自泄压热管发动机和自泄压热管低温余热发电系统的制作方法

本实用新型涉及低品质热能能量转换领域，具体而言，涉及一种自泄压热管发动机和自泄压热管低温余热发电系统。

背景技术：

当煤炭、石油、电力等能源用于冶炼、加热、转换等工艺过程时都会产生各种形式的工业废气、余热和工业循环水(50～75℃)等大量低品质热能，地热资源(75～100℃地下热水)，这类热能通常以自然排放的方式进行降温，如果能对这类热能进行处理回收，将节省大量的资源，同时对环境改善起到积极的作用。

目前，出现了一种自泄压热管(专利号201510275297.7)，该专利技术的核心是揭示了自泄压热管在受热、导热和散热过程中，热管内部压力自动释放的物理现象，称之为“热管自泄压”现象，自泄压热管有两项重大的技术突破，其一是解决了热管的过热饱和问题，其二是发现热能在自泄压热管中存在快速、高效的能量转化特征。

自泄压热管在能量转化方面需要的基本条件：首先是真空条件，低沸点工质R245fa(沸点15℃)，加热端和辅助冷凝端(冷端降温)，在主冷凝端和辅助冷凝端之间工质相变形成饱和汽体压差和泄压后液体工质的重力压差，这两个压力差推动液体工质循环流动，实现热能向动能的转化，转化效率取决于饱和汽体压力和工质流量。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种自泄压热管发动机，旨在将热能转化为机械能，以实现能量转换。

本实用新型的实施例是这样实现的：

一种自泄压热管发动机，其包括饱和压力罐，所述饱和压力罐的罐腔内下端容纳有液态工质，所述饱和压力罐的罐腔内上端为真空区域，所述饱和压力罐的罐腔上端连接有饱和汽体进气管；泄压冷凝罐，所述泄压冷凝罐的罐腔内下端容纳有液态工质，所述泄压冷凝罐的罐腔内上端为真空区域，所述饱和压力罐的罐腔下端通过第一管道连通所述泄压冷凝罐的罐腔下端，且所述第一管道上安装有第一电磁阀；水轮机，包括具有转动叶片的轴伸端，所述具有转动叶片的轴伸端伸入所述泄压冷凝罐的下端罐腔之内且浸在所述泄压冷凝罐的罐腔内的液态工质中；当通过所述饱和汽体进气管向所述饱和压力罐的罐腔内输送饱和汽体以使所述饱和压力罐的罐腔内压力大于或等于饱和压力罐的压力阈值时，所述第一电磁阀将打开，所述饱和压力罐的罐腔内的液态工质以及饱和汽体通过所述第一管道而流入到所述泄压冷凝罐的罐腔内以推动所述转动叶片转动，以带动所述水轮机运转。

在本实用新型较佳的实施例中，还包括相变冷凝器，设于所述泄压冷凝罐之上，用于对所述泄压冷凝罐的罐腔上端进行冷凝；所述饱和压力罐的罐腔上端通过第二管道连通所述泄压冷凝罐的罐腔上端，且所述第二管道上安装有第一单向电磁阀，所述第一单向电磁阀用以控制所述泄压冷凝罐的罐腔内的上端、被所述相变冷凝器所冷凝的液态工质单向地进入至所述饱和压力罐的罐腔内。

在本实用新型较佳的实施例中，所述泄压冷凝罐的罐腔下端形成一朝所述饱和压力罐延伸的狭长罐腔段，所述饱和压力罐的罐腔下端通过所述第一管道连通所述狭长罐腔段，所述具有转动叶片的轴伸端设于所述狭长罐腔段之内且浸在所述狭长罐腔段内的液态工质中。

在本实用新型较佳的实施例中，所述饱和汽体进气管上依次安装有第二单向电磁阀和流量开关，所述第二单向电磁阀用以控制饱和汽体单向地进入至所述饱和压力罐的罐腔内，所述流量开关用以控制所述饱和汽体进气管内饱和汽体的流量。

在本实用新型较佳的实施例中，所述饱和压力罐的罐腔下端还连接有排液管，且所述排液管上安装有第三单向电磁阀，所述第三单向电磁阀用以控制所述饱和压力罐的罐腔内的液态工质单向地流出所述饱和压力罐。

在本实用新型较佳的实施例中，所述液态工质为R245fa、或沸点接近的低温混合工质。

本实用新型还提出一种自泄压热管低温余热发电系统，包括上述的自泄压热管发动机，还包括补液罐、蒸汽发生器和饱和集气罐，其中，所述补液罐通过第三管道连接所述蒸汽发生器，所述补液罐的罐腔内容纳有液态工质，所述补液罐用以为所述蒸汽发生器提供液态工质，且所述第三管道上安装有第二电磁阀，所述第二电磁阀用于控制所述第三管道内的液态工质流量，所述蒸汽发生器通过第四管道连接所述饱和集气罐，且所述第四管道上安装有第五电磁阀，所述第五电磁阀用于控制所述第四管道内的汽态工质流量，所述饱和集气罐的罐腔还通过所述饱和汽体进气管连通所述饱和压力罐的罐腔上端。

在本实用新型较佳的实施例中，所述补液罐还通过所述排液管连通所述饱和压力罐的罐腔下端。

在本实用新型较佳的实施例中，所述蒸汽发生器的数量为多个，且所述多个蒸汽发生器呈并联设置，所述饱和集气罐的数量也为多个，且所述饱和集气罐也呈并联设置。

在本实用新型较佳的实施例中，所述自泄压热管发动机的数量为4至12组。

本实用新型技术方案通过向饱和压力罐的罐腔内输送饱和汽体，饱和压力罐的罐腔内的液态工质将产生二次相变，饱和压力罐的罐腔内的液态工质以及饱和汽体通过第一管道而流入到泄压冷凝罐的罐腔内以推动转动叶片转动，可以带动水轮机运转，从而实现热能向机械能转化。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型自泄压热管低温余热发电系统一实施例的结构示意图；

图2为图1中自泄压热管发动机的结构示意图；

图3为图2的饱和压力罐注入饱和汽体的状态示意图；

图4为图2的饱和压力罐内的液态工质发生二次相变的状态示意图；

图5为图2中饱和压力罐内的汽液混合物流入到泄压冷凝罐的罐腔内以推动转动叶片转动的状态示意图；

图6为图2的饱和压力罐恢复到初始状态的示意图；

图7为本实用新型自泄压热管低温余热发电系统工作原理示意图。

图标：1-自泄压热管发动机；11-饱和压力罐；111-液态工质；12-泄压冷凝罐；121-液态工质；13-相变冷凝器；14-水轮机；141-具有转动叶片的轴伸端；15-第一管道；151-第一电磁阀；16-第二管道；161-第一单向电磁阀；17-饱和汽体进气管；171-第二单向电磁阀；18-排液管；181-第三单向电磁阀；2-补液罐；3-蒸汽发生器；4-饱和集气罐。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

请结合参照图2至图6，本实用新型提出一种自泄压热管发动机1，该自泄压热管发动机1包括饱和压力罐11，泄压冷凝罐12,相变冷凝器13和水轮机14。

饱和压力罐11的罐腔内下端容纳有液态工质111，饱和压力罐11的罐腔内上端为真空区域，真空区域的高度大约可占饱和压力罐11高度的一半，当然，真空区域的高度可根据实际需要自由选择。饱和压力罐11的罐腔上端连接有饱和汽体进气管17。

饱和压力罐11可以采用一钢罐结构或透明的玻璃罐体，考虑到密封性和安全可靠性，在本实施例中，饱和压力罐11为一钢罐结构。在本实施例中，该液态工质111具体为液态R245fa。(分子式：CF3-CH2-CHF2，相对密度(水＝1)：1.32。冰点<-160℃。沸点(101.3KPa)：15.3℃。闪点(℃)：无。危险特性：安全、不燃。)

泄压冷凝罐12的罐腔内下端容纳有液态工质121。泄压冷凝罐12可以采用一钢罐结构或透明的玻璃罐体，考虑到密封性和安全可靠性，在本实施例中，泄压冷凝罐12也为一钢罐结构。在本实施例中，该液态工质121具体也为液态R245fa。泄压冷凝罐12的罐腔内上端为真空区域，真空区域的高度大约可占泄压冷凝罐12高度的一半，当然，真空区域的高度可根据实际需要自由选择。饱和压力罐11的罐腔下端通过第一管道15连通泄压冷凝罐12的罐腔下端，且第一管道15上安装有第一电磁阀151。

水轮机14包括具有转动叶片的轴伸端141，具有转动叶片的轴伸端141伸入泄压冷凝罐12的下端罐腔之内且浸在泄压冷凝罐12的罐腔内的液态工质121中。其中，具有转动叶片的轴伸端141与泄压冷凝罐12之间配合所需使用的轴密封技术属于较成熟的现有技术，在此不再赘述。

当通过饱和汽体进气管17向饱和压力罐11的罐腔内输送饱和汽体，其中，液态工质121为R245fa，对应的饱和汽体为R245fa汽体；或沸点接近的低温混合工质。在本实施例中，液态工质121为R245fa，对应的饱和汽体为R245fa汽体。饱和压力罐11的罐腔内的液态工质111将产生二次相变，以使饱和压力罐11的罐腔内压力大于或等于饱和压力罐11的压力阈值时，第一电磁阀151将打开，饱和压力罐11的罐腔内的液态工质121以及饱和汽体通过第一管道15而流入到泄压冷凝罐12的罐腔内以推动转动叶片转动，可以带动水轮机14运转。

相变冷凝器13设于泄压冷凝罐12之上，用于对泄压冷凝罐12的罐腔上端进行冷凝。此外，饱和压力罐11的罐腔上端还通过第二管道16连通泄压冷凝罐12的罐腔上端，且第二管道16上安装有第一单向电磁阀161，第一单向电磁阀161用以控制泄压冷凝罐12的罐腔内的上端、被相变冷凝器13所冷凝的液态工质121单向地进入至饱和压力罐11的罐腔内。

如上所述，当通过饱和汽体进气管17向饱和压力罐11的罐腔内输送饱和汽体时，饱和压力罐11的罐腔内的液态工质111将产生二次相变，在饱和压力罐11形成汽液混合体，此时，饱和压力罐11的罐内压力可达0.2～0.5Mpa，温度≤30℃(略高于工质沸点)，而相变冷凝器13(或机械冷却、外接)，把汽体工质冷却相变成液体工质，以至泄压冷凝罐12内压力接近0Mpa(真空状态)，温度保持在工质沸点(15℃)，保证饱和压力罐11与泄压冷凝罐12之间0.2～0.4Mpa压力差，压力推动饱和压力罐11中汽液混合体通过第一管道15而流入到泄压冷凝罐12的罐腔内以推动转动叶片转动，以带动水轮机14运转，其中，通过汽液混合体流动过程中推动水轮机14转动做功，从而实现热能向机械能转化，而汽体工质在相变冷凝器13处冷却相变后回流到饱和压力罐11内，从而完成一个热能转化循环，下一个循环延续上个工作循环程序。

在本实施例中，作为一种优选方案，例如可将泄压冷凝罐12的罐腔下端做成一朝饱和压力罐11延伸的狭长罐腔段，具体以使饱和压力罐11的罐腔下端通过该第一管道15连通该狭长罐腔段，而具有转动叶片的轴伸端141设于狭长罐腔段之内且浸在狭长罐腔段内的液态工质121中。该狭长罐腔段可形成一狭长的液流通道，可增大流通在该狭长罐腔段内液态工质121的流速，进而增强对具有转动叶片的轴伸端141转动叶片的推动作用。

在本实施例中，作为一种优选方案，为了便于控制向饱和压力罐11内输送的汽态工质的量，可在饱和汽体进气管17上依次安装有第二单向电磁阀171和流量开关，第二单向电磁阀171用以控制饱和汽体单向地进入至饱和压力罐11的罐腔内，流量开关用以控制饱和汽体进气管17内饱和汽体的流量。

为了避免饱和压力罐11内液态工质121过多，在本实施例中，饱和压力罐11的罐腔下端还连接有排液管18，且排液管18上安装有第三单向电磁阀181，第三单向电磁阀181用以控制饱和压力罐11的罐腔内的液态工质121单向地流出饱和压力罐11。

请结合参照图1至图7，本实用新型还提出一种自泄压热管低温余热发电系统，其包括上述的自泄压热管发动机1，还包括补液罐2、蒸汽发生器3和饱和集气罐4。

其中，补液罐2通过第三管道连接蒸汽发生器3，补液罐2的罐腔内容纳有液态工质121，补液罐2用以为蒸汽发生器3提供液态工质121，且第三管道上安装有第二电磁阀，第二电磁阀用于控制第三管道内的液态工质121的流量，蒸汽发生器3通过第四管道连接饱和集气罐4，且第四管道上安装有第五电磁阀，第五电磁阀用于控制第四管道内的汽态工质流量，饱和集气罐4的罐腔还通过饱和汽体进气管17连通饱和压力罐11的罐腔上端。

在本实施例中，该补液罐2可通过排液管18连通饱和压力罐11的罐腔下端。蒸汽发生器3的数量可以自由选择为多个，例如为3个，且这3个蒸汽发生器3呈并联设置，饱和集气罐4的数量也可以自由选择为多个，例如为2个，且这2个饱和集气罐4也呈并联设置。该自泄压热管发动机1的数量也可以自由选择，一般可为4至12组，在本实施例中，自泄压热管发动机1的数量具体为3个，对应的，发电机的数量也为3个。

如上所述，当饱和汽体供给单元通过各个饱和汽体进气管17别对各饱和压力罐11的罐腔内输送饱和汽体之后，饱和压力罐11的罐腔内的液态工质121产生二次相变，在饱和压力罐11形成汽液混合体，该汽液混合体通过第一管道15而流入到泄压冷凝罐12的罐腔内以推动转动叶片转动，以带动水轮机14运转，进而带动各个发电机进行发电，实现热能向电能的转化。

以上所述仅为本实用新型的可选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。