一種發動機餘熱發電裝置及其發電模塊的製作方法

2023-05-23 07:22:16 3

專利名稱：一種發動機餘熱發電裝置及其發電模塊的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於發動機餘熱的再利用技術領域，具體涉及一種發動機餘熱發電裝 置及其發電模塊。
背景技術：
隨著不可再生的石油能源價格的不斷攀升和環境汙染不斷擴大，環保和節能已成 為當今社會發展的主題。調查研究表明，發動機燃料燃燒所發出的能量只有部分被有效利 用，柴油機的能量利用率一般為34% 38%，汽油機的能量利用率一般為25% 28%，其 它的能量被排放到發動機體外，僅由排出的尾氣帶走的熱量就佔發動機中的燃料所產生 熱量的30% 45%，而發動機循環冷卻水帶走的熱量則佔整個發動機燃料能量的15% 25%。在城市道路中，由於汽車不斷的變速及剎車，這導致餘熱大量排放現象尤為明顯，能 量浪費嚴重。現有的熱電轉換器一般承受的最大溫差在200度左右，最佳溫差範圍一般為60 度至100度，如果溫差過大，會影響熱電轉換器熱電轉換效率。例如，公開號為cn1794557a 的中國專利公開了一種發動機排氣管餘熱發電方法及其發電裝置，該發明專利的發電方法 是直接利用尾氣的溫度與發電裝置周圍環境溫度之間的溫度差，使熱電轉換器完成發電功 能；發電裝置的管壁是熱電轉換器主體，熱電轉換器的高溫端直接放入排氣管內與尾氣接 觸，低溫端與周圍環境接觸。使用該發明專利的餘熱發電方法，當發動機高速運轉時，對熱 電轉換器提供的熱量就會過多，熱電轉換器高溫端與低溫端之間的溫差太大，超出了最佳 溫差範圍，使得熱電轉換器不能獲得最佳的熱電轉換效率；當發動機空轉或者怠速時，發動 機排出的尾氣熱量不足，不能滿足熱電轉換器的需要。
發明內容本實用新型的目的是提供一種發動機餘熱發電裝置及其發電模塊。在發動機高速 運轉時，一部分熱量用於熱量轉換器發電，將多餘部分的熱量儲存起來；在發動機空轉或者 怠速時，將儲存起來的熱量釋放出來，提供給熱電轉換器發電，保證發電需要。為實現本實用新型的目的，採用下述的技術方案一種發動機餘熱發電模塊，包括氣體管道、熱電轉換器層和冷卻器層，在氣體管道 與熱電轉換器層之間還設有儲能器層。進一步的，熱電轉換器層和冷卻器層可以至少為兩層，第一層熱電轉換器層位於 儲能器層與第一層冷卻器層之間，其餘的熱電轉換器層位於相鄰的兩層冷卻器層之間；熱 電轉換器層和冷卻器層層數相等。進一步的，所述的氣體管道為N邊形，N至少為3，儲能器層、熱電轉換器層、冷卻器 層分別包括N個與氣體管道壁相匹配的儲能器層單元、冷卻器層單元、熱電轉換器層單元； 相鄰的冷卻器層單元的上壁之間和下壁之間分別通過連接板連接，形成與冷卻器層相通的 通道。[0009]進一步的，所述氣體管道內設有格柵，格柵沿垂直於氣體管道中尾氣流通方向分 布，用於增加氣體管道壁的吸熱面積。進一步的，所述儲能器層內壁上設有格柵；最外層冷卻器層的外表面設有散熱片。進一步的，在氣體管道的尾氣進口端為喇叭狀進口端，喇叭口朝向氣體管道的入一種發動機餘熱發電裝置，至少包括兩級所述的發動機餘熱發電模塊，相鄰兩級 發動機餘熱發電模塊的氣體管道、熱電轉換器層、冷卻器層為相通。進一步的，相鄰兩級發動機餘熱發電模塊的氣體管道的橫截面面積從尾氣進口端 到尾氣出口端依次遞減，相應地，相鄰兩級發動機餘熱發電模塊的儲能器層的橫截面面積 依次遞增。進一步的，相鄰兩冷卻器層的相連接端部設有定位部分。使用本實用新型的優點是通過在熱電轉換器層和氣體管道之間設置儲能層，可 以儲存發動機高速運轉時多餘的熱量，在發動機空轉或怠速時可以釋放出儲存的能量，這 樣可以提高能量的利用率，也可以控制熱電轉換器層高、低溫端之間的溫度差，同樣可以提 高熱電轉換效率。當發動機處於滿負荷工作時，發動機排出的尾氣中的熱量過多，其中一 部分熱量儲存在儲能器層中，另一部分用於熱電轉換器發電；當發動機空轉或者怠速時，發 動機排出的尾氣中的熱量不足，儲存在儲能器層中的熱量被釋放，用於熱電轉換器發電。由 於發動機排出的尾氣溫度過高，儲能器層不僅可以作為多餘熱量的緩存裝置，還可以有效 降低熱電轉換器層高溫端的溫度，使得熱電轉換器高溫端與低溫端之間的溫度差不至於太 大，提高熱電轉換效率，維持溫度差的相對恆定，起到發電緩衝作用。另外，通過設置多層熱電轉換器層和冷卻層，可以減小熱電轉換器高溫端與低溫 端之間的溫度差，把溫度控制在一個合適的範圍，提高熱電轉換效率。

下面，結合附圖對本實用新型的具體實施方式
作進一步詳細的描述。圖1為本實用新型一種實施例的發動機餘熱發電模塊的主視圖；圖2為本實用新型一種實施例的發動機餘熱發電模塊的左視圖；圖3為本實用新型一種實施例的第一層冷卻層單元主視剖面圖；圖4為本實用新型一種實施例的第二層冷卻層單元主視剖面圖；圖5為本實用新型一種實施例的儲能器層單元主視剖面圖；圖6為本實用新型一種發動機餘熱發電裝置實施例的結構示意圖。
具體實施方式
參照附圖1至圖5。本實施例的發動機餘熱發電模塊I包括氣體管道10、熱電轉 換器層和冷卻器層，其中，熱電轉換器層包括第一層熱電轉換器層21和第二層熱電轉換器 層22，冷卻器層包括第一層冷卻器層31和第二層冷卻器層32，在氣體管道與第一層熱電轉 換器層之間還設有儲能器層40。第一層熱電轉換器層21位於儲能器層與第一層冷卻器層 31之間，第二層熱電轉換器層位於第一層冷卻器層31和第二層冷卻器層32之間。為了增加氣體管道壁的吸熱面積，可以在氣體管道10內設置網格或肋板等格柵11，格柵11沿垂直於氣體管道10中尾氣流通的方向分布，尾氣流經氣體管道10時，格柵11 能與尾氣充分接觸，並將捕獲的熱量傳遞到與格柵11相連的氣體管道壁上。在氣體管道10 的尾氣進口端12為喇叭狀進口端，喇叭口朝向氣體管道10的入口，這樣的設計是為了防止 發動機產生背壓，即保證氣體管道10的有效空氣流通橫截面積大於發動機排氣口的橫截 面積。所述第一層熱電轉換器層21和第二層熱電轉換器層22內設有多個均勻分布的 熱電轉換器23。熱電轉換器層的高溫端朝向氣體管道10，以使得朝向氣體管道10 —側端 面的溫度高於另一側端面的溫度。第一層熱電轉換器層21的熱電轉換器可以採用高溫級 熱電堆式熱電轉換器，高溫級熱電堆式熱電轉換器採用高溫熱電材料製造，例如ZnSb、PbTe 等；第二層熱電轉換器層22的熱電轉換器可以採用低溫級熱電轉換器，低溫級熱電轉換器 可以採用熱電堆等結構，低溫級熱電轉換器採用Bi2Te3JihSbx等合金材料製造。所述第一層冷卻器層31和第二層冷卻器層32的通道內流通有冷卻液體介質，通 道的兩端通過管道連接冷卻源。第一層冷卻器層31內冷卻液體介質的流動方向與尾氣的 流動方向相反，能帶來更好的冷卻效果，因此，本實施例第一層冷卻器層31的冷卻液體介 質進口端38位於尾氣出口端13 —側，以使得第一層冷卻器層31內冷卻液體介質的流動方 向與尾氣的流動方向相反。第二層冷卻器層32的外表面可以設有散熱片34，以更好地散 熱。第一層冷卻器層31通道內的冷卻液體介質可以為發動機冷卻水，第二層冷卻器 層32通道內的冷卻液體介質可以為常溫水，常溫水中配製有低溫相變材料，以保證水溫維 持在一個較低的溫度範圍，適於添加到常溫水中的低溫相變材料主要有KF、NH4SCN, NaF, NH4HCO3等無機水合鹽，以及冷凍的冰水混合物等相變貯能材料。所述的氣體管道為N邊形，N至少為3。本實施例的氣體管道為四邊形，儲能器層 40、熱電轉換器層、冷卻器層分別包括四個與氣體管道壁相匹配的儲能器層單元41、冷卻器 層單元33、熱電轉換器層單元；相鄰的冷卻器層單元33的上壁之間和下壁之間分別通過連 接板35連接，形成與冷卻器層相通的通道36。所述儲能器層單元41內部為密封的空腔，空腔內裝滿高溫高貯熱相變材料，所謂 高溫高貯熱相變材料主要為高相變潛熱的固一液相變材料，例如高溫結晶水合鹽、A1C13、 LiN03、Na2O2等，為增加高溫高貯熱相變材料自身的導熱性，可在高溫高貯熱相變材料中添 加高導熱性能的金屬粉末，例如銀粉、銅粉或者鋁粉，或者添加耐熱性能較高的矽油。進一 步的，儲能器層單元41內壁上可以設有肋板42，也可以設有網格等其它結構，這樣的設計 是為了增加高溫高貯熱相變材料在儲能器層單元41內的受熱面積。圖1-5所示的發動機餘熱發電模塊可以作為發動機餘熱發電裝置使用。本實用新 型的發動機餘熱發電裝置還可以由至少兩級圖1-5所示的發動機餘熱發電模塊組裝而成。 如圖6所示，本實施例的發動機餘熱發電裝置包括四級發動機餘熱發電模塊I，相鄰兩級發 動機餘熱發電模塊可以通過焊接或者通過夾具夾持固定在一起。進一步的，相鄰兩冷卻器 層的相連接端部設有定位接頭，相鄰兩級發動機餘熱發電模塊I通過該定位接頭37定位。 相鄰兩級發動機餘熱發電模塊的氣體管道、熱電轉換器層、冷卻器層為相通。相鄰兩級發動機餘熱發電模塊I的氣體管道10的橫截面面積從尾氣進口端12到 尾氣出口端13依次遞減，相應地，相鄰兩級發動機餘熱發電模塊I的儲能器層40的橫截面面積依次遞增。這樣的設計是因為前一級發動機餘熱發電模塊I吸收尾氣熱量後，尾氣 溫度降低導致體積收縮，為了保證尾氣流速的穩定，有必要將下一級發動機餘熱發電模塊I 的氣體管道10的橫截面面積適當減小。 本實用新型實施例的工作原理是發動機排出的尾氣從尾氣進口端12進入發動 機餘熱發電裝置，流經氣體管道10，氣體管道的格柵及管道壁吸收尾氣中的熱量，並將熱量 轉移到儲能器層40中，同時，由於第一層冷卻器層31的冷卻作用，使得第一層熱電轉換器 層21的熱電轉換器高溫端溫度大於低溫端溫度，在溫差的作用下，熱電轉換器完成發電功 能；第二層熱電轉換器層22利用其自身的溫差，對第一層冷卻器層31的餘熱進一步發電。
權利要求一種發動機餘熱發電模塊，包括氣體管道(10)、熱電轉換器層和冷卻器層，其特徵在於在氣體管道(10)與熱電轉換器層之間還設有儲能器層(40)。
2.如權利要求1所述的發動機餘熱發電模塊，其特徵在於所述熱電轉換器層和冷卻 器層至少為兩層，第一層熱電轉換器層(21)位於儲能器層(40)與第一層冷卻器層(31)之 間，其餘的熱電轉換器層位於相鄰的兩層冷卻器層之間；熱電轉換器層和冷卻器層層數相等。
3.如權利要求2所述的發動機餘熱發電模塊，其特徵在於所述的氣體管道(10)為 N邊形，N至少為3，儲能器層(40)、熱電轉換器層、冷卻器層分別包括N個與氣體管道壁相 匹配的儲能器層單元(41)、冷卻器層單元(33)、熱電轉換器層單元；相鄰的冷卻器層單元 (33)的上壁之間和下壁之間分別通過連接板連接，形成與冷卻器層相通的通道。
4.如權利要求2所述的發動機餘熱發電模塊，其特徵在於所述氣體管道(10)內設有 格柵，格柵沿垂直於氣體管道(10)中尾氣流通方向分布，用於增加氣體管道壁(10)的吸熱 面積。
5.如權利要求3所述的發動機餘熱發電模塊，其特徵在於所述氣體管道(10)內設 有格柵，格柵沿垂直於氣體管道(10)中尾氣流通方向分布，用於增加氣體管道壁的吸熱面 積。
6.如權利要求5所述的發動機餘熱發電模塊，其特徵在於所述儲能器層(40)內壁上 設有格柵；最外層冷卻器層的外表面設有散熱片(34)。
7.如權利要求6所述的發動機餘熱發電模塊，其特徵在於在氣體管道(10)的尾氣進 口端(12)為喇叭狀進口端，喇叭口朝向氣體管道(10)的入口。
8.一種發動機餘熱發電裝置，其特徵在於至少包括兩級如權利要求1-7中任一項所 述的發動機餘熱發電模塊，相鄰兩級發動機餘熱發電模塊的氣體管道(10)、熱電轉換器層、 冷卻器層為相通。
9.如權利要求8所述的發動機餘熱發電裝置，其特徵在於相鄰兩級發動機餘熱發電 模塊的氣體管道的橫截面面積從尾氣進口端(12)到尾氣出口端(13)依次遞減，相應地， 相鄰兩級發動機餘熱發電模塊的儲能器層(40)的橫截面面積依次遞增。
10.如權利要求8或9所述的發動機餘熱發電裝置，其特徵在於相鄰兩冷卻器層的相 連接端部設有定位部分。
專利摘要本實用新型公開了一種發動機餘熱發電模塊，包括氣體管道、熱電轉換器層和冷卻器層，在氣體管道與熱電轉換器層之間還設有儲能器層。本實用新型同時公開了一種發動機餘熱發電裝置，至少包括兩級發動機餘熱發電模塊；相鄰兩級發動機餘熱發電模塊的氣體管道、熱電轉換器層、冷卻器層為相通。發動機餘熱發電模吸收尾氣餘熱，在其內部產生溫度差，熱電轉換器利用溫度差完成發電功能。使用本實用新型可以提高熱電轉換器的熱電轉換效率，使用方便，製造簡單。
文檔編號H02N11/00GK201650422SQ20102012255
公開日2010年11月24日 申請日期2010年3月3日 優先權日2010年3月3日
發明者宋瑞銀, 張美琴, 王賢成 申請人:浙江大學寧波理工學院