一種應用于汽車尾氣余熱回收利用的車載脈動熱管熱電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于汽車尾氣余熱利用設(shè)備領(lǐng)域，特別涉及一種應用于汽車尾氣余熱回收利用的車載脈動熱管熱電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代社會汽車已經(jīng)成為人們出行最為普遍的代步工具，進入21世紀以來，汽車占有率迅速升高，今天已然實現(xiàn)了在千家萬戶中的普及；然而汽車發(fā)動機的熱動轉(zhuǎn)換效率較低，大量熱量通過尾氣排放出去；如何利用低品位的廢熱，進一步提高能源的利用效率已經(jīng)成為當今一個十分重要的議題。
[0003]脈動熱管內(nèi)部工質(zhì)的流型隨加熱功率的增大先后經(jīng)歷脈動流向循環(huán)流的轉(zhuǎn)變，從汽車尾部三元催化器中流出的尾氣溫度在400-800°C左右，且尾氣流量和流速較大，能夠提供較高的加熱功率，使脈動熱管內(nèi)部工質(zhì)實現(xiàn)循環(huán)流動，實現(xiàn)熱能和動能的定向轉(zhuǎn)換。
[0004]脈動熱管采用導電介質(zhì)和低沸點絕緣工質(zhì)交錯充液方式，利用低沸點絕緣工質(zhì)相變產(chǎn)生的動力推動雙工質(zhì)在管內(nèi)流動，再利用導電介質(zhì)切割磁力線原理發(fā)電，完成動能和電能的轉(zhuǎn)換。
[0005]汽車尾氣在排放過程中不僅含有溫度較高的余熱能，還伴隨一定的噪音，噪音的聲能也能進一步促進脈動熱管內(nèi)部工質(zhì)的運動，提高尾氣余熱向動能和電能的轉(zhuǎn)換效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是設(shè)計一種應用于汽車尾氣余熱回收利用的車載脈動熱管熱電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，回收利用溫度、壓力相對環(huán)境較高的尾氣中的熱能，并將品位較低的余熱轉(zhuǎn)變成品位較高的電能加以利用，整體提高燃油的能源利用效率和余熱的利用品質(zhì)。
[0007]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
一種應用于汽車尾氣余熱回收利用的車載脈動熱管熱電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，所述系統(tǒng)主要由回路型雙工質(zhì)脈動熱管、電路系統(tǒng)和磁體三部分組成；其中，所述回路脈動熱管是主要的傳熱和熱動轉(zhuǎn)換元件，由多個紫銅材質(zhì)的冷卻管，絕緣套管和多個紫銅材質(zhì)的加熱管通過螺紋形式連接而成的回路，回路上部設(shè)有抽真空閥、低沸點絕緣工質(zhì)充液閥和高沸點導電工質(zhì)充液閥，電路系統(tǒng)包括各絕緣管內(nèi)側(cè)的發(fā)電電極、外接串聯(lián)絕緣導線和接口電極；磁體包括平行布置于脈動熱管絕熱段兩側(cè)的磁體N極與磁體S極。
所述低沸點絕緣工質(zhì)充液閥與高沸點導電工質(zhì)注液閥緊鄰布置。
所述回路型雙工質(zhì)脈動熱管的冷卻管和加熱管的內(nèi)徑與外徑均分別相同，且具有良好導熱性能，冷卻管和加熱管是管端頭均分別帶有外螺紋的金屬管；絕緣套管的管端頭帶有內(nèi)螺紋，內(nèi)徑與加熱管和冷卻管均相同，但外徑稍大的絕緣套管，絕緣套管外加裝保溫層。
每根所述絕緣套管連接一個發(fā)電電極，它是由絕緣套管中間截面的內(nèi)壁兩側(cè)緊貼的互不接觸的對稱金屬矩形片組成，金屬片的長度小于絕緣套管長度6_左右，且不與冷熱管端頭接觸。
多根并列所述絕緣套管組成多個發(fā)電電極，電極間通過外接絕緣導線串聯(lián)連接，每根外接導線的端頭穿過絕緣管壁中間截面兩側(cè)的小孔與電極片連接，串聯(lián)回路的接口電極與外電路相連。
所述回路脈動熱管的加熱管為U形彎管，各段U形管等間距平行布置在熱管下部；冷卻管為彎頭較小的Π型管，交錯布置在上部；絕熱管布置在中間連接處。
所述回路脈動熱管整體傾斜放置，傾斜角度取決于尾氣的加熱功率和雙工質(zhì)充液率及熱物性參數(shù)。
所述磁體N極與磁體S極平行布置于回路脈動熱管絕熱段兩側(cè)一定距離處，磁體形成的磁力線方向與脈動熱管U形加熱管的彎頭方向一致。
所述加熱管與汽車尾氣出口相鄰，直接接受尾氣的對流加熱。
所述冷卻管布置在車體外部，直接接受汽車運行時外部空氣的強制對流冷卻；所述加熱管、絕熱管和冷卻管三部分分別放置在三個通道里，絕熱段的絕緣套管要絕熱保溫。
[0008]—種汽車尾氣余熱回收利用的車載脈動熱管熱電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，主要由冷卻管、絕緣套管、加熱管、抽真空閥、低沸點絕緣工質(zhì)注液閥、高沸點導電工質(zhì)注液閥組成的回路脈動熱管，發(fā)電電極、外接絕緣導線和接口電極串聯(lián)成的電路系統(tǒng)，和N極與S極組成的磁體三部分組成。脈動熱管包括三部分，加熱管完成熱量從高溫熱源(汽車尾氣)向管內(nèi)工質(zhì)的熱量傳遞，冷卻管實現(xiàn)的是把輸出電功后的工質(zhì)的剩余熱量向冷源(環(huán)境)的散熱，絕熱絕緣管是通過導電工質(zhì)運動切割磁力線在電極上產(chǎn)生電動勢輸出電功，從而完成熱能向電能的轉(zhuǎn)換。
[0009]脈動熱管的加熱管和冷卻管采用壁厚為1mm左右的高導熱系數(shù)的紫銅管，可大大降低管壁的導熱熱阻，提高熱管管壁的導熱性能。
[0010]脈動熱管熱電轉(zhuǎn)換裝置是在汽車運行時工作的，在不需提供外動力的條件下，就能保證高溫尾氣和環(huán)境對熱管的加熱管和冷卻管的強制對流傳熱，獲得較優(yōu)的管外傳熱性會K。
[0011]脈動熱管加熱管長度可適當長于冷卻管長度，主要原因是加熱功率大于散熱功率，且冷卻風速高于尾氣流速。
[0012]脈動熱管采用低沸點絕緣工質(zhì)的目的是，低沸點工質(zhì)在與熱源和冷源交換熱量的過程中發(fā)生相變，工質(zhì)在加熱段的汽化膨脹和在冷卻段的冷凝壓縮會自發(fā)產(chǎn)生運動推力，推動工質(zhì)在管內(nèi)做自激運動。
[0013]脈動熱管采用高沸點導電工質(zhì)的目的是，高沸點導電工質(zhì)以多個液塞的型式與低沸點工質(zhì)的汽液塞交替并存于管內(nèi)，高沸點工質(zhì)在與冷、熱源交換熱量時不發(fā)生相變，通過低沸點工質(zhì)的運動推動高沸點工質(zhì)做同向運動，導電工質(zhì)在經(jīng)過絕熱段時切割磁力線，使絕緣段兩側(cè)金屬電極片上產(chǎn)生電動勢。
[0014]采用溫度較高、流量足夠大的汽車尾氣作為熱源，提供較大的加熱功率，易于在脈動熱管內(nèi)形成工質(zhì)的單向循環(huán)流動。
[0015]脈動熱管內(nèi)部工質(zhì)的自激循環(huán)運動，也與管內(nèi)工質(zhì)液塞分布不均導致的重力不均有關(guān)。增大重力不均易于在管內(nèi)形成自激循環(huán)運動。液相導電工質(zhì)一般密度較大，有利于加強熱管垂直方向的重力不均，利于循環(huán)流動的產(chǎn)生。
[0016]研究發(fā)現(xiàn)，為保證管內(nèi)工質(zhì)的運行動力，一般導電工質(zhì)的充液率占整個熱管內(nèi)容積的30 %左右，相變工質(zhì)的液相體積占總?cè)莘e除去導電工質(zhì)容積后剩余容積的50 %?60%。
[0017]根據(jù)汽車尾氣的加熱功率及導電工質(zhì)和相變工質(zhì)的熱物特性，脈動熱管(1)的傾斜角可隨導電工質(zhì)充液率的增加而減小，傾斜角度可從小傾角變化到垂直角度，有較大的調(diào)節(jié)范圍。
[0018]脈動熱管絕緣段和內(nèi)部的電極片應足夠長，使電極片與幾個導電工質(zhì)液塞接觸，保證單個電極的電動勢不太小和電動勢的連續(xù)輸出。
[0019]根據(jù)導電介質(zhì)切割磁力線產(chǎn)生定向電流的原理，當回路脈動熱管加熱段彎頭方向與絕熱段的磁場方向一致時，多個并列的絕緣電極的電動勢同向，多個絕緣電極串聯(lián)后電動勢疊加，利于輸出較大電壓。
[0020]工作原理:脈動熱管的低沸點絕緣工質(zhì)和高沸點導電工質(zhì)的多次交替充注過程，使管內(nèi)形成低沸點工質(zhì)的汽、液塞和高沸點工質(zhì)的液柱交替并存的形態(tài)。汽車工作時，發(fā)動機產(chǎn)生的尾氣流經(jīng)脈動熱管的加熱管，經(jīng)管外對流和管壁導熱加熱管內(nèi)工質(zhì)，低沸點工質(zhì)吸熱汽化，體積膨脹，因膨脹受限，促使加熱管內(nèi)工質(zhì)升壓和飽和溫度的升高；同理，冷卻管內(nèi)工質(zhì)向管外大氣散熱，冷凝液化，同時降壓降溫；從而在熱管的冷、熱端形成壓差和溫差，促使工質(zhì)從加熱管向冷卻管移動，并帶動高沸點導電工質(zhì)在管內(nèi)運動。研究發(fā)現(xiàn)，當尾氣溫度及加熱功率足夠高，且管內(nèi)工質(zhì)因液塞分布不均產(chǎn)生的重力不均足夠大時，管內(nèi)形成工質(zhì)的單向循環(huán)運動，導電工質(zhì)流經(jīng)絕緣段磁場時切割磁力線，在發(fā)電電極上形成電動勢，各電極同向且串聯(lián)連接，經(jīng)接口電極輸出。做功后的工質(zhì)流經(jīng)脈動熱管上部冷卻管時接受汽車上方來流的強制對流冷卻。輸出的電能可以儲存或用于汽車尾燈、音響等小功率負載。
[0021]本發(fā)明與現(xiàn)有脈動熱管熱電轉(zhuǎn)化技術(shù)相比具有以下優(yōu)點:應用于汽車尾氣余熱回收利用的車載脈動熱管熱電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的高溫熱源是從汽車發(fā)動機中排出的尾氣，溫度高、壓力大，流速快，能夠提供較高的加熱功率。不需要對脈動熱管進行特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，就能實現(xiàn)脈動熱管內(nèi)部雙工質(zhì)的單向流動。簡化了結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定；應用于汽車尾氣熱能回收利用的車載脈動熱管熱電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)在電能的輸出上，提出了有效的發(fā)電電極結(jié)構(gòu)和電極的串聯(lián)設(shè)計，必要時還可進行并聯(lián)，能夠最大限度利用脈動熱管熱電轉(zhuǎn)化的能力；應用于汽車尾氣熱能回收利用的車載脈動熱管熱電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的低溫熱源是汽車來流空氣，不需要外加動力就提供了對脈動熱管冷卻段強制空冷的能力，能有效增加脈動熱管傳熱溫差，提高傳熱功率，也會增大脈動熱管內(nèi)部工質(zhì)流速，提升產(chǎn)生電能的能力；應用于汽車尾氣熱能回收利用的車載脈動熱管熱電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)不僅可以利用尾氣的熱能，還能利用一部分聲能，緩解噪聲的影響。
【附圖說明】
圖1為汽車尾氣余熱回收利用的車載脈動熱管熱電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)示意圖。
圖2為絕熱絕緣發(fā)電電極管結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2a為圖2中沿a— a方向剖視圖。
圖3為電極片與導線的接口。
圖4為加熱管結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5為冷卻管結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為發(fā)電接口串聯(lián)電路系統(tǒng)示意圖。
圖中:1、回路脈動熱管；2、抽真空閥；3、低沸點絕緣工質(zhì)注液閥；4、高沸點導電工質(zhì)注液閥；5、冷卻管；6、絕緣套管；7、加熱管；8、磁體S極；9、外接絕緣導線；10、接口電極；11、發(fā)電