Патенты и способы преобразования рассеянной тепловой энергии окружающей среды в работу

ВНИМАНИЕ!!!
В эту тему выкладываем только патенты, обсуждение здесь

СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ РАССЕЯННОЙ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В РАБОТУ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

https://patents.google.com/patent/RU2121117C1/ru

https://yandex.ru/patents/doc/RU2121117C1_19981027


Реферат
Способ и устройство относятся к криогенной технике и предназначены для преобразования рассеянной тепловой энергии окружающей среды в работу с минимальными затратами. Технология предусматривает аккумуляцию рассеянной тепловой энергии и передачу ее через теплообменники переохлажденному сжиженному газу под постоянным повышенным давлением, который вначале преобразуют в насыщенный пар, а затем - в идеальный с предкритическим состоянием сжижения газ, который пропускают через радиальный трубодетандер для выполнения работы. После выполнения работы на радиальном турбодетандре полученный переохлажденный сжиженный газ снова направляют в систему установки. Изобретение позволяет преобразовать тепловую энергию окружающей среды в электрическую или механическую, используя в качестве рабочего тела криогенные жидкости. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула изобретения
1. Способ преобразования рассеянной тепловой энергии окружающей среды в работу, включающий ее аккумуляцию и передачу через теплообменники рабочему телу преобразовательной установки, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела используют переохлажденный сжиженный газ, например жидкий азот, под постоянным повышенным давлением, который под действием тепла окружающей среды вначале преобразуют в насыщенный пар, а затем - в идеальный с предкритическим состоянием сжижения газ при том же самом постоянном повышенном давлении, а в качестве преобразовательной установки из одного агрегатного состояния газа в другой используют по крайней мере один радиальный турбодетандер, через который пропускают для выполнения работы идеальный с предкритическим состоянием сжижения газ, после чего полученный переохлажденный сжиженный газ после радиального турбодетандера снова направляют в систему преобразовательной установки.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что переохлажденный сжиженный газ пропускают через группу теплообменников, один из которых связан с внешней окружающей средой.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в теплообменнике, связанном с внешней окружающей средой, циркулирует антифриз, например жидкий бутан.
4. Установка для преобразования рассеянной тепловой энергии окружающей среды в работу, включающая теплоизолированный корпус, сосуд с сжиженным газом, основную магистраль, снабженную нагнетательным устройством, главный теплообменник, аккумулятор тепловой рассеянной энергии, содержащий внешние теплообменники с магистралью для подачи теплоносителя, несущего энергию окружающей среды, узел преобразования энергии, отличающаяся тем, что в качестве узла преобразования энергии использован радиальный турбодетандер, установленный после главного теплообменника.
5. Установка по п.4, отличающаяся тем, что она содержит дополнительный теплообменник, через который проходит магистраль с сжиженным газом, подаваемым на вход главного теплообменника, и магистраль с газом, поступившим с выхода главного теплообменника на вход радиального турбодетандера.
6. Установка по п.4, отличающаяся тем, что она снабжена вспомогательным радиальным турбодетандером, вход которого соединен с выходом радиального турбодетандера магистралью, проходящей через теплообменник, через который проходит сжиженный газ, а выход со вспомогательного радиального турбодетандера соединен с сосудом со сжиженным газом.
7. Установка по п.4, отличающаяся тем, что внутри теплоизолированного корпуса установлен теплообменник, соединенный с магистралью, заполненной антифризом, и сообщающийся с внешней окружающей средой.
Описание
Изобретения относятся к криогенной технике и могут быть использованы для преобразования рассеянной тепловой энергии окружающей среды в работу с минимальными необходимыми затратами.

В условиях нарастающего энергетического кризиса и из-за снижения мировых топливных запасов сырья поиск и использование нетрадиционных источников энергии, их преобразование и аккумуляция становятся одной из самых актуальных проблем, особенно это касается использования рассеянной тепловой энергии окружающей среды как при положительных, так и отрицательных температурах.

Наиболее близкими по мнению авторов к предлагаемым решениям по ("Способу" и "Устройству") технической сущности и достигаемому результату являются промышленно используемые тепловые насосы, в которых в качестве рабочего тела используются жидкие теплоносители, которые в какой-то степени повышают эффективность известных аппаратов по утилизации тепловой рассеянной энергии окружающей среды. В данном решении происходит перенос тепловой энергии окружающей среды в отапливаемые объекты посредством теплоносителя, заключенного внутри тепловых труб.

Известный тепловой насос работает следующим образом. Из компрессора, который выступает одновременно в качестве нагнетательного насоса, пар теплоносителя под давлением подается в конденсатор, в котором он охлаждается и превращается в жидкий теплоноситель, направляемый далее в испарительную систему, связанную с внешней окружающей средой. Тепло, изъятое из окружающей среды теплоносителем, в дальнейшем направляют в компрессор. Т.е. скрытую теплоту парообразования перекачали с окружающей среды в отапливаемые объекты. Поэтому данные установки и называют тепловыми насосами.

Таким образом, решается проблема автономного экологически чистого теплоснабжения.

Но тепловые насосы решают хоть и важную, но только одну задачу - извлечение и перенос тепловой энергии без ее превращения в другие виды энергии, электрическую, механическую. Используемые установки имеют значительные габариты и вес. Для расширения функциональных возможностей и эффективности этого вида тепловых машин потребуются значительные затраты.

Задачей предлагаемого решения по "Способу..." является повышение эффективности преобразования рассеянной тепловой энергии окружающей среды в полезную работу.

Задачей предлагаемого решения по "Устройству..." является расширение функциональных возможностей установки, которая преобразует рассеянную тепловую энергию окружающей среды в другие виды энергии с высоким КПД.

Указанная выше задача по "Способу..." решается за счет технического результата и достигается тем, что в способе преобразования рассеянной тепловой энергии окружающей среды в работу, включающем ее аккумуляцию и передачу через теплообменники рабочему телу преобразовательной установки, в качестве рабочего тела используют переохлажденный сжиженный газ, например жидкий азот, под постоянным повышенном давлении, который под действием тепла окружающей среды вначале преобразуют в насыщенный пар, а затем - в идеальный с предкритическим состоянием сжижения газ при том же постоянном повышенном давлении, а в качестве преобразовательной установки из одного агрегатного состояния газа в другое используют по крайней мере один радиальный турбодетандер, через который пропускают для выполнения работы идеальный с предкритическим состоянием сжижения газ, после чего полученный переохлажденный сжиженный газ после радиального турбодетандера снова направляют в систему преобразовательной установки.

Кроме того, по данному способу переохлажденный сжиженный газ пропускают через группу теплообменников, один из которых связан с внешней окружающей средой, причем в теплообменнике, связанном с внешней окружающей средой, циркулирует антифриз, например жидкий бутан.

Указанная выше задача по "Устройству..." решается за счет технического результата, который достигается тем, что в установке для преобразования рассеянной тепловой энергии окружающей среды в работу, включающей теплоизолированный корпус, сосуд с сжиженным газом, основную магистраль, снабженную нагнетательным устройством, главный теплообменник, аккумулятор тепловой рассеянной энергии, содержащий внешние теплообменники с магистралью для подачи теплоносителя, несущего энергию окружающей среды, узел преобразования энергии, в качестве узла преобразования энергии использован радиальный турбодетандер, установленный после главного теплообменника. Кроме того, установка содержит дополнительный теплообменник, через который проходит магистраль с сжиженным газом, подаваемым на вход главного теплообменника, и магистраль с газом, поступающим с выхода главного теплообменника на вход радиального турбодетандера, и, кроме того, установка может быть снабжена вспомогательным радиальным турбодетандером, вход которого соединен с выходом радиального турбодетандера магистралью, проходящей через теплообменник, через который проходит сжиженный газ, а выход со вспомогательного радиального турбодетандера соединен с сосудом с сжиженным газом, а внутри теплоизолированного корпуса установлен теплообменник, соединенный с магистралью, заполненной антифризом и сообщающийся с внешней окружающей средой.

Краткое изложение предлагаемого решения: 1) известно, чтобы понизить температуру тела, необходимо отнять у него тепло и перенести его на более высокий температурный уровень, а для этого в соответствии с первым и вторым законами термодинамики холодильные машины должны производить работу; 2) также известно, что в замкнутой системе давление насыщенных паров газа над жидкостью определяется температурой данной системы; 3) также известно, что никаким давлением невозможно сжижить газ, если температура его выше критической, а также, что у любого газа своя критическая температура сжижения с соответствующим критическим давлением.

Принимая во внимание вышесказанное, следует, что если подать питательным насосом жидкий переохлажденный газ с начальным давлением не менее чем в два раза больше критического давления сжижения для данного газа и подводить к нему тепло, не изменяя давление, то по мере повышения температуры насыщенные пары газа переходят в сухой перегретый пар, а при достижении определенной температуры сухой пар полностью преобразуется в идеальный газ. И если охладить газ до околокритической температуры его сжижения, то получим большую потенциальную энергию при постоянном давлении газа и его объеме. Если далее газ направить на радиальный турбодетандер (типа конструкции П.Л.Капицы), то за счет резкого снижения давления производится работа с резким понижением температуры отработанного газа, который, сжижаясь, не замерзает лишь по той причине, что часть газа прошла турбину без отдачи энергии, при дальнейшей конденсации которого освобождается скрытая теплота парообразования, а также энергии от неизбежных теплопритоков. После этого сжиженный переохлажденный газ поступает на вход питательного насоса. Цикл повторяется.

Данная технология предусматривает аккумуляцию рассеянной тепловой энергии окружающей среды (как при положительных, так и отрицательных температурах) посредством внешних теплообменных устройств, контактирующих с окружающей средой.

Принципиальное отличие предлагаемой технологии и устройства от известных решений заключается в том, что для преобразования рассеянной тепловой энергии окружающей среды в работу используется наибольший допустимый перепад давления газа с наименьшей допустимой его температурой сжижения за счет полного сжижения газа за один рабочий цикл с последующей подачей жидкого переохлажденного газа снова в систему.

В данном случае при преобразовании тепловой энергии в другие виды энергии (работу) используется перепад давления теплоносителя, возникающий в процессе изменения его агрегатного состояния на радиальном турбодетандере, и возврат теплоносителя обратно в систему с изменением его агрегатного состояния.

Сущность предполагаемых изобретений поясняется фиг. 1, на которой изображена принципиальная схема установки преобразования рассеянной тепловой энергии окружающей среды в работу; фиг. 2, на которой дана диаграмма соотношений давления, температуры, объема газа и скрытой энергии теплоты парообразования на всех этапах процесса преобразования рассеянной энергии окружающей среды в работу на примере использования в качестве рабочего тела переохлажденного сжиженного азота; фиг. 3, на которой показана диаграмма состояния процесса преобразования переохлажденного газа - азота на различных его этапах фазового перехода.

Установка включает в себя герметичный теплоизолированный корпус 1, в котором размещена герметичная емкость 2, заполненная на 1/2 - 1/3 объема жидким переохлажденным газом 3, например азотом (при температуре -203oС и давлении P=287,6 мм рт.ст.). Герметичная емкость 2 соединена трубопроводом 4 с нагнетательным насосом 5, который, в свою очередь, соединен трубопроводом 6 с первым теплообменником 7 и далее трубопроводом 8 с вторым теплообменником 9 и далее трубопроводом 10, который в виде трубной решетки 10a проходит через главный теплообменник 11. На выходе из главного теплообменника 11 трубопровод 10 переходит в трубопровод 12, который в виде трубной решетки 12a проходит через второй теплообменник 9. Трубная решетка 12a соединена трубопроводом 13 с главным радиальным турбодетандером 14 (типа конструкции П. Л. Капицы), который служит для преобразования потенциальной энергии переохлажденных газов в работу (электрическую, механическую и т.д.).

Главный радиальный турбодетандер 14 снабжен отводным трубопроводом 15, который в виде трубной решетки 15a проходит через первый теплообменник 7, далее трубопроводом 16 с поплавковой камерой 17, которая в свою очередь соединена трубопроводом 18 с трубопроводом 4 и трубопроводом 19 с вспомогательным радиальным турбодетандером 20, конструкция которого аналогична турбодетандеру 14. На выходе вспомогательный турбодетандер 20 трубопроводом 21 соединен с герметичной емкостью 2.

Кроме того, емкость главного теплообменника 11 снабжена внешним контуром низкого давления, заполненным незамерзающей жидкостью (антифризом), например жидким бутаном, который через трубопровод 22 соединен с радиатором 23 и далее трубопроводом 24 с дополнительным радиатором 25, соединенным через нагнетательный насос 26 с главным теплообменником 11 трубопроводом 27. Герметичный теплоизолированный корпус 1 снабжен предохранительным клапаном 28.

Назначение внешнего контура - улавливание рассеянной тепловой энергии окружающей среды.

Установка для преобразования рассеянной тепловой энергии окружающей среды в работу реализует заявленную технологию на следующем примере.

Из герметичной емкости 2 переохлажденный жидкий азот 3 с температурой -203oC с давлением 287,6 мм рт.ст. через трубопровод 4 и нагнетательный насос 5 подается под давлением в 100 ати через трубопровод 6 в емкость первого теплообменника 7 и далее через трубопровод 8 в емкость второго теплообменника 9. Из теплообменника 9 азот через трубопровод 10 направляется в трубную решетку 10a, которая омывается антифризом, например жидким бутаном, циркулирующим во внешнем контуре под действием нагнетательного насоса 26. Под действием тепла окружающей среды (температура окружающей среды, например, 0oC) циркулирующий в радиаторе 23 жидкий бутан (температура плавления - 138oC) нагревается до температуры -10oC и поступает в главный теплообменник 11. Так как в трубной решетке 10a циркулирует азот с более низкой температурой, чем у жидкого бутана, происходит передача тепла от среды с более высокой температурой (от бутана) к среде с более низкой температурой (азота), в результате чего из трубной решетки 10a в трубопровод 12 поступает газообразный азот в виде идеального газа с температурой, равной -20oC, и постоянным давлением 100 ати, который в дальнейшем направляется в трубную решетку 12a второго теплообменника 9. Трубная решетка 12a, в которую подается газообразный азот в виде идеального газа с температурой -20oC, омывается жидким азотом с температурой -203oC. Происходит теплопередача от трубной решетки 12a к жидкому азоту, в результате чего жидкий азот, выходя из теплообменника 9, нагревается до температуры -110oC, превращаясь в насыщенный пар, который поступает через трубопровод 10 в трубную решетку 10a предварительно подогретым, а там превращается в газообразную фазу. В дальнейшем газообразный азот, проходящий через трубную решетку 12a, отдав тепло, сам охлаждается до критической температуры ≈ -145oC, при этом давление его сохраняют на уровне 100 ати при увеличенном (относительно первоначального) объеме газа. С такими параметрами газообразный азот через трубопровод 13 подается на главный радиальный трубодетандер 14. Обладая большой потенциальной энергией, газообразный азот отдает свою энергию на вращение ротора турбодетандера 14, соединенного с генератором, преобразуя эту энергию в электрическую. Совершая работу на турбодетандере 14 и отдав ему свою энергию, газообразный азот снова превращается в жидкий азот с температурой -203oC. При этом давление падает почти до атмосферного (может быть другой случай, когда температура азота на выходе из турбодетандера 14 может составлять, например, -157oC и давление ≈ 20 ати - этот случай будет описан ниже). После турбодетандера 14 жидкий азот с температурой -203oC через трубопровод 15 поступает в трубную решетку 15a. Ввиду того, что температура в трубной решетке 15a жидкого азота соответствует температуре жидкого азота (-203oC), циркулирующего в емкости теплообменника 7, теплообмена в нем не происходит, в результате чего жидкий азот поступает в поплавковую камеру 18 и в дальнейшем в трубопровод 4. Если же из турбодетандера 14, не отдав всю свою энергию, выходит насыщенный пар азота с температурой -157oC и давлением ≈ 20 ати, то в этом случае в теплообменнике 7 происходит теплоотдача от среды с более высокой температурой, находящейся в трубной решетке 15a, к среде более низкой - жидкому азоту (-203oC). При этом насыщенный пар азота снижает свою температуру на выходе из трубной решетки 15a до температуры -160oC и снижает давление до ≈ 15 ати. Проходя поплавковую камеру 17, насыщенный пар азота поступает на вспомогательный турбодетандер 20, совершая аналогичную работу, как и на главном турбодетандере 14. Совершая работу на турбодетандере 20 и отдав ему свою энергию, насыщенный пар азота превращается в жидкий с температурой -203oC, который направляется в герметичную емкость 2.

Процесс непрерывно повторяется.

Назначение дополнительного радиатора 25, последовательно соединенного во внешнем контуре, снимать дополнительное тепло окружающей среды, образующееся в герметичном теплоизолированном корпусе 1 от работы турбодетандеров 14, 20, а также насосов 5, 26 и т.д.

Из представленных диаграмм на фиг. 2 и 3 видно, что на первом этапе (линия 0 - 1) жидкий азот с V = 1 л и температурой -203oC насосом под давлением в 100 ати подается в систему с подведенной теплотой в 111 кДж, которая определяется [-203oC - (-110oC)] •1,2 кДж•93 = 111,6 кДж, где 1,2 кДж/кг на 1 град - удельная теплоемкость азота.

(Линия 1-2). Происходит испарение азота при постоянном давлении в 100 ати и температуре в -110oC. Если учесть, что соотношение жидкого азота и его газа при 760 мм рт.ст. и температуре, равной 0oC, составляет 1:643 л, то при P = 100 ати объем газа обратно пропорционален его давлению и составляет 6,43 л, а так как температура газа равна -110oC, его объем уменьшается соответственно на каждый градус на 1/273, т.е. общее уменьшение идет на 6,43 л•110/237 = 2,59 л. Фактически объем газа на линии 1 - 2 составляет 6,43 л - 2,59 л = 3,84 л. При подводе тепла к азоту на участке 1 - 2 происходит его испарение со скрытой теплотой парообразования, равной 199 кДж/кг. В связи с этим в точке 2 диаграммы на фиг. 2 и 3 общая теплота, подведенная к азоту, составляет 111 кДж + 199 кДж = 310 кДж.

(Линия 2-3). При подводе теплоты к азоту при перепаде температур с температуры, равной -110oC, до температуры, равной -20oC, (т.е. граница составила 90oC) происходит полное преобразование жидкого азота в газ с подведенной теплотой, равной 1,2 кДж/кг•90 = 108 кДж. При этом общая подведенная теплота составила 310 кДж + 108 кДж = 418 кДж, а объем газа увеличился с 3,84 л до 6,43 л -20/273•6,43/1 = 3,01 л. С такими параметрами газ с температурой, равной -145oC, P = 100 ати и V = 3,01 л с полной тепловой энергией в 268 кДж подается на турбодетандер, где кинетическая энергия газа преобразуется сначала в механическую, а затем в электрическую. При отдаче кинетической энергии газа на турбодетандере происходит его охлаждение до температуры, равной -203oC, с понижением давления до 287,6 мм рт.ст. в результате чего его объем снижается до исходного 1 л. Процесс повторяется. Данный процесс фазового перехода азота из одного состояния в другое показан без учета потерь энергии при работе вспомогательного оборудования, а также без учета теплопритоков.

 

Устройство преобразования низкопотенциальной тепловой энергии окружающей среды в механическую и электрическую энергию

https://poleznayamodel.ru/model/10/104293.html

Полезная модель относится к энергомашиностроению, и устройствам преобразования низкопотенциальной тепловой энергии окружающей среды и/или техногенных процессов за счет использования разности их температур, при воздействии разности температур на низкотемпературную кипящую жидкость (например, фреон), и использование ее переходов в агрегатные состояния из жидкой в газообразную фазы для экологически чистого преобразования энергии расширения газообразной фазы низкотемпературной кипящей жидкости в механическую энергию мембраны воздушного компрессора, и механическую энергию вращения воздушной турбины в электрическую. Обеспечивается экологически чистое преобразование энергии с расширением газообразной фазы низкотемпературной кипящей жидкости в механическую энергию мембраны воздушного компрессора, и механическую энергию вращения воздушной турбины в электрическую.

Указанная цель достигается за счет того, что накопитель тепловой энергии блока источника тепла соединен с теплообменником корпуса теплового компрессора через разделительные шаровые краны, мембрана в корпусе теплового компрессора соединена с всасывающим и нагнетательным клапанами воздушной среды, патрубки газообразной и жидкой фаз низкотемпературной кипящей жидкости корпуса теплового компрессора соединены с камерой охлаждения через разделительные клапаны газообразной и жидкой фаз низкотемпературной кипящей жидкости, контур охлаждения камеры охлаждения соединен с блоком охлаждения, цепи управления разделительными клапанами газообразной и жидко фаз низкотемпературной кипящей жидкости соединены с блоком усиления мощности, который соединен цепью управления клапанами с устройством управления, который соединен цепью питания с блоком контроля и управления, а к блоку контроля и управления присоединен вход от внешнего источника электрической энергии (стационарная промышленная сеть и/или внешний независимый источник) для первичного пуска устройства управления, также содержит цепь генератора тока, цепь выхода электрического тока, причем блок контроля и управления снабжен кнопкой включения устройства управления, кнопкой переключения устройства управления в автономный режим и кнопкой выключения, а воздушная турбина соединена с валом генератора тока, и соединена через пневмомагистраль с нагнетательным клапаном мембраны корпуса теплового компрессора.



Область применения

Полезная модель относится к энергомашиностроению, и устройствам преобразования низкопотенциальной тепловой энергии окружающей среды и/или техногенных процессов за счет использования разности их температур, при воздействии разности температур на низкотемпературную кипящую жидкость (например, фреон), и использование ее переходов в агрегатные состояния из жидкой в газообразную фазы для экологически чистого преобразования энергии расширения газообразной фазы низкотемпературной кипящей жидкости в механическую энергию мембраны воздушного компрессора, и механическую энергию вращения воздушной турбины в электрическую.

Уровень техники

Известен способ получения механической энергии вращения за счет комплексного использования разности температур морской воды на разных ее уровнях и гравитационного взаимодействия без расходования топливо-энергетических ресурсов. Сущностью данного изобретения является: равномерно по окружности частично погруженного в воду ротора установлены теплочувствительные элементы (ТЭ), связанные с грузом, выполненным в виде массивного обода, с возможностью его радиального перемещения при изменении температуры окружающей среды, что обеспечивается созданием в верхней и нижней частях ротора соответственно зон нагрева и охлаждения, первой из которых является окружающий воздух, а вторая образована емкостью в виде лотка, который сообщается с верхней частью трубопровода, поднимающему вверх, как по сообщающемуся сосуду, холодную воду из глубинных ее слоев. Ротор снабжен лопатками для перемешивания воды по лотку от верхней части трубопровода. Вращение ротора осуществляется за счет момента сил тяжести F, создаваемых грумами при разных расстояниях Р2 и Р1 боковых частей обода от оси в зависимости от нагрева и охлаждения ТЭ. (См. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ВРАЩЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Б.Ф.КОЧЕТКОВА) МПК 6 F03G 7/05, F03G 7/06).

Однако, этот способ позволяет использовать тепловую энергию только в узком диапазоне температур, также он обладает значительной инерционностью и не может обеспечивать высокий КПД преобразования низкопотенциальной энергии окружающей среды (воды и воздуха) в механическую энергию.

Известен также парокомпрессионные способы термотрансформации, включающие испарение рабочей среды при пониженном давлении, сопровождаемое поглощением тепловой энергии низкотемпературного источника, сжатие рабочей среды в парообразном состоянии с помощью компрессора, охлаждение и конденсацию рабочей среды с передачей, выделяющейся при этом тепловой энергии более высокотемпературному приемнику, и понижение давления рабочей среды (как правило, дросселированием) перед испарением. (См. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. - М.. Энергия, 1968, с.185 - 212., а также изобретение СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРАНСФОРМАЦИИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ, RU 2161759, МПК 7 F25B 9/08, F25B 30/02).

Однако, энергетическая эффективность такого рода устройств сравнительно мала и уступает по эффективности способам на основе низкотемпературных кипящих жидкостей, поскольку требует применения устройства для трансформации тепловой энергии (холодильник или тепловой насос), включающее циркуляционный контур с установленными в нем последовательно испарителем, струйным аппаратом, охладителем (конденсатором), дросселем или детандером, и дополнительный циркуляционный контур (коммуникации), содержащий насос и испаритель высокого давления и подключенный к основному контуру со стороны насоса между охладителем и дросселем, а со стороны испарителя высокого давления - к струйному аппарату. Известна теплосиловая установка, содержащая высокопотенциальный источник тепла, замкнутый контур с промежуточным теплоносителем, силовую турбину, теплообменники для нагрева и охлаждения рабочего тела. (См. изобретение ТЕПЛОТРУБНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, RU2287709, МПК F01K 25/00) Основные недостатки такой установки:

- сложность конструкции, потребность в источниках высоких температур, невозможность использования низкопотенциального тепла в широком диапазоне температур от -50 градусов по Цельсию до +150 градусов по Цельсию, например, от естественных и/или техногенных источников;

- невысокий КПД из-за непроизводительных потерь тепла на образование и конденсацию пара легкокипящей жидкости, который используется для вытеснения вспомогательной жидкости из камеры, а также невозможность использования в цикле низкопотенциального тепла для производства, например, электроэнергии и образования экологически чистой системы преобразования тепла.

Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности и достигаемому результату является способ преобразования тепловой энергии в механическую и электрическую энергию - теплосиловая установка, содержащая блок высокопотенциального источника тепла, замкнутый контур с промежуточным теплоносителем, силовую турбину, теплообменники для нагрева и охлаждения рабочего тела для преобразования энергии жидкой и газовой фаз в механическую и электрическую энергию. (См. изобретение «ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА И СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЕЕ РАБОЧЕГО ТЕЛА», RU 2013572, МПК 5 F01K 25/00).

Основные недостатки такой установки - необходимость и сложность технологии приготовления ее рабочего тела и, как результат, сложность конструкции, потребность в источниках высоких температур, невозможность использования низкопотенциального тепла, например, от естественных или техногенных источников, невысокий КПД.

Целью полезной модели является создание устройства преобразования низкопотенциальной тепловой энергии окружающей среды и/или техногенных процессов за счет использования разности их температур, при воздействии разности температур на низкотемпературную кипящую жидкость (например, фреон), и использование ее переходов в агрегатные состояния из жидкой в газообразную фазы для экологически чистого преобразования энергии расширения газообразной фазы низкотемпературной кипящей жидкости в механическую энергию мембраны воздушного компрессора, и механическую энергию вращения воздушной турбины в электрическую.

Реализация полезной модели

Указанная цель достигается за счет того, что устройство преобразования низкопотенциальной тепловой энергии окружающей среды в механическую и электрическую энергию, содержащее блок высокопотенциального источника тепла, замкнутый контур с промежуточным теплоносителем, силовую турбину, теплообменники для нагрева и охлаждения рабочего тела для преобразования энергии жидкой и газовой фаз в механическую и электрическую энергию за счет использования разности температуры окружающей среды, при воздействии на низкокипящую жидкость, отличающееся тем, что накопитель тепловой энергии блока источника тепла соединен с теплообменником корпуса теплового компрессора через разделительные шаровые краны, мембрана в корпусе теплового компрессора соединена с всасывающим и нагнетательным клапанами воздушной среды, патрубки газообразной и жидкой фаз низкотемпературной кипящей жидкости корпуса теплового компрессора соединены с камерой охлаждения через разделительные клапаны газообразной и жидкой фаз низкотемпературной кипящей жидкости, контур охлаждения камеры охлаждения соединен с блоком охлаждения, цепи управления разделительными клапанами газообразной и жидко фаз низкотемпературной кипящей жидкости соединены с блоком усиления мощности, который соединен цепью управления клапанами с устройством управления, который соединен цепью питания с блоком контроля и управления, а к блоку контроля и управления присоединен вход от внешнего источника электрической энергии (стационарная промышленная сеть и/или внешний независимый источник) для первичного пуска устройства управления, также содержит цепь генератора тока, цепь выхода электрического тока, причем блок контроля и управления снабжен кнопкой включения устройства управления, кнопкой переключения устройства управления в автономный режим и кнопкой выключения, а воздушная турбина соединена с валом генератора тока, и соединена через пневмомагистраль с нагнетательным клапаном мембраны корпуса теплового компрессора.

Краткое описание чертежей




На Фиг.1 показана конструктивная схема преобразователя низкопотенциальной энергии окружающей среды и/или техногенных процессов, где 1 - Блок источника тепла, 2 - Блок теплового компрессора, 3 - Блок источника холода, 4 - Блок генератора тока, 5 - Накопитель тепловой энергии, 6 - Контур теплового нагрева, 7 - Шаровые краны, 8 - Заливной патрубок, 9 - Корпус теплового компрессора, 10 - Фреон, 11 - Теплообменник, 12 - Мембрана, 13 - Клапан всасывания, 14 - Клапан нагнетания, 15 - Патрубок для газообразной фазы фреона, 16 - Патрубок для жидкой фазы фреона, 17 - Устройство управления, 18 - Цепь управления клапанами, 19 - Блок усиления мощности, 20 - Цепь управления разделительным клапаном газообразной фазы фреона, 21 - Цепь управления разделительным клапаном жидкой фазы фреона, 22 - Клапан разделительный газообразной фазы фреона, 23 - Клапан разделительный жидкой фазы фреона, 24 - Камера охлаждения, 25 - Контур охлаждения, 26 - Блок охлаждения, 27 -Пневмомагистраль, 28 - Воздушная турбина, 29 - Генератор тока, 30 - Блок контроля и управления, 31 - Цепь генератора тока, 32 - Вход от внешнего источника электрического тока, 33 - Выход электрического тока агрегата, 34 - Цепь питания устройства управления 17, 35 - Кнопка включения устройства управления 17, 36 - Кнопка переключения устройства управления в автономный режим от цепи 31, 37 - Кнопка выключения. На Фиг.2. показана диаграмма работы клапана 21 слива жидкой фазы фреона из камеры охлаждения 24 в корпус теплового компрессора 9.

На Фиг.3. показана диаграмма работы клапана 22 удаления газообразной фазы фреона из корпуса теплового компрессора 9 в камеру охлаждения 24.

На Фиг.4. показана диаграмма изменение давления фреона в корпусе теплового компрессора 9, воздействующего на мембрану 12.

На диаграммах:

Трк - время работы теплового компрессора в режиме нагнетания воздуха,

Тсп - время совмещенного открытия клапанов 22 и 23, Ти - время длительности импульса управления клапанами (одинаково для клапанов 22 и 23), Тп - время длительности периода сигнала управления (одинаково для клапанов 22 и 23), Тсф - время слива фреона через клапан 23 из камеры охлаждения 24 в корпус теплового насоса 9, T - время фазы задержки сигнала управления клапаном 23 слива жидкой фазы фреона из камеры охлаждения 24, по отношению к сигналу управления клапаном 22 для удаления газообразной фазы фреона из корпуса теплового насоса 9.




Осуществление полезной модели

Устройство может быть реализовано на основе преобразователя низкопотенциальной энергии окружающей среды и/или техногенных процессов.

Посредством использования низкопотенциальной тепловой энергии окружающей среды и/или техногенных процессов, а именно: разности их температур, путем воздействия на низкотемпературную кипящую жидкость (например, фреон), происходит изменение ее агрегатного состояния - переход из жидкой в газообразную фазы и наоборот, выполняется экологически чистое преобразование энергии расширения газообразной фазы низкотемпературной кипящей жидкости в механическую энергию мембраны воздушного компрессора, и далее в механическую энергию вращения воздушной турбины в электрическую.

Принцип работы устройства основан на преобразовании низкопотенциальной тепловой энергии окружающей среды и/или техногенных процессов за счет использования разности их температур, при воздействии разности температур на низкотемпературную кипящую жидкость (например, фреон), и использование ее переходов в агрегатные состояния из жидкой в газообразную фазы для экологически чистого преобразования энергии расширения газообразной фазы низкотемпературной кипящей жидкости в механическую энергию мембраны воздушного компрессора, и механическую энергию вращения воздушной турбины в электрическую. Устройство реализуется применением блока высокопотенциального источника тепла, замкнутый контур с промежуточным теплоносителем, силовую турбину, теплообменники для нагрева и охлаждения рабочего тела для преобразования энергии жидкой и газовой фаз в механическую и электрическую энергию. Отличием устройства является накопитель тепловой энергии блока источника тепла соединен с теплообменником корпуса теплового компрессора через разделительные шаровые краны, мембрана в корпусе теплового компрессора соединена с всасывающим и нагнетательным клапанами воздушной среды, патрубки газообразной и жидкой фаз низкотемпературной кипящей жидкости корпуса теплового компрессора соединены с камерой охлаждения через разделительные клапаны газообразной и жидкой фаз низкотемпературной кипящей жидкости, контур охлаждения камеры охлаждения соединен с блоком охлаждения, цепи управления разделительными клапанами газообразной и жидкой фаз низкотемпературной кипящей жидкости соединены с блоком усиления мощности, который соединен цепью управления клапанами с устройством управления, который соединен цепью питания с блоком контроля и управления, к блоку контроля и управления присоединен вход от внешнего источника электрической энергии (стационарная промышленная сеть и/или внешний независимый источник) для первичного пуска устройства управления, цепь генератора тока, цепь выхода электрического тока, блок контроля и управления снабжен кнопкой включения устройства управления, кнопкой переключения устройства управления в автономный режим и кнопкой выключения, воздушная турбина соединена с валом генератора тока, и соединена через пневмомагистраль с нагнетательным клапаном мембраны корпуса теплового компрессора.

Принцип работы преобразователя низкопотенциальной энергии окружающей среды и/или техногенных процессов основан на следующем.

Начальное состояние устройства. Шаровые клапаны - 7 закрыты. Низкотемпературная кипящая жидкость (например, фреон) - 10 залит в корпус теплового компрессора - 9, через заливной патрубок 8. Кнопкой - 36 запускается по цепи - 34 устройство управление 17 и по цепи 18 через блок усиления мощности 19 по цепям управления 20 и 21 поступают сигналы управления клапанами 22 и 23. Диаграмма работы клапанов представлена на Фиг.2 и Фиг.3.

Работа устройства. Открываются шаровые клапаны - 7, и через контур теплового нагрева - 6 от накопителя тепловой энергии 5 в теплообменник - 11, размещенный в корпусе теплового компрессора - 9, подается тепловая энергия, которая приводит к фазовому переходу от жидкой фазы низкотемпературной кипящей жидкости - 10 в фазу газообразного состояния, и давление в корпусе теплового насоса - 9 возрастает (см. Фиг.4).

В соответствии с Фиг.2, Фиг.3, диаграммы работы клапанов - 22 и 23, и цикл работы теплового компрессора - 9, происходит в соответствии с процессами, представленными на Фиг.4, которые могут быть представлены в виде следующих фаз, определяемых через временные параметры работы клапанов 22 и 23.

Фаза 1. Вскипание фреона и возрастание давления в корпусе теплового компрессора - 9 и выпуск воздуха из клапана - 14 (Трк). Клапаны 22 и 23 закрыты. Фаза 2. Открытие клапана - 22 и поступление в камеру охлаждения - 24 газообразной фазы низкотемпературной кипящей жидкости, резкое падение давления в камере охлаждения - 24, и, как результат, дальнейшее всасывание газообразной фазы низкотемпературной кипящей жидкости в камеру охлаждения - 24, и конденсация ее в жидкость в нижней части камеры охлаждения - 24 (Tсп).

Фаза 3. Открытие клапана - 23 со временем совмещенного открытия клапанов 22 и 23 (Tсп). За счет избыточного давления жидкой фазы низкотемпературной кипящей жидкости в камере охлаждения - 24, последняя поступает в патрубок 16 и за тем в корпус теплового компрессора - 9. Транспортное запаздывание жидкой фазы низкотемпературной кипящей жидкости при движении в патрубке - 16 и времени совместного открытия клапанов 22 и 23 - Tсп, обеспечивается синхронизация процессов фазовых переходов жидкость - газ и наоборот.

Фаза 4. Закрытие клапана - 22 и клапана - 23 (Трк). Переход к Фазе 1. Далее цикл работы теплового компрессора повторяется.

Изменение давления в корпусе теплового компрессора - 9 нагнетает воздух в мембрану через клапан 13 и через клапан - 14 по воздушной магистрали - 27 воздух поступает на воздушную турбину - 28, вращающую генератор тока - 29, выход которого соединен цепью 31 с блоком контроля и управления - 30.

При выходе на рабочий режим генератора тока - 29, выполняется переключение кнопкой 36 перевод устройства в автономный режим работы и подключение выхода электрического тока - 33 к цепи - 31 генератора тока - 29.

Устройство преобразования низкопотенциальной тепловой энергии окружающей среды в механическую и электрическую энергию, содержащее блок высокопотенциального источника тепла, замкнутый контур с промежуточным теплоносителем, силовую турбину, теплообменники для нагрева и охлаждения рабочего тела для преобразования энергии жидкой и газовой фаз в механическую и электрическую энергию за счет использования разности температуры окружающей среды, при воздействии на низкокипящую жидкость, отличающееся тем, что накопитель тепловой энергии блока источника тепла соединен с теплообменником корпуса теплового компрессора через разделительные шаровые краны, мембрана в корпусе теплового компрессора соединена с всасывающим и нагнетательным клапанами воздушной среды, патрубки газообразной и жидкой фаз низкотемпературной кипящей жидкости корпуса теплового компрессора соединены с камерой охлаждения через разделительные клапаны газообразной и жидкой фаз низкотемпературной кипящей жидкости, контур охлаждения камеры охлаждения соединен с блоком охлаждения, цепи управления разделительными клапанами газообразной и жидкой фаз низкотемпературной кипящей жидкости соединены с блоком усиления мощности, который соединен цепью управления клапанами с устройством управления, который соединен цепью питания с блоком контроля и управления, а к блоку контроля и управления присоединен вход от внешнего источника электрической энергии (стационарная промышленная сеть и/или внешний независимый источник) для первичного пуска устройства управления, также содержит цепь генератора тока, цепь выхода электрического тока, причем блок контроля и управления снабжен кнопкой включения устройства управления, кнопкой переключения устройства управления в автономный режим и кнопкой выключения, а воздушная турбина соединена с валом генератора тока, и соединена через пневмомагистраль с нагнетательным клапаном мембраны корпуса теплового компрессора.