一种应用于汽车尾气余热回收利用的车载脉动热管热电转化系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于汽车尾气余热利用设备领域，特别涉及一种应用于汽车尾气余热回收利用的车载脉动热管热电转化系统。
【背景技术】
[0002]现代社会汽车已经成为人们出行最为普遍的代步工具，进入21世纪以来，汽车占有率迅速升高，今天已然实现了在千家万户中的普及;然而汽车发动机的热动转换效率较低，大量热量通过尾气排放出去;如何利用低品位的废热，进一步提高能源的利用效率已经成为当今一个十分重要的议题。
[0003]脉动热管内部工质的流型随加热功率的增大先后经历脉动流向循环流的转变，从汽车尾部三元催化器中流出的尾气温度在400-800°C左右，且尾气流量和流速较大，能够提供较高的加热功率，使脉动热管内部工质实现循环流动，实现热能和动能的定向转换。
[0004]脉动热管采用导电介质和低沸点绝缘工质交错充液方式，利用低沸点绝缘工质相变产生的动力推动双工质在管内流动，再利用导电介质切割磁力线原理发电，完成动能和电能的转换。
[0005]汽车尾气在排放过程中不仅含有温度较高的余热能，还伴随一定的噪音，噪音的声能也能进一步促进脉动热管内部工质的运动，提高尾气余热向动能和电能的转换效率。
【实用新型内容】
[0006]本实用新型的目的是设计一种应用于汽车尾气余热回收利用的车载脉动热管热电转化系统，回收利用温度、压力相对环境较高的尾气中的热能，并将品位较低的余热转变成品位较高的电能加以利用，整体提高燃油的能源利用效率和余热的利用品质。
[0007]本实用新型的目的是这样实现的:
[0008]—种应用于汽车尾气余热回收利用的车载脉动热管热电转化系统，所述系统主要由回路脉动热管、电路系统和磁体三部分组成；其中，所述回路脉动热管(I)是主要的传热和热动转换元件，由多个紫铜材质的冷却管(5)，绝缘套管(6)和多个紫铜材质的加热管(7)通过螺纹形式连接而成的回路，回路上部设有抽真空阀(2)、低沸点绝缘工质充液阀(3)和高沸点导电工质充液阀(4)，电路系统包括各绝缘管内侧的发电电极(II)、外接串联绝缘导线(9)和接口电极(10);磁体包括平行布置于脉动热管绝热段两侧的磁体N极(13)与磁体S极⑶。
[0009]所述低沸点绝缘工质充液阀(3)与高沸点导电工质注液阀(4)紧邻布置。
[0010]所述回路型双工质脉动热管的冷却管(5)和加热管(7)的内径与外径均分别相同，且具有良好导热性能，冷却管(5)和加热管(7)是管端头均分别带有外螺纹的金属管;绝缘套管(6)的管端头带有内螺纹，绝缘套管(6)的内径与加热管(7)和冷却管(5)均相同，但外径大于加热管(7)和冷却管(5)，绝缘套管(6)外加装保温层。[0011 ]每根所述绝缘套管(6)连接一个发电电极(11)，它是由绝缘套管(6)中间截面的内壁两侧紧贴的互不接触的对称金属矩形片(12)组成，金属片的长度小于绝缘套管(6)长度6mm左右，且不与冷热管端头接触。
[0012]多根并列所述绝缘套管(6)组成多个发电电极(11)，电极间通过外接绝缘导线(7)串联连接，每根外接导线的端头穿过绝缘管壁中间截面两侧的小孔与电极片(12)连接，串联回路的接口电极(10)与外电路相连。
[0013]所述回路脉动热管(I)的加热管(7)为U形弯管，各段U形管等间距平行布置在热管下部;冷却管(5)为弯头较小的Π型管，交错布置在上部;绝热管布置在中间连接处。
[0014]所述回路脉动热管(I)整体倾斜放置，倾斜角度取决于尾气的加热功率和双工质充液率及热物性参数。
[0015]所述磁体N极(13)与磁体S极(8)平行布置于回路脉动热管(I)绝热段两侧一定距离处，磁体形成的磁力线方向与脉动热管U形加热管的弯头方向一致。
[0016]所述加热管(7)与汽车尾气出口相邻，直接接受尾气的对流加热。
[0017]所述冷却管(5)布置在车体外部，直接接受汽车运行时外部空气的强制对流冷却；所述加热管(7)、绝热管(6)和冷却管(5)三部分分别放置在三个通道里，绝热段的绝缘套管要绝热保温。
[0018]一种汽车尾气余热回收利用的车载脉动热管热电转化系统，主要由冷却管(5)、绝缘套管(6)、加热管(7)、抽真空阀(2)、低沸点绝缘工质注液阀(3)、高沸点导电工质注液阀
(4)组成的回路脉动热管(I)，发电电极(II)、外接绝缘导线(9)和接口电极(10)串联成的电路系统，和N极(13)与S极(8)组成的磁体三部分组成。脉动热管(I)包括三部分，加热管(7)完成热量从高温热源(汽车尾气)向管内工质的热量传递，冷却管(5)实现的是把输出电功后的工质的剩余热量向冷源(环境)的散热，绝热绝缘管(6)是通过导电工质运动切割磁力线在电极上产生电动势输出电功，从而完成热能向电能的转换。
[0019]脉动热管的加热管(7)和冷却管(5)采用壁厚为Imm左右的高导热系数的紫铜管，可大大降低管壁的导热热阻，提高热管管壁的导热性能。
[0020]脉动热管热电转换装置是在汽车运行时工作的，在不需提供外动力的条件下，就能保证高温尾气和环境对热管的加热管(7)和冷却管(5)的强制对流传热，获得较优的管外传热性能。
[0021]脉动热管加热管长度可适当长于冷却管长度，主要原因是加热功率大于散热功率，且冷却风速高于尾气流速。
[0022]脉动热管采用低沸点绝缘工质的目的是，低沸点工质在与热源和冷源交换热量的过程中发生相变，工质在加热段的汽化膨胀和在冷却段的冷凝压缩会自发产生运动推力，推动工质在管内做自激运动。
[0023]脉动热管采用高沸点导电工质的目的是，高沸点导电工质以多个液塞的型式与低沸点工质的汽液塞交替并存于管内，高沸点工质在与冷、热源交换热量时不发生相变，通过低沸点工质的运动推动高沸点工质做同向运动，导电工质在经过绝热段时切割磁力线，使绝缘段两侧金属电极片(12)上产生电动势。
[0024]采用温度较高、流量足够大的汽车尾气作为热源，提供较大的加热功率，易于在脉动热管内形成工质的单向循环流动。
[0025]脉动热管内部工质的自激循环运动，也与管内工质液塞分布不均导致的重力不均有关。增大重力不均易于在管内形成自激循环运动。液相导电工质一般密度较大，有利于加强热管垂直方向的重力不均，利于循环流动的产生。
[0026]研究发现，为保证管内工质的运行动力，一般导电工质的充液率占整个热管内容积的3 O %左右，相变工质的液相体积占总容积除去导电工质容积后剩余容积的5 O %?60%。
[0027]根据汽车尾气的加热功率及导电工质和相变工质的热物特性，脉动热管(I)的倾斜角可随导电工质充液率的增加而减小，倾斜角度可从小倾角变化到垂直角度，有较大的调节范围。
[0028]脉动热管绝缘段(6)和内部的电极片(12)应足够长，使电极片与几个导电工质液塞接触，保证单个电极的电动势不太小和电动势的连续输出。
[0029]根据导电介质切割磁力线产生定向电流的原理，当回路脉动热管加热段(7)弯头方向与绝热段的磁场方向一致时，多个并列的绝缘电极的电动势同向，多个绝缘电极串联后电动势叠加，利于输出较大电压。
[0030]工作原理:脉动热管的低沸点绝缘工质和高沸点导电工质的多次交替充注过程，使管内形成低沸点工质的汽、液塞和高沸点工质的液柱交替并存的形态。汽车工作时，发动机产生的尾气流经脉动热管的加热管(7)，经管外对流和管壁导热加热管内工质，低沸点工质吸热汽化，体积膨胀，因膨胀受限，促使加热管(7)内工质升压和饱和温度的升高；同理，冷却管(5)内工质向管外大气散热，冷凝液化，同时降压降温;从而在热管的冷、热端形成压差和温差，促使工质从加热管向冷却管移动，并带动高沸点导电工质在管内运动。研究发现，当尾气温度及加热功率足够高，且管内工质因液塞分布不均产生的重力不均足够大时，管内形成工质的单向循环运动，导电工质流经绝缘段磁场时切割磁力线，在发电电极(11)上形成电动势，各电极同向且串联连接，经接口电极(10)输出。做功后的工质流经脉动热管上部冷却管(5)时接受汽车上方来流的强制对流冷却。输出的电能可以储存或用于汽车尾灯、音响等小功率负载。
[0031]本实用新型与现有脉动热管热电转化技术相比具有以下优点:应用于汽车尾气余热回收利用的车载脉动热管热电转化系统的高温热源是从汽车发动机中排出的尾气，温度高、压力大，流速快，能够提供较高的加热功率。不需要对脉动热管进行特殊的结构设计，就能实现脉动热管内部双工质的单向流动。简化了结构，使系统工作更加稳定;应用于汽车尾气热能回收利用的车载脉动热管热电转化系统在电能的输出上，提出了有效的发电电极结构和电极的串联设计，必要时还可进行并联，能够最大限度利用脉动热管热电转化的能力；应用于汽车尾气热能回收利用的车载脉动热管热电转化系统的低温热源是汽车来流空气，不需要外加动力就提供了对脉动热管冷却段强制空冷的能力，能有效增加脉动热管传热温差，提高传热功率，也会增大脉动热管内部工质流速，提升产生电能的能力;应用于汽车尾气热能回收利用的车载脉动热管热电转化系统不仅可以利用尾气的热能，还能利用一部分声能，缓解噪声的影响。
【附图说明】
[0032]图1为汽车尾气余热回收利用的车载脉动热管热电转化系统示意图。
[0033]图2为绝热绝缘发电电极管结构示意图。
[0034]图2a为图2中沿a—a方向剖视图。
[0035]图3为电极片与导线的接口。
[0036]图4为加热管结构示意图。
[0037]图5为冷却管结构示意图。
[0038]图6为发电接口串联电路系统示意图。
[0039]图中:1、回路脉动热管;2、抽真空阀；3、低沸点绝缘工质注液阀；4、高沸点导电工质注液阀；5、冷却管;6、