CN107910985A - 一种基于蒸发冷却装置的余热发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及利用余热发电的领域，具体涉及一种在为发热元件冷却的同时回收余热来发电的系统。一种基于蒸发冷却装置的余热发电系统，包括：冷凝器、蒸气发生装置、发电装置、循环主管路；所述冷凝器用于对冷却介质进行冷却，其连接所述循环主管路的入口、出口和冷却水的入口、出口；所述蒸气发生装置，包括发热元件与冷却设备；所述冷却设备与发热元件进行换热，同时产生蒸气；所述蒸气发生装置通过循环主管路与所述冷凝器和所述发电装置进行连接；所述发电装置采用新型盘式永磁发电机，利用蒸气发电。本发明在原有蒸发冷却装置上轻松改造，回收系统废热，提高整体效率，具有便于安装实施，不破坏原有结构，节能高效等特点。

Description

一种基于蒸发冷却装置的余热发电系统
技术领域
本发明涉及利用余热发电的领域，具体涉及一种在为发热元件冷却的同时回收余热来发电的系统。
背景技术
目前，各种功率设备的小型化趋势越来越明显。同时，IT行业的服务器以及计算机也设计的越来越紧凑，计算能力不断提高。伴随这些进步而来的是发热元件的热流密度不断提高，散热瓶颈越来越成为限制技术进步的巨大阻碍。为了解决这一问题，近年来在风冷、水冷等传统冷却方式的基础上，发展出了一种名为蒸发冷却的冷却技术。该技术具有能耗极低、静音性好、可靠性高等优点，尤其适用于高热流密度的大型电子设备。该技术已经发展出了浸泡式、贴壁式以及喷淋式等多种实现形式。
然而，尽管以上种种专利都已经实现了高效节能的冷却目的，功率设备耗散的热量仍然是白白地排放出去。如果能够收集这些余热，将其变为电能重复利用，蒸发冷却系统的效率将有进一步提升的空间。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种基于蒸发冷却装置的余热发电系统，回收部分余热转变为电能供其他用电设备使用，以提升系统的整体效率，补充现有蒸发冷却技术的不足。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于蒸发冷却装置的余热发电系统，包括：
冷凝器、蒸气发生装置、发电装置、循环主管路；其中，所述循环主管路将冷凝器、蒸气发生装置和发电装置串联成回路，且冷却介质依次从冷凝器流入蒸气发生装置和发电装置，再返回至冷凝器；
所述冷凝器，分别连接所述循环主管路的入口、出口和冷却水的入口、出口；所述冷凝器用于对冷却介质进行冷却；
所述蒸气发生装置，包括发热元件与冷却设备；所述冷却设备内部具有冷却介质；所述冷却设备与发热元件进行换热，同时产生蒸气；所述发电装置利用产生的蒸气发电。
进一步的，所述蒸气发生装置与所述发电装置之间串联再热器，再热器与发热元件中的高温部件紧密结合。
进一步的，在循环主管路上还设置有回热管路，所述回热管路与所述蒸气发生装置并联。
进一步的，在循环主管路上还设置有发电机保护管路，所述发电机保护管路与所述发电装置并联。
进一步的，所述发电装置包括依次连接的发电机、整流器和蓄电池。
进一步的，所述发电机为盘式永磁发电机，其设有三个独立腔室：中间腔室、左腔室和右腔室；所述中间腔室中包含有转子、左侧定子和右侧定子，所述左侧定子和右侧定子上均设有定子绕组，为绕线结构；所述中间腔室连接排气管和进气管，所述中间腔室还作为余热发电系统主回路的一部分，流过的过热蒸气推动所述转子旋转，使两侧定子绕组产生感应电流，所述感应电流通过定子引接线从两侧定子绕组引出至密封转接端子，进而引出发电机，进入所述整流器；所述左腔室和右腔室为定子冷却腔室，其出入口分别连接定子冷却出气管和定子冷却进液管；发电机冷却介质通过所述定子冷却进液管流入两个腔室，通过所述定子冷却出气管流出两个腔室，连接所述发电机的冷却回路为两侧定子绕组进行冷却。
进一步的，所述转子由轴、磁钢、转子铁芯和叶片组成；转子通过所述轴被左侧定子和右侧定子轴向固定，转子铁芯嵌套在轴上，所述转子铁芯中设有若干孔洞以满足隔磁和轻量化的需求，所述磁钢为永磁材料，磁钢镶嵌在转子铁芯中构成磁极；所述转子铁芯的外圆周上固定有叶片，当过热蒸气流入发电机中间腔室时，推动所述叶片旋转，带动转子旋转发电。
进一步的，所述左侧定子和右侧定子构成发电机的所述中间腔室的腔体和封盖；在左侧定子和右侧定子上的未设置线圈侧加装翅片以辅助定子散热。
进一步的，所述发电机的冷却回路中设置发电机冷却用冷凝器。
进一步的，所述发电机的冷却回路与循环主管路公用的冷凝器。
本发明的有益效果：
本发明能够在原有蒸发冷却装置上轻松改造，可与多种蒸发冷却装置相适应，回收系统废热，提高整体效率，具有便于安装实施，不破坏原有结构，节能高效等特点。
附图说明
图1为本发明所述的余热发电系统主干回路示意图；
其中，10-循环主管路，20-蒸气发生装置，30-发电装置，40-冷凝器；
图2为本发明所述的蒸气发生装置的三种实现形式；图2a为浸泡冷却方案的结构示意图；图2b为喷淋冷却方案示意图；图2c为贴壁冷却方案示意图；
图3为包含再热器的余热发电系统主干回路示意图；
其中，50-再热器；
图4为包含调节管路的余热发电系统主干回路示意图；
其中，60-发电机保护管路，70-回热管路；
图5为发电装置的组成示意图；
其中，310-发电机，320-整流器，330-蓄电池，340-发电机与整流器输入端的连接电缆，350-整流器输出端与蓄电池的连接电缆，360-蓄电池与负载的连接电缆；
图6a为所述发电机的主视图；图6b为所述发电机的左视图；图6c为所述发电机的剖视图；图6d为所述发电机的分解图；
其中，3110-冷却腔壳，3120-定子冷却出气管，3130-左侧定子，3140-排气管，3150-进气管，3160-定子冷却进液管，3170-转子，3180-右侧定子，3190-密封转接端子；
图7中三图为发电机转子的结构示意图；图7a为所述发电机转子的主视图；图7b为所述发电机转子的剖视图；图7c为所述发电机转子的斜视图；
其中，31710-轴，31720-磁钢，31730-转子铁芯，31740-叶片；
图8为发电机定子的结构示意图，图8a为发电机左侧定子的结构示意图，图8b为发电机右侧定子的结构示意图；
图9为余热发电系统主回路与发电机冷却回路分别使用各自的冷凝器的回路示意图；
其中，810-发电机冷却集气管，820-发电机冷却回液管，830-发电机冷却用冷凝器；
图10a、图10b、图10c、图10d分别示意了余热发电系统主回路与发电机冷却回路公用冷凝器的四种布管方式。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种基于蒸发冷却装置的余热发电系统，如图1所示，包括：
冷凝器40、蒸气发生装置20、发电装置30、循环主管路10；其中，所述循环主管路10将冷凝器40、蒸气发生装置20和发电装置30串联成闭合回路，且冷却介质依次从冷凝器40流入蒸气发生装置20和发电装置30，再返回至冷凝器40。
所述冷凝器40，分别连接所述循环主管路10的入口、出口和冷却水的入口、出口；所述冷凝器40用于对冷却介质进行冷却，使得气态介质转变为液态介质。
蒸气发生装置20通过循环主管路10与所述冷凝器40和所述发电装置30进行连接；所述蒸气发生装置20，包括发热元件与冷却设备；所述冷却设备内部具有冷却介质，所述冷却设备与发热元件进行换热，同时产生蒸气，蒸气从蒸气发生装置20的出口流出进入发电装置30；高温蒸气在发电装置30内推动发电机旋转发电。做功后的蒸气从发电装置30的出口排出后进入冷凝器40冷凝为液态低温介质。液态介质通过循环主管路10流回蒸气发生装置20继续为发热元件降温，如此周而复始地循环工作。
对于所述蒸气发生装置20可设计多种蒸发冷却方案，包括：浸泡式蒸发冷却方案、喷淋式蒸发冷却方案和贴壁式蒸发冷却方案；对应三种方案，本发明可相应采用三种不同的结构形式来实现：当蒸气发生装置20采用浸泡式冷却方案时，如图2a所示，发热元件浸没于密封箱体内的冷却介质中，发热元件的热量直接传导给冷却介质令其沸腾；当蒸气发生装置20采用喷淋式蒸发冷却方案时，如图2b所示，发热元件安装于密封箱体内，被冷凝器冷却后的蒸发冷却介质储存在储液罐中，然后，经由循环泵加压、过滤，通过雾化喷嘴均匀喷淋到发热器件表面，冷却介质吸热后沸腾蒸发，同时，未气化的液态冷却介质通过集液管流回至储液罐中；当蒸气发生装置20采用贴壁式蒸发冷却方案时，如图2c所示，发热元件与液盒紧密贴合在一起，液盒中流通蒸发冷却介质，贴合面的间隙可以加入或者不加导热硅脂。发热元件的热量通过贴合面传导至液盒内的冷却介质，冷却介质吸热沸腾。该方案的优势是液盒可以水平放置、竖直放置或者倾斜放置。图2a、图2b、图2c所示的三种解决方案的共同特点是：均使用蒸发冷却冷却介质；来自冷凝器40低温冷却介质均是由进液管进入蒸气发生装置20，沸腾后产生的蒸气经由出气管排出蒸气发生装置20；蒸气发生装置20根据不同的需求还可设置储液箱以便增加整个系统的导热能力，而且储液箱的放置位置及数量根据蒸气发生装置形式的不同而设计不同。
本实施例中，如图3所示，来自于蒸气发生装置20的蒸气干度不足时，所述蒸气发生装置20与发电装置30之间可以串联一个与热源紧密结合的再热器50，以提高蒸气干度。再热器50的作用是将蒸气加热到足够的干度，以利于推动发电机旋转。所述热源可以是被冷却系统中的一个高温部件也可以是电加热模块。
在循环主管路10上设置发电机保护管路60与所述发电装置30并联，所述发电机保护管路60上设一个电磁阀，通过电磁阀控制发电机保护管路60的导通状态；当通过发电装置30的蒸气过多时，电磁阀打开，所述发电机保护管路60导通，分流通过发电装置的蒸气，达到保护发电机的目的。设置回热管路70与所述蒸气发生装置20并联，所述回路管路70上设一个电磁阀，通过电磁阀的通断控制回路挂炉70的导通状态。当蒸气发生装置20对发热元件的冷却能力充裕时，通过所述回热管路70使一部分蒸气不返回冷凝器40，而是流回蒸气发生装置20与低温冷却介质混合，以此减少余热的浪费，提高发电系统的效率。本发明所述的循环主回路中可以接入若干上述调节管路，以保持系统的稳定、高效运行，如图4所示。所述再热器50、发电机保护管路60和回热管路70作为选配部件可以同时采用，也可以只采用其中的一种或两种部件。
所述发电装置30由发电机310、整流器320和蓄电池330组成，如图5所示，所述发电机310发出的交流电经过整流器320整流后储存在蓄电池330中。当负载有需求时，电能通过蓄电池与负载的连接电缆360输送出去。
所述发电机310为一种新型盘式永磁发电机，其采用双定子内转子结构，定子为绕线结构，转子铁芯中镶嵌的磁钢为永磁结构；发电机的转子位于过热蒸气通道内；转子的外圆周固定与其刚性连接的涡轮。当过热蒸气进入发电机310后，沿发电机圆周流动，同时推动涡轮，带动转子旋转，从而驱动发电机310发电。如图6a、图6b、图6c所示，所述发电机310设置有中间腔室、左腔室和右腔室三个独立腔室。其中，中间腔室为发电机定转子部分，包含了左侧定子3130和右侧定子3180的绕组部分以及转子3170，其作用是作为余热发电系统主回路的一部分，流过过热蒸气推动转子3170旋转，从而在定子绕组中产生感应电流；过热蒸气和乏汽分别通过进气管3150流入，通过排气管3140流出，发电机310所发电能是通过一个密封转接端子3190引出发电机，一段定子引接线将定子绕组与密封转接端子3190相连。左右两腔室为定子冷却腔室，作为发电机冷却回路的一部分，其作用是流过低温介质为发电机定子绕组冷却。发电机冷却介质分别通过定子冷却进液管3160和定子冷却出气管3120流入和流出左右两腔室。图6d中所示定子冷却进液管3160和定子冷却出气管3120是将左右两腔室的介质在出入口合二为一，也可以省略这两个零件，而直接将左右腔室与冷凝器相连。
所述发电机310的转子结构如图7a所示，转子3170通过轴31710被左右两个定子轴向固定并保证稳定旋转，转子铁芯31730嵌套在轴31710上。根据磁路设计，转子铁芯31730中设有若干孔洞以满足隔磁和轻量化的需求，所述磁钢31720为永磁材料，磁钢31720镶嵌在转子铁芯31730中构成磁极。磁极数量不作限制，磁极构成的磁路可以并联也可以串联。如图7a所示，本实施例的转子设置了6块磁钢。在转子铁芯31730的外圆周上，固定有若干个叶片31740，其数量和形状不作限制。当过热蒸气流入发电机中间腔室时，会推动叶片31740，从而带动转子3170旋转。
所述发电机310的定子结构如图8a和图8b所示，其中，图8a为左侧定子示意图，图8b为右侧定子示意图。左侧定子3130和右侧定子3180分别构成了发电机310中间腔室的腔体和封盖。定子线圈的数量不作限制，与转子3170上的磁极数对应。两个定子通过其中心的轴承来固定转子轴31710。在定子没有线圈的一侧，可以加装翅片以辅助定子散热，也可不加翅片。
所述发电机310的冷却回路中也可设置冷凝器。该冷凝器可以选择循环主管路公用的冷凝器40也可以设置一个单独的发电机冷却用冷凝器830。如图9和图10分别描述了这两种情况。
图9为系统主回路与发电机冷却回路分别使用各自的冷凝器的回路示意图。冷却介质在发电机310左右两腔室吸热后，通过发电机冷却集气管810流入发电机冷却用冷凝器830中。冷凝后的低温介质再通过发电机冷却回液管820流回左右腔室，从而形成循环。
图10是系统主回路与发电机冷却回路公用冷凝器的回路示意图。发电机冷却集气管810可以直通到冷凝器40中，也可以先接入循环主管路10后，再进入冷凝器40；同样的，发电机冷却回液管820可以直接与冷凝器40的出液口连通，也可以接入循环主管路10并从中分流低温介质。根据不同的组合，生成如图10a、图10b、图10c、图10d所示的四种布管方式。
本实施例也可以采用多台发电机并联组成的复合结构来提高发电能力。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于蒸发冷却装置的余热发电系统，其特征在于，包括：
冷凝器(40)、蒸气发生装置(20)、发电装置(30)、循环主管路(10)；其中，所述循环主管路(10)将冷凝器(40)、蒸气发生装置(20)和发电装置(30)串联成回路，且冷却介质依次从冷凝器(40)流入蒸气发生装置(20)和发电装置(30)，再返回至冷凝器(40)；
所述冷凝器(40)，分别连接所述循环主管路(10)的入口、出口和冷却水管路的入口、出口；所述冷凝器(40)用于对冷却介质进行冷却；
所述蒸气发生装置(20)，包括发热元件与冷却设备；所述冷却设备内部具有冷却介质，所述冷却设备与发热元件进行换热，同时产生蒸气；所述发电装置(30)利用产生的蒸气发电。
2.根据权利要求1所述基于蒸发冷却装置的余热发电系统，其特征在于，所述蒸气发生装置(20)与所述发电装置(30)之间串联再热器(50)，再热器(50)与发热元件中的高温部件紧密结合。
3.根据权利要求2所述基于蒸发冷却装置的余热发电系统，其特征在于，在循环主管路(10)上还设置有回热管路(70)，所述回热管路(70)与所述蒸气发生装置(20)并联。
4.根据权利要求3所述基于蒸发冷却装置的余热发电系统，其特征在于，在循环主管路(10)上还设置有发电机保护管路(60)，所述发电机保护管路(60)与所述发电装置(30)并联。
5.根据权利要求1所述基于蒸发冷却装置的余热发电系统，其特征在于，所述发电装置(30)包括依次连接的发电机(310)、整流器(320)和蓄电池(330)。
6.根据权利要求5所述基于蒸发冷却装置的余热发电系统，其特征在于，所述发电机(310)为盘式永磁发电机，其设有三个独立腔室：中间腔室、左腔室和右腔室；所述中间腔室中包含有转子(3170)、左侧定子(3130)和右侧定子(3180)，所述左侧定子(3130)和右侧定子(3180)上均设有定子绕组，为绕线结构；所述中间腔室连接排气管(3140)和进气管(3150)，所述中间腔室还作为余热发电系统主回路的一部分，流过的过热蒸气推动所述转子(3170)旋转，使两侧定子绕组产生感应电流，所述感应电流通过定子引接线从两侧定子绕组引出至密封转接端子(3190)，进而引出发电机，进入所述整流器(320)；所述左腔室和右腔室为定子冷却腔室，其出入口分别连接定子冷却出气管(3120)和定子冷却进液管(3160)；发电机冷却介质通过所述定子冷却进液管(3160)流入两个腔室，通过所述定子冷却出气管(3120)流出两个腔室，连接所述发电机(310)的冷却回路为两侧定子绕组进行冷却。
7.根据权利要求6所述基于蒸发冷却装置的余热发电系统，其特征在于，所述转子(3170)由轴(31710)、磁钢(31720)、转子铁芯(31730)和叶片(31740)组成；转子通过所述轴(31710)被左侧定子(3130)和右侧定子(3180)轴向固定，转子铁芯(31730)嵌套在轴(31710)上，所述转子铁芯(31730)中设有若干孔洞以满足隔磁和轻量化的需求，所述磁钢(31720)为永磁材料，磁钢(31720)镶嵌在转子铁芯(31730)中构成磁极；所述转子铁芯(31730)的外圆周上固定有叶片(31740)，当过热蒸气流入发电机中间腔室时，推动所述叶片(31740)旋转，带动转子(3170)旋转发电。
8.根据权利要求6所述基于蒸发冷却装置的余热发电系统，其特征在于，所述左侧定子(3130)和右侧定子(3180)构成发电机的所述中间腔室的腔体和封盖；在左侧定子(3130)和右侧定子(3180)上的未设置线圈侧加装翅片以辅助定子散热。
9.根据权利要求6所述基于蒸发冷却装置的余热发电系统，其特征在于，所述发电机(310)的冷却回路中设置发电机冷却用冷凝器(830)或所述发电机(310)的冷却回路与循环主管路公用的冷凝器(40)。
10.根据权利要求1所述基于蒸发冷却装置的余热发电系统，其特征在于，所述蒸气发生装置(20)的发热元件与冷却设备贴合，贴合面的间隙加入导热硅脂；所述蒸气发生装置(20)水平放置，或竖直放置，或倾斜放置。
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