CN1131356A

CN1131356A - 液工质热环流式发电装置

Info

Publication number: CN1131356A
Application number: CN 94118097
Authority: CN
Inventors: 赵永忠
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-10-16
Filing date: 1994-10-16
Publication date: 1996-09-18

Abstract

液工质热环流式发电装置，属于能源工业中新型热能-电能转换技术领域。

它是以液态导体为工质，由于在竖直循环管道的两侧区域同时受高低温热源的热传递作用，引起其间温度差，而产生密度差，形成压强差，推动液工质定向流动，在外加磁场作用下，产生电压向外电路输送电能，它包括①加热器②冷却器③绝热环流管道④磁流体发电装置四部分组成。

该项技术具有热资源利用率高，结构简单，损耗小，无机械转动机构，运行轻缓、稳定等优点，可广泛用于替代现有热电转换设备和配套各种散热设施作为主要节能措施。

Description

液工质热环流式发电装置能源工业中热能—电能转换装置技术

1.流体力学和电磁学原理。

2.现有热—电转换技术设备的主要原理，特征和性能。

用该发明来替代和配套现有热能—电能转换技术设备装置。克服现有技术中对热资源的利用率低、效率低、设备庞大，结构复杂、精密，制造工艺要求高，和对水资源的消耗大等不足。用这种高效，结构简易，低损耗，安全，运行轻缓可靠和稳定的新装置，来充分将热能资源转化为直流电能，特别是在对各种工业余热等温差不大的热能资源的回收和再利用方面。作为新型节能设备技术，它不依赖水而充分节约水资源，而且无噪音和其它环境污染，随着其实用性的成熟和完善，将会更为便利，广泛和经济地获取电能

本发明的基本结构装置可分两大部分：一是液工质热环流系统。二是磁流体发电系统，现对其基本原理、结构和技术特征及设计要求介绍如下：

一、液工质热环流系统

主体为竖直放置的封闭连通管道如图1、①其中盛满液态导体(如水银)作为工作物质，在其一侧通过热交换器与高温热源加热，另一侧通过交换器与低温热源冷却③由于两侧管道中的液态工质，主要以上下对流形式进行热传递，并且呈单向性(对热胀冷缩物质，热量向上传递，对于反常膨胀物质则反之)。而这种液态工质的热导系数很小，以热传导形式所传递的热量可以近乎忽略。这样使两侧管道中的液态工作物质形成温度差，由于液体的热胀冷缩的特性在，相应的温度区形面密度差dρ，由于管道上部的液工质的液面相连通，总保持水平，也就是液工质高度h相同，因而在两侧管道之间形成静压强差dp。

dp-d(ρgh)-ghdρ它推动着液态工作物质在其中作定向移动。

由于两侧管道中液工质的热交换作用(吸热，散热)持续进行，使循环管道中温差区域稳定存在，由此形成的压强差，促使液工质在管道中形成稳定的热环流。

在整个装置的运行过程中，可通过调节两个热交换器来控制热交换作用的进行，使整个液工质的吸热量与散热量基本保持平衡，以维持液工质的温度差和整个液工质的体积相对稳定。

根据热源位置分布等特征，在整个管道的吸热和散热部位可根据需要设立若干分支管道来分流，通过开关部分分支管道④来控制和调节吸热和散热量的平衡。

在主体密闭环流管道的最上部，设置一与循环管道相连通的竖直管道作为缸体⑤可容纳管道内液态工质的体积变化，其内有密闭性良好且能自由上下移动的活塞与顶部的弹簧一端相固定⑦以便活塞自行回位，当整个液工质吸热量与散热量暂时性失去平衡时，引起整个液态工质体积变化，其活塞可自动随其内部的液位变化来升降，并防止液工质的挥发、耗散和流失，同时，便于安装时装填液态工质和必要时增减液态工质的量。

液工质热环流系统实质属于一种新型热机，它把高温热源与低温热源热交换过程中的热能转换为液态工质在管道内定向循环流动的动能。其液态工质是在密闭的循环管道系统内进行工作。如图2，它的整个工作过程可分为(1)等温膨胀过程；(2)绝热膨胀过程；(3)等温压缩过程；(4)绝热压缩过程；共四个分过程，其特点在于各个分过程是同时在不同区域进行的，因而遵循卡诺循环定律，它的理论效率是

η＝(Q吸－Q放)/Q吸

Q吸——液工质以高温热源获取的热量Q放——液工质以低温热源输送的热量

为简明地表述液工质热环流系统的运行规律和特点，在忽略整个管道的沿程能量损失的基础上仅作以总体性的和理想化的分析和推导。

该系统由于是密闭管道循环系统，所以在总体管道上流量Q处处相等，并且决定于两侧管道形成的静压强差P₁-P₂，管道内径R和粘滞系数η及管道长度L。即由流体力学的泊肃叶公式确定。

Q＝πR⁴(P₁－P₂)/8ηL使整个循坏管道内的液态工质持续定向流动的压强差(P₁－P₂)是由两侧管道内高温区的液工质的密度差(ρ₁－ρ₂)产生并维持存在的，即由公式

P₁－P₂＝(ρ₁－ρ₂)gh 确定。

g—重力加速度

h—两温差区域的高度设液工质在0℃时(仍为液态)密度为ρ₀则某一温度时的密度为

ρ_x＝ρ₀/(1＋t_xβ)

β——液工质热膨胀系数

t_x——为该温度与0℃时的差值那么两温差区的密度差为

ρ₁－ρ₂＝ρ₀(1/(1＋βt₁)－1/(1＋βt₂))＝ρ₀β(t₁－t₂)/(1＋βt₁)(1＋βt₂)

而实际上 1＋βt₁≈1 1＋βt₂≈1

则 p₁－p₂＝ρ₀(t₂－t₁)β

因此，压强差 p₁－p₂＝ρ₀β(t₂－t₁)hg

代入泊肃叶流体力学公式流量为

Q＝πR⁴P₀β(t₁－t₂)hg/8ηL而温度变化量t₁－t₂＝Q热量/JCM

C——液工质的热容比 J—热功当量系数

M——液工质的质量

由此可以看出，对于液态工作物质材料的选择要求有较大的密度和体膨胀系数，同时又要有较小的热容比。

在具体设计中，对于整体装置的温差区域管道部分，特别是热交换器部分要求此处的管道截面和内径尽可能地大，一是提高热交换的速度和程度，从而加大热交换量，保证高温区域和低温区域中液工质的温度悬殊。二是便于提高整个装置内液工质的流量。

由于在具体实际当中，高温热源与低温热源的位置关系比较复杂，因而在管道的特定区域选用良好的热传导和热绝缘材料设备加以控制如图1②。

另外在整个装置的必要部位设置各种监测仪器如流速计、压强计、温度计等进行全方位实时监测，掌握和控制运行情况。二、磁流体发电系统

该系统主要功能是将管道内液工质的定向持续的能量转化为电能。其装置是在整体循环的主管道的某一部位(一般在下部，流态较稳定、一致)的两侧处，垂直于管道设置一相对磁场如图1⑧在与磁场同位置且垂直的管道壁上，设置一对称电极，如图1⑨并引出与带负载的外电路相连通形成闭合回路(如图1⑩)，这样，当管道内液工质连续稳定地通过磁场时，引起该电路上磁通量的变化，便在这电极上产生动生电动势，从而在整个电路上形成电流，向外电路输送电能。

现忽略液工质的具体流动态势和区域特征，作以总体性和理想化地分析和推导，以便简明地表述磁流体发电系统的运行规律。

由电磁感应的电动势决定公式

ε＝∫vBdL

(其中v——流速 B——磁场强度 dL——流体宽度)和电源内阻决定式 R＝ρL/S(其中L——两电极间距离 ρ——液态工质电阻系数 S——管道切面积)

可以发现，为了提高输出电压，减小电源内阻，从而提高液工质热环流式发电装置的功率和效率，在具体设计方面要求附设的磁场强度要大，液态工质的导电性能良好，即电阻率要小。

在对整体装置的形状，材料，制造工艺，规格等进行全面综合性的优化设计时，在考虑上述基本要求的同时，还需要尽可能地减小整个装置管道的沿程能量损失，增大流量，以提高功率和效率。

1.充分提高对热资源的利用率，尤其是现有热机技术无法或难以利用的低温热系，如各种工业交通余热，废热以及地热等，用设装置均可摄取其中热能而转化为电能。

2.整体装置结构简易，损耗小，只需要高、低温热源，无需其它附加设施和要求。具体装置的形状，体积等可根据实际环境条件和具体要求可大可小，可繁可简，来配套设计，定型安置。

3.整个装置的工作过程轻缓、稳定、安全、调节、控制和操作简易，维护和保养比较简单，运行寿命长，电流输出持续稳定。

4.整体装置由于是封密管道循环系统，无机械转动机构，对环境无任何噪音和其它污染影响极小。

5.该装置的输出为直流电能，特别适用于海岛发电(核能电站)，既有着良好的散热条件，又便于电能向大陆输送。

6.现代的热力发电设备，为维持正常持续的工作需要汲取和耗放大量的水汽。用该装置来取代或配套蒸汽轮机，可极大地节省水资源。

图1.为液工质热环流式发电装置结构示意图(纵剖视图)

①——主管道 ②——绝缘管道壁 ③——热交换器

④——分支管道及开关⑤——调容液缸 ⑥——活塞

⑦——顶部弹簧 ⑧——相对磁极 ⑨——对称电极

⑩——外电路

图2.为液工质热环流系统的原理示意图(纵剖视图)

①——等温膨胀过程区 ②——绝热膨胀过程区

③——等温压缩过程区 ④——绝热压绝过程图

图3.为磁流体发电系统的原理示意图(横剖视图)

①——主管道 ②——液工质 ⑤——外电路

③——相对磁场 ④——相对电极

本发明作为整套独立装置，对分立的高温和低温热源适用，作为热传递的中介机构，从所传递的热量中获取电能。可应用于以下几方面。

①替代现代大中型热水发电设备中的蒸汽轮机，燃汽轮机等，由于该装置的输出为直流电能，特别适用于海岛发电(大多为核电设备)方面，既有着良好的散热条件又便于电能向大陆输送。

②在开发和利用地热能发电方面，有着十分显著的优越性。

③配套附设于蒸汽轮机以及各种柴油、汽油类型的热机的冷却散热系统上，充分利用其余热、度热作为节约能源提高热机效率的主要途径。

④其它工业散热方面的节能设备。如化工、轻工、生活采暧等等。

在具体应用中，依据上述原理和设计要求，本着加大功率，提高效率，增强效益的目的。根据实际环境的具体条件着重是解决散热问题来确定方案，配套设计，定型生产，应用推广。

Claims

本发明是以液态导体为工作物质，在竖直放置的循环密闭管道的两侧内，由于同时受高温和低温热源的持续热传递作用，引起两区域液态工质的温度差异，产生密度差异，因而形成持续稳定的静压强差，推动液态工质在管道内定向循环流动，在两侧附设的磁场作用下，产生动生电压，通过电极向外电路输送电能。

该装置包括四大基本组成部分：

加热器：与高温热源通过热交换器对管道内的液工质进行加热。

冷却器：与低温热源通过交换器对管道内的液工质进行冷却。

绝热环流管道：供液工质在加热器与冷却器间产生定向循环流动的绝热管道。

磁流体发电机构：在环流主管道外设置磁场，垂直于磁场的管道上高置相对电极，并与外电路相通。

①本发明的基本组成：加热器、冷却器、绝热环流管道、磁流体发电机构

②工作物质为液态导体，如低熔点金属合金和电解质溶液如水银等

③调容液缸装置。

④主循环管道中可设立若干支管道来分流，以便于增强热传递作用，提高热交换的速度和程度。