷风管6可通过管道或直接布置于汽车底盘，以接入汽车行驶时的高速气流对铜-水热管5进行加速冷却，并且冷风管6进出口处都布置有密集金属网格(图4)，以过滤空气中的大量灰尘及细小颗粒，避免对翅片造成损害。

本发明的两级温差发电余热回收装置的布置方法十分灵活，并不单一，如果空间许可，该装置可围绕不锈钢管1各个平面(本实施例优选为4个平面)进行布置，同时将各装置中的窄距铜翅片3移除，且各装置中的不锈钢-钾热管2等距交叉排布，从而提升对汽车排气余热的利用率，增大电能输出，如图4所示。

本发明基于热管传热的两级温差发电余热回收装置通过将不锈钢管1接入汽车排气管道以获得高温余热，由于不锈钢-钾热管2伸入不锈钢管1中，不锈钢-钾热管2将大量热量导入断开传热铜板4的下半部分，进而将热量导入高温温差发电片10，进一步再导入完整的传热铜板4，传热铜板4中的铜-水热管5将热量导入低温温差发电片9，低温温差发电片9把热量导入断开传热铜板4上半部分，利用铜-水热管5进行散热，经过MFNP冷却装置8辅助降温后，将剩余热量导入通有车外强气流的冷风管6，低温温差发电片9和高温温差发电片10冷、热端由此形成温差，最终产生可持续利用的稳定电能。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于热管传热的两级温差发电余热回收装置，其特征在于，包括多个串联的传热铜板（4），传热铜板（4）分为完整传热铜板和断开传热铜板，完整传热铜板和断开传热铜板交错布置，相邻两传热铜板（4）之间上半部设置低温温差发电片（9）、下半部设置高温温差发电片（10）；

断开传热铜板上下端分别嵌入铜-水热管（5）的蒸发段、不锈钢-钾热管（2）的冷凝段；铜-水热管（5）冷凝段伸入冷风管（6）中，铜-水热管（5）的绝热段外围设有泡沫金属纳米相变材料冷却装置（8）；不锈钢-钾热管（2）的蒸发段伸入不锈钢管（1）中；

完整传热铜板内部也设有铜-水热管（5）。

2.根据权利要求1所述的基于热管传热的两级温差发电余热回收装置，其特征在于，所述两级温差发电余热回收装置设置一个，所述不锈钢-钾热管（2）的蒸发段设有窄距铜翅片（3）。

3.根据权利要求2所述的基于热管传热的两级温差发电余热回收装置，其特征在于，所述窄距铜翅片（3）的表面积小于宽距铜翅片（7）的表面积；所述宽距铜翅片（7）设置在铜-水热管（5）的冷凝段，且宽距铜翅片（7）位于冷风管（6）中。

4.根据权利要求1所述的基于热管传热的两级温差发电余热回收装置，其特征在于，所述两级温差发电余热回收装置设置多个，围绕不锈钢管（1）各个平面进行布置，多个不锈钢-钾热管（2）的蒸发段等距交叉排布于不锈钢管（1）中。

5.根据权利要求1所述的基于热管传热的两级温差发电余热回收装置，其特征在于，所述铜-水热管（5）的冷凝段设有宽距铜翅片（7）。

6.根据权利要求1所述的基于热管传热的两级温差发电余热回收装置，其特征在于，所述泡沫金属纳米相变材料冷却装置（8）内部以泡沫金属铜通过真空钎焊制作成导热骨架，所述导热骨架中填充耦合有1wt%~1.5wt%CuO纳米颗粒的石蜡基相变材料。

7.根据权利要求1所述的基于热管传热的两级温差发电余热回收装置，其特征在于，所述不锈钢管（1）采用304不锈钢制作。

8.根据权利要求1所述的基于热管传热的两级温差发电余热回收装置，其特征在于，所述低温温差发电片（9）为工作温度在250℃左右的碲化铋温差发电片，高温温差发电片（10）为运行温度在500℃左右的方钴矿温差发电片。

9.根据权利要求1所述的基于热管传热的两级温差发电余热回收装置，其特征在于，所述低温温差发电片（9）、高温温差发电片（10）与传热铜板（4）之间均匀涂抹高性能界面导热材料。

10.根据权利要求1所述的基于热管传热的两级温差发电余热回收装置，其特征在于，所述冷风管（6）进出口处都布置有密集金属网格。

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