CN112985132B - 一种斯特林发电及强制对流散热的重力热管装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于矸石山散热装置技术领域，具体是一种斯特林发电及强制对流散热的重力热管装置。包括重力热管、活塞驱动结构、发电部分以及风扇，其中重力热管包括内部气道壁和热管外壁，内部气道壁设置在热管外壁内部，内部气道壁下端设置有工质流动通道，内部气道壁和热管外壁之间为气体工质通道，工质流动通道与气体工质通道连通，气体工质通道上部安装气缸加热腔，并且留有可供气体通过的缝隙；气缸加热腔上部安装活塞驱动结构，活塞驱动结构与发电部分连接，发电部分驱动风扇。本发明将矸石山重力热管的热量转化为机械能，其优点是气缸加热腔可以深入到热管中心的深部，于汽化的工质有更大的接触面积，更大程度的利用了矸石山深部积温产生的热量。

Description

一种斯特林发电及强制对流散热的重力热管装置

技术领域

本发明属于矸石山散热装置技术领域，具体是一种斯特林发电及强制对流散热的重力热管装置。

背景技术

煤矸石是指煤矿在开拓掘进、采煤和煤炭洗选等生产过程中排出的含碳岩石，是煤矿生产过程中的废弃物。煤矸石在空气中极易自燃，自燃煤矸石山是一种比较特殊的燃烧系统，具有蓄热大、易复燃的特点。露天堆放的矸石山时常发生自燃，造成资源浪费、环境污染，严重的还会引发事故。统计数据表明，自建国以来长期积存的煤矸石总量达50亿吨以上，占地1.33万多公顷，规模较大的矸石山约1500多座，其中具有自燃危险的大型矸石山约有300余座，且仍以2亿吨/年的速度增长。这些煤矸石经常年风蚀雨蚀等环境作用，分解产生大量粉尘、酸性水和重金属离子，严重恶化当地生态环境，污染大气、水体、土壤和植被。特别是自燃矸石山，烧空后容易引起坍塌，遇降水极易引发喷爆和爆炸事故，威胁矿区群众生命健康。

自燃煤矸石山堆放区域地温比正常地温高30℃以上，在生态环境及植被构建过程中受到高温胁迫，自燃防治困难、生态恢复缓慢。当前常规治理煤堆或煤矸石山自燃的防灭火技术如注浆、黄土覆盖等，主要从“隔氧”的角度来控制煤矸石山自燃。但由于矸石山内部积聚的热量无法及时散除，随着时间推移多会发生复燃。要达到自燃煤矸石山生态治理的终极目标—彻底灭火不再复燃，打破热量聚集的物理条件是关键，自燃煤矸石山高温余热消除是矿区生境恢复亟需解决的关键课题。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供一种斯特林发电及强制对流散热的重力热管装置。

本发明采取以下技术方案：一种斯特林发电及强制对流散热的重力热管装置，包括重力热管、活塞驱动结构、发电部分以及风扇，其中重力热管包括内部气道壁和热管外壁，内部气道壁设置在热管外壁内部，内部气道壁下端设置有工质流动通道，内部气道壁和热管外壁之间为气体工质通道，工质流动通道与气体工质通道连通，气体工质通道上部安装气缸加热腔，并且留有可供气体通过的缝隙；气缸加热腔上部安装活塞驱动结构，活塞驱动结构与发电部分连接，发电部分驱动风扇。

进一步的，活塞驱动结构包括与气缸加热腔的上部连通的大活塞腔，大活塞腔内设有可上下运动的大活塞，大活塞腔上部设置有大活塞上盖，大活塞上盖上部固定有小活塞腔，小活塞腔下部与大活塞腔上部连通，小活塞腔内部有可上下移动的小活塞。

进一步的，发电部分包括发电机，发电机中部设置有中间连杆，中间连杆一端与风扇固定，另一端通过联轴器与二号齿轮连接，二号齿轮与一号齿轮啮合，一号齿轮由连杆的一端驱动，连杆另一端与小活塞固定，连杆为两段插销子的直杆，一端通过小活塞销与小活塞连接，另一端通过一号齿轮销与一号齿轮连接。

进一步的，发电机安装在发电机支撑上，发电机支撑固定在齿轮支撑座上，所述的一号齿轮和二号齿轮安装在齿轮支撑座上，齿轮支撑座固定在大活塞上盖上。

进一步的，大活塞底部设置有大活塞底部隔离垫，所述的大活塞顶部设置有大活塞顶部隔离垫。

进一步的，热管外壁外侧设置有散热片。

此发明装置的工作原理是将热管插入矸石山内部，重力热管的下部加热，工质吸收大量的热并汽化，由于重力热管下部温度高于上部温度，所以工质沿着气体工质通道向上流动，工质到达气缸加热腔时，由于环境的降温作用和顶部风扇的散热作用，气体工质会降温液化，并释放出大量的热，液化的工质沿着液体工质通道下降至重力热管的底部，通过工质流动通道回入气体工质通道。工质如此循环，实现了矸石山深部积温的释放。气缸加热腔被加热后，其内部压力增高，推动大活塞腔内的大活塞向上运动，并压缩大活塞与小活塞之间的气体，使之压力增高，推动小活塞向上运动，带动连杆的运动，连杆带动一号齿轮转动，一号齿轮的转动带动二号齿轮的转动，二号齿轮的转动可使发电机发电，并且使风扇转动。当上述一号齿轮、二号齿轮、风扇转动后，当转到使连杆带动小活塞下降的运动时，由于惯性，可使小活塞下降，压缩缩大活塞与小活塞之间的气体，使大活塞下降并压缩大活塞腔下部空气，如此实现了整个装置的不断旋转。直到重力热管下部吸收的热量不足时，停止旋转。大活塞腔上下设计有大活塞顶部隔离垫和大活塞底部隔离垫，其结构是一些突起的块，防治大活塞与大活塞腔的顶底接触面积过大产生粘连现象。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、将矸石山深部积温利用重力热管疏导出来，考虑到煤矿矸石山存在的客观实际情况：偏远地区以及周围基本上没有电、水等配套设施，重力热管的外露部分只能依靠自然气流进行散热，效率低下。本专利在热管上部采用大、小活塞缸的方式带动顶部风扇旋转，为重力热管提供强制对流散热。这个发明点可与自然散热形成互补，当自然对流若的时候，重力热管的顶部温度会升高，加速大、小活塞的运动，提高风扇的转速，加速重力热管散热。并且大活塞向上下运动的过程，大活塞下部的空气回频繁的压缩稀释，加速散热。

2、本发明将矸石山重力热管的热量转化为机械能，其优点是气缸加热腔可以深入到热管中心的深部，于汽化的工质有更大的接触面积，更大程度的利用了矸石山深部积温产生的热量，进而转化为电能，相比于温差发电效率大大提高。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为连杆示意图；

图3为连杆端部放大图；

图4为本发明工作原理图；

图中1-重力热管；2-工质流动通道；3-内部气道壁；4-热管外壁；5-散热片；6-液体工质通道；7-气缸加热腔；8-大活塞底部隔离垫；9-大活塞；10-大活塞腔；11-大活塞顶部隔离垫；12-大活塞上盖；13-螺丝；14-小活塞腔；15-小活塞；16-连杆；17-齿轮支撑座；18-一号齿轮；19-二号齿轮；20-发电机支撑；21-联轴器；22-中间连杆；23-发电机；24-电极；25-风扇；26-气体工质通道，27-小活塞销，28-一号齿轮销。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种斯特林发电及强制对流散热的重力热管装置，包括重力热管1、活塞驱动结构、发电部分以及风扇25，其中重力热管1包括内部气道壁3和热管外壁4，内部气道壁3设置在热管外壁4内部，内部气道壁3下端设置有工质流动通道2，工质流动通道2与气体工质通道26连通，内部气道壁3和热管外壁4之间为气体工质通道26，气体工质通道26上部安装气缸加热腔7，并且留有可供气体通过的缝隙；气缸加热腔7上部安装活塞驱动结构，活塞驱动结构与发电部分连接，发电部分驱动风扇25。

活塞驱动结构包括与气缸加热腔7的上部连通的大活塞腔10，大活塞腔10内设有可上下运动的大活塞9，大活塞腔10上部设置有大活塞上盖12，大活塞上盖12上部固定有小活塞腔14，小活塞腔14下部与大活塞腔10上部连通，小活塞腔14内部有可上下移动的小活塞15。

发电部分包括发电机23，发电机23中部设置有中间连杆22，中间连杆22一端与风扇25固定，另一端通过联轴器21与二号齿轮19连接，二号齿轮19与一号齿轮18啮合，一号齿轮18由连杆16的一端驱动，连杆16另一端与小活塞15固定，连杆16为两段插销子的直杆，一端通过小活塞销27与小活塞15连接，另一端通过一号齿轮销28与一号齿轮18连接。此结构可将小活塞15的上下直线运动转化为一号齿轮18的旋转运动。

发电机23安装在发电机支撑20上，发电机支撑20固定在齿轮支撑座17上，所述的一号齿轮18和二号齿轮19安装在齿轮支撑座17上，齿轮支撑座17固定在大活塞上盖12上。

大活塞9底部设置有大活塞底部隔离垫8，所述的大活塞9顶部设置有大活塞顶部隔离垫11。

热管外壁4外侧设置有散热片5。

此发明装置的工作原理是将热管插入矸石山内部，重力热管1的下部加热，工质吸收大量的热并汽化，由于重力热管下部温度高于上部温度，所以工质沿着气体工质通道26向上流动，工质到达气缸加热腔7时，由于环境的降温作用和顶部风扇25的散热作用，气体工质会降温液化，并释放出大量的热，液化的工质沿着液体工质通道6下降至重力热管1的底部，通过工质流动通道2回入气体工质通道26。工质如此循环，实现了矸石山深部积温的释放。气缸加热腔7被加热后，其内部压力增高，推动大活塞腔10内的大活塞9向上运动，并压缩大活塞9与小活塞15之间的气体，使之压力增高，推动小活塞15向上运动，带动连杆16的运动，连杆16带动一号齿轮18转动，一号齿轮18的转动带动二号齿轮19的转动，二号齿轮19的转动可使发电机23发电，并且使风扇25转动。当上述一号齿轮18、二号齿轮19、风扇25转动后，当转到使连杆16带动小活塞15下降的运动时，由于惯性，可使小活塞15下降，压缩缩大活塞9与小活塞15之间的气体，使大活塞9下降并压缩大活塞腔10下部空气，如此实现了整个装置的不断旋转。直到重力热管1下部吸收的热量不足时，停止旋转。大活塞腔10上下设计有大活塞顶部隔离垫11和大活塞底部隔离垫8，其结构是一些突起的块，防治大活塞9与大活塞腔10的顶底接触面积过大产生粘连现象。

治理过程：

1、初期：长斯特林发电及强制对流散热的重力热管装置

2、中期：部分长斯特林发电及强制对流散热的重力热管装置更换成短斯特林发电及强制对流散热的重力热管装置。

3、后期：逐步回收长斯特林发电及强制对流散热的重力热管装置，实时监测短重力热管的状态，回收温度低于工质相变的斯特林发电及强制对流散热的重力热管装置。开始种植植被。

内部积温治理工艺：

对于已经存在深部高温自燃的矸石山非边坡区域，采取长短结合的治理工艺，长斯特林发电及强制对流散热的重力热管装置的总长度为12-20米，插入矸石山深度为10-17米，长斯特林发电及强制对流散热的重力热管装置采用不锈钢材质作为外壳，内部循环工质采用导热姆B，其特点是在140-300℃时，工质会被气化，气体上升至矸石山外部或者热管上部时被液化，依靠重力下降至深部区域再被加热气化，如此循环，可将矸石山深部热量传递至浅部和外部。短斯特林发电及强制对流散热的重力热管装置的总长度为5-8米，插入矸石山深度为4-6米，短斯特林发电及强制对流散热的重力热管装置采用铝或者铜材质作为外壳，内部循环工质采用丙酮，丙酮的沸点为56.53 ℃，高于56.53 ℃，工质会被气化，气体上升至矸石山外部或者热管上部时被液化，依靠重力下降至热管下部区域再被加热气化，如此循环，可将矸石山浅部热量传递至外部。通过上述过程，矸石山内部高位的热量会先从深部传递至浅部，再从浅部传递至外部，从而达到矸石山内部积温治理的目的。

随着矸石山深部区域温度的下降，可逐渐拔出长斯特林发电及强制对流散热的重力热管装置，适当增加短斯特林发电及强制对流散热的重力热管装置，重点进行矸石山浅部积温治理，随着矸石山浅部积温治理效果的显现，开始进行地表植被的恢复。最终完成矸石山治理。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (4)

1.一种斯特林发电及强制对流散热的重力热管装置，其特征在于：包括重力热管（1）、活塞驱动结构、发电部分以及风扇（25），其中重力热管（1）包括内部气道壁（3）和热管外壁（4），内部气道壁（3）设置在热管外壁（4）内部，内部气道壁（3）下端设置有工质流动通道（2），内部气道壁（3）和热管外壁（4）之间为气体工质通道（26），工质流动通道（2）与气体工质通道（26）连通，气体工质通道（26）上部安装气缸加热腔（7），并且留有可供气体通过的缝隙；气缸加热腔（7）上部安装活塞驱动结构，活塞驱动结构与发电部分连接，发电部分驱动风扇（25）；所述的发电部分包括发电机（23），发电机（23）中部设置有中间连杆（22），中间连杆（22）一端与风扇（25）固定，另一端通过联轴器（21）与二号齿轮（19）连接，二号齿轮（19）与一号齿轮（18）啮合，一号齿轮（18）由连杆（16）的一端驱动，连杆（16）另一端与小活塞（15）固定，连杆（16）为两段插销子的直杆，一端通过小活塞销（27）与小活塞（15）连接，另一端通过一号齿轮销（28）与一号齿轮（18）连接；所述的活塞驱动结构包括与气缸加热腔（7）的上部连通的大活塞腔（10），大活塞腔（10）内设有可上下运动的大活塞（9），大活塞腔（10）上部设置有大活塞上盖（12），大活塞上盖（12）上部固定有小活塞腔（14），小活塞腔（14）下部与大活塞腔（10）上部连通，小活塞腔（14）内部有可上下移动的小活塞（15）。

2.根据权利要求1所述的斯特林发电及强制对流散热的重力热管装置，其特征在于：所述的发电机（23）安装在发电机支撑（20）上，发电机支撑（20）固定在齿轮支撑座（17）上，所述的一号齿轮（18）和二号齿轮（19）安装在齿轮支撑座（17）上，齿轮支撑座（17）固定在大活塞上盖（12）上。

3.根据权利要求2所述的斯特林发电及强制对流散热的重力热管装置，其特征在于：所述的大活塞（9）底部设置有大活塞底部隔离垫（8），所述的大活塞（9）顶部设置有大活塞顶部隔离垫（11）。

4.根据权利要求3所述的斯特林发电及强制对流散热的重力热管装置，其特征在于：所述的热管外壁（4）外侧设置有散热片（5）。

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