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化系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于汽車尾氣余熱利用設備領域，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化系統(tǒng)。
【背景技術】
[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]脈動熱管內部工質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，使脈動熱管內部工質實現(xiàn)循環(huán)流動，實現(xiàn)熱能和動能的定向轉換。
[0004]脈動熱管采用導電介質和低沸點絕緣工質交錯充液方式，利用低沸點絕緣工質相變產(chǎn)生的動力推動雙工質在管內流動，再利用導電介質切割磁力線原理發(fā)電，完成動能和電能的轉換。
[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部工質的運動，提高尾氣余熱向動能和電能的轉換效率。
【實用新型內容】
[0006]本實用新型的目的是設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。
[0007]本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的:
[0008]—種應用于汽車尾氣余熱回收利用的車載脈動熱管熱電轉化系統(tǒng)，所述系統(tǒng)主要由回路脈動熱管、電路系統(tǒng)和磁體三部分組成；其中，所述回路脈動熱管(I)是主要的傳熱和熱動轉換元件，由多個紫銅材質的冷卻管(5)，絕緣套管(6)和多個紫銅材質的加熱管(7)通過螺紋形式連接而成的回路，回路上部設有抽真空閥(2)、低沸點絕緣工質充液閥(3)和高沸點導電工質充液閥(4)，電路系統(tǒng)包括各絕緣管內側的發(fā)電電極(II)、外接串聯(lián)絕緣導線(9)和接口電極(10);磁體包括平行布置于脈動熱管絕熱段兩側的磁體N極(13)與磁體S極⑶。
[0009]所述低沸點絕緣工質充液閥(3)與高沸點導電工質注液閥(4)緊鄰布置。
[0010]所述回路型雙工質脈動熱管的冷卻管(5)和加熱管(7)的內徑與外徑均分別相同，且具有良好導熱性能，冷卻管(5)和加熱管(7)是管端頭均分別帶有外螺紋的金屬管;絕緣套管(6)的管端頭帶有內螺紋，絕緣套管(6)的內徑與加熱管(7)和冷卻管(5)均相同，但外徑大于加熱管(7)和冷卻管(5)，絕緣套管(6)外加裝保溫層。[0011 ]每根所述絕緣套管(6)連接一個發(fā)電電極(11)，它是由絕緣套管(6)中間截面的內壁兩側緊貼的互不接觸的對稱金屬矩形片(12)組成，金屬片的長度小于絕緣套管(6)長度6mm左右，且不與冷熱管端頭接觸。
[0012]多根并列所述絕緣套管(6)組成多個發(fā)電電極(11)，電極間通過外接絕緣導線(7)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的小孔與電極片(12)連接，串聯(lián)回路的接口電極(10)與外電路相連。
[0013]所述回路脈動熱管(I)的加熱管(7)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(5)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。
[0014]所述回路脈動熱管(I)整體傾斜放置，傾斜角度取決于尾氣的加熱功率和雙工質充液率及熱物性參數(shù)。
[0015]所述磁體N極(13)與磁體S極(8)平行布置于回路脈動熱管(I)絕熱段兩側一定距離處，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。
[0016]所述加熱管(7)與汽車尾氣出口相鄰，直接接受尾氣的對流加熱。
[0017]所述冷卻管(5)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(7)、絕熱管(6)和冷卻管(5)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。
[0018]一種汽車尾氣余熱回收利用的車載脈動熱管熱電轉化系統(tǒng)，主要由冷卻管(5)、絕緣套管(6)、加熱管(7)、抽真空閥(2)、低沸點絕緣工質注液閥(3)、高沸點導電工質注液閥
(4)組成的回路脈動熱管(I)，發(fā)電電極(II)、外接絕緣導線(9)和接口電極(10)串聯(lián)成的電路系統(tǒng)，和N極(13)與S極(8)組成的磁體三部分組成。脈動熱管(I)包括三部分，加熱管(7)完成熱量從高溫熱源(汽車尾氣)向管內工質的熱量傳遞，冷卻管(5)實現(xiàn)的是把輸出電功后的工質的剩余熱量向冷源(環(huán)境)的散熱，絕熱絕緣管(6)是通過導電工質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換。
[0019]脈動熱管的加熱管(7)和冷卻管(5)采用壁厚為Imm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。
[0020]脈動熱管熱電轉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(7)和冷卻管(5)的強制對流傳熱，獲得較優(yōu)的管外傳熱性能。
[0021]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。
[0022]脈動熱管采用低沸點絕緣工質的目的是，低沸點工質在與熱源和冷源交換熱量的過程中發(fā)生相變，工質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，推動工質在管內做自激運動。
[0023]脈動熱管采用高沸點導電工質的目的是，高沸點導電工質以多個液塞的型式與低沸點工質的汽液塞交替并存于管內，高沸點工質在與冷、熱源交換熱量時不發(fā)生相變，通過低沸點工質的運動推動高沸點工質做同向運動，導電工質在經(jīng)過絕熱段時切割磁力線，使絕緣段兩側金屬電極片(12)上產(chǎn)生電動勢。
[0024]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，易于在脈動熱管內形成工質的單向循環(huán)流動。
[0025]脈動熱管內部工質的自激循環(huán)運動，也與管內工質液塞分布不均導致的重力不均有關。增大重力不均易于在管內形成自激循環(huán)運動。液相導電工質一般密度較大，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。
[0026]研究發(fā)現(xiàn)，為保證管內工質的運行動力，一般導電工質的充液率占整個熱管內容積的3 O %左右，相變工質的液相體積占總容積除去導電工質容積后剩余容積的5 O %?60%。
[0027]根據(jù)汽車尾氣的加熱功率及導電工質和相變工質的熱物特性，脈動熱管(I)的傾斜角可隨導電工質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，有較大的調節(jié)范圍。
[0028]脈動熱管絕緣段(6)和內部的電極片(12)應足夠長，使電極片與幾個導電工質液塞接觸，保證單個電極的電動勢不太小和電動勢的連續(xù)輸出。
[0029]根據(jù)導電介質切割磁力線產(chǎn)生定向電流的原理，當回路脈動熱管加熱段(7)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。
[0030]工作原理:脈動熱管的低沸點絕緣工質和高沸點導電工質的多次交替充注過程，使管內形成低沸點工質的汽、液塞和高沸點工質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(7)，經(jīng)管外對流和管壁導熱加熱管內工質，低沸點工質吸熱汽化，體積膨脹，因膨脹受限，促使加熱管(7)內工質升壓和飽和溫度的升高；同理，冷卻管(5)內工質向管外大氣散熱，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，促使工質從加熱管向冷卻管移動，并帶動高沸點導電工質在管內運動。研究發(fā)現(xiàn)，當尾氣溫度及加熱功率足夠高，且管內工質因液塞分布不均產(chǎn)生的重力不均足夠大時，管內形成工質的單向循環(huán)運動，導電工質流經(jīng)絕緣段磁場時切割磁力線，在發(fā)電電極(11)上形成電動勢，各電極同向且串聯(lián)連接，經(jīng)接口電極(10)輸出。做功后的工質流經(jīng)脈動熱管上部冷卻管(5)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。
[0031]本實用新型與現(xiàn)有脈動熱管熱電轉化技術相比具有以下優(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構設計，就能實現(xiàn)脈動熱管內部雙工質的單向流動。簡化了結構，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化系統(tǒng)在電能的輸出上，提出了有效的發(fā)電電極結構和電極的串聯(lián)設計，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部工質流速，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】
[0032]圖1為汽車尾氣余熱回收利用的車載脈動熱管熱電轉化系統(tǒng)示意圖。
[0033]圖2為絕熱絕緣發(fā)電電極管結構示意圖。
[0034]圖2a為圖2中沿a—a方向剖視圖。
[0035]圖3為電極片與導線的接口。
[0036]圖4為加熱管結構示意圖。
[0037]圖5為冷卻管結構示意圖。
[0038]圖6為發(fā)電接口串聯(lián)電路系統(tǒng)示意圖。
[0039]圖中:1、回路脈動熱管;2、抽真空閥；3、低沸點絕緣工質注液閥；4、高沸點導電工質注液閥；5、冷卻管;6、