CN107191344A - 重力热机及发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及重力热机及发电系统，属于动力装置技术领域。本发明的管道内充有液体工质，管道包括组成封闭循环管路的管道Ⅰ和管道Ⅱ，管道Ⅰ的内径大于管道Ⅱ的内径，从与管道Ⅰ的接合处管道Ⅱ的内径逐渐缩小，其中间部分为平直管；平直管与水轮发电机连接，水轮发电机的水轮机设置在平直管内，或平直管内设有与发电机连接的水轮机；还包括相对设置的热端供热系统和冷端冷却系统，热端供热系统为管道Ⅰ内的液体工质提供热量使液体工质上浮，并进入管道Ⅱ，液体工质通过冷端冷却系统冷却后下沉，经管道Ⅱ流回管道Ⅰ，管道Ⅱ中间部分的平直管内的液体工质流速加快，液体工质在管道内定向流动。本发明结构简单、转换效率高、应用范围广。

Description

重力热机及发电系统
技术领域
本发明涉及重力热机及发电系统，属于动力装置技术领域。
背景技术
热机利用内能做功的机械，在人类生活中发挥着重要的作用。在热机领域，人们发明了多种热机，各有不同的工作领域和不同的工作温度。根据卡诺循环原理，热机的效率只与温差有关。本发明需要温差，并在重力作用下，高效实现热能机械能的转换，再通过水轮发电机转换成电能的转换装置。
发明内容
本发明提出了一种重力热机及发电系统，根据热虹吸现象，利用重力场和温差工作，管道Ⅰ内的液体工质在热端供热系统的加热下使热的液体工质上浮，再经冷端冷却系统冷却后，液体工质下沉，在冷热控制下，液体工质在立式封闭的管道内定向运动，由于冷端冷却系统后的低温侧管道Ⅱ的内径缩小，根据管道效应，液体工质的流速可迅速提高几十上百倍，再通过水轮机发电或与水轮机连接的发电机，液体工质的机械能转化成电能。
本发明是采用以下的技术方案实现的：一种重力热机，包括管道、与管道连接且用于支撑管道的支架，管道内充有液体工质，管道包括管道Ⅰ和管道Ⅱ，管道Ⅰ和管道Ⅱ组成封闭循环管路，管道Ⅰ的内径大于管道Ⅱ的内径，从与管道Ⅰ的接合处管道Ⅱ的内径逐渐缩小，且管道Ⅱ中间部分为平直管，管道Ⅱ内设有水轮机；还包括用于给管道内液体工质供热的热端供热系统和用于给管道内液体工质冷却的冷端冷却系统，热端供热系统和冷端冷却系统(4)均与管道连接，且相对设置；还包括与管道连接的蒸汽冷凝器，蒸汽冷凝器设置在热端供热系统和冷端冷却系统之间的管道上。
进一步地，所述水轮机设置在平直管内下部，其主轴设置在管道外。
进一步地，所述管道竖直设置。
进一步地，所述管道采用绝热材料，以有效稳定热端加热系统加热后的液体工质与冷端冷却后的液体工质之间的温差。
进一步地，所述热端供热系统设置在管道Ⅰ的下部外侧,并与管道Ⅰ连接，相应地，冷端冷却系统设置在管道Ⅱ的上部外侧并与管道Ⅱ连接。
进一步地，所述蒸汽冷凝器的进汽口位于管道的最上部，以便更好的进行汽液分离，收集更多的蒸汽进入蒸汽冷凝器中，蒸汽冷凝器的出液口位于冷端冷却系统的前端，出液口低于进汽口；蒸汽冷凝器中的液体流出后，可被冷端冷却系统继续冷却，达到要求的冷却温度后流入管道Ⅱ。蒸汽冷凝器进汽口大小和其有效体积应根据产生的蒸汽量来确定大小，保证消除所有蒸汽，保持管道内液体流畅度。
一种按上述所述的重力热机的发电系统，在上述重力热机的管道Ⅱ内的水轮机连接有发电机。
一种重力热机的发电系统，还可以采用如下方案：包括管道、与管道连接且用于支撑管道的支架，其特征在于：管道内充有液体工质，管道包括管道Ⅰ和管道Ⅱ，管道Ⅰ和管道Ⅱ组成封闭循环管路，管道Ⅰ的内径大于管道Ⅱ的内径，从与管道Ⅰ的接合处管道Ⅱ的内径逐渐缩小，且管道Ⅱ中间部分为平直管，管道Ⅱ连接有水轮发电机，水轮发电机的水轮机设置在管道Ⅱ内；还包括用于给管道内液体工质供热的热端供热系统和用于给管道内液体工质冷却的冷端冷却系统，热端供热系统和冷端冷却系统均与管道连接，且相对设置；还包括与管道连接的蒸汽冷凝器，蒸汽冷凝器设置在热端供热系统和冷端冷却系统之间的管道上。
工作原理：重力热机的发电系统利用热虹吸现象使液体工质在竖着放置的封闭管道产生机械能，并通过与水轮机连接的发电机或水轮发电机将液体工质的机械能转换为电能。立式封闭管道内的液体工质经过管道Ⅰ左下部连接的热端供热系统加热后不断上浮，沿着管道流动，经管道Ⅱ右上端连接的冷端冷却系统冷却下沉，液体工质经过管道Ⅱ的平直管流速会变快，并流回管道Ⅰ，再经热端供热系统加热后上浮，经冷端冷却系统冷却后下沉，经管道Ⅱ的平直管流速加快，连续循环，在冷热控制下，液体工质在管道内定向流动，循环利用封闭管道内的液体工质经管道Ⅱ的平直管将把推动液体工质定向流动的热能转换为机械能，再通过发电机或水轮发电机使液体工质的机械能直接转化成电能。
本发明的有益效果是：
(1)本发明所述的重力热机，设置有封闭管道、热端供热系统和冷端冷却系统，冷端冷却系统后的管道Ⅱ的内径缩细，通过冷热控制使液体工质在管道做定向运动，并通过管道效应来提高流速从而带动水轮机将热能转化为机械能，实现高效率的能量转换，同时，避免了液体工质的浪费，节省资源；
(2)本发明所述的重力热机，通过冷热交换能量，可以在中高低温领域里工作，尤其是在低温领域，可以把低品位的温度热能转化成机械能，具有良好的发展前景；该重力热机可以利用温泉，太阳池，太阳能集热器中的热能以及各种发电设备的尾热，各种设备工作时排出的废热，可添补热能利用领域，特别是低品位热能的技术空间，为节能环保做出贡献；
(3)本发明所述的重力热机的发电系统，通过水轮发电机或与水轮机连接的发电机将机械能转化为电能，能量转换效率高；
(4)本发明所述的重力热机的发电系统，结构简单、制作方便、能量转换效率高、应用范围广。
附图说明
图1是重力热机的结构示意图。
图2是实施例二的发电系统的结构示意图。
图3是实施例二的使用状态图，图中箭头方向为液体工质的流向。
图中：1、管道；2、支架；3、热端供热系统；4、冷端冷却系统；5、蒸汽冷凝器；6、进汽口；7、出液口；8、水轮机；9、发电机。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚、明白，下面结合附图和具体实例，对本发明提出的重力热机及发电系统进行进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一：
本发明所述的重力热机，如图1所示，包括管道1、与管道1连接且用于支撑管道1的支架2；管道1采用绝热材料，管道1内充有液体工质，管包括管道Ⅰ和管道Ⅱ，管道Ⅰ和管道Ⅱ组成封闭循环管路，管道Ⅰ的内径大于管道Ⅱ的内径，从与管道Ⅰ的接合处管道Ⅱ的内径逐渐缩小，且管道Ⅱ中间部分为平直管，平直管内下部设有水轮机，水轮机主轴设置在管道外；还包括用于给管道1内液体工质供热的热端供热系统3和用于给管道1内液体工质冷却的冷端冷却系统4，热端供热系统3和冷端冷却系统4相对设置，热端供热系统3设置在管道Ⅰ的下部外侧，相应地，冷端冷却系统4设置在管道Ⅱ的上部外侧；还包括设置在热端供热系统3和冷端冷却系统4之间的管道1上的蒸汽冷凝器5，蒸汽冷凝器5的进汽口6位于管道1的最上部，蒸汽冷凝器5的出液口7位于冷端冷却系统4的前端，出液口7低于进汽口6。
本发明所述的重力热机可根据管道1内充灌的液体工质不同，实现在不同温度下工作。通常情况下，用水作为液体工质，当液体工质为凝固点很低的液体时，比如乙醇类凝固点-114℃，将重力热机的下半部分放置在北极海面冰层下的水里，上半部分直接放置在冰层上寒冷的空气里，在北极的大多数季节里，冰层下的水温和空气里有几十度的温差，可使该装置很好的工作，冰层下的水作用于热端供热系统3，寒冷的空气作用于冷端冷却系统4。然而大多数的热机都不在如此低温的温度下工作。
实施例二：
利用实施例一的重力热机的发电系统，如图2或图3所示，还包括与平直管内的水轮机8连接的发电机9。
利用实施例一的重力热机发电时，应将重力热机竖直放置，不能倾斜，减少液体定向环流阻力，以获得最大流速，保证蒸汽冷凝器5的最高效率。
本发电系统让液体工质在封闭管道1内定向流动，在冷端冷却系统4的低温侧后的管道Ⅱ的内径缩小，根据管道效应，液体工质经过管道Ⅱ的平直管流速会变快，比如：把平直管的内径缩小为管道Ⅰ的十分之一，平直管的截面积就会缩小为管道Ⅰ横截面的百分之一，平直管里的液体工质流速理论上就会提高一百倍，假设原来管道Ⅰ里的液体工质流速为0.5米/秒，经过平直管流速理论上会变成50米/秒，这相当于把水从150米高处落下冲击水轮发电机的效果，因此转换效率极高。理论上，管道Ⅰ和管道Ⅱ的平直管之间的内径比值越大，经热端供热系统3加热后的液体工质与冷端冷却系统4冷却后的液体工质之间的温差越大，发电系统的转换效率越高。
本发电系统结构简单，制作工艺不复杂，材料容易获得，热电转换效率高，并且可以根据管道Ⅰ和管道Ⅱ的内径比以制成各种功率的发电系统。该发电系统用作小功率设备时，热端供热系统3和冷端冷却系统4可采用金属材料导热，用作大功率设备时，热端供热系统3和冷端冷却系统4可采用热管导热，以获得大的换热效率。
本发明所述的发电系统还可以使用太阳能、地热能做为热源充当本发明中的热端供热系统3，在地球上，尤其南北极附近多设置一些本发明所述的发电系统。既可缓解当前的能源不足，又可以延缓全球变暖的速度。
实施例三：
一种重力热机的发电系统，还可以采用如下方案：包括管道1、与管道1连接且用于支撑管道1的支架2，其特征在于：管道1内充有液体工质，管道1包括管道Ⅰ和管道Ⅱ，管道Ⅰ和管道Ⅱ组成封闭循环管路，管道Ⅰ的内径大于管道Ⅱ的内径，从与管道Ⅰ的接合处管道Ⅱ的内径逐渐缩小，且管道Ⅱ中间部分为平直管，管道Ⅱ连接有水轮发电机，水轮发电机的水轮机设置在管道Ⅱ的平直管内；还包括用于给管道1内液体工质供热的热端供热系统3和用于给管道1内液体工质冷却的冷端冷却系统4，热端供热系统3和冷端冷却系统4均与管道1连接，且相对设置；还包括与管道1连接的蒸汽冷凝器5，蒸汽冷凝器5设置在热端供热系统3和冷端冷却系统4之间的管道1上。水轮发电机设置在冷端冷却系统4后可使水轮发电机的冷却系统大大优化，减小人们对发电系统的维护成本。
实施例四：
本实施例和实施例三的区别在于：热端加热系统采用发电厂的余热，冷端冷却系统4采取水冷或风冷。在现有的发电厂中，发电后的余热往往在100℃以上，可作为本发明的重力热机的发电系统的热源使用，而发电系统的冷端冷却系统4采取水冷或风冷方式，可使热端加热系统加热后的液体工质与冷端冷却后的液体工质保持大的温差。该发电系统热电转换效率高，内部液体工质定向流动、循环使用、节约大量的液体工质消耗，不污染环境。
实施例五：
本实施例和实施例三的区别在于：本发明和太阳池配合工作时，可以制造一个连续工作的发电设备。由于本发明所述的发电系统的下部为加热区，上部为冷却区，正好和太阳池对应，因此平日不用维护即可自动工作。与太阳池配合工作时本发明输出功率稳定，电压波动小，有助于将来并网发电。
在太阳池中，太阳池底部温度可达到80℃～90℃，而太阳池顶部池表温度低于40℃，底部和池表存在至少40℃～50℃的温差，该发电系统的加热区正好与太阳池底部高温区对应，冷却区与太阳池顶部低温区对应，将该发电系统设置在太阳池中，液体工质可自动完成吸热和冷却，并将太阳池中储蓄的热能转化为机械能并通过水轮发电机转化成电能。在冬季，太阳池接受到的太阳辐射热减少，但池表温度也会降低，这时发电系统在太阳池依然可工作，且对发电系统在太阳池中长期工作提供便利。发电系统在太阳池中，应对发电系统进行防腐蚀处理，保证发电系统更好的运行。
实施例六：
本发明可制成输出功率为几瓦至几十瓦的小型便携式装置。本实施例和实施例三的区别在于：热端供热系统3可利用太阳能、温泉热能或利用自热条件下容易获取的热能作为热源，冷端冷却系统4依靠自然冷却或风冷。该便携式装置可为野外作业或旅游时缓解电能不足带来的苦恼，如为手机、电脑等电子设备提供电能，或用于夜间照明，也可配备蓄电设备以拓展使用范围。
当然，上述内容仅为本发明的具体实施方式，不能被认为用于限定对本发明的保护范围。本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的均等变化与改进等，均应归属于本发明的涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种重力热机，包括管道、与管道连接且用于支撑管道的支架(2)，其特征在于：管道内充有液体工质，管道包括管道Ⅰ和管道Ⅱ，管道Ⅰ和管道Ⅱ组成封闭循环管路，管道Ⅰ的内径大于管道Ⅱ的内径，从与管道Ⅰ的接合处管道Ⅱ的内径逐渐缩小，且管道Ⅱ中间部分为平直管，管道Ⅱ内设有水轮机(8)；还包括用于给管道内液体工质供热的热端供热系统(3)和用于给管道内液体工质冷却的冷端冷却系统(4)，热端供热系统(3)和冷端冷却系统(4)均与管道连接，且相对设置；还包括与管道连接的蒸汽冷凝器(5)，蒸汽冷凝器(5)设置在热端供热系统(3)和冷端冷却系统(4)之间的管道上。
2.根据权利要求1所述的重力热机，其特征在于：所述水轮机(8)设置在平直管内下部，其主轴设置在管道外。
3.根据权利要求1所述的重力热机，其特征在于：所述管道竖直设置。
4.根据权利要求3所述的重力热机，其特征在于：所述管道采用绝热材料。
5.根据权利要求1所述的重力热机，其特征在于：所述热端供热系统(3)设置在管道Ⅰ的下部外侧,并与管道Ⅰ连接，相应地，冷端冷却系统(4)设置在管道Ⅱ的上部外侧并与管道Ⅱ连接。
6.根据权利要求1所述的重力热机，其特征在于：所述蒸汽冷凝器(5)的进汽口(6)位于管道的最上部，蒸汽冷凝器(5)的出液口(7)位于冷端冷却系统(4)的前端，出液口(7)低于进汽口(6)。
7.一种按权利要求1至6中任意一项所述的重力热机的发电系统，其特征在于：在所述重力热机的管道Ⅱ内的水轮机(8)连接有发电机(9)。
8.根据权利要求7所述的重力热机的的发电系统，其特征在于：所述管道内的液体工质经过管道Ⅰ左下部连接的热端供热系统(3)加热后不断上浮，沿着管道流动，经管道Ⅱ右上端连接的冷端冷却系统(4)冷却下沉，液体工质经过管道Ⅱ的平直管，由于平直管内径变小，流速变快，并流回管道Ⅰ，再经热端供热系统(3)加热后上浮，经冷端冷却系统(4)冷却后下沉，经过管道Ⅱ的平直管液体工质流速加快，连续循环，在冷热控制下，液体工质在管道内定向流动，循环利用封闭管道内的液体工质经管道Ⅱ的平直管流速加快，再通过水轮机(8)把热能转化成机械能，发电机(9)将机械能转化成电能。
9.一种重力热机的发电系统，包括管道、与管道连接且用于支撑管道的支架(2)，其特征在于：管道内充有液体工质，管道包括管道Ⅰ和管道Ⅱ，管道Ⅰ和管道Ⅱ组成封闭循环管路，管道Ⅰ的内径大于管道Ⅱ的内径，从与管道Ⅰ的接合处管道Ⅱ的内径逐渐缩小，且管道Ⅱ中间部分为平直管，管道Ⅱ连接有水轮发电机，水轮发电机的水轮机设置在管道Ⅱ内；还包括用于给管道内液体工质供热的热端供热系统(3)和用于给管道内液体工质冷却的冷端冷却系统(4)，热端供热系统(3)和冷端冷却系统(4)均与管道连接，且相对设置；还包括与管道连接的蒸汽冷凝器(5)，蒸汽冷凝器(5)设置在热端供热系统(3)和冷端冷却系统(4)之间的管道上。
10.根据权利要求9所述的重力热机的的发电系统，其特征在于：所述管道内的液体工质经过管道Ⅰ左下部连接的热端供热系统(3)加热后不断上浮，沿着管道流动，经管道Ⅱ右上端连接的冷端冷却系统(4)冷却下沉，液体工质经过管道Ⅱ的平直管，由于平直管内径变小，流速变快，并流回管道Ⅰ，再经热端供热系统(3)加热后上浮，经冷端冷却系统(4)冷却后下沉，经过管道Ⅱ的平直管液体工质流速加快，连续循环，在冷热控制下，液体工质在管道内定向流动，循环利用封闭管道内的液体工质经管道Ⅱ的平直管流速加快，再通过水轮发电机的水轮机把热能转化成机械能，水轮发电机将机械能转化成电能。
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