專利名稱：液工質(zhì)熱環(huán)流式發(fā)電裝置的制作方法
1.流體力學(xué)和電磁學(xué)原理。
2.現(xiàn)有熱—電轉(zhuǎn)換技術(shù)設(shè)備的主要原理，特征和性能。
用該發(fā)明來替代和配套現(xiàn)有熱能—電能轉(zhuǎn)換技術(shù)設(shè)備裝置。克服現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)熱資源的利用率低、效率低、設(shè)備龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密，制造工藝要求高，和對(duì)水資源的消耗大等不足。用這種高效，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，低損耗，安全，運(yùn)行輕緩可靠和穩(wěn)定的新裝置，來充分將熱能資源轉(zhuǎn)化為直流電能，特別是在對(duì)各種工業(yè)余熱等溫差不大的熱能資源的回收和再利用方面。作為新型節(jié)能設(shè)備技術(shù)，它不依賴水而充分節(jié)約水資源，而且無噪音和其它環(huán)境污染，隨著其實(shí)用性的成熟和完善，將會(huì)更為便利，廣泛和經(jīng)濟(jì)地獲取電能本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)裝置可分兩大部分一是液工質(zhì)熱環(huán)流系統(tǒng)。二是磁流體發(fā)電系統(tǒng)，現(xiàn)對(duì)其基本原理、結(jié)構(gòu)和技術(shù)特征及設(shè)計(jì)要求介紹如下一、液工質(zhì)熱環(huán)流系統(tǒng)主體為豎直放置的封閉連通管道如

圖1、①其中盛滿液態(tài)導(dǎo)體(如水銀)作為工作物質(zhì)，在其一側(cè)通過熱交換器與高溫?zé)嵩醇訜?，另一?cè)通過交換器與低溫?zé)嵩蠢鋮s③由于兩側(cè)管道中的液態(tài)工質(zhì)，主要以上下對(duì)流形式進(jìn)行熱傳遞，并且呈單向性(對(duì)熱脹冷縮物質(zhì)，熱量向上傳遞，對(duì)于反常膨脹物質(zhì)則反之)。而這種液態(tài)工質(zhì)的熱導(dǎo)系數(shù)很小，以熱傳導(dǎo)形式所傳遞的熱量可以近乎忽略。這樣使兩側(cè)管道中的液態(tài)工作物質(zhì)形成溫度差，由于液體的熱脹冷縮的特性在，相應(yīng)的溫度區(qū)形面密度差dρ，由于管道上部的液工質(zhì)的液面相連通，總保持水平，也就是液工質(zhì)高度h相同，因而在兩側(cè)管道之間形成靜壓強(qiáng)差dp。
dp-d(ρgh)-ghdρ它推動(dòng)著液態(tài)工作物質(zhì)在其中作定向移動(dòng)。
由于兩側(cè)管道中液工質(zhì)的熱交換作用(吸熱，散熱)持續(xù)進(jìn)行，使循環(huán)管道中溫差區(qū)域穩(wěn)定存在，由此形成的壓強(qiáng)差，促使液工質(zhì)在管道中形成穩(wěn)定的熱環(huán)流。
在整個(gè)裝置的運(yùn)行過程中，可通過調(diào)節(jié)兩個(gè)熱交換器來控制熱交換作用的進(jìn)行，使整個(gè)液工質(zhì)的吸熱量與散熱量基本保持平衡，以維持液工質(zhì)的溫度差和整個(gè)液工質(zhì)的體積相對(duì)穩(wěn)定。
根據(jù)熱源位置分布等特征，在整個(gè)管道的吸熱和散熱部位可根據(jù)需要設(shè)立若干分支管道來分流，通過開關(guān)部分分支管道④來控制和調(diào)節(jié)吸熱和散熱量的平衡。
在主體密閉環(huán)流管道的最上部，設(shè)置一與循環(huán)管道相連通的豎直管道作為缸體⑤可容納管道內(nèi)液態(tài)工質(zhì)的體積變化，其內(nèi)有密閉性良好且能自由上下移動(dòng)的活塞與頂部的彈簧一端相固定⑦以便活塞自行回位，當(dāng)整個(gè)液工質(zhì)吸熱量與散熱量暫時(shí)性失去平衡時(shí)，引起整個(gè)液態(tài)工質(zhì)體積變化，其活塞可自動(dòng)隨其內(nèi)部的液位變化來升降，并防止液工質(zhì)的揮發(fā)、耗散和流失，同時(shí)，便于安裝時(shí)裝填液態(tài)工質(zhì)和必要時(shí)增減液態(tài)工質(zhì)的量。
液工質(zhì)熱環(huán)流系統(tǒng)實(shí)質(zhì)屬于一種新型熱機(jī)，它把高溫?zé)嵩磁c低溫?zé)嵩礋峤粨Q過程中的熱能轉(zhuǎn)換為液態(tài)工質(zhì)在管道內(nèi)定向循環(huán)流動(dòng)的動(dòng)能。其液態(tài)工質(zhì)是在密閉的循環(huán)管道系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行工作。如圖2，它的整個(gè)工作過程可分為(1)等溫膨脹過程；(2)絕熱膨脹過程；(3)等溫壓縮過程；(4)絕熱壓縮過程；共四個(gè)分過程，其特點(diǎn)在于各個(gè)分過程是同時(shí)在不同區(qū)域進(jìn)行的，因而遵循卡諾循環(huán)定律，它的理論效率是η＝(Q吸－Q放)/Q吸Q吸——液工質(zhì)以高溫?zé)嵩传@取的熱量Q放——液工質(zhì)以低溫?zé)嵩摧斔偷臒崃繛楹?jiǎn)明地表述液工質(zhì)熱環(huán)流系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律和特點(diǎn)，在忽略整個(gè)管道的沿程能量損失的基礎(chǔ)上僅作以總體性的和理想化的分析和推導(dǎo)。
該系統(tǒng)由于是密閉管道循環(huán)系統(tǒng)，所以在總體管道上流量Q處處相等，并且決定于兩側(cè)管道形成的靜壓強(qiáng)差P1-P2，管道內(nèi)徑R和粘滯系數(shù)η及管道長(zhǎng)度L。即由流體力學(xué)的泊肅葉公式確定。
Q＝πR4(P1－P2)/8ηL使整個(gè)循壞管道內(nèi)的液態(tài)工質(zhì)持續(xù)定向流動(dòng)的壓強(qiáng)差(P1－P2)是由兩側(cè)管道內(nèi)高溫區(qū)的液工質(zhì)的密度差(ρ1－ρ2)產(chǎn)生并維持存在的，即由公式P1－P2＝(ρ1－ρ2)gh 確定。
g—重力加速度h—兩溫差區(qū)域的高度設(shè)液工質(zhì)在0℃時(shí)(仍為液態(tài))密度為ρ0則某一溫度時(shí)的密度為ρx＝ρ0/(1＋txβ)β——液工質(zhì)熱膨脹系數(shù)tx——為該溫度與0℃時(shí)的差值那么兩溫差區(qū)的密度差為ρ1－ρ2＝ρ0(1/(1＋βt1)－1/(1＋βt2))＝ρ0β(t1－t2)/(1＋βt1)(1＋βt2)而實(shí)際上 1＋βt1≈1 1＋βt2≈1則 p1－p2＝ρ0(t2－t1)β因此，壓強(qiáng)差 p1－p2＝ρ0β(t2－t1)hg代入泊肅葉流體力學(xué)公式流量為Q＝πR4P0β(t1－t2)hg/8ηL而溫度變化量t1－t2＝Q熱量/JCMC——液工質(zhì)的熱容比J—熱功當(dāng)量系數(shù)M——液工質(zhì)的質(zhì)量由此可以看出，對(duì)于液態(tài)工作物質(zhì)材料的選擇要求有較大的密度和體膨脹系數(shù)，同時(shí)又要有較小的熱容比。
在具體設(shè)計(jì)中，對(duì)于整體裝置的溫差區(qū)域管道部分，特別是熱交換器部分要求此處的管道截面和內(nèi)徑盡可能地大，一是提高熱交換的速度和程度，從而加大熱交換量，保證高溫區(qū)域和低溫區(qū)域中液工質(zhì)的溫度懸殊。二是便于提高整個(gè)裝置內(nèi)液工質(zhì)的流量。
由于在具體實(shí)際當(dāng)中，高溫?zé)嵩磁c低溫?zé)嵩吹奈恢藐P(guān)系比較復(fù)雜，因而在管道的特定區(qū)域選用良好的熱傳導(dǎo)和熱絕緣材料設(shè)備加以控制如圖1②。
另外在整個(gè)裝置的必要部位設(shè)置各種監(jiān)測(cè)儀器如流速計(jì)、壓強(qiáng)計(jì)、溫度計(jì)等進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，掌握和控制運(yùn)行情況。二、磁流體發(fā)電系統(tǒng)該系統(tǒng)主要功能是將管道內(nèi)液工質(zhì)的定向持續(xù)的能量轉(zhuǎn)化為電能。其裝置是在整體循環(huán)的主管道的某一部位(一般在下部，流態(tài)較穩(wěn)定、一致)的兩側(cè)處，垂直于管道設(shè)置一相對(duì)磁場(chǎng)如圖1⑧在與磁場(chǎng)同位置且垂直的管道壁上，設(shè)置一對(duì)稱電極，如圖1⑨并引出與帶負(fù)載的外電路相連通形成閉合回路(如圖1⑩)，這樣，當(dāng)管道內(nèi)液工質(zhì)連續(xù)穩(wěn)定地通過磁場(chǎng)時(shí)，引起該電路上磁通量的變化，便在這電極上產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)，從而在整個(gè)電路上形成電流，向外電路輸送電能。
現(xiàn)忽略液工質(zhì)的具體流動(dòng)態(tài)勢(shì)和區(qū)域特征，作以總體性和理想化地分析和推導(dǎo)，以便簡(jiǎn)明地表述磁流體發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律。
由電磁感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)決定公式ε＝∫vBdL(其中v——流速 B——磁場(chǎng)強(qiáng)度dL——流體寬度)和電源內(nèi)阻決定式 R＝ρL/S(其中L——兩電極間距離 ρ——液態(tài)工質(zhì)電阻系數(shù) S——管道切面積)可以發(fā)現(xiàn)，為了提高輸出電壓，減小電源內(nèi)阻，從而提高液工質(zhì)熱環(huán)流式發(fā)電裝置的功率和效率，在具體設(shè)計(jì)方面要求附設(shè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度要大，液態(tài)工質(zhì)的導(dǎo)電性能良好，即電阻率要小。
在對(duì)整體裝置的形狀，材料，制造工藝，規(guī)格等進(jìn)行全面綜合性的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，在考慮上述基本要求的同時(shí)，還需要盡可能地減小整個(gè)裝置管道的沿程能量損失，增大流量，以提高功率和效率。
1.充分提高對(duì)熱資源的利用率，尤其是現(xiàn)有熱機(jī)技術(shù)無法或難以利用的低溫?zé)嵯担绺鞣N工業(yè)交通余熱，廢熱以及地?zé)岬?，用設(shè)裝置均可攝取其中熱能而轉(zhuǎn)化為電能。
2.整體裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，損耗小，只需要高、低溫?zé)嵩?，無需其它附加設(shè)施和要求。具體裝置的形狀，體積等可根據(jù)實(shí)際環(huán)境條件和具體要求可大可小，可繁可簡(jiǎn)，來配套設(shè)計(jì)，定型安置。
3.整個(gè)裝置的工作過程輕緩、穩(wěn)定、安全、調(diào)節(jié)、控制和操作簡(jiǎn)易，維護(hù)和保養(yǎng)比較簡(jiǎn)單，運(yùn)行壽命長(zhǎng)，電流輸出持續(xù)穩(wěn)定。
4.整體裝置由于是封密管道循環(huán)系統(tǒng)，無機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)環(huán)境無任何噪音和其它污染影響極小。
5.該裝置的輸出為直流電能，特別適用于海島發(fā)電(核能電站)，既有著良好的散熱條件，又便于電能向大陸輸送。
6.現(xiàn)代的熱力發(fā)電設(shè)備，為維持正常持續(xù)的工作需要汲取和耗放大量的水汽。用該裝置來取代或配套蒸汽輪機(jī)，可極大地節(jié)省水資源。
圖1.為液工質(zhì)熱環(huán)流式發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)示意圖(縱剖視圖)①——主管道②——絕緣管道壁 ③——熱交換器④——分支管道及開關(guān)⑤——調(diào)容液缸⑥——活塞⑦——頂部彈簧 ⑧——相對(duì)磁極⑨——對(duì)稱電極⑩——外電路圖2.為液工質(zhì)熱環(huán)流系統(tǒng)的原理示意圖(縱剖視圖)①——等溫膨脹過程區(qū)②——絕熱膨脹過程區(qū)③——等溫壓縮過程區(qū)④——絕熱壓絕過程3.為磁流體發(fā)電系統(tǒng)的原理示意圖(橫剖視圖)①——主管道 ②——液工質(zhì)⑤——外電路③——相對(duì)磁場(chǎng)④——相對(duì)電極本發(fā)明作為整套獨(dú)立裝置，對(duì)分立的高溫和低溫?zé)嵩催m用，作為熱傳遞的中介機(jī)構(gòu)，從所傳遞的熱量中獲取電能?？蓱?yīng)用于以下幾方面。
①替代現(xiàn)代大中型熱水發(fā)電設(shè)備中的蒸汽輪機(jī)，燃汽輪機(jī)等，由于該裝置的輸出為直流電能，特別適用于海島發(fā)電(大多為核電設(shè)備)方面，既有著良好的散熱條件又便于電能向大陸輸送。
②在開發(fā)和利用地?zé)崮馨l(fā)電方面，有著十分顯著的優(yōu)越性。
③配套附設(shè)于蒸汽輪機(jī)以及各種柴油、汽油類型的熱機(jī)的冷卻散熱系統(tǒng)上，充分利用其余熱、度熱作為節(jié)約能源提高熱機(jī)效率的主要途徑。
④其它工業(yè)散熱方面的節(jié)能設(shè)備。如化工、輕工、生活采曖等等。
在具體應(yīng)用中，依據(jù)上述原理和設(shè)計(jì)要求，本著加大功率，提高效率，增強(qiáng)效益的目的。根據(jù)實(shí)際環(huán)境的具體條件著重是解決散熱問題來確定方案，配套設(shè)計(jì)，定型生產(chǎn)，應(yīng)用推廣。
權(quán)利要求
本發(fā)明是以液態(tài)導(dǎo)體為工作物質(zhì)，在豎直放置的循環(huán)密閉管道的兩側(cè)內(nèi)，由于同時(shí)受高溫和低溫?zé)嵩吹某掷m(xù)熱傳遞作用，引起兩區(qū)域液態(tài)工質(zhì)的溫度差異，產(chǎn)生密度差異，因而形成持續(xù)穩(wěn)定的靜壓強(qiáng)差，推動(dòng)液態(tài)工質(zhì)在管道內(nèi)定向循環(huán)流動(dòng)，在兩側(cè)附設(shè)的磁場(chǎng)作用下，產(chǎn)生動(dòng)生電壓，通過電極向外電路輸送電能。該裝置包括四大基本組成部分加熱器與高溫?zé)嵩赐ㄟ^熱交換器對(duì)管道內(nèi)的液工質(zhì)進(jìn)行加熱。冷卻器與低溫?zé)嵩赐ㄟ^交換器對(duì)管道內(nèi)的液工質(zhì)進(jìn)行冷卻。絕熱環(huán)流管道供液工質(zhì)在加熱器與冷卻器間產(chǎn)生定向循環(huán)流動(dòng)的絕熱管道。磁流體發(fā)電機(jī)構(gòu)在環(huán)流主管道外設(shè)置磁場(chǎng)，垂直于磁場(chǎng)的管道上高置相對(duì)電極，并與外電路相通。①本發(fā)明的基本組成加熱器、冷卻器、絕熱環(huán)流管道、磁流體發(fā)電機(jī)構(gòu)②工作物質(zhì)為液態(tài)導(dǎo)體，如低熔點(diǎn)金屬合金和電解質(zhì)溶液如水銀等③調(diào)容液缸裝置。④主循環(huán)管道中可設(shè)立若干支管道來分流，以便于增強(qiáng)熱傳遞作用，提高熱交換的速度和程度。
全文摘要
液工質(zhì)熱環(huán)流式發(fā)電裝置，屬于能源工業(yè)中新型熱能-電能轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域。它是以液態(tài)導(dǎo)體為工質(zhì)，由于在豎直循環(huán)管道的兩側(cè)區(qū)域同時(shí)受高低溫?zé)嵩吹臒醾鬟f作用，引起其間溫度差，而產(chǎn)生密度差，形成壓強(qiáng)差，推動(dòng)液工質(zhì)定向流動(dòng)，在外加磁場(chǎng)作用下，產(chǎn)生電壓向外電路輸送電能，它包括①加熱器②冷卻器③絕熱環(huán)流管道④磁流體發(fā)電裝置四部分組成。該項(xiàng)技術(shù)具有熱資源利用率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，損耗小，無機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，運(yùn)行輕緩、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于替代現(xiàn)有熱電轉(zhuǎn)換設(shè)備和配套各種散熱設(shè)施作為主要節(jié)能措施。
文檔編號(hào)H02K44/00GK1131356SQ9411809
公開日1996年9月18日 申請(qǐng)日期1994年10月16日 優(yōu)先權(quán)日1994年10月16日
發(fā)明者趙永忠 申請(qǐng)人:趙永忠