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一种具有金属泡沫结构的消声型温差发电系统换热器

2021-04-25 15:48:09

一种具有金属泡沫结构的消声型温差发电系统换热器

  技术领域

  本发明属于汽车尾气余热温差发电领域,具体涉及一种具有金属泡沫结构的消声型温差发电系统换热器。

  背景技术

  汽车尾气余热能占到汽车消耗燃油总能量的三分之一左右,利用相关余热回收技术能回收尾气中所含余热能。温差发电技术能直接将余热能转化为电能,且具有结构简单、小型轻便、运行稳定、无噪声、使用寿命长等优势,是一项十分有前景的技术。

  在温差发电系统中,最核心的部件之一就是热端换热器,其承担着把尾气中的热量传递给温差发电模块的突出责任。传统的温差发电系统,基本都是安装在汽车的催化转化器之后、尾气消声器之前,作为一个独立存在的系统。但是,汽车底盘空间十分有限,DPF、消声器、三效催化器等后处理装置占据了大量空间。如果再加上温差发电系统的整套部件,将会使底盘空间布置极为困难。因此,如果将温差发电系统与后处理系统中的部件集成起来,那么其所占空间可以大大降低。

  金属泡沫材料具有非常高的单位体积比表面积和复杂的骨架结构,因此,一方面,其换热面积和流动的紊流程度都能得到提高,运用得当的话将能极大地增强换热器的换热性能;另一方面,金属泡沫材料由于表面及内部具有无数细微孔隙,彼此贯通,可以将传播过程中的声波干涉破坏,是一种很好的阻性消声材料。而本发明提出的一种具有金属泡沫结构的消声型温差发电系统换热器则能够充分利用金属泡沫的优势,将温差发电系统的热端换热器和消声器很好的集成起来,直接取代原本车辆后处理系统中的消声器,既能保证二者优越的性能,又能显著地节省所占底盘空间。

  发明内容

  针对上述问题,本发明提出了一种具有金属泡沫结构的消声型温差发电换热器,其兼具阻抗复合消声器和温差发电系统热端换热器的功能,能显著提高温差发电系统的效率和系统集成度。

  为实现本发明的目的,本发明提供了一种具有金属泡沫结构的消声型温差发电系统换热器,

  所述换热器包含依次连接设置的三个腔体:前位抗性扩张室、阻性消声腔和后位抗性扩张室;

  进气圆管从换热器的一端插入其依次穿过前位抗性扩张室和阻性消声腔,延伸至后位抗性扩张室;出气椭圆管从换热器的另一端插入其依次穿过后位抗性扩张室和阻性消声腔,延伸至前位抗性扩张室;所述的进气圆管和出气椭圆管均为部分穿孔管,其中,进气圆管的开孔区域为位于阻性消声腔和后位抗性扩张室部分;出气椭圆管的开孔区域位于前位扩张室和阻性消声腔部分;

  所述的阻性消声腔由金属泡沫结构填充组成,所述的金属泡沫结构包含连通前位抗性扩张室和后位抗性扩张室的进气圆管孔、出气椭圆管孔和气体回流梯形孔;

  温差发电模块热端紧贴于该换热器外壁面,冷端与冷却水道紧密贴合。

  其中:所述换热器的外壳为正六边形筒状腔体,其两端封闭。

  其中:所述气体回流梯形孔为六个,其间隔均匀设置。

  其中:所述金属泡沫结构孔隙率在0.7-0.98之间,孔密度在10-100PPI之间。

  其中:所述金属泡沫结构由铜、铝、镍或者其他合金制成。

  其中:所述金属泡沫结构与换热器外壳之间为焊接或者其他接触热阻较小的连接方式。

  其中:所述的进气圆管的开孔孔径可在1-10mm之间,开孔距离在5-30mm之间,具体可根据管径、流速等实际情况设计。

  其中:所述出气椭圆管的开孔孔径可在1-10mm之间,开孔距离在5-30mm之间,具体可根据管径、流速等实际情况设计。

  与现有技术相比,本发明的有益效果为,1.将汽车的消声器结构与温差发电系统的换热器结构集成起来,极大降低了温差发电装置所占汽车底盘空间,提高了系统的集成化和效率。2.整个消声型换热器内的气体流动路线呈回流状,回流段的金属泡沫梯形孔结构和金属泡沫自身结构特性可以让气体在此处的流速降低,湍流增强,从而使其换热能力大大提高。3.该消声型换热器,包括了圆管、椭圆管、梯形孔道、正六边形筒状膨胀腔、金属泡沫结构阻性腔等各种结构类型,因此,对很宽频段的噪声均具有很好的消除效果,可以取代车上原有的消声器。

  附图说明

  图一是本发明的一种较佳实施例的具有金属泡沫结构的消声型温差发电系统换热器结构示意图。

  图二是具有金属泡沫结构的消声型温差发电系统换热器纵向截面视图。

  图三是具有金属泡沫结构的消声型温差发电换热器侧向截面视图。

  图中:1-进气圆管,2-前位抗性扩张室,3-梯形孔,4-阻性消声腔,5-换热器外壁面,6-后位抗性扩张室,7-出气椭圆管,8-温差发电模块。

  具体实施方式

  以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。

  需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、部件或者模块、组件和/或它们的组合。

  需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

  本实施例提供了一种正六边形筒状结构换热器,内部包含三个腔体:前后两个抗性消声腔体和中间的阻性消声腔4体。中间的阻性消声腔4内填充有金属泡沫材料结构,该结构中间部分有一个圆孔和一个椭圆孔,分别作为进气圆管1通道和出气椭圆管7通道,分别与进气圆管1和出气椭圆管7过渡配合连接,周围有六个梯形孔3,作为尾气从前位抗性扩张室2流回至前位抗性扩张室2的通道。该部分结构同时也是换热的主要部分。温差发电模块8热端紧贴于正六边形筒外壁面上,冷端和冷却水流道紧密贴合,构成整个温差发电系统。其中,金属泡沫结构周围梯形孔3处无管壁结构。

  其中,后位抗性扩张室6内伸出的进气圆管1为穿孔管,与后位抗性扩张室6共同组成抗性消声腔。其中,前位抗性扩张室2与金属泡沫周围梯形孔3组成第二个抗性消声腔。

  其中,进气圆管1和出气椭圆管7均可由不锈钢材料制成,

  如图1-3所示,在使用的时候,汽车尾气从进气圆管1流入,经由中间阻性消声腔4段,流入后位抗性扩张室6。然后,气体再经阻性消声腔部分的梯形孔3流回到前位抗性扩张室2。最后,气体再经出气椭圆管7流出。温差发电模块8是贴在该换热器的外壁面5上的,模块的冷却方式建议水冷,这样温差发电模块冷热端就会产生很大的温差,从而实现温差发电。

  在这一流动过程中,首先,在经过进气圆管的阻性消声腔段的时候,尾气的噪声(主要是中高频段)会被部分消除,尾气从进气管流入后位扩张室的时候,由于截面突变,尾气的低频噪声会被部分消除。然后,尾气流入阻性消声腔段的金属泡沫梯形孔内,在这里,由于声波在泡沫铜表面发生漫反射,并由于膨胀消音、微孔消音等原理,排气噪声将被大幅削减。与此同时,气体在这里的流动速度相对进气管道要慢,并且由于金属泡沫的可渗透性和骨架的复杂性,气体将会与其充分换热,大幅提高换热性能,从而使贴在外壁面上的温差发电模块热端温度大幅提高。气体从梯形孔道流入前位扩张室,这一流动截面变化又会进行一次抗性消声,进一步降低中低频噪声。最后气体流经出气椭圆管时,由于穿孔管和阻性腔的存在,又会进一步降低整体的噪声水平。

  以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出的是,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

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