適用於汽車尾氣溫差發電的高熱吸收傳導性能排氣管的製作方法
2023-09-18 12:04:10 5
本發明涉及溫差發電、熱吸收與傳遞、發動機尾氣管結構對發動機性能的影響等領域，尤其涉及一種適用於汽車尾氣溫差發電的高熱吸收傳導性能排氣管。
背景技術：
目前，排氣管是僅僅針對發動機排氣目的使用，其橫截面一般呈圓形或橢圓形，且為中空結構。該結構的排氣管吸熱面積小、存儲熱體積小、熱吸收效率低，且熱存儲和傳導能力有限，不適用溫差發電。另外，在溫差發電中需使用溫差發電片，溫差發電片普遍呈片狀，現有的排氣管形狀也不利於安裝溫差發電片。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種適用於汽車尾氣溫差發電的高熱吸收傳導性能排氣管。
本發明基於熱吸收和熱傳導理論對發動機排氣管結構進行改進，以增大排氣管和溫差發電片的接觸面積，這樣可增大熱傳遞效能；同時，增大排氣管和尾氣的接觸面積，這樣可增大排氣管對尾氣的熱吸收能力。
為達到上述目的，本發明提供的適用於汽車尾氣溫差發電的高熱吸收傳導能力排氣管，包括若干正構傳熱主體件和若干異構傳熱主體件，正構傳熱主體件和異構傳熱主體件通過連接件交替串聯構成排氣管，所述的連接件為法蘭盤結構；其中：
正構傳熱主體件和異構傳熱主體件為橫截面尺寸相同的正N稜柱管；正構傳熱主體件內設N支葉片，各葉片分別垂直設於各側壁上，在正構傳熱主體件的正N邊形橫截面上，葉片分別與正N邊形的N條邊的中垂線重合；
異構傳熱主體件內也設N支葉片，N支葉片分別設於相鄰側壁形成的夾角處並平分相鄰側壁形成的夾角；
上述N為經驗值，在4～16範圍取值。
進一步的，正構傳熱主體件和異構傳熱主體件的橫截面邊長S＝A+Δ，其中，A為發電片邊長，Δ為發電片的安裝冗餘，Δ在0.1mm～2.0mm範圍取值。
進一步的，N採用經驗公式確定，其中，S為正構傳熱主體件或異構傳熱主體件的橫截面邊長；D0為傳統排氣管的最大直徑。
進一步的，正構傳熱主體件中，各葉片的高度為正構傳熱主體件橫截面的內切圓半徑的37％～43％。
進一步的，異構傳熱主體件中，各葉片的高度為異構傳熱主體件橫截面的內切圓半徑的40％～46％。
進一步的，葉片採用耐高溫抗腐蝕的不鏽鋼。
進一步的，葉片長度Lv為150mm～500mm，且Lv＝k(A+Δ)，k取正整數。
進一步的，正構傳熱主體件和異構傳熱主體件的長度比葉片長度Lv長10～30mm。
進一步的，正構傳熱主體件和異構傳熱主體件通過連接件交替串聯構成排氣管，具體為：
正構傳熱主體件兩端固定於兩法蘭盤內，異構傳熱主體件兩端也固定於兩法蘭盤內，通過將法蘭盤連接，實現正構傳熱主體件和異構傳熱主體件的交替串聯。
進一步的，正構傳熱主體件、異構傳熱主體件與法蘭盤獨立製造，然後焊接一起；或者，正構傳熱主體件、異構傳熱主體件與法蘭盤通過列印方式一體製造。
本發明具有如下優點：
(1)正N邊形的管體結構更適於安裝平面式溫差發電片：
由於工藝成本等原因，目前的溫差發電片均設計製作成平面式，正N邊形管體表面是平面，正好與溫差發電片結構匹配。
(2)內置輻射狀葉片，大大增加吸熱面積：
排氣管腔體內設輻射狀葉片，可大大增大熱源(即尾氣)的吸收面積和傳導體積，從而顯著增加熱吸收率、熱存儲體積和傳導速度。
(3)正構傳熱主體件和異構傳熱主體件交替安裝，葉片交錯，增大擾流，吸熱更充分：
傳熱主體分成多段，相鄰的正構傳熱主體件和異構傳熱主體件的葉片最大限度錯開，形成良好的擾流、梳理氣流等效果，增大熱吸收率，且不會影響排氣速度。
(4)連接件含法蘭盤結構，尺寸可變，適應於各種排量的發動機
各段之間連接件由法蘭盤和正N稜柱管體構成，各構件尺寸可變，故只需按比例改變構件尺寸，就能廣泛適用於各發動機不同尺寸排氣管。
(5)葉片、連接器可獨立加工：
葉片和連接器的加工精度要求沒有正、異構吸熱傳熱主體管體的表面精度要求高，三者者可以通過列印等方式一體製造；也可分開製造，再焊接在一起，加工靈活。
總之，和現有技術相比，本發明具有如下有益效果：
大大增加了熱源的吸收面積和傳導體積，從而顯著增加熱吸收率、熱存儲體積和傳導速度；同時，不會影響排氣速度；易於加工；能適用於各型汽車尺寸的尾氣溫差發電。
附圖說明
圖1為實施例中正構傳熱主體件的截面圖；
圖2為圖1所示正構傳熱主體件的局部示意圖；
圖3為實施例中異構傳熱主體件的截面圖；
圖4為圖3所示異構傳熱主體件的局部示意圖；
圖5為實施例中採用的法蘭盤連接件的結構示意圖，其中，圖(a)為側剖示意圖，圖(b)為正視圖；
圖6為正構傳熱主體件與法蘭盤的連接示意圖，其中，圖(a)為側剖示意圖，圖(b)為正視圖；
圖7為正構傳熱主體件和異構傳熱主體件的位置關係示意圖。
具體實施方式
本發明為具備高熱吸收傳導能力的旨在適用於汽車尾氣溫差發電的排氣管，下面將結合設計思路和實施例進一步說明本發明技術方案。
本發明中，正N稜柱管和其內設置的正構葉片構成正構傳熱主體件，正N稜柱管和其內設置的異構葉片構成異構傳熱主體件，正構傳熱主體件和兩端的連接件構成正構傳熱組合件，異構傳熱主體件和兩端的連接件構成異構傳熱組合件，正構傳熱組合件和異構傳熱組合件交替串聯構成本發明排氣管。
1、排氣管外形結構設計
傳統排氣管一般為圓管或橢圓管，即其橫截面為圓形或橢圓形。本發明中將排氣管設計為正稜柱管，即橫截面為正N邊形，其邊長S設計為適應發電片安裝的尺寸，即：
S＝A+Δ (1)
式(1)中，A為發電片邊長，Δ為發電片的安裝冗餘，Δ取0.1mm～2.0mm為宜。
邊數N的取值範圍為4～16，其主要取決於邊長S和傳統排氣圓管的最大直徑D0，並綜合考慮發動機排量、排氣管數量、排氣管橫截面面積、吸熱傳熱效能和工藝成本等因素，通過多次試驗並比對效果確定。
邊數N可採用如下經驗公式確定：
式(2)中，D0為傳統排氣管的最大直徑。
若原始的傳統排氣管橫截面為圓形，則D0為圓形直徑；若原始的傳統排氣管橫截面為橢圓，則D0為橢圓大徑)。取整以靠近原始的傳統排氣管橫截面為原則，一般採用四捨五入法。
2、吸熱傳熱體的設計
本發明排氣管腔內設計有輻射狀葉片，構成吸熱傳熱主體。根據葉片位置不同，吸熱傳熱主體分為正構傳熱主體件和異構傳熱主體件。
見圖1～2，正構傳熱主體件結構中，在橫截面上，N支葉片分別與正N邊形N條邊的中垂線重合，所有葉片均指向正N邊形中心。本實施例中，葉片高度Hv1為正N邊形內切圓半徑的40％，葉片頂端寬20±2mm，葉片兩側形成1：40的斜度。
見圖3～4，異構傳熱主體件結構中，在橫截面上，N支葉片分別位於正N邊形的N條對角線上，所有葉片均指向正N邊形的中心。本實施例中，葉片高度Hv2為正N邊形內切圓半徑的45％。
正N邊形內切圓直徑D計算公式為：
本發明中，所有葉片的形狀、尺寸和所採用材料均相同。葉片材料採用耐高溫抗腐蝕的不鏽鋼，包括但不局限於不鏽鋼409、不鏽鋼400、不鏽鋼434、不鏽鋼444、不鏽鋼18SR、不鏽鋼309S、不鏽鋼302、不鏽鋼304、不鏽鋼316等。
本實施例中，正構傳熱主體件和異構傳熱主體件的外表面的表面粗糙度為：最大峰值高度Rp≤0.5mm，且最大谷值深度Rv≥-0.5mm。
3、連接件和安裝的適應設計
見圖7，本發明將正構傳熱主體件和異構傳熱主體件交替串聯，具體為：正構傳熱主體件兩端固定於兩法蘭盤內，異構傳熱主體件兩端也固定於兩法蘭盤內，通過將法蘭盤連接，從而實現正構傳熱主體件和異構傳熱主體件的串聯。作為優選，連接的法蘭盤間設有石棉墊密封。相鄰的正構傳熱主體件和異構傳熱主體件內葉片完全錯開，這樣葉片能使得尾氣氣流更加均勻分布、彼此充分接觸，增大了傳熱效能。連接件採用與正N邊形尺寸匹配的法蘭盤，見圖5。法蘭盤內接吸熱傳熱主體，法蘭盤和吸熱傳熱主體可獨立製造，然後焊接一起；也可以一體製造。圖6以正構傳熱主體件為例，示出了法蘭盤與吸熱傳熱主體的連接示意圖。
正構傳熱主體件和異構傳熱主體件的長度太長不能形成良好的擾流，太短又會使連接件佔據太大比例，熱流失增大，作為優選，正構傳熱主體件和異構傳熱主體件中葉片的長度Lv設為150mm～500mm，且Lv＝k(A+Δ)，k取正整數；而正構傳熱主體件和異構傳熱主體件的長度設為Lv+(10～30)mm，即正構傳熱主體件和異構傳熱主體件的長度比葉片長度長10～30mm。