CN105089849B - 排气余热温差热电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种排气余热温差热电系统，包括：换热单元，包括至少一个换热模块，所述换热模块用于将排气的热量传递给导热流体；热电单元，包括至少一个、与所述换热模块一一对应的热电子单元，所述热电子单元包括至少一个热电模块，所述热电模块用于在所述导热流体和冷却流体的作用下将热能转化为电能；电源管理单元，与所述热电单元连接，用于接收所述热电模块输出的电能，并输出电能或存储电能。本发明通过导热流体交换排气余热，利用热电器件实现热电转换，采用阶梯式换热模块，并进一步使用控制系统控制导热油的温度，具有结构简单、能量利用率高、能量转换效率高、无噪声、无污染、寿命长、占用空间小、单位体积供电量高等优点。

Description

排气余热温差热电系统

技术领域

本发明涉及排气余热利用技术领域，尤其涉及一种排气余热温差热电系统。

背景技术

船用柴油机排气余热蕴藏着与有效功当量的热量，回收余热能量可提高燃油经济性能。目前适用于船用柴油机的排气余热利用技术如下：

(1)废气涡轮增压：排气推动涡轮机，带动压气机工作，实现进气增压；使燃油燃烧充分，提高动力装置经济性能；但涡轮增压只能利用部分排气余热，属于高速运动部件，噪声较大，不适用于特殊用途的船舶，适用范围较窄。

(2)余热制冷：以热能为动力，利用某种介质物态变换实现制冷。但余热制冷结构复杂，体积较大，造价高，在空间紧凑的船舶上，往往没有足够的空间安装余热制冷装置。

(3)余热发电：余热加热蒸汽或者驱动发电机发电。该方法的缺陷在于能源利用品级较低，结构复杂笨重，运动件复杂，维护复杂。

(4)改良燃烧：加热燃油，提高燃油燃烧性能。该方法重点在于改良燃烧，而并没有充分利用余热能量。

(5)余热锅炉：加热水媒介产生饱和蒸汽后加热燃油、滑油。该方法的缺陷在于结构笨重，余热利用率较低。

发明内容

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本发明提供一种结构简单、无运动部件、能量转换环节少的排气余热温差热电系统，并进一步满足能量利用率高、余热利用范围广且不影响柴油机动力输出等需求。

本发明提供一种排气余热温差热电系统，包括：

换热单元，包括至少一个换热模块，所述换热模块用于将排气的热量传递给导热流体；

热电单元，包括至少一个、与所述换热模块一一对应的热电子单元，所述热电子单元包括至少一个热电模块，所述热电模块用于在所述导热流体和冷却流体的作用下将热能转化为电能；以及，

电源管理单元，与所述热电单元连接，用于接收所述热电模块输出的电能，并输出电能或存储电能。

本发明的诸多实施例提供的排气余热温差热电系统通过导热流体交换排气余热，利用热电器件实现热电转换，从而满足了船用柴油机余热利用系统结构简单、能量利用率高等需求；

本发明的诸多实施例提供的排气余热温差热电系统不含有运动部件，具有结构简单、无噪声、无污染、寿命长、占用空间小、单位体积供电量高等优点；

本发明的一些实施例采用阶梯式换热模块，充分回收排气的余热，采用导热油作为载热介质，并进一步使用控制系统控制导热油的温度，使导热油温度稳定在热电模块的最佳工作温度，从而实现热电转换效率的最大化；

本发明的诸多实施例将热能直接转换为电能，减少了能源转换的中间环节，提高了能量利用率的同时便于在船舶上应用。

附图说明

参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。

图1为根据本发明实施例的排气余热温差热电系统的结构示意图。

图2为根据本发明优选实施例的排气余热温差热电系统的工艺原理图。

附图标记说明：

10 换热单元

30 热电单元

50 电源管理单元

11 换热模块

12 高温换热模块

13 中温换热模块

14 低温换热模块

31 热电子单元

311 热电模块

71 控制模块

具体实施方式

下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

图1为根据本发明实施例的排气余热温差热电系统的结构示意图。

如图1所示，本实施例的排气余热温差热电系统包括：

换热单元10，包括至少一个换热模块11，所述换热模块用于将排气的热量传递给导热流体；

热电单元30，包括至少一个、与换热模块11一一对应的热电子单元31，热电子单元31包括至少一个热电模块311，热电模块311用于在所述导热流体和冷却流体的作用下将热能转化为电能；

电源管理单元50，与热电单元30连接，用于接收热电模块311输出的电能，并输出电能或存储电能。

具体地，如图1所示，在本实施例中，换热单元10包括m个换热模块11，对应地，热电单元30包括m个与所述m个换热模块11一一对应的热电子单元，每个热电子单元中包括n个串联的热电模块311，其中，m为正整数，n为大于1的正整数。在一些实现中，所述导热流体为导热油，所述冷却流体为冷却水。

当m为1时，排气进入换热单元10后通过换热模块11，换热模块11将所述排气的热量传递给流经自身的导热流体，所述导热流体吸收热量后，流入对应的热电子单元31，并依次流过第11热电模块、第12热电模块、…、第1n热电模块，以供各热电模块在第一导热流体和第一冷却流体的作用下分别将热能转化为电能。电源管理单元50与热电子单元31连接，接收各热电模块311输出的电能，并输出额定功率的电能，或对蓄电池进行充电从而存储电能。

当m大于1时，排气进入换热单元10后，通过第一换热模块、第二换热模块、…、第m换热模块，每个换热模块11将所述排气的热量传递给流经自身的导热流体。第一导热流体流经所述第一换热模块吸收所述排气热量后，流入对应的第一热电子单元，并依次流过第11热电模块、第12热电模块、…、第1n热电模块，以供各热电模块在第一导热流体和第一冷却流体的作用下分别将热能转化为电能。类似的，各热电子单元31中的热电模块311分别将各导热流体的热能转化为电能。电源管理单元50分别与各热电子单元31连接，接收各热电模块311输出的电能，并输出额定功率的电能，或对蓄电池进行充电从而存储电能。

在一优选实施例中，换热单元10包括多个换热模块11时，所述多个换热模块11串联连接，所述排气依次流经所述串联的换热模块11。即第一换热模块、第二换热模块、…、第m换热模块串联连接，排气依次通过所述第一换热模块、第二换热模块、…、第m换热模块。本优选实施例采用阶梯式换热模块，可充分利用排气的余热。

图2为根据本发明优选实施例的排气余热温差热电系统的工艺原理图。如图2所示，在一优选实施例中，换热单元10包括依次串联连接的高温换热模块12、中温换热模块13和低温换热模块14。所述排气依次流经高温换热模块12、中温换热模块13、低温换热模块14。本优选实施例的优点在于兼顾了采用阶梯式换热模块从而充分利用排气余热，和不采用过多换热模块和热电子单元从而保持结构简单、占用空间小的优点。

在一优选实施例中，所述导热流体流经换热模块11吸收热量后，依次流经换热模块11所对应的热电子单元31中第一热电模块至第n热电模块的高温端面；

所述冷却流体与所述导热流体反向依次流经换热模块11所对应的热电子单元31中第n热电模块至第一热电模块的低温端面。

具体地，采用导热流体和冷却流体反向流经热电模块的设计可以最大程度上保持导热流体和冷却流体之间的温差，从而使热电模块保持高效的能量转换率。

在一优选实施例中，所述第一热电模块至第n热电模块的工作温度依次降低。具体地，采用工作温度与导热流体温度相对应的热电器件作为热电模块，可以使热电模块更大概率工作在最佳工作温度，提高热电模块的能量转换效率。

在一优选实施例中，如图2所示，本实施例所提供的排气余热温差热电系统还包括控制单元，所述控制单元包括：

温度变送器，设置在热电子单元31的入口，用于检测所述导热流体的即时温度；

电磁阀，设置在热电子单元31的入口，用于控制所述导热流体流向热电子单元31或流向热电子单元31所对应的换热模块11；

控制模块71，与所述温度变送器、所述电磁阀连接，用于判断所述即时温度是否达到热电子单元31的工作温度，如未达到，则通过所述电磁阀控制所述导热流体循环流向所述热电子单元31所对应的换热模块11。

具体地，当导热流体未达到热电子单元31的工作温度时，如进入热电子单元31，会导致热电子单元31内各热电模块311不在工作温度范围内工作，从而导致能量转换效率降低，因此控制模块71通过温度变送器对导热流体的温度进行监控并通过电磁阀控制未达到热电子单元31工作温度的导热流体循环流向对应的换热模块11进行加热，直至导热流体的温度达到热电子单元31工作温度，从而保障了各热电模块311的能量转换率。

在一优选实施例中，所述导热流体流出热电子单元31后，通过循环泵循环流向所对应的换热模块11。具体地，采用循环利用导热流体的设计使本发明具备环保无污染的优点。

在一优选实施例中，所述温度变送器还设置在热电子单元31的内部或出口。

控制模块71与所述循环泵连接，还用于通过所述温度变送器监测到所述导热流体的温度上下波动时，控制所述循环泵调节所述导热流体的流量。

具体地，当导热流体的温度上下波动时，会影响各热电模块311的工作温度以及能量转化效率，控制模块71通过所述循环泵调节导热流体的流量，从而间接调节各各热电模块311的工作量，进一步实现将导热流体的温度稳定在最佳工作点。

在一优选实施例中，所述热电子单元的出口还设有流量计。具体地，控制模块71可通过流量计获取导热流体的流量，从而实现对所述循环泵的精准调节。

在一优选实施例中，在所述热电子单元的出口和所述循环泵之间还设有除湿器。

本发明的诸多实施例提供的排气余热温差热电系统通过导热流体交换排气余热，利用热电器件实现热电转换，从而满足了船用柴油机余热利用系统结构简单、能量利用率高等需求；

本发明的诸多实施例提供的排气余热温差热电系统不含有运动部件，具有结构简单、无噪声、无污染、寿命长、占用空间小、单位体积供电量高等优点；

本发明的一些实施例采用阶梯式换热模块，充分回收排气的余热，采用导热油作为载热介质，并进一步使用控制系统控制导热油的温度，使导热油温度稳定在热电模块的最佳工作温度，从而实现热电转换效率的最大化；

本发明的诸多实施例将热能直接转换为电能，减少了能源转换的中间环节，提高了能量利用率的同时便于在船舶上应用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种排气余热温差热电系统，其特征在于，包括：

换热单元，包括至少一个换热模块，所述换热模块用于将排气的热量传递给导热流体；

热电单元，包括至少一个、与所述换热模块一一对应的热电子单元，所述热电子单元包括至少一个热电模块，所述热电模块用于在所述导热流体和冷却流体的作用下将热能转化为电能；以及，

电源管理单元，与所述热电单元连接，用于接收所述热电模块输出的电能，并输出电能或存储电能；

所述换热单元包括多个换热模块时，所述多个换热模块串联连接，所述排气依次流经所述串联的换热模块。

2.根据权利要求1所述的排气余热温差热电系统，其特征在于，所述换热单元包括依次串联连接的高温换热模块、中温换热模块和低温换热模块；所述排气依次流经所述高温换热模块、所述中温换热模块和所述低温换热模块。

3.根据权利要求1所述的排气余热温差热电系统，其特征在于，所述换热模块所对应的热电子单元包括n个串联的热电模块，n为大于1的整数；

所述导热流体流经所述换热模块吸收热量后，依次流经所述换热模块所对应的热电子单元中第一热电模块至第n热电模块的高温端面；

所述冷却流体与所述导热流体反向依次流经所述换热模块所对应的热电子单元中第n热电模块至第一热电模块的低温端面。

4.根据权利要求3所述的排气余热温差热电系统，其特征在于，所述第一热电模块至第n热电模块的工作温度依次降低。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的排气余热温差热电系统，其特征在于，还包括控制单元，所述控制单元包括：

温度变送器，设置在所述热电子单元的入口，用于检测所述导热流体的即时温度；

电磁阀，设置在所述热电子单元的入口，用于控制所述导热流体流向所述热电子单元或流向所述热电子单元所对应的换热模块；

控制模块，与所述温度变送器、所述电磁阀连接，用于判断所述即时温度是否达到所述热电子单元的工作温度，如未达到，则通过所述电磁阀控制所述导热流体循环流向所述热电子单元所对应的换热模块。

6.根据权利要求5所述的排气余热温差热电系统，其特征在于，所述导热流体流出所述热电子单元后，通过循环泵循环流向所对应的换热模块。

7.根据权利要求6所述的排气余热温差热电系统，其特征在于，所述温度变送器还设置在所述热电子单元的内部或出口；

所述控制模块与所述循环泵连接，还用于通过所述温度变送器监测到所述导热流体的温度上下波动时，控制所述循环泵调节所述导热流体的流量。

8.根据权利要求7所述的排气余热温差热电系统，其特征在于，所述热电子单元的出口还设有用于测量所述导热流体流量的流量计。

9.根据权利要求6所述的排气余热温差热电系统，其特征在于，在所述热电子单元的出口和所述循环泵之间还设有除湿器。