一种增强传热的汽车尾气余热发电装置

1.本实用新型涉及汽车余热回收技术领域，具体地指一种增强传热的汽车尾气余热发电装置。


背景技术：

2.汽车给人们的生活带来便利，促进社会发展。然而，它也带来了一系列问题，最主要的问题是能源短缺和环境污染。根据统计数据，汽车每年占全球石油需求的38％，汽车排放的二氧化碳占全球排放的16.4％。而对于典型的内燃机，平均只有25％的燃料能量是有效的，即用于驱动汽车，约有5％被摩擦消散，剩下的70％以热能的形式通过废气排出或被发动机冷却液吸收。
3.因此，余热回收对汽车节能减排具有重要意义。如果能回收一部分汽车废热并将其转化为电能，在大大提高车辆系统效率的同时，还可以有效减少碳排放。
4.热电发电机由若干长方体形的p型半导体和n型半导体通过导电层连接，可以通过塞贝克效应直接将热能转化为电能，它可以实现提高燃油效率和减少有害气体排放的需求，因为它具有结构简单，重量轻，无机械运动部件，安全可靠等优点。1998年，日产汽车公司制造了第一个基于si-ge材料的用于汽油发动机车辆的热电装置。传统的汽车热电发电机由热交换器和附着在其表面的热电模块组成。热电模块的热电转换效率受到热电材料的品质因数zt值、热电模块两端的温差和热电支腿的几何结构的影响。热电模块的热端和冷端之间的温差明显小于热流体和冷流体之间的温差是导致热电发电机效率低下的主要原因，而导致冷热端温差较小的原因是流体和热电模块之间的热阻。因此，国内外许多研究人员开始着力于通过增强冷、热流体和热电模块之间的热传递，以此提高热电发电机能量转换效率。在热电发电机的热交换器通道内填充环形纽带或泡沫铜是一种增强传热的方法，但会产生较大的发动机排气背压，对发动机排气系统产生负面影响；而在排气通道内和热电模块冷端添加多翅片结构来增强传热和散热能力是一种有效的方法，既可以增加热流体与热电模块之间的传热能力，同时不会对汽车热电发电机的净功率造成较大的影响。
5.近几年来，随着热电材料快速发展，已经获得了较高转换效率的热电材料和几何结构，但现有的汽车热电发电机技术中传热方式有待改进。排气管和热交换器的传热系数不高，导致在热端采用固体导热与热流进行能量交换的方式，传热系数小，能量转换效率低，需要较大的空间和传热面积，这些在以后的研究中都还有待突破。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的就是要提供一种增强传热的汽车尾气余热发电装置，其可以保证热交换器壳体表面温度均匀，提高热电模块热端热流密度和温度均匀性，以供更多的热电模块热端受热，从而提高热电发电机总发电量，进而提高汽车尾气余热的利用率。
7.为实现上述目的，本实用新型所设计的一种增强传热的汽车尾气余热发电装置，设置在汽车的排气管道上，包括热交换组件、热电模块和冷交换组件，所述热交换组件设置
在排气管道上，所述热电模块设置在热交换组件上，所述冷交换组件设置在热电模块上；所述热交换组件包括外管体，所述外管体与排气管道密封连接，所述热电模块设置在外管体的外侧；所述冷交换组件包括冷却箱，所述热电模块设置在外管体与冷却箱之间；所述热电模块的电力输出端与汽车蓄电池连通。
8.进一步地，所述热交换组件还包括内管体，所述内管体与外管体之间设有导流翅片，所述导流翅片沿内管体径向均匀布置，所述导流翅片两端分别与内管体、外管体固定连接。这样，中空的内管体压缩尾气流道，降低了气体流速，导流翅片增加了热流与外管体的接触面积，即增加了热流与热电模块热端的传热，使热电模块的热端能充分受热。通过设置内管体和导流翅片，提高了热交换效率，由于气体较低的流速和逐渐减小的温度，不会产生太大的压降，提高了热电发电装置的净功率，有利于提高发动机的燃油经济性。
9.进一步地，所述热交换组件还包括异径管，所述异径管分别与外管体、排气管道密封连接。这样，通过异径管将热交换组件与排气管道密封连接，从而扩大热交换区域，有利于尾气流经箱体时气体的均匀扩散，保证热交换器壳体表面温度均匀。
10.更进一步地，所述冷交换组件还包括进液管和出液管，所述进液管和出液管设置在冷却箱上与冷却箱内部连通，所述进液管和出液管与汽车发动机冷却水箱连通，形成冷却循环。
11.进一步地，所述内管体一端设有导流环，所述导流环设置在热交换组件的进气端。这样，通过导流环进一步压缩尾气流道，降低气体流速，增加了热流与热电模块热端的传热，使热电模块的热端能充分受热。
12.进一步地，所述外管体上设有平面，所述热电模块设置在外管体的外平面上。这样，方便将热电模块设置在外管体上，安装在平面上更加牢固，提高整个装置的耐用性。
13.更进一步地，所述外管体上设有多个平面，所述热电模块也设有多个，多个所述热电模块分别布置在外管体的多个外平面上。
14.作为优选项，多个所述热电模块分组布置在外管体的外平面上，各组内的所述热电模块串联连接，多组所述热电模块并联连接。
15.作为优选项，所述冷却箱也设有多个，多个所述冷却箱分别布置在外管体的各个外平面上，所述冷却箱上还套接有卡箍。这样，通过卡箍将多个冷却箱固定，提高整个装置的耐用性。
16.作为优选项，所述冷却箱内冷却液的流向与热交换组件内的气体流向相反。这样，轴向上所有热电模块的冷热两端温度差的一致性，从而提高热电发电机的发电功率。
17.本实用新型的优点在于：
18.1、其采用设有导流环和导流翅片的中空多边形管体，当汽车尾气通过多边形管体通道时会产生分流，减小了流动的边界层厚度，增加了热流与多边形管体的接触面积，即增加了与热电模块热端的传热，使热电模块的热端能充分受热，从而保证热电模块吸收更多的热量，维持热电模块热端的温度；同时，其还采用汽车发动机冷却单元中的冷却水作为冷却介质，通过循环水泵和多个单列式冷却水箱降低热电模块冷端的温度，冷却水流动方向与热端尾气流动方向相反，以实现轴向上所有热电模块的冷热两端温度差的一致性，从而提高热电发电机的发电功率；
19.2、由于尾气的温度从进气口到出气口逐渐降低，其通过增加圆柱形中空管体压缩
尾气流道，增加的轴向翅片提高了传热面积，降低了气体流速，一方面提高了热交换效率，另一方面由于气体较低的流速和逐渐减小的温度，不会产生太大的压降，提高了热电发电装置的净功率，有利于提高发动机的燃油经济性；
20.3、其在多边形管体上加装的轴向导流翅片，有利于尾气流经箱体时气体的均匀扩散，保证热交换器壳体表面温度均匀，提高了热电模块热端热流密度和温度均匀性，以供更多的热电模块热端受热，提高了热电发电机总发电量，从而提高了汽车尾气余热的利用率。
附图说明
21.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
22.图1为本实用新型的结构示意图；
23.图2为本实用新型的内部结构示意图；
24.图3为热交换组件的分解示意图。
25.图中：排气管道1、热交换组件2(其中：外管体2.1、内管体2.2、导流翅片2.3、异径管2.4、导流环2.5)、热电模块3和冷交换组件4(其中：冷却箱4.1、进液管4.2、出液管4.3、卡箍4.4)。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细描述：
27.如图1～3所示的一种增强传热的汽车尾气余热发电装置，设置在汽车的排气管道1上，包括热交换组件2、热电模块3和冷交换组件4，所述热交换组件2设置在排气管道1上，所述热电模块3设置在热交换组件2上，所述冷交换组件4设置在热电模块3上；
28.所述热交换组件2包括外管体2.1，所述外管体2.1与排气管道1密封连接，所述热电模块3设置在外管体2.1的外侧；
29.所述冷交换组件4包括冷却箱4.1，所述热电模块3设置在外管体2.1与冷却箱4.1之间；
30.所述热电模块3的电力输出端与汽车蓄电池连通。
31.进一步地，所述热交换组件2还包括内管体2.2，所述内管体2.2与外管体2.1之间设有导流翅片2.3，所述导流翅片2.3沿内管体2.2径向均匀布置，所述导流翅片2.3两端分别与内管体2.2、外管体2.1固定连接。
32.进一步地，所述热交换组件2还包括异径管2.4，所述异径管2.4分别与外管体2.1、排气管道1密封连接。
33.更进一步地，所述冷交换组件4还包括进液管4.2和出液管4.3，所述进液管4.2和出液管4.3设置在冷却箱4.1上与冷却箱4.1内部连通，所述进液管4.2和出液管4.3与汽车发动机冷却水箱连通，形成冷却循环。
34.进一步地，所述内管体2.2一端设有导流环2.5，所述导流环2.5设置在热交换组件2的进气端。
35.进一步地，所述外管体2.1上设有平面，所述热电模块3设置在外管体2.1的外平面上。
36.更进一步地，所述外管体2.1上设有多个平面，所述热电模块3也设有多个，多个所述热电模块3分别布置在外管体2.1的多个外平面上。
37.作为优选项，多个所述热电模块3分组布置在外管体2.1的外平面上，各组内的所述热电模块3串联连接，多组所述热电模块3并联连接。
38.作为优选项，所述冷却箱4.1也设有多个，多个所述冷却箱4.1分别布置在外管体2.1的各个外平面上，所述冷却箱4.1上还套接有卡箍4.4。
39.作为优选项，所述冷却箱4.1内冷却液的流向与热交换组件2内的气体流向相反。
40.本实用新型在实际使用时，
41.所述外管体2.1的截面为正六边形或正八边形；
42.所述导流翅片2.3的厚度为1.5-2mm，每个翅片之间的夹角为10-20
°
；
43.所述外管体2.1、内管体2.2、导流翅片2.3、异径管2.4、导流环2.5的材质为铜或铝，或者铝合金；
44.所述热电模块3的冷、热两端分别通过涂抹高导热单面背胶的石墨或者导热硅脂从而与外管体2.1外壁或冷却箱4.1的单列式冷却水管紧密贴合；
45.所述内管体2.2可以为两端封闭的圆柱体，也可以为管道；所述内管体2.2的直径与外管体2.1的外接圆直径的比值范围为0.40-0.85；
46.所述外管体2.1同一面上的热电模块3并联连接，不同面、相同温度区的热电模块3串联连接；
47.所述热电模块3的热电材料选自碲化铋基热电材料、硫化铅基热电材料、锑化钴基热电材料、half-heulser类热电材料或钙钛矿氧化物类热电材料；
48.所述异径管2.4为漏斗状；
49.所述单列式冷却箱4.1的进液管4.2、出液管4.3分别与循环水泵并联连接，形成冷却循环；
50.实际使用时，工作流程主要包括以下几个步骤：
51.携带大量热能的汽车尾气流入热交换组件2中，导流环2.5将进入热交换组件2的尾气导流至外管体2.1与内管体2.2之间形成的通道内，带导流翅片2.3将汽车尾气均匀导流到每一个分隔开的流道内，使热流体在流道内保持均匀的温度分布，保证热电模块3吸收更多的热量，维持热电模块3热端的温度，汽车尾气流出热交换组件2后进入消声器进行降噪处理，最后排出排气管1；
52.冷交换组件4采用汽车发动机冷却单元中的冷却水作为冷却介质，通过循环水泵和多个单列式冷却箱4.1降低热电模块3冷端的温度，热电模块2两端形成温差，热电模块通过塞贝克效应将热能转化为电能，冷却水流动方向与热端尾气流动方向相反，以实现轴向上所有热电模块3的冷热两端温度差的一致性，从而提高热电发电机的发电功率。
53.本实用新型的工作原理为：半导体热电发电装置的能效与热电模块3两端温差有关，两端温差越大，发电效率越高。因此，将携带热量的尾气与增加了轴向导流翅片2.3的外管体2.1、内管体2.2大面积紧密接触，将外管体2.1的外侧通过高导热界面材料与热电模块3的热端紧密贴合，且两者之间的接触热阻较小，传热性能好；热电模块3的冷端被汽车冷却
单元中的冷却水所降温，它们之间的换热面积较大，能够高效地交换热量，维持冷端温度。温差发电片热端接触热阻小、热流密度大、温度均匀性好，冷端散热面积大，热电模块两端的温差较大，热电发电机的转换效率和输出功率较高。
54.实施例：
55.本实施例提供了一种增强传热的汽车尾气余热发电装置，将汽车排气管道1通过异径管2.4与多边形外管体2.1相连，热交换组件2进气端和出气端分别与汽车发动机排气管1、排气管1消声器相连；多边形外管体2.1内部设有两端封口的空心内管体2.2，所述内管体2.2通过其外部的径向导流翅片2.3与多边形外管体2.1连接，内管体2.2与多边形外管体2.1、导流翅片2.3围成容纳车辆尾气的容置空间；内管体2.2的进气口侧设有圆台形导流环2.5；多边形外管体2.1外壁与热电模块3的一面通过涂抹高导热单面背胶的石墨或者导热硅脂从而紧密贴合，热电模块3的另一面涂抹高导热单面背胶的石墨或者导热硅脂与冷却箱4.1紧密贴合，所述单列式冷却箱4.1通过若干卡箍4.4固定在多边形外管体2.1的外壁上。
56.外管体2.1、内管体2.2、导流翅片2.3、异径管2.4、导流环2.5之间的连接方式为焊接，导流翅片2.3、多边形外管体2.1和单列式冷却箱4.1的材质为导热性较好的铝合金，尾气进气端口和尾气出气端口的异径管2.4均为漏斗状；多边形外管体2.1为截面为正六边形的薄壁管体；单列式冷却冷却箱4.1的尺寸(长
×
宽
×
高)为460mm
×
95mm
×
26mm，厚度2mm；采用汽车发动机冷却单元中的冷却水作为冷却介质，通过循环水泵和多个单列式冷却箱4.1降低热电模块3冷端的温度，冷却水流动方向与热端尾气流动方向相反；整个热电发电装置的尺寸(长
×
宽
×
高)为860mm
×
190mm
×
225mm。
57.多边形外管体2.1的尺寸(长
×
宽
×
高)为460
×
185mm
×
160mm，厚度2mm；所述空心内管体2.2的直径为80mm，在本实施例中，空心内管体2.2的直径与多边形外管体2.1的外接圆直径的比值为0.43；圆台形导流环2.5的轴向高度为50mm；空心内管体2.2外部共有36个均匀分布的径向导流翅片2.3，其长度与多边形外管体2.1相同，厚度为1.5mm，相邻两之间导流翅片2.3的夹角为10
°
。
58.热电模块3的两侧都涂抹导热硅脂，分别与多边外管体2.1和单列式冷却箱4.1紧密接触；热电模块3采用型号为teg1-199-1.5-1.8-250的碲化铋基低温型热电模块，外形尺寸(长
×
宽
×
高)为50mm
×
50mm
×
4mm，其热电转换性能如表1所示；多边形外管体2.1的每一面可以铺设16个热电模块3，各行列之间为2
×
8排布，整个热电发电装置共配置了96块热电模块3，每个热电模块3之间的间隔为5mm左右；所述多边外管体2.1同一面上的热电模块3彼此并联，不同面、相同温度区的热电模块3串联，负载为车载器件，并且将一部分电能储存在储能设备中作为备用。
59.表1热电模块teg1-199-1.5-1.8-250的性能参数
[0060][0061]
经过计算可得，未设置空心内管体2.2和导流翅片2.3的六边形外管体2.1热电发电机，多边形外管体2.1外壁共布置96个热电模块3，其内部热流体平均温度为583k，冷却水
平均温度为324k，热流体与热电模块热端之间的平均导热系数为85w/(m2k)，平均每个热电模块发电量为3.04w，总发电量为291.8w。
[0062]
采用空心内管体2.2和导流翅片2.3的六边形外管体2.1热电发电装置，流道内部热流体平均温度为623k，冷却水平均温度为324k，热流体与热电模块热端之间的平均导热系数为180w/(m2k)，平均每个热电模块发电量为4.9w，总发电量为470.4w。有效增强汽车尾气中的热能与热电模块3热端之间的传热性能，提高热电发电装置的发电性能，发电量提高了61.2％。
[0063]
上述前、后、左、右、上、下均以说明书附图中的图1为基准，按照人物观察视角为标准，装置面对观察者的一面定义为前，观察者左侧定义为左，依次类推。
[0064]
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。
[0065]
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。