CN114763749A - 一种基于环路型热管全封闭蒸汽循环发电装置及使用方法 - Google Patents

一种基于环路型热管全封闭蒸汽循环发电装置及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于环路型热管全封闭蒸汽循环发电装置，至少包括：环路型热管和发电机；所述环路型热管固定连接于所述发电机下方；所述环路型热管包括蒸发器、蒸汽管线、冷凝器和液体管线；所述蒸发器一端通过所述蒸汽管线与所述发电机上部固定连接，另一端通过液体管线与所述冷凝器下端固定连接；所述冷凝器上端与所述发电机下部固定连接，形成闭式蒸汽循环回路；同时，本发明还提供了该装置的使用方法。本发明该装置可利用清洁热源进行发电，且发电过程不采用任何外力辅助循环，能够更好的节约能源，结构简单、降低了制造成本；且实现了全密封，密封效果达到最佳。

Description

一种基于环路型热管全封闭蒸汽循环发电装置及使用方法
技术领域
本发明涉及热电转化装置技术领域，更具体地说是涉及一种基于环路型热管全封闭蒸汽循环发电装置及使用方法。
背景技术
能源是现代社会经济发展的基石。现代社会向着可再生清洁能源代替不可再生能源，电力代替非电力的方向发展。目前的发电方式包括火力发电、水力发电、核能发电、风力发电和太阳能发电等。2019年，全国规模以上的电厂发电量71422.1亿千瓦时，其中，火电51654.3亿千瓦时，占比72.32％，火力发电仍占据重要地位。火力发电需要燃烧化石燃料，将工质加热汽化为过热蒸汽，冲击汽轮做功，但化石燃料储量有限且不可再生，同时燃烧产生的温室气体会污染大气。为热电转化寻找清洁热源十分必要。
电子信息技术的发展，让这个时代成为数据爆炸的时代，越来越多的数据中心被用来存储数据，同时也带来了数据中心的散热问题。芯片的功率及热流密度不断增大，服务器消耗的电能大多以热的形式散发，需要有效的散热方式保证其在正常温度下运行，而散热又需要消耗更多的能源。据统计，数据中心用电量占全国总工业用电量的1％～2％，而数据中心空调系统耗电量约占其总用电量的40％。有效利用数据中心的余热资源作为热电转化的热源会节省很多能源。
环路热管作为一种高效的两相传热装置，起初被广泛应用于航空航天领域，近十五年来，环路热管因其优良的远距离传热、逆重力性能及安装结构灵活等特点，在电子设备散热领域不断发展，成为一种十分具有潜力的散热方式。环路热管由蒸发器、冷凝器、蒸汽管线和液体管线组成，工作过程为：工质在蒸发器内吸热汽化成为过热蒸汽，经蒸汽管线到达冷凝器，放热液化，冷凝后的液态工质由毛细芯产生的毛细力驱动，经液体管线回流至蒸发器。与传统热管相比，环路热管将蒸汽的流道和液体的流道分开，杜绝了蒸汽和液体互相携带的现象，由此环路热管既可以应用在数据中心的芯片级散热，并且其内部的两相变化会产生过热蒸汽，利用其内部蒸汽发电是可能的。
目前公开的蒸汽循环发电装置，大多结构复杂且需要外部动力，如专利CN109681282A公布了一种用过热蒸汽发电的方法，它需要使用压缩机压缩过热蒸汽，专利CN105114267A公布了一种太阳能低温蒸汽发电系统，它需要水泵驱动循环，且需要单流阀、电磁阀等控制工质循环。由此可见，传统的散热设备没有考虑利用数据中心的余热资源，传统的蒸汽循环发电装置需要外部压缩机、泵等驱动，仍需要消耗能源，且需要安装控制阀门，结构复杂，成本较高。
因此，如何提供一种可利用清洁热源进行发电、发电过程不采用任何外力辅助循环，节约能源、整个装置结构简单，降低了制造成本的基于环路型热管全封闭蒸汽循环发电装置是本领域亟需解决的技术问题之一。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于环路型热管全封闭蒸汽循环发电装置及使用方法，目的就是为了解决上述之不足而提供；该装置克服了传统热电转化装置燃烧化石燃料产生高温作为热源，会排放废气污染环境，需要动力驱动，结构复杂制造成本高等问题。
为解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案：
一种基于环路型热管全封闭蒸汽循环发电装置，至少包括：环路型热管和发电机；所述环路型热管固定连接于所述发电机下方；
所述环路型热管包括蒸发器、蒸汽管线、冷凝器和液体管线；所述蒸发器一端通过所述蒸汽管线与所述发电机上部固定连接，另一端通过液体管线与所述冷凝器下端固定连接；所述冷凝器上端与所述发电机下部固定连接，形成闭式蒸汽循环回路。
优选地，所述蒸发器两端设有蒸汽管线接口和液体管线接口，所述蒸汽管线与所述蒸汽管线接口连通，所述液体管线与所述液体管线接口连通。
优选地，所述发电机包括端盖、导电线圈、中间隔层、叶轮、磁铁、进气环、进气孔和出气孔；所述发电机通过所述进气孔与所述蒸汽管线连通，且通过所述出气孔与所述液体管线连通。
优选地，所述蒸发器包括底板、毛细芯、上盖和充液管；所述底板与所述上盖扣合，且焊接密封；所述毛细芯设置于所述底板和所述上盖之间；所述充液管设置于所述底板上。
优选地，所述毛细芯为一金属或非金属的丝网、粉末、泡沫烧结而成。
优选地，所述毛细芯与所述底板壁面和所述上盖紧密烧结为一体，将所述蒸发器内部分隔为蒸汽区和液体区。
优选地，所述冷凝器位于所述蒸发器上方；或，与所述蒸发器近似水平位置。
优选地，所述冷凝器可采用翅片、翅片加风扇、水对流或水冷板方式。
本发明还提供了一种基于环路型热管全封闭蒸汽循环发电装置的使用方法，包括以下步骤：
1)按所述蒸发器在下，所述冷凝器在上的方式安放装置；使用热源加热所述蒸发器(将所述蒸发器与电子芯片贴合，或，聚焦太阳光加热)，且所述蒸发器存储工作流体；
2)步骤1)中所得的工作流体在所述蒸发器内形成过热蒸汽，由所述蒸汽管线进入所述发电机的所述进气孔，冲击所述叶轮转动，所述叶轮内镶有一圈所述磁铁并固定，一起转动，所述磁铁转动导致所述磁铁与所述导电线圈形成的磁场不断改变，所述导电线圈上的铜线切割磁感线而产生电；
3)做功后的蒸汽从所述发电机的所述出气孔沿管路进入所述冷凝器，并在所述冷凝器中液化；
4)液化后的工作流体在重力和毛细力的驱动下，经所述液体管线流回所述蒸发器，完成一次循环。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
1.可利用清洁热源进行发电；
本发明所述装置可利用数据中心余热或太阳能等清洁热源作为发电的热源，不消耗不可再生资源，发电过程不会产生任何污染物质，节能环保，开辟了余热利用的新思路。
2.发电过程不采用任何外力辅助循环，节约能源；
传统发电装置需要通过水泵或压缩机实现工质循环，而环路型热管的毛细芯可提供毛细力，将冷凝器置于蒸发器上方，重力也可辅助液体回流，在重力和毛细力的作用下，抵消了循环工程中的压降，实现了朗肯循环中的绝热压缩过程，不需要依靠任何外部动力即可实现闭式蒸汽循环发电，安全可靠。
3.整个装置结构简单，降低了制造成本；
本发明中，环路型热管蒸发器内毛细芯将液体与蒸汽分隔开，在毛细力驱动下实现工质从蒸发器经蒸汽管线到汽轮机做功再到冷凝器液化后回到蒸发器的单向循环，不需要阀门控制，大大简化了发电装置结构，降低了成本，装置严格密封防止工质泄露，安全性好。
4.密封性好，可以实现全密封；
中间隔层23可以将转子和定子隔开，蒸汽只在转子腔内流动，可以实现完全密封。
附图说明
图1为本发明一种基于环路型热管全封闭蒸汽循环发电装置的结构示意图；
图2为本发明一种基于环路型热管全封闭蒸汽循环发电装置的蒸发器的结构示意图；
图3为本发明一种基于环路型热管全封闭蒸汽循环发电装置的发电机的拆解结构示意图；
图4为本发明一种基于环路型热管全封闭蒸汽循环发电装置实施例2的结构示意图；
图5为本发明实施例2中汽轮机的结构示意图。
图1-3中：1、环路型热管；11、蒸发器；111、底板；112、毛细芯；113、上盖；114、充液管；12、蒸汽管线；13、冷凝器；14、液体管线；2、发电机；21、端盖；22、导电线圈；23、中间隔层；24、叶轮；25、磁铁；26、进气环；27、进气孔；28、出气孔；3、用电器。
图4-5中：1、环路型热管；11、蒸发器；12、蒸汽管线；13、冷凝器；14、液体管线；2、发电机；3、用电器；4汽轮机；41、蒸汽入口；42、蒸汽出口；43、涡轮；44、壳体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
实施例1
参照图1-3所示一种基于环路型热管全封闭蒸汽循环发电装置，至少包括：环路型热管1和发电机2；环路型热管1固定连接于发电机2下方；环路型热管1包括蒸发器11、蒸汽管线12、冷凝器13和液体管线14；蒸发器11一端通过蒸汽管线12与发电机2上部固定连接，另一端通过液体管线14与冷凝器13下端固定连接；冷凝器13上端与发电机2下部固定连接，形成闭式蒸汽循环回路。蒸发器11两端设有蒸汽管线接口和液体管线接口，蒸汽管线12与蒸汽管线接口连通，液体管线14与液体管线接口连通；发电机2包括端盖21、导电线圈22、中间隔层23、叶轮24、磁铁25、进气环26、进气孔27和出气孔28；发电机2通过进气孔27与蒸汽管线12连通，且通过出气孔28与液体管线14连通。
本实施例中，蒸发器11包括底板111、毛细芯112、上盖113和充液管114；底板111与上盖113扣合，且焊接密封；毛细芯112设置于底板111和上盖113之间；充液管114设置于底板111上。
本实施例中，蒸发器11的毛细芯112为一金属或非金属的丝网、粉末、泡沫烧结而成。
本实施例中，毛细芯112与底板111壁面和上盖113紧密烧结为一体，将蒸发器11内部分隔为蒸汽区和液体区。
本实施例中，冷凝器13位于蒸发器11上方；或，与蒸发器11近似水平位置。
在一些实施例中，冷凝器13可采用翅片、翅片加风扇、水对流或水冷板方式。
在另外一些实施例中，本发明还提供了一种基于环路型热管全封闭蒸汽循环发电装置的使用方法，包括以下步骤：
1)按蒸发器11在下，冷凝器13在上的方式安放装置；使用热源加热蒸发器11(将蒸发器11与电子芯片贴合，或，聚焦太阳光加热)，且蒸发器11存储工作流体；
2)步骤1)中所得的工作流体在蒸发器11内形成过热蒸汽，由蒸汽管线12进入发电机2的进气孔27，冲击叶轮24转动，叶轮24内镶有一圈磁铁25并固定，一起转动，磁铁25转动导致磁铁25与导电线圈22形成的磁场不断改变，导电线圈22上的铜线切割磁感线而产生电；
3)做功后的蒸汽从发电机2的出气孔28沿管路进入冷凝器13，并在冷凝器13中液化；
4)液化后的工作流体在重力和毛细力的驱动下，经液体管线14流回蒸发器11，完成一次循环。
实施例2
本实施例中其它设置一样，而发电机2采用如图3中所示的，因此，需要使用汽轮机4。汽轮机4包括蒸汽入口41、蒸汽出口42、涡轮43、壳体44；所述蒸汽入口41、所述蒸汽出口42和所述涡轮43均设置于所述壳体44内；所述汽轮机4通过所述蒸汽入口41与所述蒸汽管线12焊接连接，且通过所述蒸汽出口42与所述冷凝器13上端焊接连接；所述发电机2与所述涡轮43的转轴轴接。
本实施例中，该基于环路型热管全封闭蒸汽循环发电装置的使用方法，包括以下步骤：
1)按蒸发器11在下，冷凝器13在上的方式安放装置；使用热源加热蒸发器11(将蒸发器11与电子芯片贴合，或，聚焦太阳光加热)，且蒸发器11存储工作流体；
2)步骤1)中所得的工作流体在蒸发器11内形成过热蒸汽，由蒸汽管线12进入汽轮机4，冲击涡轮43做功，涡轮43旋转带动发电机3发电；
3)做功后的蒸汽从汽轮机4工质出口沿管路进入冷凝器13，并在冷凝器13中液化；
4)液化后的工作流体在重力和毛细力的驱动下，经液体管线14流回蒸发器11，完成一次循环。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种基于环路型热管全封闭蒸汽循环发电装置，其特征在于，至少包括：环路型热管(1)和发电机(2)；所述环路型热管(1)固定连接于所述发电机(2)下方；
所述环路型热管(1)包括蒸发器(11)、蒸汽管线(12)、冷凝器(13)和液体管线(14)；所述蒸发器(11)一端通过所述蒸汽管线(12)与所述发电机(2)上部固定连接，另一端通过液体管线(14)与所述冷凝器(13)下端固定连接；所述冷凝器(13)上端与所述发电机(2)下部固定连接，形成闭式蒸汽循环回路。
2.根据权利要求1所述的一种基于环路型热管全封闭蒸汽循环发电装置，其特征在于，所述蒸发器(11)两端设有蒸汽管线接口和液体管线接口，所述蒸汽管线(12)与所述蒸汽管线接口连通，所述液体管线(14)与所述液体管线接口连通。
3.根据权利要求1所述的一种基于环路型热管全封闭蒸汽循环发电装置，其特征在于，所述发电机(2)包括端盖(21)、导电线圈(22)、中间隔层(23)、叶轮(24)、磁铁(25)、进气环(26)、进气孔(27)和出气孔(28)；所述发电机(2)通过所述进气孔(27)与所述蒸汽管线(12)连通，且通过所述出气孔(28)与所述液体管线(14)连通。
4.根据权利要求1所述的一种基于环路型热管全封闭蒸汽循环发电装置，其特征在于，所述蒸发器(11)包括底板(111)、毛细芯(112)、上盖(113)和充液管(114)；所述底板(111)与所述上盖(113)扣合，且焊接密封；所述毛细芯(112)设置于所述底板(111)和所述上盖(113)之间；所述充液管(114)设置于所述底板(111)上。
5.根据权利要求4所述的一种基于环路型热管全封闭蒸汽循环发电装置，其特征在于，所述毛细芯(112)为一金属或非金属的丝网、粉末、泡沫烧结而成。
6.根据权利要求4和5任一项中所述的一种基于环路型热管全封闭蒸汽循环发电装置，其特征在于，所述毛细芯(112)与所述底板(111)壁面和所述上盖(113)紧密烧结为一体，将所述蒸发器(11)内部分隔为蒸汽区和液体区。
7.根据权利要求1所述的一种基于环路型热管全封闭蒸汽循环发电装置，其特征在于，所述冷凝器(13)位于所述蒸发器(11)上方；或，与所述蒸发器(11)近似水平位置。
8.根据权利要求1所述的一种基于环路型热管全封闭蒸汽循环发电装置，其特征在于，所述冷凝器(13)可采用翅片、翅片加风扇、水对流或水冷板方式。
9.一种如权利要求1-8任一项中所述的基于环路型热管全封闭蒸汽循环发电装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)按所述蒸发器(11)在下，所述冷凝器(13)在上的方式安放装置；使用热源加热所述蒸发器(11)(将所述蒸发器(11)与电子芯片贴合，或，聚焦太阳光加热)，且所述蒸发器(11)存储工作流体；
2)步骤1)中所得的工作流体在所述蒸发器(11)内形成过热蒸汽，由所述蒸汽管线(12)进入所述发电机(2)的所述进气孔(27)，冲击所述叶轮(24)转动，所述叶轮(24)内镶有一圈所述磁铁(25)并固定，一起转动，所述磁铁(25)转动导致所述磁铁(25)与所述导电线圈(22)形成的磁场不断改变，所述导电线圈(22)上的铜线切割磁感线而产生电；
3)做功后的蒸汽从所述发电机(2)的所述出气孔(28)沿管路进入所述冷凝器(13)，并在所述冷凝器(13)中液化；
4)液化后的工作流体在重力和毛细力的驱动下，经所述液体管线(14)流回所述蒸发器(11)，完成一次循环。
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