重力场做功热管装置及方法与流程

本发明涉及能源动力技术领域，具体是一种重力场做功热管装置及方法。

背景技术：

热管是一种被普遍使用的高效传热元件，利用沸腾与冷凝效应传递热量，具有很强的传热效率，适合将热量从一个地方长距离输运到另外一个地方。在当下广受重视的地热能开发研究中，利用热管从地源中远距离提取热量是一种具有前景的技术。

当热管垂直输送距离较长时，从最上端往下流动的冷凝回液实际上存在能量回收机会，但目前的垂直热管技术都没有对此加以利用。

申请号为200510083002.2的专利提出了一种长距离输送的垂直热管，其主要目的是利用热管在海洋表层及深层之间进行热量传递，起到对外部系统进行冷却或加热的作用，该系统没有利用重力场的能量转换。

申请号为201610014050.4的专利提出了一种重力场热驱动制冷装置，该装置利用了重力场中的能量转换，实现了热驱动的制冷循环，装置简单高效，但其作用只是将热能转化为冷能，不具备同时利用热能发电以及传导热量的功能。

普通热管，只传递热量，不能得到功。

因此，需要对现有技术进行改进。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种高效的重力场做功热管装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种重力场做功热管装置，包括高位冷凝器和低位蒸发器；所述高位冷凝器的冷凝管道和低位蒸发器的蒸发管道之间依次连接后形成闭环系统；所述高位冷凝器位于高位；所述低位蒸发器位于低位。

作为对本发明重力场做功热管装置的改进：还包括位于低位的低位液体涡轮；所述高位冷凝器的冷凝管道、低位液体涡轮和低位蒸发器的蒸发管道之间依次连接后形成闭环。

作为对本发明重力场做功热管装置的进一步改进：还包括位于高位的高位膨胀机；所述高位冷凝器的冷凝管道、高位膨胀机和低位蒸发器的蒸发管道之间依次连接后形成闭环。

作为对本发明重力场做功热管装置的进一步改进：所述高位冷凝器排放给外部冷却源；所述低位蒸发器从外部低品位热源吸热。

作为对本发明重力场做功热管装置的进一步改进：所述高位与低位之间差距大于等于100米。

本发明还提供一种重力场做功方法，包括以下步骤：

高位冷凝器冷凝管道出口中流出的饱和或具有一定过冷度的低压液体工质向低位液体涡轮液体进口绝热流动，随着在重力场中的高度减少(高度改变会使重力势能相应改变)，压强逐渐增加，当流动到低位液体涡轮液体进口时，低压液体工质压力增加到高压，温度比冷凝温度略有增加，成为高压液体工质。

高压液体工质进入低位液体涡轮，释放其液体压力能对外做功，同时压力降低到中压，温度比冷凝温度略微降低，成为中压下的过冷液体工质。

中压下的过冷液体工质从低位液体涡轮液体出口流出，流动到低位蒸发器蒸发管道进口，进入低位蒸发器的蒸发管道，吸收低位蒸发器放热管道的外部低品位热源所释放的热量后，中压下的过冷液体工质的温度逐渐增加到中压所对应的饱和温度，之后逐渐蒸发成为饱和或具有一定过热度的中压气体工质。

饱和或具有一定过热度的中压气体工质从低位蒸发器蒸发管道出口流出，向高位冷凝器冷凝管道进口绝热流动，随着在重力场中的高度增加，压强逐渐降低，当流动到高位冷凝器冷凝管道进口时，工质压力降低到低压，温度也降低到冷凝温度附近，成为饱和或具有一定过热度的低压气体工质。

饱和或具有一定过热度的低压气体工质进入高位冷凝器的冷凝管道，向高位冷凝器吸热管道中的外部冷却源释放热量后，温度降低，成为饱和或具有一定过冷度的低压液体工质。

饱和或具有一定过冷度的低压液体工质从高位冷凝器冷凝管道出口流出，如此循环。

本发明还提供一种重力场做功方法，包括以下步骤：

高位冷凝器冷凝管道出口流出的饱和或具有一定过冷度的中压液体工质流动到高位膨胀机工质进口，进入高位膨胀机，中压液体工质在高位膨胀机中绝热膨胀做功，同时压力降低到低压，温度降低，中压液体工质变成具有一定干度的低压气液混合物；

具有一定干度的低压气液混合物从高位膨胀机工质出口流出，向低位蒸发器蒸发管道进口绝热流动，随着在重力场中的高度减少，压强逐渐增加，当流动到低位蒸发器蒸发管道进口时，工质压力增加到高压，温度比冷凝温度略有增加，成为高压下的过冷液体工质。

高压下的过冷液体工质进入低位蒸发器的蒸发管道，吸收低位蒸发器放热管道中的外部低品位热源所释放的热量后，温度逐渐增加到中压所对应的饱和温度，之后过冷液体工质逐渐蒸发并成为饱和或具有一定过热度的高压气体工质。

饱和或具有一定过热度的高压气体工质从低位蒸发器蒸发管道出口流出，向高位冷凝器冷凝管道进口绝热流动，随着在重力场中的高度增加，压强逐渐降低，当流动到高位冷凝器冷凝管道进口时，高压气体工质压力降低到中压，温度也降低到冷凝温度附近，成为饱和或具有一定过热度的中压气体工质。

饱和或具有一定过热度的中压气体工质进入高位冷凝器的冷凝管道，高位冷凝器吸热管道中的外部冷却源释放热量后，温度降低，成为饱和或具有一定过冷度的中压液体工质；

饱和或具有一定过冷度的低压液体工质从高位冷凝器冷凝管道出口流出，如此循环。

本发明重力场做功热管装置及方法的技术优势为：

1、可以利用冷凝回液产生的较高的液体压力能做功，同时还可以将热量从低位传递到高位进一步利用；

2、当热管所传导的热量主要用于发电时，采用本发明可以具有更高的发电效率，尤其是利用低沸点工质时效果更为明显；

3、一般的热功发电装置没有利用高度差，且一般的热功发电装置与本发明在系统工艺上也存在明显区别，一般的热功发电装置从蒸发器出来的工质进入膨胀机做功，而本发明从蒸发器出来的工质是直接流入冷凝器的。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为本发明重力场做功热管装置的结构示意图；

图2为图1中将低位液体涡轮3改成高位膨胀机4的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1、重力场做功热管装置，如图1所示，包括高位冷凝器1、低位蒸发器2和低位液体涡轮3。

高位冷凝器1放置在高位，低位蒸发器2和低位液体涡轮3放置在低位，高位冷凝器冷凝管道出口12连接低位液体涡轮液体进口31，低位液体涡轮液体出口32连接低位蒸发器蒸发管道进口21，低位蒸发器蒸发管道出口22连接高位冷凝器冷凝管道进口11，三者形成闭环系统。

高位与低位之间差距大于等于100米。本发明在高差较大的场合发挥的作用更大，一般100米以上更合适，越大越好。

高位冷凝器1吸热管道与外部冷却源连接(高位冷凝器1吸热管道与冷凝管道贴合，高位冷凝器1排放给外部冷却源热量)；低位蒸发器2放热管道与外部低品位热源连接(低位蒸发器2放热管道与蒸发管道贴合，低位蒸发器2从外部低品位热源吸热)。

实施例1中重力场做功热管装置实际使用时，包括如下步骤：

高位冷凝器冷凝管道出口12中流出的饱和或具有一定过冷度的低压液体工质向低位液体涡轮液体进口31绝热流动，随着在重力场中的高度减少(高度改变会使重力势能相应改变)，压强逐渐增加，当流动到低位液体涡轮液体进口31时，低压液体工质压力增加到高压，温度比冷凝温度略有增加，成为高压液体工质。

高压液体工质进入低位液体涡轮3，释放其液体压力能对外做功，同时压力降低到中压，温度比冷凝温度略微降低，成为中压下的过冷液体工质。

中压下的过冷液体工质从低位液体涡轮液体出口32流出，流动到低位蒸发器蒸发管道进口21，进入低位蒸发器2的蒸发管道，吸收低位蒸发器2放热管道的外部低品位热源所释放的热量后，中压下的过冷液体工质的温度逐渐增加到中压所对应的饱和温度，之后逐渐蒸发成为饱和或具有一定过热度的中压气体工质。

饱和或具有一定过热度的中压气体工质从低位蒸发器蒸发管道出口22流出，向高位冷凝器冷凝管道进口11绝热流动，随着在重力场中的高度增加，压强逐渐降低，当流动到高位冷凝器冷凝管道进口11时，工质压力降低到低压，温度也降低到冷凝温度附近，成为饱和或具有一定过热度的低压气体工质。

饱和或具有一定过热度的低压气体工质进入高位冷凝器1的冷凝管道，向高位冷凝器1吸热管道中的外部冷却源释放热量后，温度降低，成为饱和或具有一定过冷度的低压液体工质。

饱和或具有一定过冷度的低压液体工质从高位冷凝器冷凝管道出口12流出，如此循环。

实施例2，如图2所示，重力场做功热管装置包括高位冷凝器1、低位蒸发器2和高位膨胀机4。

高位冷凝器1和高位膨胀机4放置在高位，低位蒸发器2放置在低位，高位冷凝器冷凝管道出口12连接高位膨胀机工质进口41，高位膨胀机工质出口42连接低位蒸发器蒸发管道进口21，低位蒸发器蒸发管道出口22连接高位冷凝器冷凝管道进口11，三者形成闭环系统。

高位冷凝器1吸热管道与外部冷却源连接(高位冷凝器1吸热管道与冷凝管道贴合，高位冷凝器1排放给外部冷却源热量)；低位蒸发器2放热管道与外部低品位热源连接(低位蒸发器2从外部低品位热源吸热)。

实施例2中重力场做功热管装置实际使用时，包括如下步骤：

高位冷凝器冷凝管道出口12流出的饱和或具有一定过冷度的中压液体工质流动到高位膨胀机工质进口41，进入高位膨胀机4，中压液体工质在高位膨胀机4中绝热膨胀做功，同时压力降低到低压，温度降低，中压液体工质变成具有一定干度的低压气液混合物；

具有一定干度的低压气液混合物从高位膨胀机工质出口42流出，向低位蒸发器蒸发管道进口21绝热流动，随着在重力场中的高度减少，压强逐渐增加，当流动到低位蒸发器蒸发管道进口21时，工质压力增加到高压，温度比冷凝温度略有增加，成为高压下的过冷液体工质。

高压下的过冷液体工质进入低位蒸发器2的蒸发管道，吸收低位蒸发器2放热管道中的外部低品位热源所释放的热量后，温度逐渐增加到中压所对应的饱和温度，之后过冷液体工质逐渐蒸发并成为饱和或具有一定过热度的高压气体工质。

饱和或具有一定过热度的高压气体工质从低位蒸发器蒸发管道出口22流出，向高位冷凝器冷凝管道进口11绝热流动，随着在重力场中的高度增加，压强逐渐降低，当流动到高位冷凝器冷凝管道进口11时，高压气体工质压力降低到中压，温度也降低到冷凝温度附近，成为饱和或具有一定过热度的中压气体工质。

饱和或具有一定过热度的中压气体工质进入高位冷凝器1的冷凝管道，高位冷凝器1吸热管道中的外部冷却源释放热量后，温度降低，成为饱和或具有一定过冷度的中压液体工质。

饱和或具有一定过冷度的低压液体工质从高位冷凝器冷凝管道出口12流出，如此循环。

实施例1的计算参数见表1(针对1kgR134a)。设计条件为：热管垂直高度480米(低位和高位相差480米)，低位蒸发器2蒸发温度60℃，工质为R134a，热力循环计算显示，高位冷凝器1冷凝温度为50℃，排热量为152kJ/kg，低位蒸发器2吸热量为156.5kJ/kg，低位蒸发器2液泵进口压力为6.694Mpa，出口压力为1.676Mpa，低位蒸发器2进出口压力差5.018Mpa，液泵输出的做功量为4.48kJ/kg，重力场能量转换为4.81kJ/kg。可见相比于通常的垂直热管，实施例1的系统不仅可以从低位吸收热量向高位进行热传递，还可以利用在重力场中形成的液体压力能对外输出功量，实现了对能量的充分利用，而且系统简单易行，有效实现了本发明的初衷。

实施例2的计算参数见表1(针对1kgR134a)。设计条件同实施例1，实施例2中的高位膨胀机4输出的功量为4.48kJ/kg，其余参数同实施例1，实施例2的意义在于高位膨胀机4在高位做功，无需安装在低位，实施较实施例1简便，但高位膨胀机4进出口压力差为0.897Mpa，比实施例1低位蒸发器2进出口压力差5.018Mpa要小。实施例2的系统同样也具备传热和做功的作用，系统简单易行，有效实现了本发明的初衷。

表1：实施例1和实施例2的热力计算结果(针对1kgR134a)

以上实施例中，可综合考虑具体的使用条件与要求、技术经济性能等因素合理确定系统的设计参数，以兼顾系统的适用性和经济性。

一般的热功发电装置没有利用高度差，且一般的热功发电装置与本发明在系统工艺上也存在明显区别，一般的热功发电装置从蒸发器出来的工质进入膨胀机做功，而本发明从蒸发器出来的工质是直接流入冷凝器的。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。