CN110332028A - 一种尾气低品位余热梯级发电装置 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的一种尾气低品位余热梯级发电装置，包括斯特林发电部、尾气热回收部以及热电发电部，斯特林发电部包括斯特林发电机和热端换热器；尾气热回收部具有第一热回收管、第二热回收管和多个尾气排放管；热电发电部具有多个半导体热电部件和翅片式散热件，其中，热端换热器的一面设置有多个同心圆环翅片，另一面设置有多个内凹的槽，第一热回收管设置在第二热回收管内形成一个环状套管，一端的第一热回收管的端部和第二热回收管的端部之间是封闭的，另一端的第二热回收管与热端换热器固定连接，第一热回收管与第二热回收管相连通，多个尾气排放管分别设置在第二热回收管的外壁上，尾气排放管与第二热回收管相连通。

Description

一种尾气低品位余热梯级发电装置
技术领域
本发明属于环保领域，具体涉及一种尾气低品位余热梯级发电装置。
背景技术
塞贝克效应又称温差效应，是指在两种不同导体构成的回路中，如果两个接头处的温度不同，回路中就会产生电动势，加入负载电阻就会产生直流电流。基于热电效应的热电发电机在低品位余热领域具有巨大潜力，研究发现除了增加余热温度和热电模块，在适当的范围扩大散热面积，提高冷端换热能力可以提高装置性能。用于空间站或太空宇航的斯特林发电机组功率涵盖几十瓦至千瓦，多采用自由活塞式结构，用同位素作热源，能够自行工作几年至十几年，无需作任何维护，性能不退化。无人机、汽车和锅炉等尾气低品位余热领域应用潜力巨大。
发明内容
为了提高能源的利用效率，本发明提供一种尾气低品位余热梯级发电装置。
本发明提供了一种尾气低品位余热梯级发电装置，具有这样的特征，包括斯特林发电部，包括自由活塞式斯特林发电机和设置在斯特林发电机端部的热端换热器；尾气热回收部，具有第一热回收管、第二热回收管和多个尾气排放管；以及热电发电部，具有多个半导体热电部件和翅片式散热件，其中，热端换热器呈圆盘状，一面设置有多个同心圆环翅片，另一面设置有多个内凹的槽，用于将流经第一热回收管的高温尾气的热量传递给自由活塞式斯特林发电机中的工作介质，第一热回收管设置在第二热回收管内形成一个环状套管，一端的第一热回收管的端部和第二热回收管的端部之间是封闭的，另一端的第二热回收管与热端换热器固定连接，第一热回收管与热端换热器之间具有空隙，第一热回收管与第二热回收管相连通，多个尾气排放管分别设置在第二热回收管的外壁上，尾气排放管与第二热回收管相连通，半导体热电部件的热端与尾气排放管外壁相贴附，半导体热电部件的冷端与翅片式散热件相连接。
在本发明提供的尾气低品位余热梯级发电装置中，还可以具有这样的特征：其中，多个尾气排放管分别设置在第二热回收管的头部外壁上。
另外，在本发明提供的尾气低品位余热梯级发电装置中，还可以具有这样的特征：其中，多个尾气排放管外形呈L形，数量为2-8个。
另外，在本发明提供的尾气低品位余热梯级发电装置中，还可以具有这样的特征：其中，热端换热器上内凹的槽呈米字型。
另外，在本发明提供的尾气低品位余热梯级发电装置中，还可以具有这样的特征：其中，热端换热器与自由活塞式斯特林发电机通过焊接的方式耦合在一起。
另外，在本发明提供的尾气低品位余热梯级发电装置中，还可以具有这样的特征：其中，半导体热电部件的热端与尾气排放管外壁通过导热硅胶连接在一起。
另外，在本发明提供的尾气低品位余热梯级发电装置中，还可以具有这样的特征：其中，半导体热电部件的冷端与翅片式散热件通过导热硅胶相连接。
另外，在本发明提供的尾气低品位余热梯级发电装置中，还可以具有这样的特征：其中，自由活塞式斯特林发电机包括：配气活塞、配气活塞杆、动力活塞、动力活塞杆、回热器、冷端换热器、板弹簧组、直线发电机和缓冲室。
另外，在本发明提供的尾气低品位余热梯级发电装置中，还可以具有这样的特征：其中，配气活塞与动力活塞同轴布置，配气活塞内部中空设计，顶端开有同心圆环狭缝凹槽，尾部与配气活塞杆连接，动力活塞顶端开有与配气活塞尾部直径同样大小的圆柱通孔，动力活塞杆与动力活塞一体化设计，动力活塞杆内部开有与配气活塞杆直径同样大小的圆柱通孔，配气活塞尾部与动力活塞圆柱通孔进行同轴配合，配气活塞杆与动力活塞杆圆柱通孔进行同轴配合，板弹簧组包括两组板弹簧，用于支撑配气活塞和动力活塞的轴向运动并保持径向间隙密封。
另外，在本发明提供的尾气低品位余热梯级发电装置中，还可以具有这样的特征：其中，直线发电机为动磁式发电机，包括内轭铁、永磁体、外轭铁、线圈、线圈支架和永磁体支架，永磁体和永磁体支架为动子，内轭铁和外轭铁之间具有间隙，动子设置在间隙中。
一种无人机，其特征在于，包括上述任意一种所述的尾气低品位余热梯级发电装置。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的一种尾气低品位余热梯级发电装置，斯特林发电机通过热端换热器吸收高温尾气的热量做功发电，半导体热电部件热端进一步吸收尾气余热在环路内部产生电动势发电，通过对低品位尾气余热的能量梯级利用，提高了能源利用效率的同时也可以增加电驱动设备的续航时间。
附图说明
图1是本发明的实施例中尾气低品位余热梯级发电装置的结构剖视示意图；
图2是本发明的一种尾气低品位余热梯级发电装置的立体示意图；
图3是图1中局部A的放大示意图；
图4是图1中局部B的放大示意图；
图5是本发明的实施例中热端换热器同心圆环翅片面的立体示意图；
图6是本发明的实施例中热端换热器米型槽面的立体示意图；以及
图7是本发明的实施例中热端换热器与配气活塞配合的立体示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的尾气低品位余热梯级发电装置作具体阐述。
实施例一
如图1、2所示，一种尾气低品位余热梯级发电装置包括尾气热回收部10、热电发电部20和斯特林发电部30。
尾气热回收部10包括：第一热回收管101、第二热回收管102和多个尾气排放管103。
第一热回收管101设置在第二热回收管102内形成一个环状套管，一端的第一热回收管101的头部和第二热回收管102的头部之间是封闭的，实施例中，头部位于图1的左端，另一端的第二热回收管102与热端换热器301固定连接，第一热回收管101与热端换热器301之间具有空隙，第一热回收管101与第二热回收管102相连通。第一热回收管101内壁面为直筒壁，第二热回收管102外形呈锥状，内壁面为渐缩壁。
多个尾气排放管103分别设置在第二热回收管102的头部外壁上，尾气排放管103与第二热回收管102相连通。尾气排放管103外形呈L形，数量为2-8个。实施例中，尾气排放管103数量为6个，呈环形均匀设置在第二热回收管102的外壁上，尾气排放管103的各弯头处都是弧形弯管。
尾气在第一热回收管101和第二热回收管102内的流动方向相反，第一热回收管101头部端接收高温尾气，另一端与热端换热器301连通并且将热量通过热端换热器301传递给自由活塞式斯特林发电机做功发电，第二热回收管102一端与热端换热器301连通，另一端与六个尾气排放管103连通，最后低温尾气通过尾气排放管103排放到环境中。
热电发电部20包括多个半导体热电部件201和翅片式散热件202。
半导体热电热电部件201成圆周阵列镶嵌在圆筒状隔热材料里，
半导体热电部件201热端与尾气排放管103外壁相贴附，并通过导热硅胶与尾气排放管103连接在一起。
半导体热电部件201的冷端和翅片式散热件202通过导热硅胶相连接。实施例中，半导体热电部件201和翅片式散热件202的数量均为6个。
斯特林发电部30包括自由活塞式斯特林发电机和设置在所述斯特林发电机端部的热端换热器301。
自由活塞式斯特林发电机包括热端换热器301、膨胀腔302、配气活塞303、回热器304、压缩腔305、冷端换热器306、法兰连接307、动力活塞308、板弹簧组309、配气活塞杆310、动力活塞杆311、直线发电机312和缓冲室313。
热端换热器301设置在自由活塞式斯特林发电机的头部，实施例中，位于图1中自由活塞式斯特林发电机的左端。
热端换热器301呈圆盘状，用于将流经第一热回收管101的高温尾气的热量传递给自由活塞式斯特林发电机中的工作介质。热端换热器301与自由活塞式斯特林发电机的法兰连接307通过焊接的方式耦合在一起。
配气活塞303与动力活塞308同轴布置，配气活塞303内部中空设计，顶端表面开有同心圆环狭缝凹槽，尾部与配气活塞杆310连接，动力活塞308顶端开有与配气活塞303尾部直径同样大小的圆柱通孔，动力活塞杆311与动力活塞310一体化设计，动力活塞杆311内部开有与配气活塞杆310直径同样大小的圆柱通孔，配气活塞303尾部与动力活塞308圆柱通孔进行同轴配合，配气活塞杆310与动力活塞杆311圆柱通孔进行同轴配合，冷端换热器306为翅片式换热器，可以采用风冷或者水冷的方式进行冷却，回热器304设置在法兰连接307内，板弹簧组309由两组板弹簧构成，用来支撑配气活塞303和动力活塞308的轴向运动和保持径向间隙密封，其中，膨胀腔302由配气活塞303和热端换热器301之间的空间构成，压缩腔305由配气活塞303和动力活塞308之间的空间构成。
直线发电机312为动磁式发电机，包括外轭铁3121、内轭铁3122、永磁体3123、永磁体支架3124、线圈3125和线圈支架3126。
外轭铁3121、内轭铁3122、永磁体3123和永磁体支架3124，由两个板弹簧支架夹住固定，永磁体3123和永磁体支架3124为动子，线圈3125设置在线圈支架3126上，外轭铁3121和内轭铁3122之间具有间隙，动子设置在间隙中，当动力活塞杆311作往复直线运动时，动子切割磁感线在线圈3125内产生电流。
通过第一热回收管101内的高温尾气将热量通过热端换热器301传递给自由活塞式斯特林发电机内的工作介质，工作介质在膨胀腔302内膨胀做功推动配气活塞303并带动动力活塞308作往复直线运动，此时动力活塞杆311带动动子切割磁感线在线圈3125内产生感应电流，如此循环往复进行发电，产生的感应电流经导线连接储电装置进行存储。
做功后的高温尾气温度降低，在第二热回收腔102内，将热量传递与尾气排放管103外表面连接的半导体热电材料201的热端，如图4所示，半导体热电材料201的冷端由翅片式散热器202的翅片2021进行风冷冷却，冷端温度较低，此时半导体热电材料201热、冷两端的温差较大，在材料内部产生感应电流进行发电，产生的感应电流经导线连接储电装置进行存储。
实施例中，如图4所示，第一热回收管壁1011为直筒壁，高温尾气将热量传递给热端换热器301的同时，也加热了第一热回收管壁1011，对进入第二热回收管102被回收了部分热量的高温尾气起到了再热的作用，提高了热回收效率；第二热回收管壁1021为渐缩壁，高温尾气在渐缩管壁的第二热回收管102内能大幅降低流动阻力，减小能量损失；尾气排放管103的各弯头处都是弧形弯管，能进一步降低流动阻力损失。
进一步地，翅片式散热器202与周围环境的强迫对流进行散热，提高了热电发电的效率。
高温尾气经过热电发电部20和斯特林发电部30的能量梯级利用，将低品位热能转变成高品位的电能，提高了能源的利用效率，增加了电驱动设备的续航时间，可以改善像汽车这样的电驱动设备续航时间短的问题。
实施例二
本实施例与实施例一其它结构相同，只是本实施例中的热端换热器301a的结构与实施例一中热端换热器301不同。
如图3、图5、图6、图7所示，本实施例中，热端换热器301a一面设置有多个同心圆环翅片3011，另一面设置有多个内凹的槽3012。
其中，热端换热器301a上内凹的槽3012呈米字型。
热端换热器301a与自由活塞式斯特林发电机的连接面设置有多个同心圆环翅片3011，能够分别与配气活塞303顶端表面的多个相邻的同心圆环3031形成的凹槽进行配合，同心圆环翅片3011增加了换热面积，增强了对流换热；同心圆环3031形成的凹槽在与同心圆环翅片3011的间隙配合中，极大了降低了膨胀腔的死容积，减少了传热损失，提高了传热效率。
热端换热器301另一面的米型槽3012与高温尾气进行传热，进一步增强了传热效果；配气活塞303内的辐射隔热屏3032与配气活塞顶端形成的辐射隔热腔3033能够有效的减少膨胀腔内的轴向热损失，提高配气活塞的做功能力。
实施例三
一种具有尾气低品位余热梯级发电装置的汽车。
该汽车的排气管与实施例一中尾气低品位余热梯级发电装置中的第一热回收管101相连通。
实施例四
一种具有尾气低品位余热梯级发电装置的汽车。
该汽车的排气管与实施例二中尾气低品位余热梯级发电装置中的第一热回收管101相连通。
实施例五
一种具有尾气低品位余热梯级发电装置的无人机。
该无人机的排气管与实施例一中尾气低品位余热梯级发电装置中的第一热回收管101相连通。
实施例六
一种具有尾气低品位余热梯级发电装置的无人机。
该无人机的排气管与实施例二中尾气低品位余热梯级发电装置中的第一热回收管101相连通。
上述实施例结构为本发明的优选结构，并不用来限制本发明的保护范围。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的一种尾气低品位余热梯级发电装置，自由活塞式斯特林发电机通过热端换热器吸收高温尾气的热量做功发电，半导体热电材料热端进一步吸收尾气余热在环路内部产生电动势发电，通过对低品位尾气余热的能量梯级利用，提高了能源利用效率的同时也可以增加电驱动设备的续航时间。
另外，流经第一热回收管中的高温尾气将热量传递给热端换热器的同时，也加热了第一热回收管壁，对进入第二热回收管被回收了部分热量的高温尾气起到了再热的作用，提高了热回收效率。
进一步地，第二热回收管壁为渐缩壁，高温尾气在渐缩管壁的第二热回收管内能大幅降低流动阻力，减小能量损失。
进一步地，尾气排放管的各弯头处都是弧形弯管，能进一步降低流动阻力损失。
进一步地，翅片式散热器与周围环境的强迫对流进行散热，提高了热电发电的效率。
进一步地，热端换热器与斯特林发电部的连接面设置有同心圆环翅片，增加了换热面积，增强了对流换热。
进一步地，同心圆环形成的凹槽在与同心圆环翅片的间隙配合中，极大了降低了膨胀腔的死容积，减少了传热损失，提高了传热效率。
进一步地，热端换热器的米型槽与高温尾气进行传热，进一步增强了传热效果。
进一步地，配气活塞内的辐射隔热屏与配气活塞顶端形成的辐射隔热腔能够有效的减少膨胀腔内的轴向热损失，提高配气活塞的做功能力。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种尾气低品位余热梯级发电装置，其特征在于，包括：
斯特林发电部，包括自由活塞式斯特林发电机和设置在所述斯特林发电机端部的热端换热器；
尾气热回收部，具有第一热回收管、第二热回收管和多个尾气排放管；以及
热电发电部，具有多个半导体热电部件和翅片式散热件，
其中，所述热端换热器呈圆盘状，一面设置有多个同心圆环翅片，另一面设置有多个内凹的槽，用于将流经第一热回收管的高温尾气的热量传递给所述自由活塞式斯特林发电机中的工作介质，
所述第一热回收管设置在所述第二热回收管内形成一个环状套管，一端的所述第一热回收管的端部和所述第二热回收管的端部之间是封闭的，另一端的所述第二热回收管与所述热端换热器固定连接，所述第一热回收管与所述热端换热器之间具有空隙，所述第一热回收管与所述第二热回收管相连通，
多个所述尾气排放管分别设置在所述第二热回收管的外壁上，所述尾气排放管与所述第二热回收管相连通，
所述半导体热电部件的热端与所述尾气排放管外壁相贴附，
所述半导体热电部件的冷端与所述翅片式散热件相连接。
2.根据权利要求1所述的尾气低品位余热梯级发电装置，其特征在于：
其中，多个所述尾气排放管分别设置在所述第二热回收管的头部外壁上。
3.根据权利要求1所述的尾气低品位余热梯级发电装置，其特征在于：
其中，多个所述尾气排放管外形呈L形，数量为2-8个。
4.根据权利要求1所述的尾气低品位余热梯级发电装置，其特征在于：
其中，所述热端换热器上内凹的槽呈米字型。
5.根据权利要求1所述的尾气低品位余热梯级发电装置，其特征在于：
其中，所述热端换热器与自由活塞式斯特林发电机通过焊接的方式耦合在一起。
6.根据权利要求1所述的尾气低品位余热梯级发电装置，其特征在于：
其中，所述半导体热电部件的热端与所述尾气排放管外壁通过导热硅胶连接在一起。
7.根据权利要求1所述的尾气低品位余热梯级发电装置，其特征在于：
其中，所述半导体热电部件的冷端与所述翅片式散热件通过导热硅胶相连接。
8.根据权利要求1所述的尾气低品位余热梯级发电装置，其特征在于：
其中，所述自由活塞式斯特林发电机包括：配气活塞、配气活塞杆、动力活塞、动力活塞杆、回热器、冷端换热器、板弹簧组、直线发电机和缓冲室。
9.根据权利要求7所述的尾气低品位余热梯级发电装置，其特征在于：
其中，所述配气活塞与所述动力活塞同轴布置，所述配气活塞内部中空设计，顶端开有同心圆环狭缝凹槽，尾部与所述配气活塞杆连接，所述动力活塞顶端开有与所述配气活塞尾部直径同样大小的圆柱通孔，所述动力活塞杆与所述动力活塞一体化设计，所述动力活塞杆内部开有与所述配气活塞杆直径同样大小的圆柱通孔，所述配气活塞尾部与动力活塞圆柱通孔进行同轴配合，所述配气活塞杆与动力活塞杆圆柱通孔进行同轴配合，所述板弹簧组包括两组板弹簧，用于支撑所述配气活塞和所述动力活塞的轴向运动并保持径向间隙密封。
10.一种无人机，其特征在于，包括：
权利要求1-9中任意一种所述的尾气低品位余热梯级发电装置。
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