一種圓筒式汽車尾氣熱電轉換裝置及安裝方法與流程

2023-11-01 09:33:32 7

本發明涉及汽車尾氣溫差發電裝置及方法領域，具體地涉及一種圓筒式汽車尾氣熱電轉換裝置及安裝方法。

背景技術：
傳統燃油發動機的燃油能量約30％以尾氣廢熱的方式排放，造成了巨大的能量浪費，採用熱電轉換技術回收尾氣廢熱進行發電供給車載系統使用是提高其燃油經濟性的一個重要途徑。目前，現有的汽車尾氣發電裝置大多採取平板式結構，即熱交換器為平板式，熱電模塊平鋪在平板式熱交換器的表面，但這種方式對發動機的尾氣背壓影響較大，會造成尾氣氣流不通暢，導致熱交換器受熱不均勻，最終熱影響電轉換效率，儘管發出了一定電量但還可能會降低發動機的動力性和燃油經濟性，得不償失。此外，還報導過圓筒式結構的熱交換器，如中國實用新型專利(公開號：2031198709U，公開日：2013-08-07)報導了題為汽車尾氣餘熱發電裝置的專利文獻，文獻中公開了一種汽車尾氣餘熱發電裝置，包括溫差發電器、散熱片和連接套，且連接套的內徑為圓柱形，與汽車排氣筒外圓相匹配，連接套的外部呈現六邊形柱體，具有六邊形柱體結構的連接套分為上套和下套兩部份組成；中國實用新型專利(公開號：204652267U，公開日：2015-09-16)報導了題為一種尾氣溫差發電裝置的專利文獻，文獻中公開了一種包括雙層半八邊形排氣管的溫差發電裝置，這兩種設計均採用圓筒式的雙層結構設計模式，提高了尾氣餘熱的換熱效率，但是結構設計不夠緊湊，同時不利於穩定發動機中尾氣流動背壓。

技術實現要素：
為解決上述問題，本發明提供了一種圓筒式汽車尾氣熱電轉換裝置及安裝方法，其目的是在保證發動機中尾氣流動背壓不增加的基礎上，提高尾氣餘熱的熱轉換效率。本發明的一種圓筒式汽車尾氣熱電轉換裝置，包括熱電轉換單元和電壓巡檢單元，所述熱電轉換單元包含熱交換器，熱交換器包含第一熱面、第二熱面、第三熱面、第四熱面、第五熱面、第六熱面、第七熱面和第八熱面，且第一熱面～第八熱面圍合形成兩端開口設置的筒式腔體，在筒式腔體的內側均勻設置若干個翅片，在筒式腔體外側的第一熱面～第八熱面的表面上分別對應連接有第一熱電模塊組、第二熱電模塊組、第三熱電模塊組、第四熱電模塊組、第五熱電模塊組、第六熱電模塊組、第七熱電模塊組和第八熱電模塊組中的各個熱電模塊的熱端，第一熱電模塊組～第八熱電模塊組中的各個熱電模塊的冷端分別對應連接著第一水箱、第二水箱、第三水箱、第四水箱、第五水箱、第六水箱、第七水箱和第八水箱；第一水箱～第八水箱的外側設置有固定熱交換器、熱電模塊組和水箱的第一緊箍環、第二緊箍環、第三緊箍環、第四緊箍環和第五緊箍環；所述電壓巡檢單元包含第一檢測從板、第二檢測從板、第三檢測從板和第四檢測從板，第一檢測從板～第四檢測從板分別通過第一高溫導線組、第二高溫導線組、第三高溫導線組、第四高溫導線組、第五高溫導線組、第六高溫導線組、第七高溫導線組和第八高溫導線組與第一熱電模塊組～第八熱電模塊組相連並檢測各個熱電模塊組中的熱電模塊電壓，第一檢測從板～第四檢測從板還通過CAN總線與檢測主板進行通信，通過RS485接口向上位機傳送各個熱電模塊的電壓檢測數據並進行分析，通過LCD顯示器對電壓檢測數據進行實時顯示；通過GPRS模塊和Zigbee模塊將各個熱電模塊的電壓檢測數據實時無線傳輸給遠程監控中心。具體的，所述第一熱電模塊組～第八熱電模塊組通過串聯或並聯的方式進行組合作為熱電轉換單元的最終輸出端，且第一熱電模塊組～第八熱電模塊組中的各個熱電模塊組均包含五個以串聯方式組合的熱電模塊；所述第一水箱～第八水箱中的各個水箱均包含多列水箱，且第一水箱～第八水箱中的每列水箱的下表面分別與第一熱電模塊組～第八熱電模塊組中的各個熱電模塊的冷端對應相連；所述熱電轉換單元還包含汽車發動機，汽車發動機排出的高溫尾氣通過第一導氣管的進氣口與熱交換器的入口相連，熱交換器的出口通過第二導氣管的出氣口與大氣相連；汽車發動機的冷卻裝置中的冷卻水出口經過第一散熱片管道後分為八條支路分別與第一水箱中的第一進水口、第二水箱中的第二進水口、第三水箱中的第三進水口、第四水箱中的第四進水口、第五水箱中的第五進水口、第六水箱中的第六進水口、第七水箱中的第七進水口和第八水箱中的第八進水口相連，且第一水箱～第八水箱的冷卻水出口相連後經過第二散熱片管道，與冷卻裝置的冷卻水入口相連，形成熱電轉換單元的一個冷卻水循環迴路。具體的，所述第一熱面～第八熱面圍合形成正八邊形筒式腔體，在正八邊形筒式腔體的內側均勻設置有十六個翅片，所述翅片設置在相鄰兩個熱面的結合處，或者每個熱面在寬邊上的中位線處，且相鄰兩個翅片之間的夾角為22.5°。具體的，所述第一熱電模塊組～第八熱電模塊組中的各個熱電模塊的電壓正負極輸出端分別對應通過第一高溫導線組～第八高溫導線組與接線板上對應的輸入端相連，且第一高溫導線組和第二高溫導線組對應的第一接線板的輸出端與第一檢測從板的信號採集端相連，第三高溫導線組和第四高溫導線組對應的第二接線板的輸出端與第二檢測從板的信號採集端相連，第五高溫導線組與第六高溫導線組對應的第三接線板的輸出端與第三檢測從板的信號採集端相連，第七高溫導線組與第八高溫導線組對應的第四接線板的輸出端與第四檢測從板的信號採集端相連。具體的，所述第一高溫線組(71)～第八高溫線組(78)中的各個高溫線組均包含多根排線，電壓巡檢單元(8)的接線板(80)輸出端通過每組多根排線與檢測從板的信號採集端相連。為實現本發明的目的，本發明還提供了圓筒式汽車尾氣熱電轉換裝置的安裝方法，其特徵在於：包含如下步驟：步驟一：在正八邊形筒式熱交換器的第一熱面～第八熱面的表面上均勻塗布耐高溫導熱矽膠，將第一熱電模塊組～第八熱電模塊組分別對應貼附在第一熱面～第八熱面上；步驟二：在第一熱電模塊組～第八熱電模塊組中的熱電模塊的冷端均勻塗布耐高溫導熱矽膠，再將第一水箱～第八水箱的下表面分別對應貼附在第一熱電模塊組～第八熱電模塊組中的各個熱電模塊組中的熱電模塊的冷端上；步驟三：在第一水箱～第八水箱的表面上，通過螺栓固定第一緊箍環～第五緊箍環，且第一緊箍環～第五緊箍環分別與每個熱電模塊組中的五個串聯的熱電模塊在位置上相對應。有益效果：本發明與平板式熱交換器相比，採用的類似圓筒式熱交換器筒內部氣流順暢，筒內翅片受熱均勻，可在不改變汽車發動機背壓的前提下實現尾氣廢熱的有效收集，同時，由於其結構的對稱性，各個熱面上熱電模塊的溫差和輸出性能基本一致，這樣也便於它們之間的電氣串並聯組合連接。此外，採用發動機自身冷卻裝置的冷卻水控制熱電模塊的冷端溫度，使裝置的操作變得方便可行同時能夠降低裝置的開發和回收成本。本發明經過多次試驗與改良，可較好解決汽車尾氣餘熱利用不充分、輸出功率低等難題，提高了熱電轉換裝置的轉換效率和輸出功率，有助於實現傳統汽車發動機的節能與減排。附圖說明圖1為本發明圓筒式汽車尾氣熱電轉換裝置的整體結構示意圖；圖2為圖1中導氣管的進氣口的正視圖；圖3為圖1中熱交換器熱交換器熱交換器的結構示意圖；圖4為圖3的內部結構示意圖；圖5為圖1中熱電模塊組和水箱布局示意圖；圖6為圖5中第一熱電模塊單元電壓檢測示意圖；圖7為圖5中第二熱電模塊單元電壓檢測示意圖；圖8為圖5中第三熱電模塊單元電壓檢測示意圖；圖9為圖5中第四熱電模塊單元電壓檢測示意圖。圖中各部件標號如下：1—進水口：11—第一進水口、12—第二進水口、13—第三進水口、14—第四進水口、15—第五進水口、16—第六進水口、17—第七進水口、18—第八進水口；2—水箱：21—第一水箱、22—第二水箱、23—第三水箱、24—第四水箱、25—第五水箱、26—第六水箱、27—第七水箱、28—第八水箱；3—熱電模塊：31—第一熱電模塊、32—第二熱電模塊、33—第三熱電模塊、34—第四熱電模塊、35—第五熱電模塊、36—第六熱電模塊、37—第七熱電模塊、38—第八熱電模塊；4—熱交換器熱交換器熱交換器：41—第一熱面、42—第二熱面、43—第三熱面、44—第四熱面、45—第五熱面、46—第六熱面、47—第七熱面、48—第八熱面；5—緊箍環：51—第一緊箍環、52—第二緊箍環、53—第三緊箍環、54—第四緊箍環、55—第五緊箍環；6—翅片；60—巡檢從板：61—第一巡檢從板、62—第二巡檢從板、63—第三巡檢從板、64—第四巡檢從板；7—熱電轉換單元；71—第一高溫導線組、72—第二高溫導線組、73—第三高溫導線組、74—第四高溫導線組、75—第五高溫導線組、76—第六高溫導線組、77—第七高溫導線組、78—第八高溫導線組；8—電壓巡檢單元；80—接線板：81—第一排線組、82—第二排線組、83—第三排線組、84—第四排線組；9—汽車發動機；10—冷卻裝置；91—第一導氣管；92—進氣口；93—第二導氣管；94—出氣口；95—第一散熱片管道；96—第二散熱片管道；100—檢測主板；101—上位機；102—LCD顯示器；103—GPRS模塊；104—Zigbee模塊。具體實施方式下面結合附圖及具體設施例對本發明作進一步的描述，但實施例不應理解為對本發明的限制。如圖1所示，本發明的圓筒式汽車尾氣熱電轉換裝置，包括熱電轉換單元(7)和電壓巡檢單元(8)，所述熱電轉換單元(7)包括熱交換器熱交換器熱交換器(4)，如圖4所示，熱交換器熱交換器熱交換器(4)包括第一熱面(41)、第二熱面(42)、第三熱面(43)、第四熱面(44)、第五熱面(45)、第六熱面(46)、第七熱面(47)和第八熱面(48)，且第一熱面(41)～第八熱面(48)圍合形成類似圓筒式的正八邊形中空腔體，在中空腔體的兩端均設置開口，在中空腔體內側均勻設置十六個具有一定厚度和高度的翅片(6)(優選導熱性好的材料，如銅製或鋁製)，所述翅片(6)設置在相鄰兩個熱面的結合處，或者每個熱面在寬邊上的中位線處，且相鄰兩個翅片之間的夾角為22.5°，本實施例中設計翅片的目的是，當高溫尾氣經過翅片時，翅片吸收熱量並將熱量均勻傳導至熱交換器的多個熱面，且由於熱交換器結構的對稱性，保證熱面受熱均勻。如圖2、圖3和圖3所示，在第一熱面(41)～第八熱面(48)的各個熱面的表面上均勻塗布一定厚度的耐高溫導熱矽膠，再將第一熱電模塊組(31)、第二熱電模塊組(32)、第三熱電模塊組(33)、第四熱電模塊組(34)、第五熱電模塊組(35)、第六熱電模塊組(36)、第七熱電模塊組(37)和第八熱電模塊組(38)分別對應貼附在第一熱面(41)～第八熱面(48)上，其中第一熱電模塊組(31)～第八熱電模塊組(38)通過串聯或並聯的方式進行組合作為熱電轉換單元(7)的最終輸出端，且第一熱電模塊組(31)～第八熱電模塊組(38)中的各個熱電模塊組均包含有五個相互串聯的熱電模塊，因此，第一熱面(41)～第八熱面(48)吸收廢氣中的熱量並將熱量傳遞給第一熱電模塊組(31)～第八熱電模塊組(38)中的各個熱電模塊的熱端；在每個熱電模塊組中串聯的熱電模塊的冷端也塗布一定厚度的耐高溫導熱矽膠，再將第一水箱(21)、第二水箱(22)、第三水箱(23)、第四水箱(24)、第五水箱(25)、第六水箱(26)、第七水箱(27)和第八水箱(28)分別對應貼附在第一熱電模塊組(31)～第八熱電模塊組(38)中的熱電模塊的冷端，第一水箱(21)～第八水箱(28)為熱電模塊組提供冷端溫度，熱電模塊設置在水箱和熱交換器之間，利用冷熱兩端溫度差產生直流電能。再次結合圖1可知，熱電轉換單元(7)還包含汽車發動機(9)，汽車發動機(9)排出的高溫尾氣通過第一導氣管(91)的進氣口(92)與熱交換器(4)的入口相連，熱交換器(4)的出口通過第二導氣管(93)的出氣口(94)與大氣相連；結合圖2可知，汽車發動機(9)的冷卻裝置(10)中的冷卻水出口經過第一散熱片管道(95)後分為八條支路分別與第一水箱(21)中的第一進水口(11)、第二水箱(22)中的第二進水口(12)、第三水箱(23)中的第三進水口(13)、第四水箱(24)中的第四進水口(14)、第五水箱(25)中的第五進水口(15)、第六水箱(26)中的第六進水口(16)、第七水箱(27)中的第七進水口(17)和第八水箱(28)中的第八進水口(18)相連，且第一水箱(21)～第八水箱(28)的冷卻水出口相連後經過第二散熱片管道(96)，與冷卻裝置(10)的冷卻水入口相連，形成熱電轉換單元(7)的一個冷卻水循環迴路，利用發動機自身冷卻裝置的冷卻水控制熱電模塊的冷端溫度，使裝置的操作變得方便可行同時能夠降低裝置的開發和回收成本。再次結合圖1和圖5可知，在第一水箱(21)～第八水箱圍合形成的筒式熱電轉換裝置的外側，通過螺栓固定了第一緊箍環(51)、第二緊箍環(52)、第三緊箍環(53)、第四緊箍環(54)和第五緊箍環(55)，且第一緊箍環(51)～第五緊箍環(55)與每個熱電模塊組中相互串聯的熱電模塊在位置上對應，與熱電模塊組中的五個串聯的熱電模塊在同一條直線上。再次如圖1所示，電壓巡檢單元(8)包括第一檢測從板(61)、第二檢測從板(62)、第三檢測從板(63)和第四檢測從板(64)，結合圖7可知，第一熱電模塊組(31)中五個串聯的熱電模塊的電壓正負極輸出端通過第一高溫導線組(71)與接線板(80)上對應的輸入端相連；第二熱電模塊組(31)中五個熱電模塊的電壓正負極輸出端通過第二高溫導線組(72)與接線板(80)上對應的輸入端相連；第一高溫導線組(71)和第二高溫導線組(72)與第一排線組(81)相連接，且第一高溫導線組(71)和第二高溫導線組(72)利用第一排線組(81)中的多根排線與對應的接線板輸出端相連，接線板輸出端再與第一檢測從板(61)的信號採集端相連，第一檢測從板(61)利用內部的A/D轉換模塊採集對應的第一熱電模塊組(31)和第二熱電模塊組(32)中的各個熱電模塊的電壓並進行相應的軟體濾波數據處理。結合圖1和圖7可知，第三熱電模塊組(33)中五個串聯的熱電模塊的電壓正負極輸出端通過第三高溫導線組(73)與接線板(80)上對應的輸入端相連；第四熱電模塊組(34)中五個串聯的熱電模塊的電壓正負極輸出端通過第四高溫導線組(74)與接線板(80)上對應的輸入端相連；第三高溫線組(73)和第四高溫線組(74)與第二排線組(82)相連，且第三高溫導線組(73)和第四高溫導線組(74)利用第二排線組(82)中的多根排線與對應的接線板輸出端相連，接線板輸出端再與第二檢測從板(62)的信號採集端相連，第二檢測從板(62)利用內部的A/D轉換模塊採集對應的第三熱電模塊組(33)和第四熱電模塊組(34)中的各個熱電模塊的電壓並進行相應的軟體濾波數據處理。結合圖1和圖8可知，第五熱電模塊組(35)中五個串聯的熱電模塊的電壓正負極輸出端通過第五高溫導線組(75)與接線板(80)上對應的輸入端相連；第六熱電模塊組(36)中五個串聯的熱電模塊的電壓正負極輸出端通過第六高溫導線組(76)與接線板(80)上對應的輸入端相連；第五高溫線組(75)和第六高溫線組(76)與第三排線組(83)相連，且第五高溫導線組(75)和第六高溫導線組(76)利用第三排線組(83)中的多根排線與對應的接線板輸出端相連，接線板輸出端再與第三檢測從板(63)的信號採集端相連，第三檢測從板(63)利用內部的A/D轉換模塊採集對應的第五熱電模塊組(35)和第六熱電模塊組(36)中的各個熱電模塊的電壓並進行相應的軟體濾波數據處理。結合圖1和圖9可知，第七熱電模塊組(37)中五個串聯的熱電模塊的電壓正負極輸出端通過第七高溫導線組(77)與接線板(80)上對應的輸入端相連；第八熱電模塊組(38)中五個串聯的熱電模塊的電壓正負極輸出端通過第八高溫導線組(78)與接線板(80)上對應的輸入端相連；第七高溫線組(77)和第八高溫線組(78)與第四排線組(84)相連，且第七高溫導線組(77)和第八高溫導線組(78)利用第四排線組(84)中的多根排線與對應的接線板輸出端相連，接線板輸出端再與第四檢測從板(64)的信號採集端相連，第四檢測從板(64)利用內部的A/D轉換模塊採集對應的第七熱電模塊組(37)和第八熱電模塊組(38)中的各個熱電模塊的電壓並進行相應的軟體濾波數據處理。再次結合圖1可知，第一檢測從板(61)～第四檢測從板(64)通過CAN總線與檢測主板(100)相連進行通信，檢測主板(100)能夠通過CAN總線以一定時間為巡檢周期來收集檢測從板採集的數據；另一方面，檢測主板(100)通過RS485接口與上位機(101)相連，上位機(101)會對數據進行分析處理，一方面顯示各個熱電模塊的實時電壓數據，另一方面還能繪製出實時數據曲線通過LCD顯示器(102)顯示在屏幕上，並進行資料庫保存，以便對熱電模塊進行性能的跟蹤和分析，此外，檢測主板(100)還同時利用GPRS模塊(103)和Zigbee模塊(104)與遠程監控中心實現無線遠程數據通信，其中GPRS模塊(103)還可以與手機進行數據通信。