ГЕНЕРАТОР
GENERATOR

Область техники
Настоящая заявка относится к системам генерации электроэнергии и, в частности, к системам, предназначенным для генерации электроэнергии посредством нагревания/охлаждения и соответствующего расширения/сжатия материала.
Уровень техники
Генерация электроэнергии представляет собой способ, в ходе которого некоторая форма энергии переходит в электроэнергию; в настоящее время известны и применимы многие способы выполнения этой задачи. Некоторые из этих способов включают преобразование одной формы энергии в механическую энергию, обеспечивающее возможность перемещения/поворота механического элемента в магнитном поле для генерации электроэнергии.
Некоторые из этих способов представляют собой:
- сгорание угля для превращения воды в пар с возможностью расширения пара и поворота турбины, являющейся механическим элементом;
- использование солнечной энергии для превращения воды в пар с возможностью осуществления той же задачи;
- использование энергии падающей воды для поворота гидротурбины;
- сгорание газа внутри камеры сгорания для перемещения поршня (например, в двигателе внутреннего сгорания).
Кроме того, также существуют способы генерации электроэнергии, основанные на сжатии/расширении среды, вызывающих возвратно-поступательное перемещение механического элемента. В некоторых из этих способов сжатие/расширение среды выполнено посредством нагревания/охлаждения среды.
Такие устройства описаны, например, в следующих публикациях: GB 136437, WO 09064378 A2, US 08236166 A1, US 198960 A1, US 0609912 A1 и т.д.
Раскрытие изобретения
Согласно настоящей заявке предложен генератор, выполненный с возможностью извлечения теплоты из среды и использования указанной теплоты в способе генерации электроэнергии. В частности, указанная теплота может быть использована для возвратно-поступательного перемещения/поворота механического элемента для генерации электроэнергии.
Согласно одной особенности настоящей заявки предложен генератор, содержащий модуль перепада температур, выполненный с возможностью наличия первого резервуара и второго резервуара с разностью температур между ними, модуль давления, содержащий среду под давлением с возможностью попеременного теплообмена с резервуарами модуля перепада температур с целью создания колебаний его температуры, и модуль преобразования, выполненный с возможностью использования колебаний температуры модуля давления для генерации электроэнергии.
В частности указанный генератор может содержать:
- модуль перепада температур, по меньшей мере содержащий:
- первый резервуар высокой температуры, выполненный с возможностью поддержания рабочей среды при высокой температуре и находящийся в селективном тепловом контакте со средой под давлением указанного модуля давления;
- второй резервуар низкой температуры, выполненный с возможностью поддержания рабочей среды при низкой температуре и находящийся в селективном тепловом контакте со средой под давлением указанного модуля давления; и
- тепловое приспособление, выполненное с возможностью поддержания разности температур между резервуарами;
- модуль давления, содержащий среду под давлением, выполненный с возможностью поочередного выполнения теплообмена с рабочей средой высокой/низкой температуры с целью создания колебаний ее температуры между минимальной рабочей температурой и максимальной рабочей температурой, соответствующих высокой и низкой температуре резервуаров; причем среда под давлением механически связана с модулем преобразования для реализации его работы;
- модуль преобразования, выполненный с возможностью преобразования колебаний температуры среды под давлением в выпускную энергию; и
- устройство рекуперации теплоты, выполненное с возможностью переноса теплоты от модуля давления назад к модулю перепада температур или к модулю давления.
Очевидно, что термин «среда» использован здесь для описания любого из следующих объектов: твердые тела, текучие среды, жидкости и газы. Например, среда под давлением может даже быть твердым телом, или, например, даже материалом, затвердевающим под давлением.
H
C
L
H
C
H
C
Также очевидно, что термины «высокая температура» и «низкая температура» обозначают две различные температуры T и T (здесь они также обозначены как T), и при этом T>T. В различных примерах реализации температуры T и T могут быть следующими:
H
C
- T и T выше температуры окружающей среды;
H
C
- T и T ниже температуры окружающей среды; и
H
C
- T выше температуры окружающей среды, а T ниже температуры окружающей среды.
Термин «температура окружающей среды» обозначает здесь среднюю температуру внешней среды, в которой расположен по меньшей мере модуль перепада температур генератора. В частности, хотя обычно окружающая среда представляет собой просто воздух, генератор также может быть выполнен с возможностью погружения в любую желаемую среду и, таким образом, термин «температура окружающей среды» будет иметь отношение к средней температуре этой среды.
Модуль перепада температур может содержать подсистему рабочей среды, содержащую резервуар высокой температуры и резервуар низкой температуры. В частности, каждый из резервуаров высокой/ низкой температуры может содержать впускной трубопровод, выполненный с возможностью селективного сообщения через текучую среду между резервуарами и впускным концом модуля давления, и выпускной трубопровод, выполненный с возможностью селективного сообщения через текучую среду между выпускным концом модуля давления и резервуарами.
Соответствующие впускные/выпускные трубопроводы модуля перепада температур выполнены с возможностью поочередной подачи рабочей среды с высокой/низкой температурой в модуль давления для выполнения теплообмена со средой под давлением.
Подсистема рабочей среды может содержать тепловой насос, имеющий блок испарителя и блок конденсатора, причем тепловой насос выполнен с возможностью отбирать количество теплоты Q из блока испарителя в блок конденсатора при подаче к нему впускной мощности W. В результате работы теплового насоса в блок конденсатора постоянно поступает теплота, так что температура блока конденсатора выше температуры блока испарителя.
Схема расположения такова, что по меньшей мере один резервуар из резервуара высокой температуры и резервуара низкой температуры термически связан с одним блоком из указанного блока испарителя и блока конденсатора теплового насоса. Например, резервуар высокой температуры может быть термически связан с блоком конденсатора теплового насоса, и/или резервуар низкой температуры может быть термически связан с блоком испарителя теплового насоса. Таким образом, тепловой насос может работать в качестве устройства охлаждения для поддержания резервуара низкой температуры при желаемой «низкой» температуре, а теплота, извлеченная из воздуха тепловым насосом во время охлаждения, использована для поддержания резервуара высокой температуры при желаемой «высокой» температуре.
Тепловую ассоциацию между блоком испарителя/конденсатора теплового насоса и резервуаром высокой/низкой температуры можно получить посредством непосредственного/косвенного контакта между блоком испарителя/конденсатора теплового насоса и рабочей средой, содержащейся внутри резервуара высокой/низкой температуры, обеспечивающего процесс теплообмена между первым и вторым. Согласно конкретному примеру реализации, такой контакт получают посредством погружения блока испарителя/конденсатора теплового насоса в рабочую среду высокой/низкой температуры.
Согласно одной конкретной конструкции резервуар высокой температуры имеет непосредственный тепловой контакт с конденсаторной стороной теплового насоса, а резервуар низкой температуры связан с внешней окружающей средой (то есть, подвержен воздействию температуры окружающей среды). Согласно конкретному примеру этой конструкции резервуар низкой температуры хотя и подвержен воздействию внешней окружающей среды, может также быть оснащен элементом, обеспечивающим тепловую ассоциацию резервуара низкой температуры с блоком испарителя теплового насоса.
Согласно другой конструкции резервуар высокой температуры имеет непосредственный тепловой контакт с конденсаторной стороной теплового насоса, а резервуар низкой температуры имеет непосредственный тепловой контакт со стороной испарителя теплового насоса.
Модуль давления может содержать сосуд, содержащий среду под давлением и по меньшей мере одну трубу (называемую здесь «трубой» или «сердечником»), имеющую впускной конец и выпускной конец, представляющие собой соответствующие впускной и выпускной концы модуля давления. Таким образом, указанная труба может быть выполнена с возможностью селективного сообщения через текучую среду с указанными резервуарами высокой/низкой температуры, обеспечивая прохождение через нее рабочей среды с высокой/низкой температурой.
В качестве альтернативы генератор может быть выполнен с возможностью прохождения рабочей среды с высокой/низкой температурой через трубу сосуда (при использовании селективного сообщения через текучую среду с резервуарами) для выполнения теплообмена со средой под давлением. Таким образом, рабочая среда высокой температуры использована для доведения среды под давлением до указанной максимальной рабочей температуры, а указанная рабочая среда низкой температуры использована для доведения указанной среды под давлением до указанной минимальной рабочей температуры.
В результате среда под давлением выполнена с возможностью колебания между ее максимальной рабочей температурой и ее минимальной рабочей температурой, причем указанное колебание вызывает соответствующее увеличение/уменьшение объема указанной среды под давлением, что может быть использовано модулем преобразования для выработки электроэнергии.
Что касается модуля давления, то могут быть использованы (по отдельности или в комбинации друг с другом) следующие особенности:
- сосуд может быть сосудом давления, в котором среду под давлением предварительно подвергают воздействию давления для создания среды высокого давления; преимущества предварительного воздействия на среду под давлением станут очевидными при подробном описании работы генератора;
- сосуд может содержать более одного проходящего через него сердечника, причем каждый сердечник выполнен с возможностью селективного сообщения через текучую среду с резервуарами модуля перепада температур;
- сердечники могут селективно сообщаться через текучую среду друг с другом, что обеспечивает их возможность принимать по меньшей мере первую, линейную конфигурацию, в которой сердечники образуют длинный единственный путь потока для рабочей среды, и вторую, параллельную конфигурацию, в которой сердечники выполнены с возможностью одновременного потока рабочей среды через них;
- сердечник/сердечники могут быть изготовлены из материалов с высоким сопротивлением силам сжатию/давления, имеющим низкую теплоемкость и высокий коэффициент теплообмена; например, такими материалами могут быть карбид кремния, карбид вольфрама, титан и т.д.;
- длина L сосуда давления может быть значительно больше его диаметра D, и, таким образом, несколько поддерживающих элементов могут быть нужны внутри сосуда давления для поддержания проходящих через него сердечников;
- сосуд давления может содержать один или несколько сердечников, имеющих совместную ориентацию и точки соединения в поддерживающих элементах;
- по меньшей мере один из сердечников может быть оснащен устройством диссипации, контактирующим со средой под давлением и выполненным с возможностью увеличения эффективности теплообмена со средой под давлением и, таким образом, увеличения эффективности теплообмена между рабочей средой и средой под давлением;
- устройство диссипации может быть выполнено вместе с сердечником или быть отдельным прикрепленным к нему устройством; в первом случае сердечник может быть выполнен с увеличенной площадью поверхности в виде ребер/зубцов и т.п., а во втором случае сердечник может быть оснащен по меньшей мере одним элементом диссипации, установленным на нем (например, ребрами/крыльями/лопатками и т.д.);
- один или несколько сердечников могут быть выполнены с возможностью поворота относительно собственных осей, или все сердечники могут быть выполнены с возможностью поворота относительно общей оси (например, центральной оси сосуда давления);
- отдельное устройство диссипации может также быть выполнено с возможностью поворота относительно сердечников, на которых оно установлено;
- отдельное устройство диссипации может быть выполнено с возможностью управления посредством двигателя; также есть возможность одновременного управления устройствами диссипации нескольких сердечников посредством единственного двигателя;
- двигатель, управляющий устройством диссипации, может быть расположен вне сосуда давления;
- ведущий вал двигателя может быть выполнен с возможностью выхода с обеих сторон сосуда давления, причем он даже способен быть управляем двумя двигателями, то есть, по одному двигателю, соединенному с ведущим валом на каждом конце. Очевидно, что при выходе ведущего вала только с одного конца сосуда давления, то есть, при расположении его второго конца внутри сосуда давления, давление внутри сосуда может прилагать большую нагрузку на ведущий вал, пытаясь вытолкнуть его из сосуда давления. Это явление может быть настолько серьезным, что есть риск выброса ведущего вала из сосуда;
- каждый сердечник может также быть оснащен внутренним устройством, выполненным с возможностью увеличения теплообмена внутри рабочей среды и увеличения, посредством этого, эффективности теплообмена между средой под давлением и рабочей средой;
- согласно одному примеру реализации это внутреннее устройство может быть статическим устройством, то есть, просто расположенным внутри сердечника; согласно другому примеру реализации внутреннее устройство может быть динамическим устройством, выполненным с возможностью смещения/поворота внутри сердечника для циркуляции рабочей среды, проходящей через сердечник;
- внутреннее устройство может также быть выполнено с возможностью активного перемещения рабочей среды вдоль сердечника (например, типа винта Архимеда);
- относительно длинный сосуд давления может содержать два или несколько сердечников, которые коллинеарно соединены друг с другом, а также содержать уплотненные поддерживающие элементы в узлах соединения между двумя смежными цилиндрами;
- среду под давлением внутри указанного сосуда можно подвергать предварительной нагрузке и содержать под давлением в диапазоне 2000-8000 атмосфер, предпочтительнее в диапазоне 3000-7500 атмосфер, еще предпочтительнее в диапазоне 4000-7000 атмосфер и еще предпочтительнее в диапазоне 5000-6500 атмосфер; очевидно, что при использовании подходящих материалов для изготовления сосуда давления возможна еще большая предварительная нагрузка среды под давлением;
- среда под давлением может иметь коэффициент теплового расширения в диапазоне 100-1200, предпочтительнее в диапазоне 250-1100, еще предпочтительнее в диапазоне 500-1000 и еще предпочтительнее в диапазоне 600-900; и
- среда под давлением может быть выбрана из группы, содержащей: бромистый этил, воду, N-пентен, диэтиловый эфир, метанол, этиловый спирт, ртуть и кислоты;
Кроме того, по меньшей мере один компонент генератора или несколько его компонентов, посредством которых происходит теплообмен (например, сердечники, трубки, поверхности и т.д.), могут быть выполнены с поверхностью для обмена теплотой, имеющей увеличенную площадь поверхности; в частности, указанная поверхность может быть выполнена с элементами, увеличивающими ее площадь, например, с выпуклостями, выступами и т.д.; согласно одному конкретному примеру реализации, эти элементы могут представлять собой микроструктуры, имеющие такие геометрические формы, как кубы, пирамиды, конусы и т.д.; согласно другому примеру реализации эти элементы могут представлять собой ребра (или параллельные или спиральные).
В последнем случае такие элементы в форме ребер обеспечивают, что в поперечном сечении трубопроводов, проведенном вдоль их центральной оси, поверхность волнообразная (между пиками и впадинами). При образовании ребер и на внутренней и на внешней поверхности трубопровода схема расположения может быть такой, что пик на внутренней поверхности обращен к впадине на наружной поверхности и наоборот, обычно поддерживая тем самым постоянную толщину материала в каждом поперечном сечении, перпендикулярном центральной оси.
Очевидно, что такое предварительное формирование указанных микроструктур на наружной поверхности вышеупомянутого цилиндрического компонента довольно просто, но предварительное формирование микроструктур на внутренней поверхности вышеупомянутого цилиндрического компонента представляет собой более трудную задачу. Ниже указаны операции способа предварительного формирования микроструктур на внутренней поверхности цилиндрического компонента:
(a) изготовление плоской по существу пластины с первой поверхностью и противоположной второй поверхностью;
(b) предварительное формирование указанных микроструктур на указанной первой поверхности;
(c) изготовление матрицы, выполненной с несквозной полостью, соответствующей по размеру и форме указанной пластине, причем указанная полость содержит базовую поверхность и отверстие на поверхности матрицы;
(d) размещение указанной пластины в указанной полости таким образом, что указанная вторая поверхность совмещена с указанной базовой поверхностью и указанная первая поверхность обращена к отверстию полости с образованием промежутка между указанной первой поверхностью и указанным отверстием;
(e) введение материала наполнителя в полость для заполнения указанного промежутка, включая пространство, образованное между микроструктурами;
(f) отвердение указанного материала наполнителя с образованием единственной пластины, составленной из указанной пластины и затвердевшего материала наполнителя, причем первая поверхность представляет собой указанный материал наполнителя, а вторая поверхность представляет собой вторую поверхность первоначальной пластины;
(g) деформирование указанной единственной пластины с образованием по меньшей мере частично цилиндрической формы, так что вторая поверхность указанной единственной пластины представляет собой наружную поверхность указанного сердечника, а первая поверхность указанной единственной пластины представляет собой внутреннюю поверхность указанного сердечника;
(h) удаление указанного материала наполнителя из указанной единственной пластины с образованием первоначальной пластины с микроструктурами, выполненными на ее внутренней поверхности; и
(i) окончательная отделка внутренней поверхности с микроструктурами.
Модуль преобразования генератора может содержать динамическое устройство, находящееся в механической связи со средой под давлением для управления посредством этой среды. В частности динамическое устройство может содержать подвижный элемент, выполненный с возможностью возвратно-поступательного перемещения в соответствии с колебаниями температуры среды под давлением от указанной максимальной рабочей температуры до указанной минимальной рабочей температуры.
Согласно конкретному примеру реализации, динамическое устройство может содержать узел поршня, содержащий корпус с расположенным внутри поршнем, разделяющим корпус посредством уплотнения на первую впускную камеру, находящуюся в механической связи со средой под давлением, и вторую выпускную камеру, находящуюся в механической связи с узлом двигателя, выполненным с возможностью генерации электроэнергии на выходе.
Поршень модуля преобразования может быть выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения внутри корпуса, соответствующего колебаниям объема среды под давлением. В частности, при увеличении температуры среды под давлением ее объем соответственно возрастает, перемещая, таким образом, поршень с увеличением объема впускной камеры и уменьшением объема выпускной камеры. Наоборот, при уменьшении температуры среды под давлением ее объем, соответственно, падает, перемещая, таким образом, поршень с уменьшением объема впускной камеры и увеличением объема выпускной камеры. Узел двигателя может использовать это возвратно-поступательное перемещение для выработки электроэнергии на выходе.
Согласно одному примеру реализации, узел двигателя содержит устройство в виде коленчатого вала, так что возвратно-поступательное перемещение поршня выполнено с возможностью поворота коленчатого вала вокруг его оси. Известными средствами этот поворот может быть преобразован для выработки электроэнергии на выходе.
Согласно другому примеру реализации поршень может быть связан с линейным валом, выполненным с возможностью зацепления с зубчатой передачей, которая в свою очередь выполнена с возможностью преобразования линейного возвратно-поступательного перемещения вала в поворотное перемещение. Известными средствами это поворотное перемещение может быть преобразовано для выработки электроэнергии на выходе.
Конкретный пример осуществления конструкции может содержать промежуточное устройство между поршнем и двигателем, например, поршень может быть выполнен с возможностью его управления посредством давления на промежуточный материал, например, масло.
Генератор согласно настоящей заявке может дополнительно содержать по меньшей мере один вспомогательный теплообменник, имеющий тепловой контакт по меньшей мере с одним из выпускных трубопроводов резервуара высокой температуры и резервуара низкой температуры. Теплообменник может быть выполнен с возможностью теплообмена между рабочей средой внутри указанных выпускных трубопроводов и внешней окружающей средой и/или средой, в которую погружен теплообменник.
Таким образом, теплообменник может быть выполнен с возможностью соответствующего охлаждения/нагревания рабочей среды, нагреваемой/охлаждаемой во время теплообмена со средой под давлением модуля давления, вплоть до ее выхода из сосуда давления.
Теперь будут описаны примеры различных конструкционных конфигураций генератора, а также способы работы каждой конфигурации, причем в некоторых конфигурациях генератор способен содержать дополнительные элементы, детали, модули и/или устройства. Очевидно, что хотя обеспечена возможность независимого использования каждой конфигурации, различные возможности различных конфигураций можно комбинировать с образованием новых конфигураций генератора.
Основная конфигурация
Согласно основной конфигурации вышеописанного генератора модуль перепада температур содержит резервуар высокой температуры, находящийся в тепловом контакте с блоком конденсатора теплового насоса, и резервуар низкой температуры, находящийся в тепловом контакте с внешней окружающей средой.
Очевидно, что в этой конфигурации на блок испарителя теплового насоса также воздействует внешняя окружающая среда, так что при работе блок испарителя постоянно изымает теплоту из окружающей среды, а тепловой насос постоянно изымает теплоту из блока испарителя в блок конденсатора.
Модуль давления содержит единственный сосуд давления, содержащий внутри среду под давлением, на которую предварительно воздействовало высокое давление (приблизительно 6000 атмосфер), и имеющий по меньшей мере одну трубу, проходящую через него. Кроме того, сосуд давления содержит впускной клапан, связанный с впускным концом трубы, и выпускной клапан, связанный с выпускным концом трубы. Сосуд давления может также содержать выпускной трубопровод, сообщающийся через текучую среду с динамическим устройством модуля преобразования.
Каждый из резервуаров высокой/низкой температуры содержит впускной трубопровод, выполненный с возможностью селективного сообщения через текучую среду между резервуаром и впускным клапаном, и выпускной трубопровод, выполненный с возможностью селективного сообщения через текучую среду между резервуаром и выпускным клапаном.
Таким образом, предложен способ генерации электроэнергии на выходе посредством генератора из вышеупомянутого примера, причем указанный способ включает следующие операции:
a) селективное открытие впускного и выпускного клапанов для создания сообщения через текучую среду между резервуаром высокой температуры и сосудом давления и прохождения рабочей среды с высокой температурой из резервуара высокой температуры во впускной клапан через трубу и из выпускного клапана назад в резервуар высокой температуры; в результате теплообмена между рабочей средой высокой температуры и средой под давлением первая остывает, а вторая претерпевает нагрев до своей максимальной рабочей температуры; при нагреве среда под давлением увеличивает объем, что вызывает перемещение поршня в одном направлении; и
b) селективное открытие впускного и выпускного клапанов для создания сообщения через текучую среду между резервуаром низкой температуры и сосудом давления и прохождения рабочей среды низкой температуры из резервуара низкой температуры во впускной клапан через трубу и из выпускного клапана назад в резервуар низкой температуры; в результате теплообмена между рабочей средой низкой температуры и средой под давлением первая претерпевает нагрев, а вторая остывает до минимальной рабочей температуры; при охлаждении среда под давлением уменьшает объем, что вызывает перемещение поршня в противоположном направлении.
Выполнение вышеупомянутых операций повторяющимся образом создает возвратно-поступательное перемещение поршня, обеспечивая, таким образом, генерацию электроэнергии генератором.
Следует отметить, что чем выше давление среды, находящейся под высоким давлением, тем эффективнее работа генератора с термодинамической точки зрения (при условии сохранения механической надежности генератора). В частности, поршень обладает заранее определенной силой сопротивления, что требует приложения заранее определенного порогового давления со стороны среды под давлением для преодоления этого сопротивления и перемещения поршня. При использовании среды низкого давления ее нагрев сначала приводит к увеличению давления среды низкого давления до порогового давления и только затем к смещению поршня.
В свете вышеупомянутого понятно, что предварительное воздействие высокого (превышающего пороговое) давления на среду внутри сосуда давления гарантирует, что последующий нагрев среды под давлением будет непосредственно приводить к смещению поршня и не будет непроизводительно использоваться на доведение давления среды до порогового значения.
Следует также отметить, что:
- при возврате в резервуар высокой температуры охлажденная рабочая среда с высокой температурой может оказаться способной поглотить дополнительную теплоту от блока конденсатора теплового насоса для восстановления своей первоначальной высокой температуры;
- при возврате в резервуар низкой температуры нагретая рабочая среда с низкой температурой может передать по меньшей мере некоторую теплоту во внешнюю окружающую среду для остывания и возврата своей температуры к первоначальной низкой температуре;
- при переходе от операции (а) к операции (b) и в зависимости от длины трубы может быть выгодным, после селективного переключения положения впускного клапана для образования сообщения через текучую среду с резервуаром низкой температуры, задержать селективное переключение положения выпускного клапана для образования сообщения через текучую среду с резервуаром низкой температуры; таким образом, после начала выполнения операции (b) содержащаяся внутри трубы рабочая среда с высокой температурой может быть сначала перемещена через ее выпускной трубопровод в резервуар высокой температуры, и только затем выпускной клапан будет селективно переключен для образования сообщения через текучую среду с резервуаром низкой температуры; то же происходит при переходе от операции (b) к операции (а).
Вышеупомянутый способ может кроме того содержать дополнительную операцию (с), в ходе которой нагретая рабочая среда с низкой температурой проходит через вспомогательный теплообменник для обеспечения возможности более эффективной передачи теплоты от рабочей среды во внешнюю окружающую среду.
Конфигурация непосредственной рекуперации
Согласно вышеупомянутой конфигурации выпускной трубопровод резервуара низкой температуры не идет непосредственно назад в резервуар низкой температуры после перехода из сосуда давления, а сначала проходит через блок испарителя теплового насоса. Таким образом, вместо перехода его теплоты в окружающую среду и повторного поглощения тепловым насосом в блоке испарителя, она непосредственно возвращена в блок испарителя теплового насоса, увеличивая тем самым эффективность работы генератора.
Конфигурация с охлажденным резервуаром
Согласно вышеупомянутой конфигурации генератора показана конфигурация с охлажденным резервуаром, в которой первый резервуар высокой температуры имеет тепловой контакт с блоком конденсатора теплового насоса (как в предыдущих примерах), а резервуар низкой температуры имеет тепловой контакт с блоком испарителя теплового насоса.
В вышеуказанной конфигурации рабочая среда с низкой температурой рекуперирует некоторое количество теплоты из среды под давлением посредством теплообмена с ней и остающееся количество теплоты из окружающей среды для создания полного количества теплоты, переходящего из блока испарителя в блок конденсатора теплового насоса.
Совместная работа
Генератор может содержать два сосуда давления, каждый из которых присоединен к резервуару высокой температуры и резервуару низкой температуры посредством соответствующих впускных/выпускных клапанов. Кроме того, среда под давлением каждого из сосудов давления находится в механической связи и тепловом контакте с соответствующим поршнем.
Использование двух сосудов давления обеспечивает возможность по меньшей мере двух режимов работы генератора:
а) цикл одновременной работы, когда оба сосуда давления выполняют вышеуказанные операции (a) и (b) параллельно. Другими словами, в любой момент времени цикла генератора температура среды под давлением в одном сосуде давления аналогична температуре среды под давлением в другом сосуде давления, то есть обе среды под давлением нагреваются одновременно и остывают одновременно. В этой конфигурации генератор может содержать два блока двигателя, каждый из которых управляем своим соответствующим поршнем;
b) переменный цикл, когда сосуды давления выполняют операции (a) и (b) со сдвигом, например, когда один сосуд давления выполняет операцию (a) цикла, другой сосуд давления выполняет операцию (b) цикла. Другими словами, когда среда под давлением в одном сосуде давления подвергается нагреву, среда под давлением в другом сосуде давления подвергается охлаждению и наоборот. В этой конфигурации генератор может содержать один узел двигателя, управляемый двумя поршнями (то есть, оба поршня могут выполнять возвратно-поступательное перемещение синхронно друг с другом).
Конфигурация с промежуточным резервуаром
В этой конфигурации генератор может содержать три резервуара: резервуар высокой температуры, резервуар низкой температуры и резервуар промежуточной температуры. Эта схема расположения основана на конфигурации с охлажденным резервуаром, где добавлен дополнительный промежуточный резервуар, содержащий рабочую среду с промежуточной температурой. Резервуар промежуточной температуры выполнен с возможностью содержать рабочую среду с промежуточной температурой, причем термин «промежуточная» означает температуру между указанной высокой температурой и указанной низкой температурой. Каждый из резервуаров высокой/промежуточной/низкой температуры селективно сообщается через текучую среду с сосудом давления.
В этой схеме расположения вместе с операциями (a) и (b) выполняют две дополнительных операции (a') и (b'), описываемые относительно основной конфигурации следующим образом:
(a') [выполнена после операции (а)] прохождение рабочей среды с промежуточной температурой из резервуара промежуточной температуры через трубу сосуда давления, уменьшающее тем самым температуру среды под давлением (посредством теплообмена с ней) от максимальной рабочей температуры до промежуточной рабочей температуры (располагающейся между максимальной рабочей температурой и минимальной рабочей температурой); и
(b') [выполнена после операции (b)] прохождение рабочей среды с промежуточной температурой из резервуара промежуточной температуры через трубу сосуда давления, увеличивающее тем самым температуру среды под давлением (посредством теплообмена с ней) от минимальной рабочей температуры до промежуточной рабочей температуры (располагающейся между максимальной рабочей температурой и минимальной рабочей температурой).
В частности, во время вышеуказанных операций (a') и (b') рабочая среда с промежуточной температурой использована для охлаждения/нагревания среды под давлением посредством охлаждения/нагревания рабочей среды с промежуточной температурой посредством рабочей среды с высокой/низкой температурой, соответственно. Таким образом, каждая операция охлаждения/нагревания разделена на две стадии, причем первая выполнена рабочей средой с промежуточной температурой, а вторая выполнена рабочей средой с высокой/низкой температурой.
Очевидно, что в этой схеме расположения рабочая среда с высокой/низкой температурой использована на практике для нагревания/охлаждения в пределах уменьшенного температурного интервала (то есть, между промежуточной температурой и высокой температурой и/или между промежуточной температурой и низкой температурой), что делает работу генератора более эффективной.
Очевидно, что в этой схеме расположения резервуар промежуточной температуры может быть в тепловом контакте с внешней окружающей средой, а резервуары высокой/низкой температуры имеют тепловой контакт с блоками конденсатора/испарителя теплового насоса, соответственно.
Кроме того, любой из выпускных трубопроводов резервуаров высокой/промежуточной/низкой температуры может проходить через вспомогательный теплообменник после выхода из сосуда давления. Согласно конкретному примеру этой схемы расположения, промежуточный выпускной трубопровод может проходить через вспомогательный теплообменник для соответствующего выброса в атмосферу или поглощения из атмосферы необходимого количества теплоты, извлеченного/потерянного во время теплообмена со средой под давлением до возвращения в ее резервуары. Наоборот, выпускные трубопроводы резервуаров высокой/низкой температуры могут возвращать рабочую среду непосредственно в ее соответствующий резервуар без обязательного прохождения через теплообменник.
Конфигурация с переходом
В этой конфигурации генератор содержит два сосуда давления (аналогично схеме расположения совместной работы), а каждый выпускной клапан также селективно сообщается через текучую среду с впускными клапанами.
В частности, каждый выпускной клапан О также содержит перепускной трубопровод COL, который обеспечивает возможность сообщения через текучую среду между выпускным клапаном одного сосуда давления и впускным клапаном другого сосуда давления. В этой конфигурации возможно выполнение объясненных ниже дополнительных операций перехода:
(a”) операция [выполнена после операции (a')], в ходе которой рабочая среда WM с промежуточной температурой после выхода из трубы одного сосуда PV давления попадает через перепускной трубопровод COL на впускной клапан другого сосуда PV давления для начала нагревания находящейся в нем рабочей среды под давлением и только затем назад в резервуар промежуточной температуры через другой выпускной клапан; и
(b”) операция [выполнена после операции (b')], в ходе которой рабочая среда WM с промежуточной температурой после выхода из трубы одного сосуда PV давления попадает через перепускной трубопровод COL на впускной клапан другого сосуда PV давления для начала охлаждения находящейся в нем рабочей среды под давлением и только затем назад в резервуар промежуточной температуры через другой выпускной клапан.
Эта схема расположения обеспечивает возможность более значительной рекуперации теплоты из среды под давлением. В частности, вместо испускания/отбора некоторого количества теплоты в окружающую среду/из окружающей среды во время ее возвращения в резервуар промежуточной температуры, рабочая среда с промежуточной температурой теперь испускает/отбирает часть этого количества теплоты посредством теплообмена со средой под давлением, увеличивая тем самым эффективность генератора.
Конфигурация рекуперации с градиентом теплоты
В этой конфигурации генератор также содержит один сосуд давления (аналогично основной конфигурации) и по меньшей мере один градиентный бак, связанный с выпускным клапаном.
Градиентный бак может быть выполнен в виде устройства, способного предотвращать перемешивание частей содержащейся в нем рабочей среды, тем самым значительно уменьшая теплообмен между этими частями и скорость достижения этими частями теплового равновесия. В частности, используемый в генераторе по настоящему изобретению градиентный бак может содержать первую партию рабочей среды при температуре T1, вторую партию рабочей среды при температуре T2 и т.д., так что T1≠T2≠ и т.д.
В частности, как будет теперь объяснено, при работе генератора градиентный бак обеспечивает возможность поддержания содержащейся в нем рабочей среды при градиенте температуры, так что T1>T2>…>Tn, или в качестве альтернативы T1<T2<…<Tn.
Таким образом, партии нагретой/охлажденной рабочей среды с промежуточной температурой, входящие в градиентный бак, имеют различные температуры, и, как будет объяснено подробно позже, может быть выгодно поддерживать температурный градиент между этими партиями внутри градиентных баков. С этой целью градиентный бак может дополнительно содержать приспособление для препятствования смешиванию, выполненное с возможностью поддержания температурного градиента внутри резервуара посредством предотвращения перемешивания различных партий рабочей среды друг с другом. Другими словами, приспособление для препятствования смешиванию выполнено с возможностью замедления процесса достижения однородности температуры рабочей среды, полученной внутри градиентного бака.
Приспособление для препятствования смешиванию может представлять собой любое приспособление, содержащее такой путь потока, что площадь поперечного сечения для теплообмена между следующими друг за другом партиями рабочей среды, входящими в градиентный бак, достаточно мала для значительного замедления теплообмена. Термин «достаточно мала» относится к площади поперечного сечения, определенной номинальным размером D поперечного сечения, который значительно меньше длины L пути. Примерами такого приспособления для препятствования смешиванию могут быть:
- длинная трубка длины L и поперечного сечения D<<L;
- спиральная трубка с подобными характеристиками;
- спиральная поверхность, расположенная внутри резервуара с образованием пути потока с вышеупомянутыми свойствами; и
- ограничивающий лабиринт, образованный с несколькими путями потока, каждый из которых обладает вышеупомянутыми свойствами.
Во всех вышеупомянутых примерах путь потока может быть выполнен из материала с изолирующими свойствами, например, имеющего слабую теплопроводность. Один пример такого материала представляет собой пластик.
При работе несколько дополнительных операций прибавлены к основным рабочим операциям (а) и (b), как это следующим образом объяснено относительно основной конфигурации:
(b''') операция [выполнена перед операцией (b)], в ходе которой рабочая среда с низкой температурой проходит через трубу сосуда давления для нагревания посредством теплообмена со средой под давлением, но вместо возврата в резервуар низкой температуры попадает в градиентный бак; очевидно, что первая партия рабочей среды с низкой температурой выйдет из сосуда давления, достигая градиента при более высокой температуре, чем последняя партия (поскольку среда под давлением постепенно остывает в течение этого теплообмена); конструкция градиентного бака позволяет поддерживать каждую из этих партий при соответствующей собственной температуре, так что самая верхняя партия в градиентном баке имеет самую высокую температуру, а самая нижняя партия в градиентном баке имеет самую низкую температуру;
(b''') операция [выполнена после операции (b)], в ходе которой рабочая среда в градиентном баке рециркулирует назад через сосуд давления в порядке LIFO (пришел последним - ушел первым), постепенно нагревая тем самым среду под давлением до промежуточной температуры, и только затем начиная операцию (а) работы.
По существу, эти операции работы генератора описывают «остановленную» работу, когда рабочая среда WM в градиентном баке удержана там (остановлена) до наступления определенного момента времени, а затем выпущена в трубопровод генератора для выполнения требуемого теплообмена.
INTERMEDIATE
HOT
INTERMEDIATE
HOT
INTERMEDIATE
HOT
HOT
HOT
INTERMEDIATE
HOT
HOT
HOT
INTERMEDIATE
COLD
COLD
COLD
HOT
INTERMEDIATE
COLD
Очевидно, что каждая партия рабочей среды с промежуточной температурой, проходящая через нагретый/охлажденный сосуд давления, выходит из него с различной температурой. Например, при слежении за работой системы количественным образом можно видеть, что когда рабочая среда с промежуточной температурой T начинает циркулировать через нагретый сосуд давления, содержащий среду под давлением при высокой температуре T>T, первая партия рабочей среды с промежуточной температурой будет выпущена из сосуда давления при температуре T', такой что T<T'<T, вторая партия рабочей среды будет выпущена из сосуда давления при температуре T”, такой что T<T”<T'<T и т.д. Аналогичная последовательность происходит для рабочей среды с промежуточной температурой, проходящей через охлажденный сосуд давления, только T>T”>T'>T. Температуры T, T и T соответствуют высокой/промежуточной/низкой температуре рабочей среды в соответствующих резервуарах высокой/промежуточной/низкой температуры.
Вышеупомянутая схема расположения обеспечивает другой способ выполнения рекуперации теплоты в генераторе, еще больше увеличивающий его эффективность. Также очевидно, что использование конфигурации LIFO обеспечивает возможность постепенного нагревания среды под давлением (начиная с партии с самой низкой температурой) при лучшем использовании некоторого количество теплоты каждой партии рабочей среды.
Также очевидно, что обеспечена возможность использования градиентного бака и для нагретой рабочей среды с низкой температурой и для охлажденной рабочей среды с высокой температурой. Согласно конкретным примерам реализации, подробно описанным ниже, генератор может содержать больше одного градиентного бака. Например, каждый сосуд давления может содержать свой собственный градиентный бак и/или градиентные баки предусмотрены для рабочей среды с высокой/низкой температурой.
Согласно конкретной схемы расположения обеспечена возможность комбинации конфигурации рекуперации с градиентом теплоты с конфигурацией совместной работы, где работу генератора можно описать следующим образом:
HOT
COLD
HOT
HOT
COLD
COLD
На первом этапе, аналогичном ранее описанному примеру (без градиентных баков), имеющая температуру T рабочая среда с высокой температурой проходит через один сосуд давления для нагревания содержащейся здесь среды под давлением, и одновременно имеющая температуру T рабочая среда с низкой температурой проходит через другой сосуд давления для охлаждения содержащейся здесь среды под давлением. По завершении этого этапа среда под давлением в одном сосуде давления нагрета до температуры T'<T, а среда под давлением в другом сосуде давления охлаждена до температуры T'>T.
INTERMEDIATE
INTERMEDIATE
INTERMEDIATE
INTERMEDIATE
После этого происходит выполнение операции возврата, в ходе которой рабочая среда с промежуточной температурой при температуре T проходит через оба сосуда давления для охлаждения/нагревания находящейся здесь среды под давлением. В частности, рабочая среда с промежуточной температурой, проходящая через нагретый сосуд давления, выполняет теплообмен с последним и охлаждает его до температуры, близкой к T, а рабочая среда с промежуточной температурой, проходящая через охлажденный сосуд давления, выполняет теплообмен с последним и нагревает его до температуры, близкой к T (однако, не достигая T).
Однако, в противоположность предыдущему примеру, в котором рабочая среда с промежуточной температурой после прохождения через сосуды давления была возвращена назад в резервуар промежуточной температуры через радиатор, в настоящем примере рабочая среда с промежуточной температурой течет в градиентные баки в ходе двухтактовой последовательности.
HEATED
INTERMEDIATE
HEATED
HOT
HOT
INTERMEDIATE
HEATED
HEATED
HOT
В течение первого такта последовательности первая партия нагретой рабочей среды с промежуточной температурой, выходящая из сосуда давления, имеет температуру T, такую, что T<T<T', вторая партия рабочей среды будет выпущена из сосуда давления при температуре T', так что T<T'<T<T' и т.д. Нагретая рабочая среда проходит в градиентный бак соответствующего сосуда давления, так что градиентный бак содержит различные партии нагретой рабочей среды и поддерживает температурный градиент между ними.
COOLED
INTERMEDIATE
COOLED
COOL
COOLED
INTERMEDIATE
COOLED
COOLED
COOL
Одновременно, первая партия охлажденной рабочей среды с промежуточной температурой, выходящая из сосуда давления, имеет температуру T, такую, что T>T>T', вторая партия рабочей среды будет выпущена из сосуда давления при температуре T', так что T>T'>T>T' и т.д. Охлажденная рабочая среда проходит в градиентный бак соответствующего сосуда давления, так что градиентный бак содержит различные партии охлажденной рабочей среды и поддерживает температурный градиент между ними.
INTERMEDIATE
INTERMEDIATE
HEATED
INTERMEDIATE
HEATED
HOT
INTERMEDIATE
INTERMEDIATE
COOLED
INTERMEDIATE
COOLED
COOL
В любом случае важно отметить, что поскольку нагретая среда под давлением, находящаяся внутри нагретого сосуда давления, никогда не достигает температуры T во время этой операции, проходящая через сосуд рабочая среда с промежуточной температурой также никогда не покидает сосуд давления при температуре T, но всегда бывает немного более горячей. Другими словами, каждая партия нагретой рабочей среды с промежуточной температурой имеет такую температуру T”, что T<T”<T. В то же время, поскольку охлажденная среда под давлением, находящаяся внутри охлажденного сосуда давления, также никогда не достигает температуры T во время этой операции, проходящая через сосуд рабочая среда с промежуточной температурой также никогда не покидает сосуд давления при температуре T, а всегда бывает немного более прохладной. Другими словами, каждая партия охлажденной рабочей среды с промежуточной температурой имеет такую температуру T”, что T>T”>T.
Ввиду присутствия в каждом из градиентных баков приспособления для препятствования смешиванию, рабочая среда в каждом из градиентных баков поддержана с температурным градиентом, замедляя перемешивание между различными партиями нагретой/охлажденной рабочей среды промежуточной температуры.
По завершении первого такта последовательности большая часть каждого из градиентных баков заполнена нагретой/охлажденной рабочей средой промежуточной температуры с изменением температуры внутри резервуара. В этом месте выполняют второй такт последовательности, также называемый операцией перехода:
COLD
HOT
рабочая среда из градиентного бака нагретого сосуда давления (то есть градиентного бака, содержащего нагретую рабочую среду промежуточной температуры, используемую во время первого такта), проходит через противоположный (охлажденный) сосуд давления, содержащий среду под давлением, ранее охлажденную рабочей средой с низкой температурой до температуры T', а рабочая среда из градиентного бака охлажденного сосуда давления (то есть градиентного бака, содержащего охлажденную рабочую среду промежуточной температуры, используемую во время первого такта), проходит через противоположный сосуд давления, содержащий среду под давлением, ранее нагретую рабочей средой высокой температуры до температуры T'.
Кроме того, рабочая среда из градиентного бака течет в противоположные сосуды давления в порядке FILO (первым пришел - последним вышел), то есть, последняя партия нагретой рабочей среды с промежуточной температурой, входящая в градиентный бак (которая также представляет собой самую холодную дозу нагретой рабочей среды с промежуточной температурой), будет первой партией, проходящей через противоположный сосуд давления. Таким образом, температура рабочей среды, прошедшей теперь через сосуд давления с высокой/низкой температурой в ходе операции перехода, постоянно и постепенно возрастает/падает.
HOT
INTERMEDIATE
COLD
COLD
INTERMEDIATE
HOT
COLD
HOT
HOT
COLD
INTERMEDIATE
Очевидно, что даже самая холодная часть нагретой рабочей среды находится при температуре T”>T>T', и даже самая горячая часть охлажденной рабочей среды с промежуточной температурой находится при температуре T”<T<T'. Следовательно, очевидно, что разность температур между охлажденной/нагретой средой под давлением T'/T' и самой холодной/самой горячей партией нагретой/охлажденной рабочей среды с промежуточной температурой T”/T” намного больше предыдущей разности температур между первой средой и рабочей средой с промежуточной температурой T.
Также следует отметить, что одна из причин выполнения операции переключения в порядке LIFO состоит в том, что при использовании порядка FIFO (первым пришел - первым вышел) самая горячая/самая холодная партия нагретой/охлажденной рабочей среды с промежуточной температурой выполнит столь интенсивный теплообмен со средой под давлением, что самая холодная/самая горячая партия нагретой/охлажденной рабочей среды с промежуточной температурой будет мало влиять на процесс теплообмена. Использование порядка LIFO позволяет улучшить использование каждой партии рабочей среды.
AV_C
COLD
HEATE
AV_H
HOT
COOLED
Во время вышеупомянутой операции (операция переключения) происходит теплообмен между нагретой рабочей средой с промежуточной температурой и охлажденной средой под давлением, что приводит к средней температуре охлажденной среды под давлением, равной T=(T'+T”)/2. Одновременно происходит теплообмен между охлажденной рабочей средой с промежуточной температурой и нагретой средой под давлением, что приводит к средней температуре охлажденной среды под давлением, равной T=(T'+T”)/2.
INTERMEDIATE
HEATED
HOT
INTERMEDIATE
COOLED
COLD
AV_C
AV_H
AV_C
AV_H
INTERMEDIATE
Следует иметь ввиду, что вследствие описанной выше разности температур (то есть, T<T”<T' и T>T”>T') температуры T и T больше/меньше соответствующих средних температур T' и T', которые были бы достигнуты при использовании только рабочей среды с промежуточной температурой T для охлаждения/нагревания среды под давлением.
AV_C
AV_H
После того, как среды под давлением в обоих сосудах давления закончили процесс теплообмена и достигли температур T и T, происходит повторение основного цикла (операции (I) и (III)), но рабочая среда с высокой температурой теперь течет к ранее охлажденному сосуду давления, а рабочая среда с низкой температурой теперь течет к ранее нагретому сосуду давления.
INTERMEDIATE
INTERMEDIATE
Операция переключения таким образом обеспечивает усовершенствование по сравнению с ранее описанным примером генератора, обеспечивающее возможность более эффективного теплообмена со средой под давлением, так что после нагревания/охлаждения нагретая/охлажденная среда под давлением возвращается к температуре, намного более близкой к T, и может даже достигнуть температуры, которая более низка/более высока, чем T.
INTERMEDIATE
В обоих тактах последовательности рабочая среда с промежуточной температурой (хотя не обязательно с температурой T) проходит через радиатор, обеспечивая возможность выполнения теплообмена с внешней окружающей средой (обычно с окружающим воздухом, но ею может быть любая другая среда, в которую погружен радиатор).
В течение работы генератора, вследствие термодинамических характеристик рабочей среды и среды под давлением, генератор непрерывно производит теплоту, которая, в свою очередь, переходит к окружающей среде посредством радиатора. Точнее, схема расположения такова, что увеличение температуры нагретой рабочей среды с промежуточной температурой немного больше уменьшения температуры охлажденной рабочей среды с промежуточной температурой. Эта разница в увеличении/уменьшении выражена в виде небольшого перегрева рабочей среды с промежуточной температурой, то есть, в виде избыточной выработанной теплоты. Однако, выделение избыточной теплоты посредством радиатора компенсирует это.
INTERMEDIATE
INTERMEDIATE
Следует также отметить, что весь генератор, и точнее, все трубопроводы генератора, выполненные с возможностью пропускания рабочей среды с высокой/низкой/промежуточной температурой, всегда подвержены воздействию постоянного давления (то есть, в каждом сечении трубопровода всегда присутствует рабочая среда, циркулирующая или нет). Таким образом, в исходном состоянии системы градиентные баки содержат внутри себя воду с промежуточной температурой (то есть, воду при температуре T). Во время первого такта последовательности, когда нагретая/охлажденная рабочая среда с промежуточной температурой входит в градиентные баки, ранее находившаяся внутри рабочая среда выходит и рециркулирует назад во вспомогательный резервуар, содержащий рабочую среду промежуточной температуры при температуре T.
В ходе операции переключения (второй такт последовательности) для закачки рабочей среды, содержащейся в градиентных резервуарах, в соответствующие сосуды давления рабочая среда с промежуточной температурой попадает в градиентные баки, вытесняя, таким образом, нагретую/охлажденную рабочую среду с промежуточной температурой из резервуара и в нужный сосуд давления. Очевидно, что во время этого второго такта последовательности (высокие/низкие/промежуточные) резервуары отключены от циркулирующей текучей среды, так что, фактически, только рабочая среда с промежуточной температурой циркулирует по трубопроводам генератора.
Генератор может также содержать один или несколько термостатов, выполненных с возможностью контроля над рабочей средой с высокой/низкой/промежуточной температурой, а также над нагретой/охлажденной средой под давлением. Например, термостат/термостаты могут быть выполнены с возможностью поддержания рабочей среды с промежуточной температурой при температуре, обычно равной температуре окружающей среды (воздух, вода и т.д.), которой окружен генератор.
Конфигурация с аккумулятором
Согласно этой конфигурации генератор может дополнительно содержать блок аккумулирования теплоты, содержащий рабочую среду для аккумулирования. Блок аккумулирования содержит нагревающее устройство, выполненное с возможностью управления выпускной мощностью, поступающей от генератора.
Блок аккумулирования может селективно сообщаться через текучую среду с сосудом давления через соответствующие впускные и выпускные трубопроводы, которые присоединены к впускному и выпускному клапану, соответственно.
При работе обеспечена возможность использования части выпускной мощности генератора для работы устройства нагревания, так что оно нагревает рабочую среду, содержащуюся внутри блока аккумулирования. Таким образом, в заданный момент времени резервуар высокой температуры может быть отключен, и блок аккумулирования может подать необходимую рабочую среду с высокой температурой. В этой конструкции любая избыточная не используемая выходная мощность может быть подана на блок аккумулирования, таким образом, де-факто работающий в качестве аккумулятора.
Согласно конкретному примеру реализации, нагревательный элемент может представлять собой нагревательную спираль или любой другой элемент, выполненный с возможностью нагревания рабочей среды для аккумулирования теплоты. В качестве альтернативы нагревающее устройство может содержать вспомогательный тепловой насос (не показан), а блок аккумулирования может содержать два отсека, один из которых имеет тепловой контакт со стороной испарителя вспомогательного теплового насоса, а другой имеет тепловой контакт со стороной конденсатора вспомогательного теплового насоса.
В частности, каждый из отсеков может иметь соответствующие впускное и выпускное отверстия, к которым, соответственно, присоединены соответствующие впускные и выпускные трубопроводы. Схема расположения может быть такова, что выпускное отверстие расположено на верхнем краю отсека высокой температуры, а впускное отверстие расположено на нижнем краю отсека высокой температуры. Напротив, выпускное отверстие отсека низкой температуры может быть расположено на нижнем краю отсека, а его впускное отверстие может быть расположено на верхнем краю отсека.
Вышеупомянутая схема расположения обеспечивает возможность удаления рабочей среды с высокой температурой из зоны высокой температуры отсека высокой температуры, и возвращения этой рабочей среды в зону низкой температуры отсека высокой температуры. Соответственно, эта схема расположения обеспечивает возможность удаления рабочей среды с низкой температурой из зоны низкой температуры отсека низкой температуры и возвращения этой рабочей среды в зону высокой температуры отсека низкой температуры.
При работе, после достижения вспомогательной рабочей средой в отсеках значений температур, аналогичным температурам резервуаров высокой/ низкой температуры, соответственно, обеспечена возможность ее использования при работе генератора, когда основной тепловой насос временно прекращает свою работу.
Очевидно, что аккумулятор может содержать и тепловой насос и элементы непосредственного нагревания (например, змеевик), и работать совместно с обоими. В частности, отсек высокой температуры может быть выполнен с нагревателями, выполненными с возможностью непосредственного нагревания текучей среды для аккумуляции, содержащейся внутри отсека. Очевидно, что во время работы вспомогательного теплового насоса среда для аккумуляции теплоты внутри отсека высокой/низкой температуры может достигнуть предельного значения нагревания/охлаждения (то есть, достигнуть предельного значения максимальной/минимальной температуры). В таком случае работа вспомогательного теплового насоса может быть прекращена, а нагреватели затем использованы для дальнейшего нагревания среды для аккумуляции теплоты в отсеке высокой температуры.
В вышеупомянутой схеме расположения после прекращения работы вспомогательного теплового насоса рабочая среда в отсеке высокой температуры может быть использована в качестве рабочей среды с высокой температурой, а рабочая среда в отсеке низкой температуры в качестве рабочей среды с низкой/промежуточной температурой.
Во всех вышеупомянутых вариантах реализации согласно настоящей заявке блок кондиционера, используемый для образования источника теплоты/холода для соответствующего резервуара высокой/низкой температуры, может быть выполнен в виде каскадной схемы, содержащей несколько ступеней, каждая из которых работает в качестве основного кондиционирующего устройства сжатия/расширения. В частности каскадная схема может содержать первую оконечную ступень, выполненную с возможностью подачи теплоты в резервуар высокой температуры, и вторую оконечную ступень, выполненную с возможностью подачи необходимого холода в резервуар низкой температуры.
Каждая из ступеней содержит секцию испарителя, компрессор, элемент расширения и секцию конденсатора, и содержит текучую среду (газ или жидкость), обладающую возможностью подвергаться соответствующему сжатию и расширению для создания источника высокой температуры в конденсаторе и источника низкой температуры в испарителе, известных по существу.
EVAP(n)
COND(n)
COND(n)
EVAP(n)
В частности, текучая среда в каждой из ступеней обладает возможностью иметь температуру испарителя T и температуру конденсатора T, где T>T и n обозначает номер ступени.
Каскадная схема разработана таким образом, что секция конденсатора одной ступени выполнена с возможностью теплообмена с секцией испарителя следующей ступени. В частности, конструкция может быть такова, что температура сжатой текучей среды в конденсаторе одной ступени выше температуры расширенной текучей среды в испарителе следующей ступени, с которой происходит теплообмен.
Каждая из ступеней может работать в замкнутом контуре, то есть, текучая среда каждой ступени не приходит в соприкосновение с текучей средой следующей ступени. В частности, процесс теплообмена между двумя последовательными ступенями может быть выполнен посредством промежуточного элемента, например, теплопроводящей поверхности.
1
2
1
Согласно конкретному примеру реализации теплообмен между двумя последовательными ступенями происходит в теплообменнике, выполненном в виде внутренней трубки диаметра D, проходящей через внешнюю трубку диаметра D<D. Внутренняя трубка представляет собой конденсатор одной ступени, а внешняя трубка представляет собой испаритель следующей ступени.
COND(n)
EVAP(n+1)
COND(n)
Таким образом, при работе сжатая текучая среда одной ступени, нагретая посредством сжатия до температуры T, течет через камеру, а расширенная текучая среда следующей ступени, охлажденная посредством расширения до температуры T<T, течет через внешнюю трубку (чтобы течь вокруг внутренней трубки). В результате происходит теплообмен через стенку внутренней трубки между нагретой текучей средой, контактирующей с внутренней поверхностью внутренней трубки и охлажденной текучей средой, контактирующей с наружной поверхностью внутренней трубки. При этом процессе теплообмена теплота переходит от текучей среды, текущей внутри внутренней трубки, к текучей среде, текущей во внешней трубке.
Следует иметь ввиду, что конструкция теплообменника может быть такова, что объем, определенный внутренней трубкой, меньше объема между внешней поверхностью внутренней трубки и внутренней поверхностью внешней трубки. В частности, хотя внутренняя поверхность внешней трубки по существу представляет собой окружность в сечении, перпендикулярном к продольной оси трубки, внутренняя и/или внешняя поверхность внутренней трубки могут иметь в большей степени изогнутую форму в том же самом сечении.
Направления потока внутри части конденсатора и части испарителя могут быть параллельными, то есть и сжатая текучая среда и расширенная текучая среда текут в одном направлении (как в параллельном теплообменнике). В качестве альтернативы направления потоков могут быть противоположными, то есть, сжатая текучая среда и расширенная текучая среда текут в противоположных направлениях (как в противоточном теплообменнике).
COND
EVAP
Каждая из ступеней может содержать различную текучую среду, и выполнена с возможностью работы в различном интервале температур. В частности, в пределах одной ступени разность между высокой температурой T текучей среды в конденсаторе и низкой температурой T текучей среды в испарителе обычно может быть одинаковой между всеми ступенями. Например, эта разность температур может быть около 30°C.
EVAP
EVAP
Согласно конкретному примеру реализации каскадная схема расположения может быть выполнена в виде семи ступеней, каждая из которых работает в интервале температур Δ, примерно равном 30°C, причем низкая температура текучей среды в испарителе первой ступени T(1) примерно равна 0°C, а высокая температура текучей среды в конденсаторе седьмой ступени T(7) примерно равна 245°C.
EVAP(n)
COND(n+1)
Очевидно, что во всех ступенях температура расширенной текучей среды в испарителе одной ступени всегда ниже температуры конденсации сжатой текучей среды в конденсаторе следующей ступени. Другими словами, T<T.
Генератор может также содержать контроллер, выполненный с возможностью регулировки работы компрессора и/или расширительного клапана каждой ступени для поддержания желаемой разности между температурой при сжатии текучей среды в одной ступени и температурой при расширении текучей среды в следующей ступени.
Как ранее описано, каждая ступень может содержать компрессор, выполненный с возможностью сжатия текучей среды, циркулирующей в ступени, во время ее перетекания из испарителя в конденсатор. Для поддержания обычно аналогичной для всех ступеней разницы температур между конденсатором и испарителем компрессы ступеней могут иметь различное энергопотребление, так что каждая ступень выполнена с возможностью работы с различным коэффициентом эффективности СОР.
Причина этого в том, что коэффициент эффективности СОР при нагревании/охлаждении рассчитан как разность температур, разделенная на значение высокой/низкой температуры. Следовательно, ступень с разностью температур в 30°C между температурами конденсатора/испарителя, равными 27°С и 57°C, имеет коэффициент эффективности, отличный от коэффициента эффективности для ступени с разностью температур в 30°C между температурами конденсатора/испарителя, равными 90°C и 120°C.
В качестве альтернативы каждая ступень может быть оснащена одинаковым компрессором (то есть, обеспечивающим ту же самую мощность). Однако, в этой схеме расположения разность температур между конденсатором/испарителем каждой ступени (от низкой температуры до высокой) будет постепенно спадать. Например, величина Δ может быть равна 30°C для первой ступени, 24°C для второй ступени, 20°C для третьей ступени и т.д.
HOT
COLD
Очевидно, что при использовании каскадной схемы с несколькими ступенями, каждая из них дает вклад в полную разность температур между температурой T резервуара высокой температуры и температурой T резервуара низкой температуры. Как в вышеупомянутом примере реализации, каждая из семи ступеней может давать вклад, примерно равный 30°C, создавая тем самым разность температур в 240°C.
Очевидно, что единственный цикл сжатия/расширения, имеющий разность температур в 240°C, обладает коэффициентом эффективности, намного меньшим коэффициента эффективности семи компрессоров, каждый из которых дает вклад в собственный цикл сжатия/расширения. В результате энергия, остающаяся неиспользованной в единственном цикле сжатия/расширения, больше аналогичной энергии для каскадной схемы, что делает последний более эффективным для описанного здесь генератора.
Как описано ранее, генератор может содержать радиатор, выполненный с возможностью выполнения рабочей средой теплообмена с окружающей средой после нагревания/охлаждения текучей среды под давлением внутри сосудов давления.
Согласно конкретной конструкции, рабочая среда с высокой температурой после нагревания текучей среды под давлением (и последующего остывания) поступает непосредственно назад в резервуар высокой температуры, а рабочая среда с низкой температурой, после охлаждения текучей среды под давлением (и последующего нагревания) проходит через радиатор для охлаждения окружающей средой.
Блок радиатора может быть выполнен с возможностью управления согласно температуры окружающей среды и получающейся в результате температуры рабочей среды с низкой температурой, так что рабочая среда с низкой температурой обычно выходит из блока радиатора с постоянной и заранее определенной температурой.
становится малоэффективной (то есть, компрессор не может справиться с удалением теплоты от испарителя).
ENV
COND
EVAP
Таким образом, каскадная схема может быть, кроме того, выполнена с возможностью регулировки ее работы и ее полного интервала температур в соответствии с температурой окружающей среды. Точнее, если температура окружающей среды увеличивается таким образом, что T>T>T, и первая ступень каскадной схемы становится малоэффективной (как описано выше), то каскадная схема может быть выполнена с возможностью обхода первой ступени и присоединения резервуара низкой температуры ко второй ступени.
EVAP(1)
COND(7)
EVAP(2)
COND(7)
В вышеуказанной схеме расположения, вместо того, чтобы работать между низкой температурой T и высокой температурой T, каскадная схема теперь работает между низкой температурой T и высокой температурой T. Таким образом, полная разность температур между резервуарами высокой и низкой температур уменьшена, но эффективность каскадной схемы остается обычно неизменной.
Для выполнения вышеуказанной регулировки каскадная схема может содержать модуль обхода, содержащий испаритель, связанный со второй ступенью и расположенный внутри резервуара низкой температуры. Модуль обхода может дополнительно содержать клапана, обеспечивающие возможность полного выключения первой ступени и направляющие сжатую текучую среду из второй ступени для расширения внутри испарителя модуля обхода вместо расширения в первоначальном испарителе второй ступени.
Согласно конкретной конструкции генератора, он может содержать следующие особенности:
- Сосуды давления, где каждая сторона (правая/левая) генератора содержит четыре сосуда давления и каждый из них имеет структуру, аналогичную структуре сосудов давления, описанных в связи с предыдущими примерами;
- Линейное соединение сердечников, где каждый сосуд содержит шесть сердечников, но в противоположность предыдущим примерам, сердечники соединены линейно друг с другом, образуя длинный путь потока рабочей среды (в шесть раз длиннее вышеописанного параллельного соединения);
- Линейное соединение сосудов (рабочая среда), где сердечники четырех сосудов давления каждой стороны линейно соединены друг с другом, образуя еще более длинный путь потока рабочей среды;
Точнее, блок радиатора может содержать регулирующий элемент, выполненный с возможностью определения обеспечиваемой радиатором скорости охлаждения, и блок чувствительных элементов, предназначенный, с одной стороны, для измерения температуры выходящей из блока радиатора рабочей среды с низкой температурой и, с другой стороны, для подачи данных на блок управления.
Например, если желательно, чтобы рабочая среда с низкой температурой выходила из блока радиатора и входила в резервуар низкой температуры с заранее определенной температурой T, то блок чувствительных элементов измеряет температуру T' выходящей из блока радиатора рабочей среды с низкой температурой и:
(a) если T'>T, то блок чувствительных элементов подает это показание на блок управления, который, в свою очередь, увеличивает скорость охлаждения для блока радиатора (например, посредством увеличения скорости вращения охлаждающего вентилятора) для уменьшения температуры T'; и
(b) если T'<T, то блок чувствительных элементов подает это показание на блок управления, который, в свою очередь, уменьшает скорость охлаждения для блока радиатора (например, посредством уменьшения скорости вращения охлаждающего вентилятора) для увеличения температуры T'.
ENV
COND
ENV
EVAP
COND
EVAP
Обращаясь к вышеуказанному, можно видеть, что при использовании каскадной схемы конфигурация такова, что внутри радиатора происходит теплообмен с рабочей средой с низкой температурой, входящей в первую ступень каскадной схемы, связанной с резервуаром низкой температуры. В частности этот теплообмен доводит рабочую среду с низкой температурой (которая теперь нагрета после прохождения через сосуд давления) до температуры T'≈T, причем T>T>T, где T равна высокой температуре сжатой текучей среды в конденсаторе первой ступени, а T равна низкой температуре расширенной текучей среды в испарителе первой ступени.
Следует иметь ввиду, что каждая ступень (в зависимости от ее компрессора) предназначена для заранее определенного интервала температур, то есть она выполнена с возможностью удаления заранее определенного количества теплоты с холодного конца (испарителя). Если испаритель расположен в окружающей среде, сообщающей ему больше теплоты, чем компрессор может удалить в цикле сжатия/расширения ступени, эта ступень
- Линейное соединение сосудов (среда под давлением), где отсеки этих четырех сосудов давления на каждой стороне, содержащих среду давления, также сообщаются через текучую среду друг с другом через соединения давления, образуя тем самым длинный путь потока среды под давлением;
- Внешний резервуар низкой температуры, где резервуар низкой температуры, представляющий собой испаритель блока кондиционера, подвержен воздействию окружающей среды и не использован для циркуляции рабочей среды через него.
При работе полный цикл одной стороны генератора может содержать следующие операции (принимая во внимание, что противоположная сторона подвергается тем же самым операциям, но только с некоторым сдвигом):
a) рабочая среда с высокой температурой проходит из блока конденсатора блока кондиционера вдоль длины двадцати четырех сердечников (по шесть сердечников в каждом из четырех сосудов давления), увеличивая тем самым температуру среды под давлением до ее максимальной рабочей температуры и одновременно охлаждаясь до более низкой температуры;
b) из последнего сердечника четвертого сосуда давления охлажденная рабочая среда с высокой температурой возвращена к блоку конденсатора блока кондиционера после прохождения через радиатор для удаления из нее, по меньшей мере, дополнительной части оставшейся здесь теплоты;
c) рабочая среда с промежуточной температурой при температуре окружающей среды проходит из промежуточного резервуара через все двадцать четыре сердечника четырех сосудов давления, понижая тем самым температуру среды под давлением ниже максимальной рабочей температуры, и одновременно нагреваясь до более высокой температуры;
d) из последнего сердечника рабочая среда с промежуточной температурой течет в градиентные баки с целью хранения в них, так что первая входящая в градиентный бак партия рабочей среды с промежуточной температурой имеет самую высокую температуру, а последняя входящая в градиентный бак партия рабочей среды с промежуточной температурой имеет самую низкую температуру;
e) рабочая среда с промежуточной температурой, находящаяся при температуре окружающей среды, проходит из промежуточного резервуара через все двадцать четыре сердечника четырех сосудов давления, понижая тем самым температуру среды под давлением до минимальной рабочей температуры, и одновременно нагреваясь до более высокой температуры;
f) из последнего сердечника рабочая среда с промежуточной температурой течет назад в промежуточный рабочий резервуар, проходя через радиатор для удаления дополнительной теплоты в окружающую среду;
g) нагретая рабочая среда с промежуточной температурой проходит из градиентного бака через сердечники четырех сосудов давления, тем самым постепенно нагревая среду под давлением до температуры выше минимальной рабочей температуры и все же ниже максимальной рабочей температуры. Постепенное нагревание выполняют при использовании конфигурации LIFO, где последняя партия, входящая в градиентный бак (которая также имеет самую низкую температуру), является первой, протекающей через сердечники;
h) из последнего сердечника рабочая среда с промежуточной температурой течет в промежуточный резервуар, проходя через блок радиатора для удаления дополнительной теплоты в окружающую среду;
i) повторение, начиная с операции (а).
В частности, операции (а), (b), (е) и (f) могут быть выполнены в течение первого промежутка времени, а операции (с), (d), (g) и (h) могут быть выполнены в течение второго промежутка времени, большего, чем первый промежуток времени. В частности, второй промежуток времени может быть в два раза длиннее первого промежутка времени. В конкретном примере реализации первый промежуток времени может быть порядка 5 секунд, а второй промежуток времени может быть порядка 10 секунд.
Генератор может быть использован в разнообразных требующих электропитания системах, например, в домашнем хозяйстве, в транспортных средствах (например, автомобилях, судах, самолетах, подводных лодках и т.д.), промышленных системах и т.д. В частности, в случае систем, выполненных с возможностью работы при их по меньшей мере частичном погружении в среду, отличную от окружающего воздуха, генератор может быть выполнен с возможностью использования этой конкретной среды в качестве рабочей среды. Например, при использовании генератора на судне для плавания в море, рабочая среда может быть морской водой.
Относительно среды под давлением нужно учитывать следующее:
- при предварительном воздействии давления на среду под давлением происходит увеличение ее коэффициента теплообмена;
- при предварительном воздействии давления на среду под давлением происходит уменьшение коэффициента объемного расширения среды под давлением;
- при предварительном воздействии давления на среду под давлением происходит увеличение плотности среды под давлением;
- чем выше плотность среды под давлением, тем ниже ее восприимчивость к изменению объема под давлением;
- при предварительном воздействии давления на среду под давлением происходит уменьшение теплоемкости; и
- при предварительном воздействии давления на среду под давлением происходит увеличение вязкости среды под давлением.
В дополнение к вышеупомянутому генератор согласно настоящей заявке может содержать следующие особенности:
- Во время работы генератора, при переключении от одной операции к последующей операции может быть выгодно задержать селективное открытие выпускных клапанов относительно селективного открытия впускных клапанов. Например, в ходе операции (а) рабочая среда с высокой температурой проходит через сердечники так, что и впускной и выпускной клапаны сообщаются через текучую среду с резервуаром высокой температуры, а в ходе операции (b) рабочая среда с низкой температурой проходит через сердечники так, что и впускной и выпускной клапаны сообщаются через текучую среду с резервуаром низкой температуры. При переключении от операции (а) к операции (b) может быть выгодным задержать селективное переключение выпускного клапана так, чтобы он продолжал сообщаться через текучую среду с резервуаром высокой температуры, пока вся содержащаяся внутри сердечника рабочая среда с высокой температурой не будет сначала полностью возвращена в резервуар высокой температуры, и только затем переключить выпускной клапан, чтобы он сообщался через текучую среду с резервуаром низкой температуры.
- Статическая спираль внутри сердечника может быть выполнена из материала с очень низким коэффициентом теплообмена для препятствования поглощению теплоты от рабочей среды. Примером такого материала может быть фибергласс, имеющий коэффициент теплообмена, приблизительно равный 0,1.
- Генератор может содержать несколько градиентных баков, причем некоторые из них предназначены для использования исключительно с рабочей средой высокой температуры, а другие предназначены для использования исключительно с рабочей средой с низкой температурой.
- Сердечник может быть выполнен с ребрами жесткости, придающими сердечнику увеличенное сопротивление давлению. Это увеличенное сопротивление обеспечивает возможность уменьшения толщины стенки сердечника, увеличивая тем самым теплообмен между рабочей средой и средой под давлением.
- Аккумулятор может также быть подвергнут предварительному воздействию давления для повышения точки кипения содержащейся в нем рабочей среды, обеспечивая тем самым возможность поглощения большего количества теплоты.
- Аккумулятор можно использовать отдельно в качестве резервного устройства для подсистемы рабочей среды.
- Генератор может содержать контроллер, выполненный с возможностью оптимизации работы генератора, включая управление компрессором и, посредством этого, управление коэффициентом эффективности блока кондиционирования воздуха, работой клапанов и т.д.
- Аккумулятор может содержать два отсека, один содержащий среду для хранения с высокой температурой и другой, содержащий среду для хранения с низкой температурой.
- Отсек аккумулятора может иметь вертикальную ориентацию, позволяющую создать внутри его градиент теплоты, аналогичный градиенту в градиентных баках.
- Генератор мощностью примерно 1 МВт имеет вес порядка 30 тонн и занимает площадь примерно в 100 квадратных метров.
- Обеспечена возможность использования аккумулятора в качестве непосредственного источника горячей/холодной воды, подаваемой для зданий/офисов/фабрик и т.д.
- Использование блока аккумулятора может уменьшить полную допустимую мощность генератора на 66% (когда аккумулятор работает с тепловым насосом), обеспечивая тем самым возможность уменьшения размеров системы генератора примерно на 2/3.
Краткое описание чертежей
Для пояснения изобретения и его выполнения на практике ниже, только в виде неограничивающих примеров, описаны примеры реализации настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи:
На фиг. от A до H схематически показаны примеры различных вариантов реализации генератора согласно настоящей заявке.
На фиг. от 1A до 1D схематически показаны соответствующие изометрический вид, вид спереди, вид сбоку и поперечный вид генератора согласно настоящей заявке.
На фиг.2A схематически показан изометрический вид генератора, показанного на фиг.1A, без блоков подачи механической энергии и блока генерации электроэнергии.
На фиг.2B схематически показан увеличенный вид детали А, показанной на фиг.2A.
На фиг.3A схематически показан изометрический вид сосудов давления и блоков генерации электроэнергии генератора по фиг.1A.
На фиг.3B схематически показано поперечное сечение сосудов давления, показанных на фиг.3A.
На фиг.3C схематически показан увеличенный вид детали В, показанной на фиг.3C.
На фиг.3D схематически показан увеличенный вид детали С, показанной на фиг.3C.
На фиг.3E схематически показан вид спереди сечения, показанного на фиг.3B.
На фиг.4A схематически показан изометрический вид сосуда давления генератора, показанного на фиг.1A.
На фиг.4B схематически показан увеличенный вид детали D, показанной на фиг.4A.
На фиг.4C схематически показан изометрический вид детали D, показанной на фиг.4A, с удаленной оболочкой сосуда давления.
На фиг.4D схематически показан изометрический вид сосуда давления, показанного на фиг.4A с удаленной оболочкой.
На фиг 4E схематически показан увеличенный вид детали Е с несколькими другими удаленными компонентами.
На фиг.4F схематически показан увеличенный вид детали F, показанной на фиг.4A.
На фиг.5A схематически показан изометрический вид сечения сосуда давления.
На фиг.5B схематически показан изометрический вид сегмента сердечника сосуда давления.
На фиг.5C схематически показано дополнительное изометрическое поперечное сечение сосуда давления.
На фиг. от 6A до 6C схематически показаны соответствующие изометрические виды блока генерации электроэнергии генератора, показанного на фиг.1A.
На фиг. от 7A до 7C схематически показаны соответствующие виды спереди блоков диссипации теплоты, используемых в сосуде давления.
На фиг. от 8A до 8F, а также от 8A' до 8E' схематически показаны соответствующие диаграммы анализа работы генератора.
На фиг.9 схематически показан изометрический вид генератора по фиг.1A при его использовании вместе со схемой аккумулятора.
На фиг.10 схематически показана дополнительная диаграмма анализа работы генератора.
На фиг.11A схематически показан изометрический вид спереди для другого примера реализации генератора, показанного на фиг. от 1A до 1D.
На фиг.11B схематически показан изометрический вид сзади генератора, показанного на фиг.11A.
На фиг.12A схематически показан изометрический вид градиентной системы, используемой в генераторе, показанном на фиг.11A и 11B.
На фиг.12B схематически показан увеличенный вид градиентной системы, показанной на фиг.12A.
На фиг.12C схематически показан изометрический вид градиентной системы, показанной на фиг.12A, с несколькими удаленными компонентами.
На фиг.12D схематически показан вид сбоку генератора, показанного на фиг.12C.
На фиг.13A схематически показан изометрический вид сечения радиатора, использованного в генераторе, показанном на фиг.11A и 11B.
На фиг.13B схематически показан изометрический вид резервуара рабочей среды, используемого в генераторе, показанном на фиг.11A и 11B, с прозрачным кожухом резервуара.
На фиг.14A схематически показан изометрический вид приспособления для перемешивания, используемого в генераторе, показанном на фиг.11A и 11B.
На фиг.14B схематически показан изометрический вид приспособления для перемешивания, показанного на фиг.14A, с несколькими удаленными компонентами генератора.
На фиг.14C схематически показан увеличенный вид детали G, показанной на фиг.14B.
На фиг.14D схематически показан поперечный вид сосуда давления, используемого в генераторе, показанном на фиг.11A и 11B, взятый вдоль плоскости, перпендикулярной центральной оси сосуда давления.
На фиг.14E и 14F схематически показаны соответствующие изометрический вид и поперечный изометрический вид ходового винта, используемого в генераторе, показанном на фиг.11A и 11B.
На фиг.15A схематически показан изометрический вид регулятора потока, используемого в генераторе, показанном на фиг.11A и 11B.
На фиг.15B схематически показан увеличенный вид регулятора, показанного на фиг.15A, при прозрачности его покрытия.
На фиг.15C схематически показан вид регулятора потока, показанного на фиг.15B.
На фиг.16A схематически показан изометрический вид схемы аккумулятора, используемой в генераторе, показанном на фиг.11A и 11B.
На фиг.16B схематически показан изометрический вид сзади схемы аккумулятора, показанной на фиг.16A.
На фиг. от 17A до 17D схематически показаны соответствующие изометрические виды соединений трубопроводов генератора, показанного на фиг.11A и 11B.
На фиг.17E и 17E' схематически показаны диаграммы температуры рабочей среды генератора, показанного на фиг.11A и 11B.
На фиг.18A схематически показан изометрический вид транспортного средства, содержащего генератор, показанный на фиг.11A и 11B.
На фиг.18B схематически показан изометрический вид транспортного средства, показанного на фиг.18A, с несколькими удаленными компонентами.
На фиг.18C схематически показан изометрический вид транспортного средства, показанного на фиг.18B, с дополнительно удаленными компонентами.
На фиг.18D и 18E схематически показаны соответствующие виды сверху и снизу транспортного средства, показанного на фиг.18C.
На фиг.18F и 18G схематически показаны соответствующие увеличенные виды деталей Н и I, показанных на фиг.18C соответственно.
На фиг.19A схематически показан изометрический вид морского судна, содержащего генератор, показанный на фиг.11A и 11B.
На фиг.19B схематически показан изометрический вид морского судна, показанного на фиг.19A, с несколькими удаленными компонентами.
На фиг.19C схематически показан изометрический вид морского судна, показанного на фиг.19B, с дополнительно удаленными компонентами.
На фиг. от 19D до 19F схематически показаны соответствующие увеличенные виды деталей J, K и L, показанных на фиг.19C соответственно.
На фиг.20A и 20B схематически показаны соответствующие поперечные виды цилиндрической компоненты генератора, показанного на фиг.11A и 11B.
На фиг.20C схематически показан изометрический частичный поперечный вид цилиндрической компоненты, показанной на фиг.20A, с расположенным внутри спиральным элементом.
На фиг.20D схематически показан изометрический вид для другого примера цилиндрической компоненты, используемой в генераторе согласно настоящей заявке.
На фиг.20E схематически показан поперечный вид цилиндрической компоненты, показанной на фиг.20D, взятый вдоль центральной оси компоненты.
На фиг. от 21A до 21G схематически показаны соответствующие изометрические виды различных стадий изготовления цилиндрической компоненты, показанной на фиг.20A и 20B.
На фиг.22A и 22B схематически показаны соответствующие изометрические виды спереди и сзади генератора согласно другому примеру реализации настоящей заявки.
На фиг.22C схематически показан увеличенный вид детали М, показанной на фиг.22A.
На фиг.22D схематически показан увеличенный вид детали N, показанной на фиг.22B.
На фиг.23A схематически показан изометрический вид подсистемы рабочей среды, используемой в генераторе, показанном на фиг.22A.
На фиг.23B схематически показан изометрический вид подсистемы рабочей среды, показанной на фиг.23A, причем для более очевидного вида корпус удален.
На фиг.23C схематически показан вид справа подсистемы рабочей среды, показанной на фиг.23B.
На фиг.23D схематически показан поперечный вид подсистемы рабочей среды, показанной на фиг.23A, взятый вдоль плоскости I-I, показанной на фиг.23B.
На фиг.23E схематически показан увеличенный вид детали O, показанной на фиг.23D.
На фиг.23F схематически показан поперечный вид подсистемы рабочей среды, показанной на фиг.23A, взятый вдоль плоскости II-II, показанной на фиг.23B.
На фиг.24A и 24B схематически показаны соответствующие изометрические виды спереди и сзади для другого примера реализации подсистемы рабочей среды, используемой в генераторе согласно настоящей заявке.
На фиг.24C и 24D схематически показаны соответствующие увеличенные виды деталей P и Q, взятые по фиг.24A и 24B, соответственно.
На фиг.25A схематически показан изометрический вид для другого примера реализации подсистемы рабочей среды, используемой в генераторе согласно настоящей заявке.
На фиг.25B схематически показан увеличенный вид детали R, взятый по фиг.25A.
На фиг.26A и 26B схематически показаны соответствующие таблицы, показывающие свойства двух материалов, которые можно использовать в конструкции генератора, показанного на вышеупомянутых фигурах.
На фиг.27A схематически показан изометрический вид генератора согласно другому примеру реализации согласно настоящей заявке.
На фиг.27B схематически показан изометрический вид генератора, показанного на фиг.27A, где поддерживающая структура удалена для более ясного вида.
На фиг. от 27C до 27E схематически показаны соответствующие виды спереди, сзади и сбоку генератора, показанного на фиг.27B.
На фиг.28A схематически показан изометрический вид соединений трубопроводов спереди генератора, показанного на фиг. от 27A до 27E.
На фиг.28B схематически показан увеличенный вид соединений трубопровода, показанных на фиг.28A.
На фиг.29A схематически показан изометрический вид системы давления, используемой в генераторе, показанном на фиг. от 27A до 27E.
На фиг.29B и 29C схематически показаны соответствующие изометрический вид и вид спереди передней части единственного сердечника системы давления, показанной на фиг.29A.
На фиг. от 30A до 30C схематически показаны соответствующие изометрический вид сверху, изометрический вид снизу и вид сбоку средней части системы давления, показанной на фиг.29A.
На фиг.31A и 31B схематически показаны соответствующие изометрический вид сзади и вид сбоку системы давления, показанной на фиг.29A, причем некоторые сердечники удалены для более ясного вида.
На фиг.32A и 32B схематически показаны два изометрических вида градиентных баков, используемых в генераторе, показанном на фиг. от 27A до 27E.
На фиг.33A схематически показан изометрический вид схемы аккумулятора, используемого в генераторе, показанном на фиг. от 27A до 27E, когда он присоединен к резервуарам генератора.
На фиг.33B схематически показан изометрический вид схемы аккумулятора, показанной на фиг.33B.
На фиг.33C схематически показан изометрический вид схемы аккумулятора, показанной на фиг.33B.
На фиг.34 схематически показан изометрический вид теплового насоса, используемого в генераторе, показанном на фиг. от 27A до 27E.
На фиг.35A схематически показан изометрический вид узла зубчатой передачи, используемого в генераторе, показанном на фиг. от 27A до 27E.
На фиг.35B схематически показан изометрический вид узла зубчатой передачи, показанного на фиг.35A, при удаленном кожухе узла.
На фиг. от 35C до 35E схематически показаны соответствующие увеличенные изометрический вид, вид сбоку и вид сверху механизма узла зубчатой передачи, показанного на фиг.35A и 35B.
На фиг.36A и 36B схематически показаны соответствующие изометрический вид и вид сбоку генератора согласно еще одному примеру реализации настоящей заявки.
На фиг.36C схематически показан увеличенный изометрический вид генератора, показанного на фиг.36A и 36B.
На фиг.36D схематически показан изометрический вид генератора, показанного на фиг.36A и 36B, при удаленных для более ясного вида сосудах давления.
На фиг.37A схематически показан увеличенный изометрический вид соединения трубопровода, показанного на фиг.36D.
На фиг.37B схематически показан еще более увеличенный изометрический вид передней правой части соединения трубопровода, показанного на фиг.37A.
На фиг.37C схематически показан еще более увеличенный изометрический вид передней левой части соединения трубопровода, показанного на фиг.37A.
На фиг.37D схематически показан изометрический вид задней части генератора, показанного на фиг.36A и 36B.
На фиг.37E схематически показан увеличенный изометрический вид соединения трубопровода, показанного на фиг.37C.
На фиг.38 схематически показан изометрический вид системы давления, используемой в генераторе, показанном на фиг.36A и 36B.
На фиг.39 схематически показан изометрический вид теплового насоса, используемого в генераторе, показанном на фиг.36A и 36B.
На фиг.40A схематически показан изометрический вид схемы аккумулятора, используемой в генераторе, показанном на фиг. от 36A до 36D.
На фиг.40B схематически показан увеличенный вид системы трубопроводов в схеме аккумулятора, показанной на фиг.40A.
На фиг.40C и 40D схематически показаны увеличенные изометрические виды отсеков схемы аккумулятора, показанной на фиг.40A.
На фиг.41A схематически показан изометрический вид единственного сердечника, используемого в генераторе, показанном на фиг.36A и 36B.
На фиг.41B схематически показан изометрический увеличенный вид переднего конца сердечника, показанного на фиг.41A.
На фиг.41C схематически показан изометрический вид единственного сердечника, показанного на фиг.41A, с удаленным корпусом сердечника.
На фиг.41D схематически показан изометрический увеличенный вид переднего конца сердечника, показанного на фиг.41C.
На фиг.41E схематически показан изометрический увеличенный вид средней части сердечника, показанного на фиг.41C.
На фиг.42A схематически показан изометрический вид части сердечника, используемого в сосуде давления генератора, показанного на фиг.36A и 36B, согласно другому примеру реализации настоящей заявки.
На фиг.42B схематически показан увеличенный изометрический вид передней части сердечника, показанного на фиг.42A.
На фиг.42C схематически показан увеличенный изометрический вид задней части сердечника, показанного на фиг.42A.
На фиг.42D схематически показан вид сзади сердечника, показанного на фиг.42A.
На фиг.42E схематически показан увеличенный изометрический вид задней части сердечника, показанного на фиг.42C.
На фиг.43 схематически показан изометрический вид части сердечника, используемого в сосуде давления генератора, показанного на фиг.36A и 36B согласно еще одному примеру реализации настоящей заявки.
На фиг.44A схематически показан изометрический вид части сердечника, используемого в сосуде давления генератора, показанного на фиг.36A и 36B, согласно еще одному примеру реализации настоящей заявки.
На фиг.44B схематически показан увеличенный изометрический вид передней части сердечника, показанного на фиг.44A.
На фиг.44C схематически показан увеличенный изометрический вид задней части сердечника, показанного на фиг.44A.
На фиг.45A схематически показан изометрический вид части сердечника, используемого в сосуде давления генератора, показанного на фиг.36A и 36B, согласно еще одному примеру реализации настоящей заявки.
На фиг.45B схематически показан увеличенный изометрический вид задней части сердечника, показанного на фиг.44A.
На фиг.45C схематически показан увеличенный изометрический вид передней части сердечника, показанного на фиг.44A.
На фиг.46A схематически показан изометрический вид в разобранном состоянии сосуда давления, используемого в генераторе, показанном на фиг.36A и 36B.
На фиг. от 46B до 46D схематически показаны увеличенные изометрические виды частей сосуда давления, показанного на фиг.46A.
На фиг.47 схематически показан изометрический вид механизма зубчатой передачи, используемой в генераторе, показанном на фиг.36A и 36B, согласно другому примеру реализации настоящей заявки.
На фиг.48A схематически показан изометрический вид подсистемы рабочей среды, используемой в генераторе согласно настоящей заявке.
На фиг.48B и 48C схематически показаны соответствующие изометрические боковой и продольный поперечные виды подсистемы, показанной на фиг.49A, взятые вдоль плоскостей А-А и В-В, соответственно.
На фиг.49A схематически показан изометрический вид сосуда давления, используемого в генераторе, показанном на фиг. от 36A до 36D.
На фиг. от 49B до 49E схематически показаны увеличенные виды деталей, показанных на фиг.49A.
На фиг.49F схематически показан изометрический вид конструкции крепления, используемой в сосуде давления, показанном на фиг.49A, и удерживающей его единственный сердечник.
На фиг.49G схематически показан изометрический вид конструкции крепления, показанной на фиг.49F.
На фиг.49H схематически показан изометрический увеличенный вид детали, показанной на фиг.49G.
Подробное описание примеров осуществления изобретения
На фиг.A схематически показана диаграмма, демонстрирующая основную схему расположения генератора по настоящему изобретению, содержащую модуль перепада температур, модуль давления и модуль преобразования.
1
Модуль перепада температур содержит первый резервуар высокой температуры и второй резервуар низкой температуры, каждый из которых содержит внутри рабочую среду WM (не показана) при соответствующей высокой/низкой температуре. Первый резервуар высокой температуры термически связан с блоком СЕ конденсатора теплового насоса HP, так что тепловой насос HP (имеющий мощность W) подает при работе теплоту Q в блок конденсатора для поддержания рабочей среды WM в первом резервуаре при высокой температуре. Второй резервуар низкой температуры термически связан с окружающей средой.
Каждый из резервуаров содержит впускной трубопровод IL, селективно сообщающийся через текучую среду с впуском сосуда PV давления модуля давления через впускной клапан I и выпускной трубопровод OL, селективно сообщающийся через текучую среду с выпуском сосуда давления PV через выпускной клапан О.
Сосуд PV давления содержит внутри среду PM под давлением и выполнен с проходящей через него центральной трубой C, селективно сообщающейся через текучую среду с впускным клапаном I и с выпускным клапаном О, что обеспечивает возможность прохождения через них рабочей среды WM из резервуаров.
2
Сосуд PV давления содержит нагнетательный трубопровод PL, сообщающийся через текучую среду со средой РМ под давлением, которая сообщается через текучую среду с модулем преобразования. Модуль преобразования, в свою очередь, содержит поршень P, сообщающийся через текучую среду с нагнетательным трубопроводом PL и генератором. Поршень выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения, используемого генератором для генерации выпускной мощности W.
При работе рабочая среда WM с высокой/низкой температурой выборочно поступает в сосуд давления, что влечет за собой расширение и сжатие среды РМ под давлением и, таким образом, возвратно-поступательное перемещение поршня Р. Конкретно, происходят следующие операции:
a) прохождение рабочей среды WM с высокой температурой из резервуара высокой температуры во впускной клапан I через трубу С и из выпускного клапана О назад в резервуар высокой температуры; в результате теплообмена между рабочей средой WM высокой температуры и средой PM под давлением первая остывает, а вторая претерпевает нагрев до своей максимальной рабочей температуры; при нагреве среда PM под давлением увеличивает объем, что вызывает перемещение поршня P направо; и
b) прохождение рабочей среды WM низкой температуры из резервуара низкой температуры во впускной клапан I через трубу С и из выпускного клапана O назад в резервуар низкой температуры; в результате теплообмена между рабочей средой WM низкой температуры и средой PM под давлением первая претерпевает нагрев, а вторая остывает до минимальной рабочей температуры; при охлаждении среда PM под давлением уменьшает объем, что вызывает перемещение поршня P налево.
Выполнение вышеупомянутых операций повторяющимся образом создает возвратно-поступательное перемещение поршня, обеспечивая, таким образом, генерацию электроэнергии генератором.
Следует также отметить, что:
- при возврате в резервуар высокой температуры охлажденная рабочая среда WP с высокой температурой может оказаться способной поглотить дополнительную теплоту от блока конденсатора теплового насоса для восстановления своей первоначальной высокой температуры;
- при возврате в резервуар низкой температуры нагретая рабочая среда WM с низкой температурой может передать по меньшей мере некоторую теплоту во внешнюю окружающую среду для остывания и возврата своей температуры к первоначальной низкой температуре;
- в зависимости от длины трубы может быть выгодно, после селективного переключения положения впускного клапана I для обеспечения сообщения через текучую среду с резервуаром низкой температуры, задержать селективное переключение положения выпускного клапана О для обеспечения сообщения через текучую среду с резервуаром низкой температуры; таким образом, после начала выполнения операции (b) содержащаяся внутри трубы С рабочая среда WM с высокой температурой может быть сначала перемещена через ее выпускной трубопровод OL в резервуар высокой температуры, и только затем выпускной клапан О будет селективно переключен для обеспечения сообщения через текучую среду с резервуаром низкой температуры; то же происходит при переходе от операции (b) к операции (а).
1
1
С точки зрения термодинамических операций тепловой насос HP забирает количество теплоты Q' (теплота, поглощенная из окружающей среды, с которой испаритель имеет тепловой контакт) из блока испарителя в блок конденсатора, прилагая работу W. Таким образом, количество теплоты Q, содержащееся внутри рабочей среды WM с высокой температурой резервуара высокой температуры, равно Q=Q'+W.
1
2
При работе количество теплоты Q поступает в среду PM под давлением посредством теплообмена, так что часть Q количества Q теплоты использована для перемещения поршня P, и, по меньшей мере, количество Q теплоты поглощено рабочей средой WM с низкой температурой посредством теплообмена со средой PM под давлением.
2
2
Количество теплоты Q, выделяемое назад во внешнюю окружающую среду во время прохождения нагретой рабочей среды WM с низкой температурой через выпускной трубопровод OL, и из окружающей среды, может быть возвращено в блок испарителя теплового насоса HP. Такая схема дает возможность рекуперации генератором определенного количества теплоты Q (то есть, это схема рекуперации).
2
2
Очевидно, что это количество теплоты Q меньше количества теплоты Q', участвующей в термодинамическом процессе теплового насоса HP, и, таким образом, тепловой насос постоянно забирает дополнительную теплоту из окружающей среды (помимо Q), для подачи полной величины Q' в блок конденсатора.
2
1
1
1
2
1
Величина работы W на выходе, выполняемой генератором блока преобразования, зависит от количества Q теплоты, преобразованного им в электроэнергию. Эта схема такова, что количество Q теплоты больше величины Q'+W, так что полученная на выходе энергия W больше, чем W.
1
1
1
1
2
1
В частности, поскольку тепловой насос HP использован для циркуляции теплоты внутри генератора, очевидно, что величина работы W на входе достаточна для перемещения количества теплоты Q'>W, зависящего от коэффициента COP эффективности теплового насоса. Например, при COP=3 тепловой насос будет изымать теплоту Q'=2 кВт из испарителя в конденсатор при условии W=1 кВт. Таким образом, количество теплоты Q может быть больше, чем W1, образуя, посредством этого, энергию на выходе W>W.
2
Обратимся теперь к фиг.B, где показана альтернативная схема расположения, демонстрирующая конфигурацию с непосредственной рекуперацией теплоты. В этой схеме выпускной трубопровод LO резервуара низкой температуры не идет непосредственно назад в резервуар низкой температуры после выхода из сосуда давления, а вместо этого сначала проходит через блок испарителя теплового насоса HP. Таким образом, вместо испускания теплоты Q в окружающую среду и повторного ее поглощения тепловым насосом из блока испарителя, она непосредственно возвращена в блок испарителя теплового насоса HP, что увеличивает эффективность работы генератора.
Обратимся теперь к фиг.C, где показана еще одна альтернативная схема генератора, демонстрирующая конфигурацию с охлажденным резервуаром, в которой первый резервуар высокой температуры имеет тепловой контакт с блоком конденсатора теплового насоса HP (как в предыдущих примерах), а резервуар низкой температуры имеет тепловой контакт с блоком испарителя теплового насоса HP.
2
В вышеуказанной схеме расположения рабочая среда WM с низкой температурой рекуперирует некоторое количество теплоты Q из среды PM под давлением посредством теплообмена с ней, а остающееся количество теплоты q из окружающей среды предназначено для перемещения некоторой теплоты из блока испарителя в блок конденсатора теплового насоса HP.
Обратимся теперь к фиг.D, где показана другая схема расположения генератора, демонстрирующая совместную работу сосудов давления. В частности видно, что модуль давления содержит два сосуда давления, каждый из которых селективно сообщается через текучую среду с резервуарами высокой/низкой температуры, с одной стороны, а с другой стороны сообщается через текучую среду со своей собственной поршневой конструкцией. Кроме того, в этой схеме каждый поршень механически связан с генератором, так что генератор использует возвратно-поступательное перемещение обоих поршней для генерации мощности на выходе.
Когда в этой схеме один сосуд давления сообщается через текучую среду с резервуаром высокой температуры, другой сосуд давления сообщается через текучую среду с резервуаром низкой температуры и наоборот. Таким образом, когда среда PM под давлением в одном сосуде давления нагрета, среда PM под давлением в другом сосуде давления охлаждена и наоборот.
В этой схеме расположения возвратно-поступательное перемещение поршней скоординировано так, что оба поршня смещены обычно в одном и том же направлении обычно в один и тот же момент времени. Другими словами, когда среда PM под давлением в нижнем сосуде давления увеличивает свой объем и сдвигает свой поршень направо, среда PM под давлением в верхнем сосуде давления уменьшает свой объем, сдвигая поршень налево и наоборот. Очевидно, что термины «верхний» и «нижний» использованы исключительно для описательных целей и как это будет показано в последующих схемах, поршни могут быть расположены бок о бок. Также очевидно, что вышеупомянутая схема дает возможность использования нескольких сосудов давления (а не только двух), связанных друг с другом.
Обратимся теперь к фиг.E, на которой показан еще один пример реализации генератора, демонстрирующий схему расположения с промежуточным резервуаром, в которой генератор содержит три резервуара: резервуары высокой/промежуточной/низкой температуры. Эта схема представляет собой комбинацию схемы с охлажденным резервуаром, показанной на фиг.C, с дополнительным промежуточным резервуаром, содержащим рабочую среду с промежуточной температурой. Каждый из резервуаров высокой/промежуточной/низкой температуры селективно сообщается через текучую среду с сосудом давления.
В этой схеме расположения наряду с операциями (а) и (b) выполняют две дополнительные операции (a') и (b'), описываемые относительно фиг.A следующим образом:
(a') [выполнена после операции (a)] прохождение рабочей среды WM с промежуточной температурой из резервуара промежуточной температуры через трубу сосуда давления, уменьшающее тем самым температуру среды под давлением (посредством теплообмена с ней) от максимальной рабочей температуры до промежуточной рабочей температуры (располагающейся между максимальной рабочей температурой и минимальной рабочей температурой); и
(b') [выполнена после операции (b)] прохождение рабочей среды WM с промежуточной температурой из резервуара промежуточной температуры через трубу сосуда давления, увеличивающее тем самым температуру среды PM под давлением (посредством теплообмена с ней) от минимальной рабочей температуры до промежуточной рабочей температуры (располагающейся между максимальной рабочей температурой и минимальной рабочей температурой).
Очевидно, что в вышеуказанной схеме резервуар промежуточной температуры может быть в тепловом контакте с внешней окружающей средой, а резервуары высокой/низкой температуры находятся в тепловом контакте с концами конденсатора/испарителя теплового насоса HP, соответственно.
Обратимся теперь к фиг.F, на которой показан еще один пример реализации генератора, демонстрирующий схему с переключением, в которой генератор содержит два сосуда давления (аналогично схеме совместной работы), а каждый выпускной клапан также селективно сообщается через текучую среду с впускными клапанами.
В частности, каждый выпускной клапан О также содержит перепускной трубопровод COL, обеспечивающий возможность сообщения через текучую среду между выпускным клапаном одного сосуда давления и впускным клапаном другого сосуда давления. В этой схеме возможно выполнение объясненных ниже дополнительных операций перехода:
(a”) операция [выполнена после операции (a')], в ходе которой рабочая среда WM с промежуточной температурой после выхода из трубы одного сосуда PV давления попадает через перепускной трубопровод COL на впускной клапан другого сосуда PV давления для начала нагревания находящейся в нем рабочей среды под давлением и только затем назад в резервуар промежуточной температуры через другой выпускной клапан; и
(b”) операция [выполнена после операции (b')], в ходе которой рабочая среда WM с промежуточной температурой, после выхода из трубы одного сосуда PV давления попадает через перепускной трубопровод COL на впускной клапан другого сосуда PV давления для начала охлаждения находящейся в нем рабочей среды под давлением и только затем назад в резервуар промежуточной температуры через другой выпускной клапан.
Вышеупомянутая схема обеспечивает более существенную рекуперацию теплоты из среды PM под давлением. Точнее, вместо того, чтобы подавать/отбирать определенное количество теплоты в окружающую среду/из окружающей среды во время возврата этой среды в резервуар промежуточной температуры, рабочая среда WM с промежуточной температурой теперь подает/отбирает часть этого количества в ходе теплообмена со средой PM под давлением, увеличивая тем самым эффективность генератора.
Обратимся теперь к фиг.G, где показан дополнительный пример реализации генератора, демонстрирующий схему тепловым градиентом, в которой генератор содержит один сосуд давления (аналогично основной схеме), а градиентный бак связан с выпускным клапаном O.
Градиентный бак может быть выполнен в виде устройства, способного предотвращать перемешивание частей содержащейся в нем рабочей среды, тем самым значительно уменьшая теплообмен между этими частями и скорость достижения этими частями теплового равновесия. В частности, используемый в генераторе по настоящему изобретению градиентный бак может содержать первую партию рабочей среды при температуре T1, вторую партию рабочей среды при температуре T2 и т.д., так что T1≠T2≠ и т.д.
В частности, как будет теперь объяснено, при работе генератора градиентный бак обеспечивает возможность поддержания содержащейся в нем рабочей среды при градиенте температуры, так что T1>T2>…>Tn, или в качестве альтернативы T1<T2<…<Tn.
При работе несколько дополнительных операций прибавлены к основным рабочим операциям (а) и (b), как это следующим образом объяснено относительно фиг.A:
(b''') операция [выполнена перед операцией (b)], в ходе которой рабочая среда WM с низкой температурой проходит через трубу сосуда давления для нагревания посредством теплообмена со средой под давлением, но вместо возврата в резервуар низкой температуры попадает в градиентный бак. Очевидно, что первая партия рабочей среды с низкой температурой выйдет из сосуда давления, достигая градиента при более высокой температуре, чем последняя партия (поскольку среда PM под давлением постепенно остывает в течение этого теплообмена). Конструкция градиентного бака позволяет поддерживать каждую из этих партий при соответствующей собственной температуре, так что самая верхняя партия в градиентном баке имеет самую высокую температуру, а самая нижняя партия в градиентном баке имеет самую низкую температуру.
(b''') операция [выполнена после операции (b)], в ходе которой рабочая среда в градиентном баке рециркулирует назад через сосуд давления в порядке LIFO (пришел последним - ушел первым), постепенно нагревая тем самым среду под давлением до промежуточной температуры, и только затем начиная операцию (а) работы.
По существу эти операции работы генератора описывают «остановленную» работу, когда рабочая среда WM в градиентном баке удержана там (остановлена) до наступления определенного момента времени, а затем выпущена в трубопровод генератора для выполнения требуемого теплообмена.
Вышеупомянутая схема обеспечивает другой способ выполнения рекуперации теплоты в генераторе, еще больше увеличивающий его эффективность. Также очевидно, что использование конфигурации LIFO обеспечивает возможность постепенного нагревания среды под давлением (начиная с партии с самой низкой температурой) при лучшем использовании некоторого количество теплоты каждой партии рабочей среды.
Также очевидно, что обеспечена возможность использования градиентного бака и для нагретой рабочей среды WM с низкой температурой и для охлажденной рабочей среды WM с высокой температурой. Согласно конкретным примерам, подробно описанным ниже, генератор может содержать больше одного градиентного бака. Например, каждый сосуд давления может содержать свой собственный градиентный бак и/или градиентные баки предусмотрены для рабочей среды с высокой/низкой температурой.
2
Обратимся теперь к фиг.H, где показан еще один пример реализации генератора, демонстрирующий схему с аккумуляцией теплоты (зеленую батарею), в которой генератор дополнительно содержит блок аккумулирования, содержащий рабочую среду для аккумуляции. Блок аккумулирования содержит нагревающее устройство, выполненное с возможностью управления мощностью W на выходе, поступающей от генератора.
Блок аккумулирования селективно сообщается через текучую среду с сосудом PV давления через соответствующие впускные и выпускные трубопроводы, которые присоединены к впускному и выпускному клапану, соответственно.
При работе обеспечена возможность использования части мощности на выходе генератора для работы устройства нагревания, так что она нагревает рабочую среду, содержащуюся внутри блока аккумулятора. Таким образом, в заданный момент времени резервуар высокой температуры может быть отключен, и блок аккумулирования может подать необходимую рабочую среду с высокой температурой.
В этой схеме любая избыточная неиспользуемая мощность на выходе может быть подана на блок аккумулирования, таким образом, де-факто работающий в качестве аккумулятора.
Согласно конкретному примеру реализации, нагревательный элемент может представлять собой нагревательную спираль или любой другой элемент, выполненный с возможностью нагревания рабочей среды для аккумуляции. В качестве альтернативы нагревающее устройство может содержать вспомогательный тепловой насос (не показан), а блок аккумулирования может содержать два отсека, один из которых имеет тепловой контакт со стороной испарителя вспомогательного теплового насоса, а другой имеет тепловой контакт со стороной конденсатора вспомогательного теплового насоса.
На фиг.1A показан генератор, в целом обозначаемый позицией 1 и содержащий блок 10 кондиционирования воздуха, присоединенный к подсистеме 100 рабочей среды, два сосуда 200 давления, узел 300 подачи механической энергии, блок 400 радиатора, блок 500 генератора электроэнергии, блок 50 аккумулятора и устройство выхода.
Обычно каждый из сосудов 200 содержит жидкость под давлением, а генератор работает по принципу периодического увеличения/уменьшения объема жидкости под давлением, используемых для механического возвратно-поступательного перемещения поршня для генерации электроэнергии.
Обратившись теперь к фиг.3C, можно видеть, что сосуд 200 давления представляет собой полое цилиндрическое тело 210 и проходящий через него центральный сердечник 240, так что возникает полость между наружной поверхностью 242 центрального сердечника 240 и внутренней поверхностью 214 цилиндрического тела 210, предназначенная для содержания жидкости под давлением. Внутреннее пространство 243 полого центрального сердечника 240 предназначено для получения через него рабочей среды с высокой/промежуточной/низкой температурой из подсистемы 100 рабочей среды с возможностью управления температурой текучей среды под давлением.
Обратившись к фиг. от 1А до 1D, можно видеть, что подсистема 100 рабочей среды содержит резервуар 110 высокой температуры, резервуар 120 низкой температуры и резервуар 130 для воды промежуточной температуры (комнатной температуры). Термины «высокая», «низкая» и «промежуточная» относятся в этом конкретном примере к соответствующим температурам:
примерно 40°C, примерно 10°C и примерно 25°C. Подсистема рабочей среды сообщается через текучую среду с одной стороны с блоком 10 кондиционирования воздуха, и с другой стороны с сосудами 200 давления. Каждый из резервуаров 110, 120 и 130 присоединен к обоим сосудам 200 давления через распределительные клапаны 140. Поскольку генератор 1 содержит два сосуда 200 давления и обычно симметричен относительно проходящей через него центральной плоскости, обозначения «левый (L)» и «правый (R)» использованы там, где они уместны. Ниже будет подробно разъяснен способ соединения подсистемы 100 рабочей среды с правыми сосудами 200R давления (следует иметь в виду, что способ соединения со вторым сосудом 200 давления по существу аналогичен):
Резервуар 110 высокой температуры присоединен к распределительному клапану 140R через впускное отверстие 111R и к выпускному отверстию сосуда 200R давления через трубопровод 112R. Аналогично, резервуар 120 низкой температуры присоединен к распределительному клапану 140R через впускное отверстие 121R и к выпускному отверстию сосуда 200R давления через трубопровод 122R. Резервуар 130 присоединен к распределительному клапану 140R через впускное отверстие 131R и к выпускному отверстию сосуда 200R давления через трубопровод 132R. Трубопровод 132R затем присоединен к охлаждающему элементу 41 OR блока радиатора 400, а выпускное отверстие охлаждающего элемента 410 присоединено назад к резервуару 130 через трубопровод 133R.
Резервуары 110 и 120, а также трубопроводы, присоединяющие их к сосудам 200L, 200R давления и к блоку 400 радиатора, могут быть выполнены с теплоизоляцией, предотвращающей теплоотдачу к трубопроводу. Точно так же распределительные клапаны 140L, 140R могут быть выполнены из материалов с низкой теплопроводностью (например, из титана или пластика) или покрыты теплоизоляцией.
Наоборот, трубопровод, присоединяющий резервуар 130 к сосудам 200L, 200R давления и к блоку 400 радиатора, может быть выполнен из материалов, имеющих высокое значение коэффициента теплообмена (например, из меди), и подвержен воздействию окружающей среды, позволяя температуре «промежуточной» воды быть по возможности равной температуре окружающей среды.
Обычно описанный выше трубопровод может быть изготовлен таким образом, что имеет встроенное гидравлическое давление (при отсутствии воздуха), поддерживаемое в течение работы генератора 1. Кроме того, резервуар 130 промежуточной температуры может быть присоединен к домашнему гидравлическому давлению (потребительскому давлению) через кран 135 (фиг.1C), так что в случае падения давления в системе, дополнительная вода может быть подана в систему для восстановления давления.
Далее будет описана общая работа генератора (следует иметь в виду, что здесь описана работа относительно сосуда 200R, однако, подобная работа происходит одновременно в сосуде 200L).
В исходном положении сосуды 200 заполнены средой под давлением, которая сжата до примерно 500 атмосфер. Сердечники 240, а также все вышеупомянутые соединяющие трубопроводы заполнены рабочей средой при стандартном домашнем давлении (потребительском давлении). В этом положении температура среды под давлением равна комнатной температуре (например, 25°C), а поршень двигателя расположен, соответственно, в промежуточной позиции.
На первом этапе работы распределительный клапан 140R открывает впускное отверстие для трубопровода 111R и вода высокой температуры из резервуара высокой температуры начинает циркулировать через сердечник 240 сосуда 200R. При прохождении через сердечник 240 происходит теплообмен между водой высокой температуры (примерно при 40°C) и средой под давлением (примерно при 25°C), приводящий к нагреву среды под давлением. В результате нагревания объем среды под давлением возрастает (она расширяется), перемещая, в результате, поршень к его первой конечной точке.
Вода высокой температуры, теперь со слегка уменьшенной температурой, выходит из сосуда 200R давления через трубопровод 112R и идет назад в резервуар высокой температуры. Этот процесс происходит, пока среда под давлением не будет нагрета (и расширена) до желаемой/достаточной степени, то есть пока поршень не будет перемещен до желательного первого предельного положения. Как правило, среда под давлением бывает нагрета не до той же самой температуры, что вода высокой температуры, а на несколько градусов ниже, например, до 32-35°C.
После этого распределительный клапан 140R закрывает впускное отверстие для входа воды высокой температуры и открывает впускное отверстие для трубопровода 131R резервуара промежуточной температуры. Вода промежуточной температуры (то есть, при 25°C) затем течет через сосуд 200R давления, приводя к обратному теплопереносу, в ходе которого нагретая среда под давлением (примерно, при 32-35°C) отдает свою теплоту воде промежуточной температуры. В результате среда под давлением охлаждена, а вода промежуточной температуры нагрета.
Остывание среды под давлением приводит в результате к уменьшению ее объема, что влечет за собой механическое смещение поршня к его исходному положению. Это происходит до тех пор, пока среда под давлением не охладится до желаемой/достаточной степени, то есть, пока поршень не перейдет в свое начальное (промежуточное) положение.
Нагретая вода промежуточной температуры покидает сосуд 200R давления через трубопровод 132R и входит в охлаждающий элемент 41 OR блока радиатора 400. В охлаждающем элементе 41 OR нагретая вода промежуточной температуры претерпевает другой процесс теплообмена, в ходе которого она передает в окружающую атмосферу теплоту, поглощенную от нагретой среды под давлением. Таким образом, происходит возврат воды промежуточной температуры в резервуар промежуточной температуры 130 через трубопровод 133R при температуре, близкой к ее начальной температуре внутри резервуара (примерно 25°C).
Первая часть цикла генератора на этом завершена.
По окончании первой части цикла имеет место вторая часть, в ходе которой подобную операцию выполняют посредством использования воды низкой температуры следующим образом: распределительный клапан 140R перекрывает поступление воды из резервуара промежуточной температуры 130 и открывает сообщение через текучую среду с трубопроводом 121R, идущим из резервуара низкой температуры. Вода низкой температуры затем проходит через сердечник 240 сосуда 200R. При прохождении через сердечник 240 происходит теплообмен между водой низкой температуры (примерно при 10°C) и средой под давлением (которая теперь, по окончании первой части цикла, возвратилась к температуре, примерно равной 25°C), что приводит к охлаждению среды под давлением. В результате охлаждения среда под давлением уменьшает свой объем (происходит сжатие), перемещая, таким образом, поршень к его второму предельному положению.
Вода низкой температуры, имеющая теперь слегка повышенную температуру, выходит из сосуда 200R давления через трубопровод 122R и приходит назад в резервуар низкой температуры. Этот процесс происходит до тех пор, пока среда под давлением не окажется охлажденной (и сжатой) до желательной/достаточной степени, то есть, пока поршень не будет перемещен до желательного второго предельного положения. Как правило, среда под давлением охлаждена не до той же самой температуры, что вода низкой температуры, а на несколько градусов ниже, например, до 15-18°C.
После этого распределительный клапан 140R закрывает впускное отверстие для входа воды низкой температуры и повторно открывает впускное отверстие для трубопровода 131R резервуара промежуточной температуры. Вода промежуточной температуры (то есть, при 25°C) затем течет через сосуд 200R давления, приводя к обратному теплопереносу, в ходе которого охлажденная среда под давлением (примерно, при 15-18°C) поглощает теплоту из воды промежуточной температуры. В результате среда под давлением нагрета, а вода промежуточной температуры охлаждена.
Нагрев среды под давлением приводит в результате к увеличению ее объема, что влечет за собой механическое смещение поршня к его исходному положению. Это происходит до тех пор, пока среда под давлением не будет нагрета до желаемой/достаточной степени, то есть, пока поршень не перейдет в свое начальное (промежуточное) положение.
Охлажденная вода промежуточной температуры покидает сосуд 200R давления через трубопровод 132R и входит в охлаждающий элемент 41 OR блока 400 радиатора. В охлаждающем элементе 41 OR охлажденная вода промежуточной температуры претерпевает другой процесс теплообмена, в ходе которого она отбирает из окружающей атмосферы теплоту, переданную в нагретую среду под давлением. Таким образом, происходит возврат воды промежуточной температуры в резервуар 130 промежуточной температуры через трубопровод 133R при температуре, близкой к ее начальной температуре внутри резервуара (примерно 25°C).
Это завершает вторую часть цикла генератора.
Таким образом, операции в ходе всего цикла генератора могут быть описаны следующим образом:
I) среду под давлением сначала нагревают (посредством воды высокой температуры из резервуара 110 высокой температуры) от примерно 25°C до примерно 32-35°C, что перемещает поршень из его исходного положения в первое предельное положение;
II) среду под давлением охлаждают (посредством воды промежуточной температуры из резервуара 130 промежуточной температуры) от 32-35°C до примерно 25°C, что перемещает поршень назад в его исходное положение;
III) среду под давлением охлаждают (посредством воды низкой температуры из резервуара 120 низкой температуры) от примерно 25°C до примерно 15-18°C, что перемещает поршень из его исходного положения во второе предельное положение;
IV) среду под давлением снова подогревают (посредством воды промежуточной температуры из резервуара 130 промежуточной температуры) от 15-18°C до примерно 25°C, что перемещает поршень назад в его исходное положение.
Следует иметь ввиду, что вода высокой/низкой температуры после прохождения через сосуд 200R давления приходит назад непосредственно к свои соответствующие резервуары 120, 110, а вода промежуточной температуры после прохождения через сосуд 200R давления проходит через охлаждающий элемент 410 блока 400 радиатора, чтобы соответственно сообщить атмосфере/отобрать из атмосферы необходимое количество теплоты, полученной/потерянной во время теплообмена со средой под давлением.
В этой конструкции резервуар 110 высокой температуры и резервуар 120 низкой температуры составляют часть блока 10 кондиционирования воздуха, изображенного на фиг.1D. Каждый из резервуаров 110, 120 содержит совокупность полностью погруженных в них трубок, предназначенных для получения рабочей текучей среды блока 10 кондиционирования воздуха 10, например, газообразного фреона.
В частности, блок 10 кондиционирования воздуха содержит компрессор (не показан), предназначенный для закачивания газообразного фреона в трубки резервуара 110 высокой температуры через трубопровод 12, так что нагретый газообразный фреон передает теплоту воде резервуара высокой температуры. Охлажденный газообразный фреон затем выходит из резервуара 110 высокой температуры через трубопровод 14 назад в блок 10 кондиционирования воздуха. Охлажденный газообразный фреон затем попадает в резервуар 120 низкой температуры через впускное отверстие 22, в трубках которого обеспечена возможность его расширения, посредством чего происходит охлаждение воды в резервуаре 120 низкой температуры и ее выход через трубопровод 24 назад в блок 10 кондиционирования воздуха. Эта операция происходит неоднократно и предназначена для подачи воды с высокой температурой в резервуар 110 высокой температуры и воды низкой температуры в резервуар 120 низкой температуры.
Очевидно, что вышеупомянутая операция была описана только в отношении к правому сосуду 200R давления, однако, аналогичная операция может быть одновременно выполнена на левом сосуде 200L давления. Таким образом, два основных рабочих цикла могут быть выполнены следующим образом:
a) цикл одновременной работы, когда и левые и правый сосуды 200L, 200R давления выполняют вышеуказанные операции от (I) до (IV) параллельно. Другими словами, в любой момент времени в цикле генератора температура среды под давлением в правом сосуде 200R давления равна температуре среды под давлением в левом сосуде 200L давления, то есть, нагрев и охлаждение обоих сред под давлением происходит одновременно;
b) цикл попеременной работы, когда сосуды 200L, 200R давления выполняют операции от (I) до (IV) со сдвигом, например, когда правый сосуд 200R давления выполняет операцию (I) цикла, левый сосуд 200L давления выполняет операцию (III) цикла. Другими словами, когда среда под давлением в правом сосуде 200R давления претерпевает нагрев, среда под давлением в левом сосуде 200L давления претерпевает охлаждение и наоборот.
Обычно в качестве жидкости под давлением внутри сосудов 200L, 200R давления должна быть выбрана жидкость с хорошими свойствами теплового расширения (обладающая значительным расширение при нагревании), а также с достаточными возможностями для теплообмена. Примерами материалов, используемых в качестве жидкости под давлением, могут быть (не ограничиваясь этим): вода, N-пентен, диэтиловый эфир, бромистый этил, метанол, этиловый спирт, ртуть, кислоты и др. Нужно также понимать, что текучая среда под давлением не ограничена жидкой средой и может также представлять собой газообразный материал.
В качестве рабочей среды, проходящей через сердечник 240, должна быть выбрана среда, обладающая достаточными свойствами теплообмена и плотностью, допускающей ее легкий проход через генератор. Примерами материалов, используемых в качестве жидкости под давлением, могут быть (не ограничиваясь этим): вода, ртуть, фреон и др. Нужно также понимать, что рабочая среда не ограничена жидкой средой и может также представлять собой газообразный материал (например, фреон в виде газа).
Обратимся теперь к фиг. от 2А до 4A и до 4F, где подробно описана уникальная конструкция сосудов 200 давления и сердечников 240.
Каждый сосуд 200L, 200R давления содержит внешнюю оболочку 210, выполненную из материала, достаточного прочного и достаточной толщины для противостояния давлению жидкости под давлением, то есть примерно 5000 атм. Примером такого материала может быть сталь.
Внутри сосуда давления 200L, 200R проходит сердечник 240, предназначенный для пропуска через него рабочей среды. Сердечник 240 может быть выполнен из материала, который, с одной стороны, в состоянии противостоять высокому давлению внутри сосуда давления 200L, 200R и, с другой стороны, имеет достаточную теплоемкость и свойства теплообмена для обеспечения эффективного процесса теплообмена между рабочей средой и жидкостью под давлением. Примерами такого материала могут быть сплав меди с бериллием, сталь 4340 и т.д.
Обратимся теперь к фиг.4B, на которой показан сегмент сердечника 240. Можно видеть, что внутренние и наружные поверхности сердечника образованы поверхностными элементами 247 в виде пирамид. Поверхностные элементы 247 предназначены для увеличения площади контактирования с рабочей средой и жидкостью под давлением, посредством чего возрастает эффективность теплообмена между сердечником 240 и рабочей средой/жидкостью под давлением. Формирование элементов 247 может быть выполнено посредством постепенной пескоструйной обработки на внешней стороне, и при использовании специально предназначенной головки окончательной отделки (не показана). Таким образом, площадь поверхности сердечника 240 может быть увеличена почти в 20 раз (по сравнению со гладкой внутренней / наружной поверхностью).
Обратившись теперь к фиг.4F, можно видеть, что на сердечнике установлен блок 220 перемешивания, предназначенный для перемешивания жидкости под давлением во время работы генератора для увеличения его эффективности. Блок 220 перемешивания имеет центральную ось X, идущую в направлении сердечника 240, и содержит несколько лопастей 224 вентилятора, расположенных вокруг центральной оси X и соединенных друг с другом кольцами 225. Блок 220 перемешивания ограничен с каждой стороны ограничительным кольцом 223. Лопасти 224 вентилятора могут быть выполнены из материала, обладающего изоляционными свойствами, достаточными для уменьшения тепловых потерь самих лопастей 224, низкой теплоемкостью для уменьшения поглощения теплоты и малым весом для минимизации требуемой мощности привода. Таким материалом может быть, например, титан.
Ограничительное кольцо 223 снабжено прямозубым цилиндрическим колесом 229, предназначенным для зацепления с зубчатым колесом 228a, установленным на управляющей штанге 226. Управляющая штанга 226 управляема внешним двигателем 205L, 250R, при наличии зацепления между зубчатым колесом 228b, установленным на управляющей штанге 226, и соответствующим зубчатым колесом 254 приводного электродвигателя 250R.
Следует иметь ввиду, что в конкретной конструкции двигатель может быть расположен внутри сосуда давления, а не обязательно вне сосуда, что экономит энергию, необходимую для преодоления динамического сопротивления вала и сил, действующих в связи с уплотнением. Другая опция состоит в использовании магнитного приспособления, устраняющего необходимость использования сложных динамических уплотнений.
В качестве альтернативы описанному выше блоку 220 перемешивания на фиг. от 7A до 7C показаны три варианта блоков 280, 290 и 290' пассивной диссипации теплоты. Блок 280 диссипации теплоты выполнен в виде муфты 282, из которой элементы 284 диссипации теплоты выходят в радиальном направлении и предназначены для увеличения теплообмена между сердечником 240 и жидкостью под давлением. Блок 290 диссипации теплоты содержит центральную муфту 292 с выступающими из нее радиальными элементами 294 диссипации теплоты. Блок 290' диссипации теплоты в целом аналогичен, но отличие состоит в том, что каждый из элементов 294' диссипации теплоты выполнен с дополнительным удлинением 296' для увеличения теплообмена.
Блоки 280, 290 и 290' диссипации теплоты жестко присоединены к сердечнику 240, чтобы иметь с ним максимальный поверхностный контакт для лучшего кондукционного теплообмена.
Обратившись, в частности, к фиг.5A, можно видеть, что сосуды 200L, 200R давления кроме того содержат внутреннюю оболочку 230 с диаметром, меньшим диаметра внутренней поверхности 214 оболочки 210, и превышающим диаметр блока 220 перемешивания. Таким образом, оболочка 230 разделяет внутреннее пространство сосуда давления 200L, 200R на внутреннюю камеру 232 между оболочкой 230 и блоком 220 перемешивания и внешнюю камеру 234 между оболочкой 230 и внутренней поверхностью 214 сосуда 200L, 200R давления. Оболочка 230 может быть выполнена из материала с изоляционными свойствами, достаточными для уменьшения тепловых потерь к самой оболочке 230, например, из титана.
Следует иметь в виду, что внутренняя камера 232 и внешняя камера 234 сообщаются через текучую среду друг с другом, поскольку оболочка 230 открыта с обоих концов. При работе генератора 1 разделение на внутреннюю камеру 232 и внешнюю камеру 234 облегчает изоляцию жидкости под давлением внутренней камеры 232 посредством жидкости под давлением во внешней камере 234 (несмотря на то, что они сообщаются через текучую среду друг с другом). Изоляция жидкости под давлением увеличивает эффективность генератора 1 посредством уменьшения теплоотдачи к внешней стальной оболочке 210. Следует также отметить, циркуляция, создаваемая блоком 240 перемешивания, практически не воздействует на жидкость под давлением, содержащуюся между оболочкой 230 и внутренней поверхностью оболочки 210.
Возвращаясь к фиг.4F, можно видеть, что сердечник 240 содержит внутри ходовой винт 248, предназначенный для поворота вокруг собственной оси для продвижения рабочей среды через сердечник 240 (работающий по принципу архимедова винта). Ходовой винт 248 управляется внешним двигателем 260L, 260R и подсоединен к нему посредством зацепления зубчатого колеса 246 с зубчатым колесом 264 двигателя 260L, 260R. Ходовой винт 248 может быть выполнен из материала, имеющего свойства изоляции, достаточные для уменьшения теплоотдачи от самого ходового винта 248. Примерами такого материала могут быть титан или высокопрочный пластик. Очевидно, что обеспечена возможность использования дополнительных вариантов ходового винта 248, как будет ясно из фиг.14F и 14G, которые будут позже описаны.
Обратившись к фиг.3C и 4E, можно видеть, что каждый из сосудов 200R, 200L давления на обоих своих концах содержит узел 270 уплотнения, содержащий уплотнение 272 головной части, закрепленное болтами, корпус 273 основного уплотнения, на котором установлены три уплотняющих элемента 274, узел 276 вспомогательного уплотнения затвора и элемент 278 мягкого уплотнения. Кроме того, имеют место два уплотнения 276', 278' аналогичной конструкции (показанные на фиг.3C), используемые для уплотнения пространства между корпусом 273 основного уплотнения и сердечником 240.
Со ссылками на фиг. от 3A по 3E теперь будет подробно описан узел 300 механической энергии и блок 500 генератора электроэнергии. Каждый из сосудов 200L, 200R давления содержит с одного своего конца узел 300L, 300R механической энергии. Поскольку узлы 300L, 300R механической энергии по существу одинаковы, только один из них будет описан здесь подробно, причем предполагают, что описание также верно и для другого узла.
Узел 300R механической энергии поддерживает сообщение через текучую среду с сосудом 200R давления через впускное отверстие 216R. Узел 300R механической энергии содержит поршневой блок 320R и регулятор 340R давления.
Поршневой блок 320R содержит полый корпус 322 и горловинную часть 324, сочлененную с впускным отверстием 216 сосуда 200R давления. Горловинная часть 324 выполнена с впускным соплом 326, создающим сообщение через текучую среду между сосудом 200R давления и горловинной частью 324.
I
O
Корпус 322 содержит внутри себя перемещаемый поршень 330, имеющий головную часть 332, плотно и с наличием уплотнения размещенную внутри корпуса 322 посредством уплотнительных колец 333, и горловинную часть 334, плотно и с наличием уплотнения размещенную внутри горловинной части 324. Таким образом, корпус 322 разделен на впускную камеру 323, сообщающуюся через текучую среду с сосудом 200R давления для получения внутрь его среды под давлением, и камеру 323, причем камеры изолированы друг от друга тепловой частью 332.
O
Конструкция поршневого блока 320 такова, что входная камера 323i выполнена с возможностью содержать внутри себя часть среды под давлением, а камера 323 выполнена с возможностью содержать внутри себя вспомогательную рабочую среду, предназначенную для работы блока 500 генератора. Такая текучая среда может быть, например, машинным маслом или чем-то подобным. Корпус 322 кроме того выполнен с выпускным отверстием 325, через которое вспомогательная текучая среда может покинуть поршневой блок в направлении к блоку 500 генератора.
I
O
При работе, на стадии (I) цикла генератора, происходит нагрев среды под давлением и ее объем возрастает, в результате чего она втекает во впускную камеру 323, толкая головную часть 332 поршня 330 ко дну 328 корпуса 322. В результате вспомогательная рабочая среда, содержащаяся внутри камеры 323, попадает под давлением через выпускное отверстие 325 в трубопровод 302.
I
O
На стадиях (II) и (III) цикла происходит остывание среды под давлением и ее объем уменьшается, в результате чего она вытекает из впускной камеры 323 назад в сосуд 200R давления, перемещая головную часть 332 поршня 330 по направлению к горловиной части 324 корпуса 322. В результате вспомогательная рабочая среда всасывается назад в камеру 323.
O
Поршень 330 разработан таким образом, что площадь поперечного сечения головной части 322 в 20 раз больше площади поперечного сечения горловинной части 324, что уменьшает давление в камере 323 от 5000 атмосфер до примерно 250 атмосфер. Возвратно-поступательное перемещение вспомогательной текучей среды использовано для работы поршня двигателя 520 (фиг.6A и 6B), что, в свою очередь, использовано для генерации электроэнергии.
Кроме того, вспомогательная рабочая среда также сообщается через текучую среду с регулятором 340 давления, расположенным между поршневым блоком 320 и блоком генератора 500. Регулятор 340 давления выполнен с корпусом 342, содержащим внутри поршень 350, смещенный нажимной пружиной 360. Согласно альтернативным примерам реализации поршень 350 может быть смещен сжатым газом, например, азотом. Регулятор 340 давления выполнен с элементом 343 Т-образного соединения, содержащего впускное отверстие 345, предназначенное для подсоединения трубопровода 302, впускное отверстие 346 корпуса, и выпускное отверстие 347, подсоединенное к трубопроводу 304.
O
При работе, большая часть вспомогательной текучей среды, вытекающей из выпускной камеры 323 поршневого блока 320 через трубопровод 302, течет прямо через T-образное соединение 343 в трубопровод 304 через выпускное отверстие 345, а остальная часть вспомогательной текучей среды течет в регулятор 340 давления. Таким образом, при нежелательном увеличении давления поршень 350 регулятора давления 340 оказывается нажатым, противодействуя смещающей силе пружины 360, посредством чего давление вспомогательной текучей среды внутри трубопровода 304, ведущего к блоку 500 генератора, поддержано на желательном уровне.
Регулятор давления также действует в качестве синхронизатора перемещения поршня следующим образом: если расширение среды под давлением в одном сосуде давления слишком велико, а поршень другого сосуда давления не имеет пространства для «отвода», то газовый поршень амортизирует дополнительное давление, и возвратит его при возвратно-поступательном перемещении механизма. В частности, любое приложенное к поршню дополнительное давление, который не должно привести к перемещению противоположного поршня, поглощено газовым поршнем 340, и в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, при недостаточном давлении газовый поршень 340 компенсирует вышеупомянутый дефицит.
Теперь будет подробно описан блок 500 генератора со ссылками на фиг.6A и 6C. Блок 500 генератора содержит преобразователь 520 перемещения и энергетическую установку 540 питания. Преобразователь 520 перемещения содержит корпус 510 основания и два поршневых корпуса 522R, 522L, каждый из которых присоединен на одном конце к основному блоку преобразования, а на другом конце к трубопроводу 304.
Корпус основания выполнен в виде верхнего элемента 512 и нижнего элемента 514 (одинаковой конструкции), причем каждый элемент выполнен с каналом 516 таким образом, что при соединении этих двух элементов возникает пространство 518 (не показано), в котором центральная пластина 513 выполнена с возможностью возвратно-поступательного перемещения.
Центральная пластина 513 оснащена кулачковым следящим элементом 517 через штифт 515. Кулачковый следящий элемент 517 предназначен для поворота вокруг второго штифта 519 при возвратно-поступательном перемещении центральной пластины 513. Кулачковый следящий элемент 517 прикреплен к пластине 511 так, что поворот кулачкового следящего элемента 517 относительно штифта 519 приводит к повороту пластины 511 вокруг ее центральной оси X. Маховик (не показан) может также быть предусмотрен между зубчатой передачей и генератором для преодоления верхней/нижней «мертвых точек».
Корпус 522R (здесь будет описан только один корпус, поскольку они оба имеют одинаковую конструкцию) содержит поршень 530R, предназначенный для возвратно-поступательного перемещения внутри корпуса и образующий в корпусе 522R впускную камеру 524R. Корпус 522R выполнен с впускным отверстием 526R, создающим сообщение через текучую среду между впускной камерой 524R и вспомогательной рабочей средой, приходящей от трубопровода 304. Поршни 530R и 530L содержат на одном конце головную часть 532R, 532L, расположенную ближе к впускным отверстиям 526R, 526L, соответственно, а на другом, противоположном, конце они выполнены целиком с центральной пластиной 513.
При работе, например в ходе вышеописанного цикла попеременной работы (во время стадии I этого цикла) жидкость под давлением в правой камере 200R испытывает нагрев и увеличивает свой объем, а жидкость под давлением в левой камере 200L остывает и уменьшает свой объем. В результате вспомогательная рабочая среда в правом поршневом блоке 320R воздействует на поршень 530R, толкая его, а вспомогательная рабочая среда в левом поршневом блоке 320R втягивается и тянет на себя поршень 530L. Во время этого этапа перемещение поршней 530R, 530L смещает центральную пластину 513 в одном направлении.
После этого, в течение стадий II и III этого цикла, происходит обратная операция, то есть жидкость под давлением в левой камере 200L испытывает нагрев и увеличивает свой объем, а жидкость под давлением в правильной камере 200R остывает и уменьшает свой объем. В результате вспомогательная рабочая среда в левом поршневом блоке 320L воздействует на поршень 530L, толкая его. Перемещение поршней 530R, 530L перемещает центральную пластину 513 в другом направлении, как видно из фиг.6B и 6C.
Возвратно-поступательное перемещение центральной пластины 513 приводит к повороту кулачкового следящего элемента 517 с поворотом пластины 511 относительно ее центральной оси. Это поворотное перемещение преобразовано в электроэнергию энергетической установкой 540.
Возвратившись к фиг.1 В, можно видеть, что часть электроэнергии, генерированной энергетической установкой 540, подают на выход, часть подают в блок 10 кондиционирования воздуха, а остальную часть подают на батарею 50. Батарею 50 можно использовать для запуска системы от внешнего источника.
Очевидно, что вышеописанная система способна производить по меньшей мере в 4 раза больше электроэнергии, чем использовано для ее работы, то есть, если, например, генератор требует для своей работы 1 кВт-час, он способен производить по меньшей мере до 4 кВт-часов электроэнергии. Нужно также иметь в виду, что этот выигрыш в электроэнергии достигнут посредством теплообмена с окружающей средой, то есть, использования окружающей среды (воздуха, воды) для поглощения теплоты из воды и передачи теплоты к воде, проходящей через радиатор 400.
В частности использование блока кондиционирования воздуха обеспечивает возможность существенного выигрыша при выработке электроэнергии. В противоположность промежуточным системам кондиционирования воздуха, в которых теплоту, образуемую во время охлаждения пространства (например, помещения), выбрасывают во внешнюю окружающую среду (теплота, выходящая за пределы помещения посредством системы кондиционирования воздуха), в настоящем генераторе эта теплота не пропадает зря и ее можно использовать для нагревания воды в резервуаре высокой температуры.
Экспериментальное исследование генератора описано на фиг. от 8A до 8F, а также от 8A' до 8E', где показаны диаграммы изменения температуры рабочей среды и жидкости под давлением в различные моменты цикла.
Обращаясь к фиг.9 можно видеть, что генератор 1 может также содержать схему 590 аккумулятора, заполненную средой для аккумуляции, например, водой, где в случае производства генератором избыточного количества электроэнергии это избыточное количество будет направлено на нагревающееся тело, используемое для нагревания воды внутри схемы 590 аккумулятора. Таким образом, схема 590 аккумулятора способна работать в качестве батареи.
Например, когда вода в схеме 590 аккумулятора нагрета в желательной степени, например, до температуры, равной температуре резервуара 110 высокой температуры, вода высокой температуры, необходимая для работы генератора 1, может быть подана из схемы 590 аккумулятора, а не из резервуара 110 высокой температуры. В результате работа блока 10 кондиционирования воздуха может быть уменьшена (или вообще прекращена), что обеспечивает возможность потребления меньшего объема электроэнергии.
При сопоставимости количества произведенной генератором 1 электроэнергии с желаемым потреблением происходит возврат блока 10 кондиционирования воздуха к нормальному функционированию, а вода в конструкции 590 аккумулятора постепенно охлаждается. Кроме того, увеличенное давление внутри схемы аккумулятора дает возможность ее нагревания выше точки кипения рабочей среды для аккумуляции большего количества теплоты. Например, вода при давлении 5 атмосфер (стандартное домашнее давление) может кипеть при температуре 150°C.
Кроме того, схема 590 аккумулятора может содержать нагревательный элемент, выполненный с возможностью непосредственного нагревания воды в схеме аккумулятора для поддержания нужной температуры.
Генератор 1 может также содержать контроллер (не показан), предназначенный для слежения за температурой жидкости под давлением, температурой рабочей среды, за температурой воды в схеме 590 аккумулятора, за смещением поршней 330R, 330L, 530R, 530L, давлением внутри регулятора 340 давления, смещением центральной пластины 513 и т.д. Обеспечена возможность использования контроллера для управления работой распределительных клапанов 140, работой двигателей 250, 260, смещением поршней и т.д.
Обратимся теперь к фиг.11A и 11B, где показан другой пример реализации генератора, в целом обозначенного как 1' и содержащего блок 10 кондиционирования воздуха, присоединенный к подсистеме 100' рабочей среды, два сосуда 200' давления, узел 300 механической энергии, блок 400 радиатора, блок 500 генератора электроэнергии, узел 600 градиента, блок 50 аккумулятора и выпускное устройство.
В принципе, генератор 1' похож по конструкции на ранее описанный генератор, но имеют место отличия в конструкции и количестве сердечников, проходящих через сосуды 200' давления, отличающаяся конструкция блока 400' радиатора, дополнительный узел 600 градиента и соответствующие клапаны и трубопроводы, связывающие различные компоненты генератора друг с другом.
Сначала, со ссылками на фиг.12A-12D, будут подробно описаны узел 600 градиента и его использование в генераторе 1'.
В исходном положении генератора (когда генератор в покое) трубопровод генератора заполнен рабочей средой при заранее определенном давлении, причем рабочая среда имеет промежуточную температуру. Следовательно, среда под давлением также имеет промежуточную температуру.
Во время первой стадии работы генератора блок АС кондиционирования воздуха начинает работу, подогревая рабочую среду в резервуаре 110' высокой температуры и охлаждая рабочую среду в резервуаре 120' низкой температуры. Промежуточный резервуар 130' содержит рабочую среду при промежуточной температуре. При достижении рабочей средой в резервуаре 110', 120' высокой/низкой температуры, соответственно, желательной температуры, приводные приспособления 250', 260' начинают свою работу следующим образом:
H
1
2
(a) (i) рабочая среда с высокой температурой из резервуара 110' высокой температуры проходит через правый сосуд 200R давления для нагревания среды под давлением, и повторно циркулирует через трубопроводы PR назад в резервуар 110' высокой температуры (трубопроводы L, L);
1
3
(ii) одновременно, рабочая среда с низкой температурой из резервуара 120' высокой температуры проходит через левый сосуд 200L давления для охлаждения среды под давлением и рециркулирует через трубопроводы PcR назад в резервуар 120' низкой температуры (трубопроводы L, L);
HOT
COLD
(iii) операция (а) продолжается до тех пор, пока среда под давлением в каждом сосуде 200R', 200L' давления не достигнет желаемой высокой температуры T/T, соответственно;
(b) (i) рабочая среда при промежуточной температуре из промежуточного резервуара 130' проходит через сосуд 200R' давления для нагревания посредством горячей среды под давлением, тем самым удаляя оттуда теплоту;
(ii) одновременно, рабочая среда с промежуточной температурой из промежуточного резервуара 130' проходит через сосуд 200L' давления для охлаждения посредством холодной среды под давлением, тем самым подавая к ней теплоту;
1
4
(c) (i) нагретая рабочая среда с промежуточной температурой проходит в градиентный бак 600R (трубопроводы L, L), имея в нем градиент температуры, так что верхняя часть градиентного бака 600R содержит более горячую нагретую рабочую среду с промежуточной температурой, чем в нижней части градиентного бака 600R;
1
4
(ii) одновременно, охлажденная рабочая среда с промежуточной температурой проходит в градиентный бак 600L (трубопроводы L, L), имея в нем градиент температуры, так что верхняя часть градиентного бака 600R содержит более холодную охлажденную рабочую среду с промежуточной температурой, чем в нижней части градиентного бака 600L;
(iii) эта стадия продолжается до тех пор, пока рабочая среда с промежуточной температурой не достигнет желательной температуры в каждом из градиентных баков 600R, 600L;
6H
7C
INTERMEDIATE
(d) (i) нагретая рабочая среда с промежуточной температурой проходит из градиентного бака 600R в переднюю часть генератора, где она повторно входит в левый сосуд давления 200L' (см. трубопроводы L, L на фиг.17A), дополнительно подавая посредством этого теплоту в холодную среду под давлением и нагревая ее назад до температуры, близкой к T;
6C
7C
INTERMEDIATE
(ii) Одновременно охлажденная рабочая среда с промежуточной температурой проходит из градиентного бака 600L к передней части генератора, где она повторно входит в правый сосуд давления 200R' (трубопроводы L, L на фиг.17A) дополнительно изымая, посредством этого, теплоту из нагретой среды под давлением и охлаждая ее назад до температуры, близкой к T;
INTERMEDIATE
(iii) эта операция продолжается до тех пор, пока среда под давлением в обоих сосудах давления 200R' и 200L' не будет при температуре T.
Операции от (а) до (d) затем повторяют, но противоположным способом, то есть, рабочая среда с высокой температурой теперь проходит через левый сосуд 200L' давления, а рабочая среда с низкой температурой проходит через правый сосуд 200R' давления и так далее.
Очевидно, что первая партия нагретой рабочей среды с промежуточной температурой, входящая в градиентный бак 600R, горячее следующей партии рабочей среды с промежуточной температурой, входящей в градиентный бак 600R, и соответственно, первая партия охлажденной рабочей среды с промежуточной температурой, входящая в градиентный бак 600L, холоднее следующей партии рабочей среды с промежуточной температурой, входящей в градиентный бак 600L.
INTERMEDIATE
Эта операция переключения предоставляет много преимуществ, одно из которых состоит в улучшенном теплообмене со средой под давлением. В частности, очевидно, что в каждом баке среда под давлением сначала выполняет теплообмен с рабочей средой с промежуточной температурой при температуре T (операции (b) (i) и (b) (ii)), и после этого происходит дополнительный процесс теплообмена с нагретой/охлажденной рабочей средой с промежуточной температурой (операции (с) (i) и (с) (ii)).
5R
5L
5
Очевидно, что во время операций (b) (i) и (b) (ii) рабочая среда с промежуточной температурой, содержащаяся в градиентных резервуарах 600R, 600L, течет через трубопроводы L, L и L в радиатор, где любая накопленная теплота генератора может быть удалена посредством теплообмена с внешней окружающей средой.
Обратив внимание на фиг.12C, можно видеть, что градиентные сосуды 600R, 600L выполнены со спиральной структурой 620R, 620L, выполненной с возможностью предотвращения теплообмена между различными партиями нагретой/охлажденной рабочей среды с промежуточной температурой и, таким образом, поддержания градиента температуры внутри резервуаров 600R, 600L.
Обратимся теперь к фиг.13A, где показаны конструкции трубопроводов генератора, в частности:
3
L, направляющий воду низкой температуры, прошедшую через сосуд давления, назад в резервуар низкой температуры 120';
5
5R
5L
L', L', L', направляющий воду промежуточной температуры после прохождения через радиатор назад в промежуточный резервуар 130';
5
L, направляющий рабочую среду с промежуточной температурой в промежуточный резервуар 130; и
9
L, направляющий воду с промежуточной температурой назад к задней части генератора по направлению к градиентным резервуарам 600R, 600L.
Обратившись к фиг.13B, можно видеть, что резервуар 120' низкой температуры содержит элемент теплообмена 124', выполненный с возможностью охлаждения рабочей среды в резервуаре 120' посредством создания конденсатора блока АС кондиционирования воздуха. Резервуар 120' кроме того содержит вентилятор 128', приводимый в движение внешним двигателем 126' и выполненный с возможностью поддержания однородной температуры внутри резервуара 120'.
Теперь, со ссылками на фиг.14A-14D, будут описаны привод рабочей среды и сердечники сосудов давления 200R', 200L'.
Видно, что хотя ранее описанный генератор содержит только один сердечник 240 на сосуд, описываемый теперь генератор 1' содержит по шесть сердечников 240' на сосуд, и каждый из них имеет конструкцию, аналогичную конструкции ранее описанного сердечника 240.
Для обеспечения циркуляции рабочей среды одновременно через все сердечники 240 предусмотрен двигатель 250', выполненный с возможностью управления зубчатым колесом 254', входящим в зацепление с зубчатым колесом 256', которое в свою очередь управляет общим зубчатым колесом 259', входящим в зацепление с соответствующими зубчатыми колесами 242' каждого из сердечников 240. Зубчатые колеса 242' ответственны за вращение ходового винта (не показан), который продвигает рабочую среду через всю систему трубопроводов генератора.
Кроме того, предусмотрен вторичный приводной электродвигатель 260', выполненный с возможностью вращения устройства 220' вентилятора каждого из сердечников 240' вокруг оси сердечников (очевидно, что в некоторых приложениях даже сами сердечники могут поворачиваться вокруг собственной оси). Приводной электродвигатель 260' выполнен с возможностью зацепления с общим ведущим колесом 269', которое, в свою очередь, входит в зацепление с зубчатыми колесами 222' устройства 220' вентилятора.
Очевидно, что генератор, кроме того, содержит дополнительный комплект приводных электродвигателей 250', 260', расположенных с задней стороны генератора, то есть на другом конце сосудов 200R', 200L' давления. Таким образом, нагрузка управления распределена между передним комплектом и задним комплектом двигателей.
Обращая внимание на фиг.14E и 14F, можно видеть, что ходовой винт, используемый в описываемом сейчас генераторе, может иметь отличную от предыдущей конструкцию, причем отличие состоит в значении шагового угла (70 градусов), дающего дополнительный вклад в циркуляцию рабочей среды через сердечник 240' и в проталкивание рабочей среды ко внутренней поверхности сердечника 240'.
0
1
Обратимся теперь к фиг. от 15A до 15C, где показан контроллер генератора Г, в целом обозначаемый позицией 700. Контроллер 700 размещен так, чтобы быть вставленным между трубопроводом L, выходящим из сосуда 200' давления, и трубопроводом L, ведущим к клапану 140'. Контроллер 700 предназначен для регулирования мощности Q потока из сосуда давления 200 посредством регулирования площади поперечного сечения, через которое проходит рабочая среда.
0
1
Обратившись теперь к фиг.15C, можно видеть, что контроллер 700 содержит кожух 720, выполненный с впускным отверстием 722, сообщающимся через текучую среду с трубопроводом L, и выпускным отверстием 724, сообщающимся через текучую среду с трубопроводом L. Контроллер 700 кроме того содержит плунжер 740, выполненный с верхней частью 742, горловинной частью 744 и основным блоком 746. Основной блок 746 выполнен с каналом 748, а на горловинной части 744 установлена пружина, отжимающая от кожуха для смещения плунжера 740 вниз.
Таким образом, когда канал 748 установлен соосно с впускным/выпускным отверстиями 722, 744, имеет место максимальное поперечное сечение потока. Когда плунжер сдвинут и канал 748 нецентрирован, поперечное сечение потока уменьшено. Контролируя нагрузку от пружины любыми обычными средствами, например, винтом (не показан), можно регулировать мощность потока через генератор 1'.
10
11
Обратимся теперь к фиг.16A и 16B, где показана конструкция 590 аккумулятора, используемая в вышеописанном генераторе 1'. Резервуар 590 содержит два ведущих к нему трубопровода L, по одному от каждого сосуда 200' давления. Кроме того, схема 590 аккумулятора содержит трубопроводы L, ведущие к ней от задней части генератора 1'. Резервуары для аккумуляции теплоты также содержат выпускной трубопровод 592, ведущий к пользовательскому люку (не показан). Схема 590 аккумулятора, как ранее описано, может содержать внутри себя нагревательный элемент, выполненный с возможностью нагревания содержащейся внутри рабочей среды.
В целом, схема 590 аккумулятора обеспечивает возможность накопления избыточной энергии, произведенной генератором 1'. Точнее, любая дополнительная энергия, произведенная генератором 1' (то есть энергия, не расходуемая пользователем), может быть направлена на нагревание рабочей среды, содержащейся в схеме 590 аккумулятора. Нагретую рабочую среду схемы 590 аккумулятора можно позднее использовать вместо рабочей среды с высокой температурой, произведенной в резервуаре 110' высокой температуры блоком AC кондиционирования воздуха, что тем самым экономит мощность блока AC.
В качестве альтернативы, давление рабочей среды в схеме 590 аккумулятора может быть увеличено (и стать больше давления, необходимого конечному пользователю трубопровода 592), так что точка кипения рабочей среды возрастает, обеспечивая тем самым возможность поглощения большего количества энергии рабочей средой в схеме аккумулятора.
Обратимся теперь к фиг.17A-17D, где показаны клапана и система трубопроводов генератора 1':
1
V - основной передний клапан, имеющий впускные/выпускные отверстия к следующим трубопроводам:
H
L - выпускная труба из резервуара 110' высокой температуры;
C
L - выпускная труба из резервуара 120' низкой температуры;
10
L - выпускная труба, ведущая к схеме 590 аккумулятора;
L - основной трубопровод сердечника, направляющий рабочую среду в сосуды 200' давления; и
6C
6H
L, L - перепускные трубопроводы, направляющие рабочую среду из градиентного бака 600 в противоположный сосуд 200' давления;
2
V - вспомогательный передний клапан, имеющий впускные/выпускные отверстия к следующим трубопроводам:
5L
5R
5
L', L' (разветвляющиеся от L') - трубопроводы, направляющие рабочую среду с промежуточной температурой при промежуточной температуре из градиентного бака 600;
8
L - трубопровод, направляющий рабочую среду с промежуточной температурой назад в промежуточный резервуар 130'; и
9
L - трубопровод, направляющий рабочую среду с промежуточной температурой к задней стороне генератора 1' для создания давления;
3
V - основной задний клапан, имеющий впускные/выпускные отверстия к следующим трубопроводам:
1
L - трубопровод, направляющий рабочую среду от сердечников сосудов 200' давления;
2
L - трубопровод, направляющий рабочую среду с высокой температурой назад в резервуар 110' высокой температуры;
3
L - трубопровод, направляющий рабочую среду с низкой температурой назад в резервуар 120' низкой температуры;
4
L - трубопровод, направляющий рабочую среду с промежуточной температурой в градиентный бак 600; и
9
L - трубопровод, направляющий рабочую среду с промежуточной температурой к задней стороне генератора 1' для создания давления;
4
V - вспомогательный задний клапан, имеющий впускные/выпускные отверстия к следующим трубопроводам:
4
L - трубопровод, направляющий рабочую среду с промежуточной температурой в градиентный бак 600;
5
L - трубопровод, направляющий рабочую среду с промежуточной температурой к градиентный бак 600; и
6C
6H
L, L - перепускные трубопроводы, направляющие рабочую среду из градиентного бака 600 в противоположный сосуд 200' давления.
Обратимся теперь к фиг.17E, где показаны схематические диаграммы температуры рабочей среды, проходящей через сердечник, по одной для каждого из сосудов давления 200R', 200L'. Диаграмма может быть разделена на следующие участки:
1
HOT
S - эквивалентно операции (a) (i) описанного выше первого полуцикла, где рабочая среда с высокой температурой при температуре T, равной 15°C, проходит через сердечник в моменты времени от t≈10 секунд до t=15 секунд;
2
INTERMEDIATE
S - эквивалентно операции (b) (i) описанного выше первого полуцикла, где рабочая среда с промежуточной температурой при температуре T проходит через сердечник в моменты времени от t=15 секунд до t≈20 секунд;
3
S - эквивалентно операции (d) (i) описанного выше первого полуцикла, где охлажденная рабочая среда с промежуточной температурой (при наличии градиента температуры) проходит из градиентного бака 600 противоположного сосуда давления 200' через сердечник в моменты времени от t≈20 секунд до t=25 секунд;
4
COLD
S - эквивалентно операции (a) (i) описанного выше второго полуцикла, где имеют место сосуды давления и рабочая среда с низкой температурой при T проходит через сердечник в моменты времени от t≈25 секунд до t≈30 секунд;
5
INTERMEDIATE
S - эквивалентно операции (b) (i) описанного выше второго полуцикла, где рабочая среда с промежуточной температурой при T проходит через сосуды 200' давления в моменты времени от t» 30 секунд до t=35 секунд; и
6
S - эквивалентно операции (d) (i) описанного выше второго полуцикла, где нагретая рабочая среда с промежуточной температурой (при наличии градиента температуры) проходит из градиентного бака 600 противоположного сосуда 200' давления через сердечник в моменты времени от t≈35 секунд до t≈40 секунд.
На этом завершен полный цикл генератора 1'. Очевидно, что на нижней диаграмме отображена температура рабочей среды, проходящей через сердечник противоположного сосуда давления. Таким образом, вышеупомянутые стадии применимы к нижней диаграмме при изменении индекса с (i) на (ii), например, операция (b) (ii) выполняется вместо операции (b) (i).
Обратимся теперь к фиг.18A-18G, где показано транспортное средство, в целом обозначаемое позицией 800, в котором использован модифицированный вариант генератора 1', в целом обозначенный позицией 1”. Видно, что контейнеры рабочей среды расположены в передней части F транспортного средства 800, а все создающие перемещение приспособления расположены в задней части R транспортного средства 800. Сосуды 200' давления расположены горизонтально вдоль шасси 820 транспортного средства, простирающегося между передней частью F и задней частью R.
В отличие от описанного выше генератора 1', в настоящем генераторе градиентные баки 600 расположены в той же части сосудов 200' давления, что и резервуары рабочей среды 110', 120' и 130'.
Также очевидно, что расположение сосудов 200' давления предоставляет транспортному средству 800 дополнительную устойчивость вследствие веса сосудов 200' давления. Также очевидно, что поскольку транспортное средство 800 обычно движется при работе генератора 1', эффективность работы радиатора 400 может быть значительно улучшена вследствие увеличения коэффициента теплообмена между движущимся транспортным средством 800 и окружающим воздухом.
Обратившись теперь к фиг. от 19A по 19F, можно видеть морское судно, в целом обозначенное позицией 900 и содержащее модифицированный вариант ранее описанного генератора 1', в целом обозначаемый позицией 1'''.
9
Видно, что в генераторе 1''' отсутствует промежуточный резервуар 130'. Причина этого в том, что генератор 1''' использует воду, в которую он погружен, в качестве основной рабочей среды, и, следовательно, резервуар, содержащий воду, в которую он погружен (озеро, океан, водоем), заменяет резервуар 130'. Для использования этой среды предусмотрено два трубопровода L', что позволяет генератору отбирать воду из вышеупомянутой среды в генератор 1'''.
Обратимся теперь к фиг.20A и 20B, где показано поперечное сечение сердечника сосуда 200' давления при отсутствии давления и при приложенном давлении, соответственно. Видно, что внутренняя поверхность сердечника покрыта внутренним слоем 1000 с увеличенной площадью поверхности вследствие образованных на нем микроструктур 1100. Увеличение площади поверхности нужно для увеличения коэффициента теплообмена между внутренним слоем и рабочей средой, протекающей через сердечник.
На фиг.20C показан сердечник сосуда 200' со спиралью 240', проходящей через него, выполненный с возможностью заставить рабочую среду проходить через сосуд давления 200' и всю систему генератора 1.
Обратимся теперь к фиг. от 21A до 21G, где показан способ образования внутреннего слоя, включающий следующие операции:
1
2
(a) изготовление в целом плоской пластины 1000' с первой поверхностью F и противоположной второй поверхностью F;
1
1
2
(b) предварительное создание микроструктур 1100 на первой поверхности F при использовании двух прикатывающих колес W, W, одно из которых выполнено с соответствующей поверхностью MS для образования микроструктуры 1100;
(c) изготовление формы М, выполненной с несквозной полостью С, соответствующей по размеру и форме пластине 1000', причем полость С содержит базовую поверхность и отверстие на поверхности формы М;
2
1
1
(d) размещение пластины 1000' в полости таким образом, что вторая поверхность F совмещена с базовой поверхностью, а первая поверхность F обращена к отверстию полости C с образованием промежутка между первой поверхностью F и отверстием;
(e) введение материала F наполнителя в полость С для заполнения промежутка, включая пространство, образованное между микроструктурами MS;
2
(f) отвердение материала F наполнителя с образованием единственной пластины, составленной из пластины 1000' и затвердевшего материала F наполнителя, причем первая поверхность представляет собой материал наполнителя, а вторая поверхность F представляет собой вторую поверхность первоначальной пластины 1000';
2
(g) деформирование указанной единственной пластины посредством блока PB давления и деформационной формы D с образованием (по меньшей мере, частично) цилиндрической формы диаметра Dm, так что вторая поверхность F единственной пластины 1000' представляет собой наружную поверхность сердечника, а первая поверхность единственной пластины представляет собой внутреннюю поверхность сердечника;
(h) удаление материала F наполнителя из единственной пластины 1000' с образованием первоначальной пластины 1000 с микроструктурами MS, выполненными на ее внутренней поверхности; и
(i) окончательная отделка внутренней поверхности с микроструктурами.
Со ссылками на фиг.20D и 20E показан другой пример реализации сердечника, в целом обозначенного позицией 240” и выполненного с ребрами 246" и 247" на его внутренней поверхности и на его наружной поверхности, соответственно. Этот сердечник 240” может быть выполнен из вольфрама или других материалов (см. фиг.26A, 26B) и его конструкция обеспечивает увеличенную прочность сердечника 240”.
Очевидно, конструкция ребер 246” и 247” такова, что верхушка одного ребра противостоит впадине другого и наоборот, так что толщина в каждой точке вдоль центральной оси X обычно одинакова (N).
Ребра 246”, 247” могут быть параллельными, как в настоящем примере, или, в соответствии с другим вариантом реализации, быть в виде одного спирального ребра (как в витке резьбы). Преимущество последнего примера состоит в простоте изготовления, поскольку внешние ребра 247” могут быть выполнены проточкой на токарном станке, а внутренние ребра 246” могут быть выполнены метчиком.
Обратимся теперь к фиг.22A и 22B, где приведен еще пример реализации генератора, в целом обозначенный позицией 2000 и в целом похожий по конструкции на ранее описанный генератор 1, но отличающийся от него, главным образом, конструкцией подсистемы 2100 рабочей среды (в противоположность подсистеме 100 рабочей среды).
Подсистема 2100 рабочей среды выполнена в виде каскадной схемы 2150, содержащей резервуар 2110 высокой температуры и резервуар 2120 низкой температуры, но без резервуара промежуточной рабочей среды, присутствовавшего в предыдущих примерах.
Каждый из сосудов 2200R, 2200L давления содержит на впускном конце соответствующий впускной трубопровод 2136R, 2136L, регулируемый соответствующими клапанами 2140 В и 2140A, а на выпускном конце соответствующий впускной трубопровод 2146R, 2146L, регулируемый соответствующими клапанами 2140D и 2140C.
Выпускной конец резервуара 2110 высокой температуры присоединен к клапанам 2140B и 2140A через соответствующие трубопроводы 2134R, 2134L, а впускной конец резервуара 2110 высокой температуры присоединен к клапанам 2140D и 2140C через соответствующие трубопроводы 2144R, 2144L.
Выпускной конец резервуара 2120 низкой температуры присоединен к клапанам 2140B и 2140A через соответствующие трубопроводы 2132R, 2132L, а впускной конец резервуара 2120 низкой температуры присоединен к клапанам 2140D и 2140C через соответствующие трубопроводы 2142R, 2142L.
ENV
В настоящем генераторе (как в ранее описанных примерах) в исходном положении текучая среда под давлением внутри сосуда давления имеет температуру T, которая примерно равна температуре окружающей среды. Начальные операции рабочего цикла рассматриваемого генератора могут быть описаны следующим образом:
H
HOT
ENV
HOT
H
H-Cooled
H
(a) прохождение воды высокой температуры из резервуара высокой температуры 2110 при температуре T через сосуд давления для нагревания содержащейся там текучей среды под давлением; это приводит к нагреву текучей среды под давлением до температуры T>T (однако, T<T) и одновременно к охлаждению рабочей среды с высокой температурой до температуры T<T;
ENV
hot
cold
C
C-Heated
C
(b) прохождение рабочей среды с низкой температурой из резервуара низкой температуры 2120 при температуре ТС<T через сосуд давления для охлаждения содержащейся там нагретой текучей среды под давлением. Это приводит к охлаждению текучей среды под давлением от температуры T до температуры T>T, и одновременно к нагреванию воды с низкой температурой ДО Температуры T>T.
Hot
Cold
После этого операции (а) и (b) повторяют с тем отличием, что температура текучей среды теперь постоянно колеблется между значениями T и T.
C-HEATED
C
ENV
C-Heated
H-Cooled
H
H
Одновременно с выполнением операции (а) нагретая рабочая среда с низкой температурой, находящаяся теперь при температуре T>T, охлаждается, выполняя теплообмен с окружающей средой, находящейся при температуре T<T; этот этап регулирует блок 2400 радиатора (показанный на фиг.22A, 22B). Кроме того, одновременно с выполнением операции (b), охлажденная рабочая среда с высокой температурой, находящаяся теперь при температуре T<T, нагревается системой кондиционирования, возвращающей его назад к температуре T.
Очевидно, что при выполнении операции (а) в одном сосуде давления (например, в сосуде 2200R), во втором сосуде давления 2200L идет операция (b). Таким образом, сосуды давления сменяют друг друга, то есть, при нагреве текучей среды в одном сосуде, текучая среда в другом сосуде претерпевает охлаждение и наоборот.
1
7
1
7
Обратившись теперь к фиг. от 23A по 23F, можно видеть, что основное отличие в конструкции подсистемы рабочей среды 2100 состоит в том, что система кондиционирования, ранее использовавшаяся для снабжения резервуаров высокой/низкой температуры в соответствующих секциях конденсатора/испарителя кондиционера, теперь заменена каскадной схемой 2150, содержащей несколько ступеней от G до G, каждая из которых работает в качестве основного механизма сжатия/расширения кондиционера, как будет теперь объяснено. Схема такова, что каскад 2150 содержит первую оконечную ступень G, обеспечивающую «понижение» для резервуара низкой температуры 2120, и вторую оконечную ступень G, подающую теплоту для резервуара высокой температуры 2110.
(n)
(n)
(n)
(n)
(n)
(n)
(n)
Каждая из ступеней G содержит компрессор C, секцию 2152 конденсатора, расширительный клапан 2154, секцию 2156 испарителя и трубопровод 2158 возвращения, ведущий к компрессору С, где (n) обозначает номер ступени G.
1
7
H(n)
(n)
C(n)
(n)
Каждая из ступеней от G до G содержит сжимаемую текучую среду (газ или жидкость) и предназначена для работы между высокой температурой текучей среды T в соответствующей секции 2152 конденсатора и низкой температурой T в соответствующей секции 2156 испарителя.
(n)
(n)
(n)
(n+1)
(n)
(n)
Схема такова, что секция 2152 конденсатора одной ступени G и секция 2156 испарителя следующей ступени G термически соединены для реализации теплообмена. В частности, схема представляет собой коаксиальные трубки, где секция 2152 конденсатора представлена внутренней трубкой, а секция 2156 испарителя представлена внешней трубкой.
(n)
(n+1)
В этой схеме расположения сжатая текучая среда из одной ступени G течет внутри внутренней трубки и обменивается теплом с расширенной текучей средой из последующей ступени G, которая течет между внутренней поверхностью внешней трубки и наружной поверхностью внутренней трубки (см. фиг.23E).
C(n)
(n)
(n)
(n+1)
H(n+1)
(n+1)
(n+1)
(n)
(n+1)
Каскадная схема 2150 разработана таким образом, что температура T текучей среды в секции 2156 испарителя одной ступени G ниже температуры конденсации текучей среды, текущей в последующей ступени G, и обязательно ниже температуры T текучей среды в секции 2152 конденсатора этой ступени G. В результате происходит теплообмен, где расширенная текучая среда одной ступени G воспринимает теплоту от сжатой текучей среды последующей ступени G.
C(n+1)
(n+1)
Однако, очевидно, что температура T охлажденной текучей среды в последующей ступени G…
C(n)
H(n)
COND
Ниже показан пример значений температур T, T и T:
(n)
T<sub>H(n)</sub>
T<sub>C(n)</sub>
T<sub>COND</sub>
1
27
0
2
57
27
30
3
90
57
60
4
116
90
93
5
155
116
119
6
197
155
158
7
248
197
200
1
7
7
1
На практике секция 2156 ч испарителя первой ступени G погружена внутрь резервуара 2120 низкой температуры, что приводит температуру воды низкой температуры к значению, примерно равному 3°C, а секция 2152 конденсатора седьмой ступени погружена внутрь резервуара 2110 высокой температуры, что приводит температуру воды высокой температуры к значению, примерно равному 242°C. Очевидно, что высокие/низкие температуры резервуаров 2110, 2120 высокой/низкой температуры никогда не достигают температур соответствующих секций 2152, 2156 конденсатора/испарителя, и всегда немного ниже/выше, соответственно.
По фиг.22A и 22B можно видеть, что генератор 2000 оснащен передним и задним приводными электродвигателями 2250F и 2250R, соответственно, выполненными с возможностью управления сердечниками сосудов 2200 давления, и передним и задним приводными электродвигателями 2260F и 2260R, выполненными с возможностью управления спиралью для циркуляции рабочей среды внутри генератора 2200.
Использование передних и задних двигателей для управления одним и тем же элементом обеспечивает возможность применения меньших нагрузок к поворачивающимся элементам (сердечнику или спирали), размещенным внутри среды под давлением. При использовании только одного двигателя есть возможность изгиба сердечника и/или спирали внутри сосуда давления, что может привести к нарушению механической целостности системы.
C-Heated
Возвращаясь теперь к фиг.22D, можно видеть, что блок 2400 радиатора размещен вдоль трубопроводов 2146R, 2146L, ведущих от сосудов 2200R, 2200L давления в резервуар 2120 низкой температуры. Блок 2400 радиатора предназначен для теплообмена между нагретой водой низкой температуры, текущей в этих трубопроводах (при температуре T), и воздухом из окружающей среды.
C-Heated
1
Блок радиатора оснащен вентилятором (не показан) и блоком управления (не показан) выполненным с возможностью регулировки работы вентилятора, так чтобы покидающая радиатор вода низкой температуры оставалась при постоянной по существу температуре. Например, если T примерно равна 50°C, то нужно понизить эту температуру до примерно 20°C для эффективной работы первой ступени G. Таким образом, блок управления применим для поддержания покидающей радиатор воды низкой температуры при температуре, примерно равной 20°C.
Блок управления может содержать датчик, связанный с трубопроводом 2149 воды низкой температуры, выпущенной из радиатора, и выполненный с возможностью измерения ее температуры. При превышении этой температурой заранее определенной температуры (в этом конкретном примере равной 20°C) блок управления заставляет вентилятор вращаться быстрее для увеличения интенсивности теплообмена внутри блока 2400 радиатора. В качестве альтернативы, если эта температура ниже заранее определенной температуры (в этом конкретном примере равной 20°C), блок управления заставляет вентилятор вращаться медленнее для уменьшения интенсивности теплообмена внутри блока 2400 радиатора.
Обратимся теперь к фиг.24A-24D, где показан другой пример каскадной схемы расположения, в целом обозначенной под позицией 2150' и выполненной с возможностью подстройки ее рабочего режима к температуре внешней окружающей среды.
1
2
Отличие между описываемой сейчас каскадной схемой 2150' и ранее описанной (со ссылками на фиг. от 23A до 23F) каскадной схемой 2150 состоит в конструкции первой и второй ступени G, G и, в частности, в связанным с ними устройством 2170 обхода.
2
2
2
Обычно температура окружающей среды в различные моменты времени способна возрастать до такой степени, что превышает температуру сжатой текучей среды в секции 21522 конденсации второй ступени G. В этом случае вода низкой температуры, выпущенная из блока радиатора после теплообмена с ним, также будет при температуре, превышающей температуру сжатой текучей среды в секции 2152 конденсации второй ступени G.
1
1
1
1
1
В результате секция 2156 испарителя первой ступени G будет погружена в очень горячую среду. Поскольку каждая ступень оснащена компрессором заранее определенной мощности и предназначена для работы при заранее определенной разности Δ температур, компрессор C просто не будет в состоянии удалить так много теплоты из секции 2156 испарителя, приводя к неэффективности работы первой ступени G.
1
2
Для устранения этого недостатка применимо устройство 2170 обхода, выполненное с возможностью обхода первой ступени G и присоединения резервуара 2120 низкой температуры к испарителю второй ступени G.
A
B
2
2
В частности, устройство 2170 обхода содержит два клапана 2172, 2172, связанных с секцией испарителя второй ступени G и компрессором C второй ступени, соответственно. Устройство 2170 обхода содержит расширительный клапан 2174, ведущий к секции испарителя 2176, выполненной в форме трубки, ведущей в резервуар 2120 низкой температуры, и выпускной трубопровод 2178, ведущий из резервуара 2120 низкой температуры.
2
1
1
2
2
В обычном рабочем режиме, когда температура окружающей среды ниже температуры сжатой текучей среды во второй ступени G, люки A и B открыты, а люки A и B закрыты, и каскадная схема 2150' работает в режиме, идентичном режиму каскадной схемы 2150.
2
1
1
2
2
При превышении температурой окружающего воздуха из внешней окружающей среды температуры сжатой текучей среды во второй ступени G, люки A и B закрыты, а люки A и B открыты, чтобы позволить следующее:
2
2
2
Сжатая текучая среда из секции 2152 конденсатора второй ступени G проходит к расширительному клапану 2174, позволяя текучей среде расшириться и остыть. После прохождения через расширительный клапан 2174 расширенная текучая среда течет вдоль трубопровода 2176 для попадания в резервуар 2120 низкой температуры, где она охлаждает воду и выходит (немного нагретой) через трубопровод 2178, ведущий к компрессору C.
7
2
7
Очевидно, что тогда как в нормальном рабочем режиме разность температур между резервуаром 2120 низкой температуры и резервуаром 2110 высокой температуры была примерно равной 240°C (между значением 3°C, обеспечиваемым температурой 0°C испарителя 2156 ч первой ступени, и значением 242°C, обеспечиваемым температурой 242°C конденсатора седьмой ступени 2152), теперь разность температур примерно равна 210°C (между значением 30°C, обеспечиваемым температурой 27°C испарителя 2156 второй ступени, и значением 242°C, обеспечиваемым температурой 242°C конденсатора 2152 седьмой ступени).
1
Другими словами, при уменьшении полной разности температур в каскадной схеме 2150' эффективность обычно остается неизменной вследствие устранения из процесса работы первой ступени G каскадной схемы 2150'.
Обратимся теперь к фиг, 25A и 25B, где показан другой пример реализации каскадной схемы, в целом обозначаемой позицией 2150” и подобной ранее описанной каскадной схеме 2150, причем различие состоит в том, что текучие среды в теплообменнике каждой ступени теперь текут в противоположных направлениях (в противоположность параллельным потокам в ранее описанном примере).
1
1
2
2
В частности, сжатая текучая среда в первой ступени G течет через соответствующую секцию 2152” конденсатора в одном направлении, а расширенная текучая среда во второй ступени G течет через соответствующую секцию 2156” испарителя в противоположном направлении. Как хорошо известно, противоточные теплообменники обеспечивают повышенную эффективность теплообменника и таким образом более эффективную работу каскадной схемы 2150”,
Также следует иметь в виду, что хотя настоящий пример реализации каскадной схемы 2150” показан без устройства 2170 обхода (см. фиг. от 24A до 24D), как и в предыдущем примере реализации каскадной схемы 2150', такое устройство 2170 обхода может быть применено в описываемой теперь каскадной схеме 2150”.
Обратимся теперь к фиг. от 27A до 27E, где показан еще одни пример реализации генератора, в целом обозначенный позицией 3000. В целом, структура генератора 3000 обычно похожа на структуру ранее описанных генераторов, однако, имеют место следующие отличия:
- Сосуды давления, где каждая сторона (левая/правая) генератора содержит четыре сосуда давления и каждый из них имеет структуру, аналогичную структуре сосудов давления, описанных в связи с предыдущими примерами;
- Линейное соединение сердечников, где каждый сосуд содержит шесть сердечников, но в противоположность предыдущим примерам, сердечники соединены линейно друг с другом, образуя длинный путь потока рабочей среды (в шесть раз длиннее вышеописанного параллельного соединения);
- Линейное соединение сосудов (рабочая среда), где сердечники четырех сосудов давления каждой стороны линейно соединены друг с другом, образуя еще более длинный путь потока рабочей среды;
- Линейное соединение сосудов (среда под давлением), где отсеки этих четырех сосудов давления на каждой стороне, содержащих среду давления, также сообщаются через текучую среду друг с другом через соединения давления, образуя тем самым длинный путь потока среды под давлением;
- Внешний резервуар низкой температуры, где резервуар низкой температуры, представляющий собой испаритель блока кондиционера, подвержен воздействию окружающей среды и не использован для циркуляции рабочей среды через него.
При работе полный цикл одной стороны генератора может содержать следующие операции (принимая во внимание, что противоположная сторона подвергается тем же самым операциям, но только с некоторым сдвигом):
a) Рабочая среда с высокой температурой проходит из блока конденсатора блока кондиционера вдоль длины двадцати четырех сердечников (по шесть сердечников в каждом из четырех сосудов давления), увеличивая тем самым температуру среды под давлением до ее максимальной рабочей температуры и одновременно охлаждаясь до более низкой температуры;
b) Из последнего сердечника четвертого сосуда давления охлажденная рабочая среда с высокой температурой возвращена к блоку конденсатора блока кондиционера после прохождения через радиатор для удаления из нее, по меньшей мере, дополнительной части оставшейся здесь теплоты;
c) Рабочая среда с промежуточной температурой при температуре окружающей среды проходит из промежуточного резервуара через все двадцать четыре сердечника четырех сосудов давления, понижая тем самым температуру среды под давлением ниже максимальной рабочей температуры, и одновременно нагреваясь до более высокой температуры;
d) Из последнего сердечника рабочая среда с промежуточной температурой течет в градиентные сосуды с целью хранения в них, так что первая входящая в градиентный бак партия рабочей среды с промежуточной температурой имеет самую высокую температуру, а последняя входящая в градиентный бак партия рабочей среды с промежуточной температурой имеет самую низкую температуру;
e) Рабочая среда с промежуточной температурой, находящаяся при температуре окружающей среды, проходит из промежуточного резервуара через все двадцать четыре сердечника четырех сосудов давления, понижая тем самым температуру среды под давлением до минимальной рабочей температуры, и одновременно нагреваясь до более высокой температуры;
f) Из последнего сердечника рабочая среда с промежуточной температурой течет назад в промежуточный рабочий резервуар, проходя через радиатор для удаления дополнительной теплоты в окружающую среду;
g) Нагретая рабочая среда с промежуточной температурой проходит из градиентного бака через сердечники четырех сосудов давления, тем самым постепенно нагревая среду под давлением до температуры выше минимальной рабочей температуры и все же ниже максимальной рабочей температуры. Постепенное нагревание выполняют при использовании конфигурации LIFO, где последняя партия, входящая в градиентный бак (которая также имеет самую низкую температуру), является первой, протекающей через сердечники;
h) Из последнего сердечника рабочая среда с промежуточной температурой течет в промежуточный резервуар, проходя через блок радиатора для удаления дополнительной теплоты в окружающую среду;
i) Повторение, начиная с операции (a).
В частности, операции (a), (b), (e) и (f) могут быть выполнены в течение первого промежутка времени, а операции (c), (d), (g) и (h) могут быть выполнены в течение второго промежутка времени, большего, чем первый промежуток времени. В частности, второй промежуток времени может быть в два раза длиннее первого промежутка времени. В конкретном примере первый промежуток времени может продолжаться 5 секунд, а второй промежуток времени может продолжаться 10 секунд.
Обратившись к фиг.28a и 28b, можно видеть, что операции выполнены следующим образом:
E
B2
I
O
D3
F
F1
операции (a) и (b): рабочая среда с высокой температурой вытекает из резервуара высокой температуры в клапан Е: впуск через E2, выпуск через E и трубопровод L ⇒ трубопровод L в клапан B: впуск через B2, выпуск через B и трубопровод LR ⇒ выпуск из сердечников через трубопровод LR и в клапан D: впуск через D, выпуск через D3 и трубопровод L ⇒ трубопровод L в клапан F: впуск через F, выпуск через F1 и трубопровод L назад в резервуар высокой температуры;
M
I
O
D1
H
P
операции (с) и (d): Рабочая среда с промежуточной температурой вытекает из резервуара промежуточной температуры через трубопровод L в клапан B: впуск через B3, выпуск через B и трубопровод LR ⇒ выпуск из сердечников через трубопровод LR и в клапан D: впуск через D, выпуск через D1 и трубопровод L ⇒ трубопровод L в клапан H: впуск через H1, выпуск через H в градиентный бак; вода, ранее хранившаяся в градиентном баке, будет протолкнута через трубопровод L (показан на фиг.27A) и радиатор 3400 и назад в промежуточный резервуар;
M
I
O
D2
N
операции (e) и (f): рабочая среда с промежуточной температурой вытекает из резервуара промежуточной температуры через трубопровод L в клапан B: впуск через B3, выпуск через B и трубопровод LR ⇒ выпуск из сердечников через трубопровод LR и в клапан D: впуск через D, выпуск через D2 и трубопровод L ⇒ трубопровод L в блок радиатора 3400 и назад к промежуточному резервуару;
B1
RI
O
D2
N
операции (g) и (h): Рабочая среда с промежуточной температурой вытекает из градиентного бака в клапан H: впуск через H, выпуск через H2 и трубопровод L в клапан В: впуск через B1, выпуск через B и трубопровод L ⇒ выпуск из сердечников через трубопровод LR и в клапан D: впуск через D, выпуск через D2 и трубопровод L ⇒ трубопровод L в блок радиатора 3400 и назад к промежуточному резервуару.
Очевидно, что клапан А эквивалентен клапану В, клапан С эквивалентен клапану D и клапан G эквивалентен клапану Н. Клапаны Е и F не эквивалентны и каждый из них отвечает за свой резервуар, то есть, клапан Е отвечает за резервуар рабочей среды с высокой температурой, а клапан F отвечает за резервуар рабочей среды с промежуточной температурой.
1
6
Обратившись теперь к фиг.29A-29C, можно видеть, что генератор 3000 содержит четыре сосуда 3200 давления, каждый из которых содержит шесть сердечников от C до C. Также видно, что сердечники соединены с образованием единственного пути потока. В частности, сердечники соединены следующим образом:
1
2
1-2
3
4
3-4
5
6
5-6
- на переднем конце сосуда 3200 давления сердечники C и C сообщаются через текучую среду через соединитель CC, сердечники C и C сообщаются через текучую среду через соединитель CC и сердечники C и C сообщаются через текучую среду через соединитель CC;
2
3
2-3
4
5
4-5
6
1
6-1
- на заднем конце сосуда 3200 давления сердечники соединены противоположным образом: сердечники C и C сообщаются через текучую среду через соединитель CC, сердечники C и C сообщаются через текучую среду через соединитель CC и сердечники C и C сообщаются через текучую среду через соединитель CC (показан на фиг.30A).
I
IV
1-2
2-3
3-4
Обратимся теперь к фиг. от 30A до 30C, где показано, что генератор 3000 подпитывают через среднюю точку, то есть рабочая среда входит в сосуды давления в области между двумя последовательными сосудами 3200 давления, а не через переднюю часть первых сосудов 3200 давления, как в ранее описанных примерах. Также видно, что все четыре сердечника от 3200 до 3200 связаны через трубопроводы W, W и W.
RI
1
I
В частности трубопровод L присоединен к первому сердечнику C первых сосудов 3200 давления. В результате путь потока рабочей среды следующий:
1
I
1
6
6
1-2
- впуск в первый сердечник C первого сосуда 3200 давления, прохождение через все сердечники от C до C этого сосуда и выпуск из шестого сердечника C в трубопровод соединителя W;
1
II
1
6
6
2-3
- впуск в первый сердечник C второго сосуда 3200 давления, прохождение через все сердечники от C до C этого сосуда и выпуск из шестого сердечника C в трубопровод соединителя W;
1
III
1
6
6
3-4
- впуск в первый сердечник C третьего сосуда 3200 давления, прохождение через все сердечники от C до C этого сосуда и выпуск из шестого сердечника C в трубопровод соединителя W; и
1
IV
1
6
6
RO
- впуск в первый сердечник C четвертого сосуда 3200 давления, прохождение через все сердечники от C до C этого сосуда и выпуск из шестого сердечника C в трубопровод соединителя L.
I
IV
В этой схеме расположения все двадцать четыре сердечника сосудов давления от 3200 до 3200 сообщаются через текучую среду друг с другом, образуя длинный путь потока.
I
IV
1-2
2-3
4-1
END
Обратимся теперь к фиг.31A и 31B, где видно, что сосуды давления от 3200 до 3200 также сообщаются через текучую среду друг с другом, то есть текучая среда под давлением внутри каждого из этих сосудов сообщается через текучую среду с текучей средой в других сосудах. Сообщение через текучую среду выполнено посредством соединителей P, P и P давления. Один из четырех сосудов давления оснащен выпускным соединителем P давления, через который среда под давлением поступает на поршневые блоки 3270R, 3270L.
Обратимся теперь к фиг.32A и 32B, где показан генератор 3000, содержащий два градиентных бака 3600L, 3600R, сообщающихся через текучую среду с сосудами давления 3200 через соответствующий трубопровод. В частности, каждый из градиентных баков 3600R, 3600L оснащен соответствующим клапаном Н, G, выполненным с возможностью подачи в градиентные баки 3600R, 3600L нагретой/охлажденной рабочей среды, как ранее описано относительно операций (с) и (d).
Каждый из градиентных баков 3600L, 3600R обычно имеет конструкцию, аналогичную конструкции ранее описанных градиентных баков 600, 1600 и 2600. В частности, он содержит лабиринт 3610 потока, выполненный с возможностью поддержания разности температур между последовательными частями рабочей среды, входящими в градиентный бак.
GO
Кроме того, видно, что каждый из градиентных баков 3600R, 3600L присоединен наверху к трубопроводу L, выполненному с возможностью вытеснения среды, содержащейся внутри градиентного бака, при вхождении рабочей среды в градиентные баки через клапаны Н и G.
На фиг.33A и 33B показана схема аккумулятора, в целом обозначаемая позицией 3900 и выполненная с возможностью аккумуляции части энергии, произведенной вышеупомянутым генератором. Схема аккумулятора 3900 содержит кожух 3910, содержащий среду для аккумуляции (не показана) и выполненный с возможностью нагревания нагревательными элементами 3920, расположенными внутри кожуха 3910. В частности, нагревательные элементы 3920 работают, используя часть электроэнергии, образованной генератором 3000, для нагрева среды для аккумуляции.
В результате, в течение заданного диапазона времени хранящаяся внутри кожуха 3910 среда испытывает постепенный нагрев до температуры, равной температуре рабочей среды с высокой температурой, находящейся внутри резервуара 3110 высокой температуры. После достижения такой температуры клапаны от А до G генератора 3000 выборочно переключают так, чтобы хранящаяся среда высокой температуры циркулировала из кожуха 3910 через генератор 3000 вместо рабочей среды с высокой температурой из резервуара 3110 высокой температуры, что определяет вспомогательный режим работы.
В частности устройство таково, что в этом вспомогательном режиме операции (а) и (b) выполнены следующим образом:
OUT
K
B2
I
O
D3
F
F1
IN
операции (а) и (b): среда высокой температуры для аккумуляции вытекает из выпускного отверстия GB кожуха 3910 схемы аккумулятора 3900 в клапан Е: впуск через E1, выпуск через E и трубопровод L ⇒ трубопровод L в клапан B: впуск через B2, выпуск через В и трубопровод LR ⇒ выпуск из сердечников через трубопровод LR и в клапан D: впуск через D, выпуск через D3 и трубопровод L ⇒ трубопровод L в клапан F: впуск через F, выпуск через F1 и трубопровод L назад к кожуху 3910 через GB.
Очевидно, что при работе генератора 3000 во вспомогательном режиме резервуар 3110 высокой температуры обходят, как описано выше, посредством трубопровода и следовательно, он не принимает участия в работе генератора 3000. Это обеспечивает возможность временного выключения блока кондиционера и, посредством этого, сокращения общего потребления энергии генератором 3000.
Обратившись теперь к фиг.34, можно видеть, что блок кондиционера выполнен в виде подсистемы 3100 рабочей среды, содержащей блок 3112 конденсатора, блок 3122 испарителя, устройство CP компрессора и устройство EV расширительного клапана. Блок 3122 испарителя подвержен воздействию окружающей среды, так что термически связан с ней и поглощает теплоту оттуда. Блок 3112 конденсатора расположен внутри корпуса, представляющего собой резервуар 3110 высокой температуры, содержащий рабочую среду с высокой температурой (не показана).
Устройство CP компрессора и устройство EV расширительного клапана сообщаются через текучую среду и с блоком 3112 конденсатора и с блоком 3122 испарителя и предназначены для создания стандартного цикла охлаждения, в котором среда-носитель (не показана) сжата устройством СР компрессора, проходит через блок 3112 конденсатора и расширяется при помощи устройства EV расширительного клапана в блок 3122 испарителя.
1
4
1
4
1
1
2
2
3
3
4
4
1
4
1
4
Видно, что устройство CP компрессора содержит четыре компрессора (от CP до CP), а устройство EV расширительного клапана содержит четыре соответствующих расширительных клапана (от EV до EV), предназначенных для образования четырех рабочих пар CP-EV, CP-EV, CP-EV и CP-EV. Каждый из компрессоров от CP до CP обладает разным энергопотреблением и обеспечивает различную степень сжатия, а каждый из расширительных клапанов от EV до EV выполнен с возможностью создания различной степени расширения.
Схема расположения такова, что подсистема 3100 рабочей среды работает посредством по меньшей мере одной пары в определенный момент времени, причем выбор этой пары происходит согласно требуемой разности температур между резервуаром высокой температуры и резервуаром низкой температуры и согласно температуре внешней окружающей среды.
Пары CP-EV могут быть выполнены с возможностью работы в течение определенных времен дня/года. В частности, одна пара может быть предназначена для работы в течение летних дней, вторая в течение летних ночей, третья в течение зимних дней и четвертая в течение зимних ночей, обеспечивая более эффективную работу генератора 3000.
Кроме того, вышеупомянутая схема содержит по меньшей мере три резервных компрессора, используемых в случае отказа одного из четырех компрессоров. Например, при отказе компрессора, предназначенного для летних ночей, на время ремонта этого компрессора может использоваться компрессор для зимних дней.
Обратимся теперь к фиг. от 35A по 35E, где показано приспособление линейной зубчатой передачи, в целом обозначаемое позицией 3300 и заменяющее ранее описанный узел 300 механической энергии. Линейная зубчатая передача 3300 содержит корпус 3310, внутри которого рейка 3320 выполнена с возможностью зацепления с ведущей зубчатой шестерней 3340R, 3340L зубчатой передачи 3300.
Каждый из концов 3310R, 3310L выполнен с соответствующим отверстием 3312R, 3312L, сообщающимся через текучую среду со вспомогательной рабочей средой, закачиваемой в корпус 3310 и из него во время работы генератора 300 в соответствии с изменениями давления среды под давлением, содержащейся в сосудах 3200R, 3200L давления. В результате рейка 3320 вынуждена возвратно-поступательно двигаться под воздействием переменного давления между первым концом 3310R и вторым концом 3310L корпуса 3310.
Вследствие зацепления резьбовой части 3324 рейки 3320 с ведущими шестернями 3348R, 3348L зубчатых конструкций 340R, 3340L, возвратно-поступательное перемещение рейки 3320 внутри корпуса 3310 приводит к повороту ведущих шестерен 3348R, 3348L вокруг их осей, посредством чего линейное перемещение преобразуют во вращательное движение, которое в конечном счете передают на ведущий вал 3332.
Видно, что каждый из валов 3342L, 3342R, несущих ведущие шестерни 3348R, 3348L, также оснащен подшипниками 3345L, 3345R с обоих своих концов, так что вращение ведущих шестерен 3348R, 3348L однонаправлено. В частности (смотри конкретно фиг.35C), при смещении рейки 3320 налево, вал 3342R, на котором установлена ведущая шестерня 3348R, осуществляет поворот вокруг своей оси, влекущий за собой поворот ведущей шестерни 3348R. Однако, в то же самое время, хотя вал 3342L, на котором установлена ведущая шестерня 3348L, также осуществляет поворот вокруг своей оси, сама ведущая шестерня 3348L неподвижна вследствие наличия подшипника 3345L. Точно так же во время смещения рейки 3320 в противоположном направлении, ведущая шестерня 3348L осуществляет поворот, а ведущая шестерня 3348R остается неподвижной.
Для стабилизации валов 3342L, 3342R, все же позволяющей им свободно выполнять поворот во время смещения рейки 3320, дополнительные подшипники 3344L, 3344R смонтированы на каждом из валов 3342L, 3342R.
Таким образом, поскольку обе ведущих шестерни 3348R, 3348L зацеплены с зубчатым колесом 3338 вала генератора, любое смещение рейки 3320 в любом из двух направлений, приводит к повороту зубчатого колеса 3338 и, следовательно, вала 3332. Поворот вала 3332 может быть преобразован в электроэнергию любым известным способом.
Кроме того, чтобы стабилизировать рейку 3320 при ее возвратно-поступательном перемещении внутри корпуса, зубчатая передача 3300 содержит два ограничивающих ролика 3350R, 3350L, каждый из которых размещен перед соответствующей ведущей шестерней 3340L, 3340R, соответственно. Ролики 3350R, 3350L выполнены с возможностью зацепления с рейкой для ограничения ее перемещения только в осевом направлении.
Каждый из ограничивающих роликов 3350R, 3350L содержит вал 3352R, 3352L соответственно, на котором установлен роликовый элемент 3356R, 3356L. Кроме того, каждый конец вала 3352R, 3352L оснащен подшипниками 3354R, 3354L, соответственно, которые аналогичны подшипникам 3344L, 3344R ведущих шестерен 3340R, 3340L. При сборке роликовые элементы 3356R, 3356L зацепляют с нерезьбовой частью 3322 рейки 3320, чтобы обеспечить возможность только аксиального перемещения рейки.
Также видно, что сам ведущий вал 3332 также содержит подшипник 3335, обеспечивающий возможность свободного поворота по инерции, даже при прекращении возвратно-поступательного перемещения рейки 3320.
Очевидно, что состоящая из рейки и ведущей шестерни схема устройства 3300 линейной зубчатой передачи обеспечивает несколько существенных преимуществ:
- любое смещение рейки 3320 приводит к повороту ведущего вала 3332, даже если перемещение в одном направлении не аналогично по длине перемещению в противоположном направлении;
- вследствие наличия подшипника 3335 ведущего вала 3332 при одиночном перемещении рейки 3320 в одном направлении, и после прекращения перемещения рейки в этом направлении, ведущий вал продолжает свой поворот, позволяя, таким образом генерировать дополнительную электроэнергию даже в отсутствии перемещения рейки;
- устройство 3300 линейной зубчатой передачи более точно по сравнению с ранее описанным узлом механической энергии вследствие простоты его конструкции и использованию единственной рейки 3320;
- она обеспечивает намного большее передаточное отношение по сравнению с ранее описанным узлом механической энергии.
Обратимся теперь к фиг. от 36A до 36D, где показан еще один пример реализации генератора, в целом обозначенный позицией 4000. По существу генератор 4000 похож на ранее описанный генератор 3000, однако содержит некоторые отличия, в том числе:
- содержит только два (а не восемь) сосуда 4200R, 4200L давления, каждый из которых длиннее сосудов 3200 давления;
- работает с подачей спереди и выходом сзади, то есть, рабочая среда входит в сосуды 4200R, 4200L давления с переднего конца генератора, и выходит из его заднего конца;
- поступательное перемещение рабочей среды через генератор выполнено насосами;
- содержит комбинированный клапан 4140R, 4140L, выполненный с возможностью работы в двух эксплуатационных режимах;
- содержит схему 4900 аккумулятора, разделенную на два отсека с работающим между ними тепловым насосом; и
- механизм 4300 зубчатой передачи содержит роликовую зубчатую передачу вместо обычной зубчатой передачи.
На фиг.36A видно, что генератор 4000 содержит подсистему 4100 рабочей среды, сосуды 4200 давления, узел 4300 генератора, радиатор 4400, градиентные баки 4600L, 4600R и схему 4900 аккумулятора.
A6
A10
6
10
Обратимся теперь к фиг. от 37A до 37D, где генератор 4000 содержит четыре схемы 4140L, 4140R распределения сердечников (по два на каждую), причем каждый сосуд 4200 давления снабжен схемой 4140L, 4140R распределения сердечников на каждом своем конце. Очевидно, что каждый из сосудов 4200L, 4200R давления содержит пять сердечников 4220, а каждый из клапанов 4140L, 4140R присоединен к сердечникам 4220 посредством пяти распределительных трубопроводов (например, как показано на фиг.37B, трубопроводов от L до L для переднего конца левого сосуда 4200L давления) и пяти соответствующих распределительных клапанов (например, от A до A).
AC7-8
AC9-10
AC8-9
AC10-6
Также видно, что сердечники 4220 каждого сосуда 4200L, 4200R давления связаны между собой с образованием единственного пути потока через соединители (например, L и L Для переднего конца левого сосуда 4200L давления, как показано на фиг.37B, и L и L для задней части левого сосуда 4200L давления).
Схемы 4140L, 4140R распределения и распределительные клапаны спроектированы с возможностью селективного параллельного/линейного потока через сердечники 4220. Другими словами, сердечники 4200 могут работать параллельно, то есть, создавать однонаправленный поток рабочей среды через все сердечники 4200 от одного конца сосуда 4200 давления к другому, или в качестве альтернативы, создавать единственный (и значительно более длинный) путь потока, через который проходит рабочая среда.
Как очевидно в связи с работой генератора 4000, на некоторых стадиях его работы выгодно использовать параллельную конфигурацию потока, а на других стадиях выгодно использовать линейную конфигурацию потока.
Различные этапы работы генератора теперь будут описаны со ссылками на фиг. от 37A до 37D. Указанные ниже операции берут начало с исходного положения сосудов 4200L, 4200R давления, где среда под давлением внутри правого сосуда 4200R давления достигла своей максимальной температуры (например, 42,5°C), а среда под давлением внутри левого сосуда 4200L давления достигла своей минимальной температуры (например, 7,5°C). Этапы будут описаны ниже относительно правого сосуда 4200R давления, но при этом следует понимать, что то же самое имеет отношение к левому сосуду 4200L давления с некоторым сдвигом по фазе:
II
B6
C10
C1
HGL
Поглощение и хранение энергии высокой температуры: Рабочая среда с промежуточной температурой (например, 25°C) вытекает из резервуара промежуточной температуры через трубопровод L в клапан B: впуск через B2, выпуск через В в насос 4150R и отсюда в схему 4140R распределения и в трубопровод L ⇒ прохождение через все сердечники (линейная конфигурация потока) ⇒ выпуск из сердечников через трубопровод L и в клапан C: впуск через C, выпуск через C1 и трубопровод L ⇒ в клапан G: впуск через G2 в градиентный бак. Вода, ранее сохраненная в градиентном баке, будет пропущена через трубопровод L (показан на фиг.37D) и возвращена назад в промежуточный резервуар 4130 через радиатор 4400. В этот момент самая нагретая партия промежуточной рабочей среды в градиентном баке 4600R (вершина бака) может иметь температуру примерно 40°C, а самая холодная партия промежуточной рабочей среды в градиентном баке 4600R (дно бака) может иметь температуру примерно 27,5°C. Температура среды под давлением в этот момент может быть равной примерно 30°C.
G1
A1
A6
D10
D2
Рекуперация энергии высокой температуры: Рабочая среда с промежуточной температурой вытекает из градиентного бака 4600R к клапану G: впуск через G, выпуск через G1 и трубопровод L (L) в клапан А: впуск через A1, выпуск через A и в насос 4150L и через него в схему распределения 4140L и в трубопровод L ⇒ прохождение через все сердечники (линейная конфигурация потока) ⇒ выпуск из сердечников через трубопровод L и в клапан D: впуск через D, выпуск через D2 и трубопровод L ⇒ в блок радиатора и назад в градиентный бак 4600L. Во время этой операции рабочая среда в правом градиентном баке 4600R постепенно нагревает среду под давлением в левом сосуде 4200L давления, а рабочая среда с промежуточной температурой в левом градиентном баке 4600L (имеющем температуру от 22,5°C до 10°C), постепенно охлаждает среду под давлением в правом сосуде 4200R давления до примерно 15°C.
C1
B6
C6-10
C3
Существенное охлаждение: рабочая среда с низкой температурой (например, 0°C) вытекает из резервуара низкой температуры через трубопровод L в клапан B: впуск через B4, выпуск через B в насос 4150R и через схему 4140R распределения в трубопровод L ⇒ прохождение через все сердечники одновременно (параллельная конфигурация потока) ⇒ выпуск из сердечников через все трубопроводы L и в клапан C: впуск через C, выпуск через C3 и трубопровод L ⇒ назад в резервуар 4120 низкой температуры, в качестве альтернативы через радиатор 4400 (даже частично). Это может уменьшить температуру среды под давлением в правом сосуде 4200R давления до примерно 7,5°C.
II
B6
C10
C1
HGL
Поглощение и хранение энергии с низкой температурой: Рабочая среда с промежуточной температурой (например, 25°C) вытекает из резервуара промежуточной температуры через трубопровод L в клапан B: впуск через B2, выпуск через B в насос 4150R и отсюда в схему 4140R распределения и в трубопровод L ⇒ прохождение через все сердечники (линейная конфигурация потока) ⇒ выпуск из сердечников через трубопровод L и в клапан C: впуск через C, выпуск через C1 и трубопровод L ⇒ в клапан G: впуск через G2 в градиентный бак. Вода, ранее сохраненная в градиентном баке, будет пропущена через трубопровод L (показан на фиг.37C) и возвращена назад в промежуточный резервуар 4130 через радиатор 4400. В этот момент самая холодная партия промежуточной рабочей среды в градиентном баке 4600R (вершина бака) может иметь температуру примерно 10°C, а самая горячая партия промежуточной рабочей среды в градиентном баке 4600R (дно бака) может иметь температуру примерно 22,5°C. Температура среды под давлением в этот момент может быть равной примерно 20°C.
G1
A1
A6
D6-10
D2
IO
Рекуперация энергии низкой температуры: Рабочая среда с промежуточной температурой вытекает из градиентного бака 4600R к клапану G: впуск через G, выпуск через G1 и трубопровод L (L) в клапан A: впуск через A1, выпуск через А и в насос 4150L и через него в схему 4140L распределения и в трубопровод L ⇒ прохождение через все сердечники (линейная конфигурация потока) ⇒ выпуск из сердечников через трубопровод L и в клапан D: впуск через D, выпуск через D2 и трубопровод L ⇒ трубопровод L в блок радиатора и назад в градиентный бак 4600L. Во время этой операции рабочая среда в левом градиентном баке 4600L постепенно нагревает среду под давлением в правом сосуде 4200L давления до примерно 35°C, а рабочая среда с промежуточной температурой в правом градиентном баке 4600R (имеющем температуру от 22,5°C до 10°C) постепенно охлаждает среду под давлением в левом сосуде 4200R давления до примерно 15°C.
HI
B6
C10
C4
Существенное нагревание: Рабочая среда с высокой температурой (например, 50°C) вытекает из резервуара 4110 высокой температуры через трубопровод L в клапан В: впуск через B3, выпуск через B в насос 4150R и через схему 4140R распределения в трубопровод L ⇒ прохождение через все сердечники одновременно (параллельная конфигурация потока) ⇒ выпуск из сердечников через трубопроводы L и в клапан C: впуск через C, выпуск через C4 и трубопровод L ⇒ назад в резервуар 4110 высокой температуры, в качестве альтернативы через радиатор 4400 (даже частично). Это может увеличить температуру среды под давлением в правом сосуде 4200R давления до примерно 42,5°C.
Каждая из вышеописанных шести операций может происходить в течение одного заранее определенного времени, например, пяти секунд. Однако, в других схемах может быть выгодно, чтобы длительности операций отличались.
Для управления работой генератора может быть предусмотрен контроллер, выполненный с возможностью контроля любого из следующих параметров:
- мощность потока через систему трубопроводов генератора 4000;
- режим работы клапана (открыт/закрыт, параллельная/линейная конфигурация и т.д.); и
- продолжительность каждой операции.
Обратившись теперь к фиг.38, можно видеть, что генератор 4000 содержит систему давления, аналогичную той, что описана выше в связи с генератором 3000. Каждый сосуд 4200L, 4200R давления оснащен рабочим поршнем 4270L, 4270R и поршнем 4280L, 4280R компенсации, соответственно. Каждый из рабочих поршней 4270L, 4270R присоединен через трубопроводы 4274L, 4274R к корпусу зубчатой передачи 4300, чтобы в конечном счете привести к возвратно-поступательному перемещению рейки 4320 (показанной на фиг.47) внутри корпуса.
Обратимся теперь к фиг.39, где подсистема 4100 рабочей среды показана в виде теплового насоса, который в целом аналогичен вышеописанной подсистеме 3100, но различие состоит в том, что тут использованы не четыре различных компрессора, а единственный винтовой компрессор, способный работать при разных значениях степени сжатия и энергопотребления и приспосабливать свою работу к условиям окружающей среды.
H
C
Обратимся теперь к фиг. от 40A до 40D, где генератор 4200 дополнительно содержит схему 4900 аккумулятора, аналогичную по сути ранее описанной схеме 3900 аккумулятора. Однако, видно, что схема 4900 аккумулятора содержит отсек 491 Он высокой температуры и отсек 4910 с низкой температуры и присоединена к вспомогательному тепловому насосу 4930, блок 4932 конденсатора которого расположен в первом отсеке 4910, а блок 4934 испарителя расположен во втором отсеке 4910.
H
C
GHI
GCI
GHO
GCO
H
H
C
C
В частности, каждый из отсеков 4910, 4910 содержит соответствующее впускное отверстие GHI, GCI и выпускное отверстие GHO, GCO, к которым присоединены соответствующие впускные и выпускные трубопроводы L, L, L, L. Видно, что выпускное отверстие GHO расположено на верхнем конце отсека 4910, а впускное отверстие GHI расположено на нижнем конце отсека 4910. Напротив, выпускное отверстие GCO расположено на нижнем конце отсека 4910, а впускное отверстие GCI расположено на верхнем конце отсека 4910.
H
H
C
C
Вышеупомянутая схема расположения обеспечивает возможность удаления рабочей среды с высокой температурой из зоны высокой температуры отсека 4910 высокой температуры, и возвращение рабочей среды в зону низкой температуры отсека 4910 высокой температуры. Соответственно, эта схема позволяет удалять рабочую среду с низкой температурой из зоны низкой температуры отсека 4910 низкой температуры, и возвращать рабочую среду в зону высокой температуры отсека 4910 низкой температуры.
H
C
Таким образом, некоторая часть выработанной генератором электроэнергии может быть селективно подана на вспомогательный тепловой насос 4930, а не на простые нагреватели (как в ранее описанном примере), снабжая тем самым не только вспомогательный резервуар высокой температуры в отсеке 4910, но также и резервуар низкой температуры в отсеке 4910.
H
C
После достижения в ходе работы вспомогательной рабочей средой в отсеках 4910 и 4910 температур, аналогичным температурам резервуаров высокой/ низкой температуры, соответственно, ее можно использовать при работе генератора, когда основной тепловой насос временно прекращает свою работу.
H
H
H
Кроме того, отсек 4910 высокой температуры содержит нагреватели, выполненные с возможностью непосредственного нагревания текучей среды для аккумуляции теплоты, содержащейся внутри отсека 4910. Очевидно, что во время работы вспомогательного теплового насоса 4930 среда для аккумуляции внутри отсека высокой/низкой температуры может достигнуть предельного значения нагревания/охлаждения (то есть, достигнуть максимального/минимального предельного значения температуры). В таком случае работа вспомогательного теплового насоса 4930 может быть прекращена, и нагреватель затем использован для дальнейшего нагревания среды аккумуляции в отсеке 4910 высокой температуры.
H
C
В этой схеме после прекращения действия теплового насоса 4930 рабочая среда в отсеке 4910 высокой температуры может быть использована в качестве рабочей среды с высокой температурой, а рабочая среда в отсеке 4910 низкой температуры может быть использована в качестве рабочей среды с низкой/промежуточной температурой.
Обратимся теперь к фиг. от 41A до 4IE, где отображена структура сосуда 4200 давления и находящихся внутри сердечников. Сосуд 4200 давления содержит внешний корпус 4222, содержащий внутри пять сердечников 4220. Сосуд давления 4200 также содержит конструкцию уплотнения, содержащую уплотнения 4242, 4244 и 4246, выполненные с возможностью предотвращения утечек из сосуда 4200 давления и поддержания давления среды под давлением.
Каждый сердечник 4220 снабжен внутри сосуда 4200 давления узлом 4230 перемешивания, выполненным с возможностью поворота вокруг сердечника 4220 для лучшего перемешивания среды под давлением и, таким образом, для более эффективного теплообмена между средой под давлением и рабочей средой, текущей внутри сердечников 4220 во время работы генератора 4200.
Узлы 4230 перемешивания в целом аналогичны ранее описанным и содержат ведущее зубчатое колесо 4234, зацепленное с центральным зубчатым колесом 4232, размещенным на центральном вале 4235 и управляемым внешним двигателем.
Также видно, что вследствие большой длины сосуда 4200 давления (его длина намного больше его номинального диаметра) предусмотрены поддерживающие элементы 4290 вдоль сосуда 4200 давления, выполненные для поддержки сердечников 4220. В основном, эти поддерживающие элементы 4290 содержат поддерживающие диски 4293, выполненные с отверстиями для пропускания через них сердечников 4220. Каждый такой поддерживающий элемент 4290 также оснащен элементами 4295, 4297 уплотнения, предназначенными для предотвращения нежелательных протечек.
Обратимся теперь к фиг. от 42A до 45C, где показаны различные примеры реализации структур сердечников. Очевидно, что эти примеры показывают структуру переднего конца сердечника.
Обратим особое внимание на фиг. с 42A по 42E, где показан сердечник 4220', содержащий тело 4221' сердечника и центральную полость 4222', вмещающую вал статического потока.
O
Видно, что ближе к переднему концу первая часть 4223' вала потока гладкая и не занимает все поперечное сечение полости 4222'. Кроме того, видно, что тело 4221' сердечника в передней части выполнено с шероховатой поверхностью 4226' только на его внутренней стороне. Наоборот, вторая часть 4224' вала потока выполнена в виде спирали, занимающей все поперечное сечение полости 4222'. Кроме того, видно, что тело 4221' сердечника во второй части выполнено с шероховатой поверхностью 4226' на его внутренней и внешней стороне. Также видно, что вал потока полый и выполнен с внутренними каналами 4223.
Очевидно, что ребра, образованные на шероховатой поверхности 4226' на внутренней и внешней ее сторонах, выровнены друг относительно друга так, чтобы вершина ребра на внешней поверхности была расположена напротив выемки на внутренней поверхности. Это обеспечивает однородность толщины сердечника в любом заданном поперечном сечении, проведенном перпендикулярно оси сердечника.
Одна из причин использования вышеупомянутой конструкции состоит в расположении первой части внутри сосуда давления. Как можно видеть на фиг. от 41A до 4IE, первая часть сердечника расположена в области уплотнений 4242, 4244, 4246 и, таким образом, не участвует в теплообмене со средой под давлением. Как таковая, она не обязана иметь ту же самую структуру, что вторая часть, и стоимость может быть уменьшена при использовании для нее показанной упрощенной конструкции.
Обратив внимание на фиг.42D, можно видеть, что шероховатая поверхность 4226' выполнена в виде зубцов, которые не расположены полностью в радиальном направлении от центра сердечника. Скорее зубцы расположены под небольшим углом, так что рабочая среда, текущая через сердечник 4220, способна иметь завихрения из-за направления зубцов и проникать между зубцами, улучшая теплообмен.
Обратим теперь внимание на фиг.43, где показан сердечник 4220”, имеющий конструкцию, похожую на конструкцию, показанную на фиг.42A-42E, но отличающийся тем, что первая часть сердечника 4220” изолирована посредством изолирующей муфты 4227”, так что рабочая среда, проходящая через первую часть, не теряет свою энергию на нагревание/охлаждение той части сердечника, которая не участвует в теплообмене.
IV
IV
Обратимся теперь к фиг.44A-45C, где показаны два дополнительных сердечника 4220''' и 4220, похожие по конструкции на вышеописанные сердечники 4220' и 4220” (аналогичные элементы обозначены одинаковыми номерами позиции с добавлением соответствующих штрихов). Основное различие между сердечниками 4220” и 4220 и вышеописанными сердечниками состоит в конструкции шероховатой поверхности, которая выполнена в виде колец, а не конических/пирамидальных выступов. Выполнение такой конструкции немного проще и дешевле.
Обратимся теперь к фиг. от 46A до 46D, где показан узел сосуда 4200 давления. Можно заметить, что сердечники 4220 и все относящиеся к ним механические элементы (схемы вентилятора, зубчатые передачи, ведущие валы и т.д., называемые здесь «узлом сердечника») заключены в элементы 4200 в виде муфт. Элементы 4200 в виде муфт выполнены из твердого материала и имеют толщину, достаточную для механической поддержки всего узла сердечника. Например, муфта 4200 может быть выполнена из стали и иметь толщину несколько миллиметров.
S
В этой схеме расположения возможно сначала полностью собрать весь узел сердечника и заключить его в муфты 4200 и только затем задвинуть заключенный в муфты узел в корпус 4200 сосуда давления. Кроме того, для техобслуживания и текущего ремонта обеспечена возможность удаления заключенного в муфты узла из сосуда 4200 давления (например, выдвигая его), удаления соответствующей муфты 4200 и выполнения нужного технического обслуживания.
S
S
S
Также видно, что муфты 4200 имеют полукруглое поперечное сечение (например, имеют форму желоба) и при ограждении двумя такими муфтами секции узла сердечника между ними остается зазор G (см. фиг.46C, 46D). Зазор G обеспечивает возможность сообщения через текучую среду среды под давлением между внутренней зоной, определенной между муфтой 4200 и узлом сердечника, и внешней зоной между муфтой 4200 и кожухом 4222 сосуда 4200 давления.
S
Также видно, что схема уплотнения содержит уплотнения 4244, которые по существу выполнены из трех отдельных частей и после внедрения в муфту 4220 и размещения на сердечниках 4220 их сжимают ближе друг к другу для выполнения необходимого уплотнения для сосуда 4200 давления.
Обратимся теперь к фиг.47, где показана усовершенствованная зубчатая передача 4300, в которой зубчатая передача 4300 содержит ведущие шестерни 4348R, 4348L с роликовым штырем, зацепленные с рейкой 4320, и зубчатые колеса 3349R, 3349L, зацепленные с ведущим валом 4332. Ведущие шестерни 4348R, 4348L с роликовым штырем обеспечивают намного более высокую эффективность по сравнению с обычной зубчатой передачей вследствие увеличенной контактной поверхности и упрощенной формы зуба. Во всех других отношениях зубчатая передача 4300 работает почти так же.
Однако ведущие шестерни 4348R, 4348L с роликовым штырем создают зубчатую передачу с преимуществом уменьшенного трения, поскольку ведущие шестерни 4348R, 4348L с роликовым штырем могут выполнять свободный поворот относительно собственных осей.
Обратимся к фиг.48A-48C, где показан другой пример реализации подсистемы 4100' рабочей среды, в котором каждый из резервуаров 4110, 4120 высокой/ низкой температуры, соответственно, разделен на несколько отсеков. Отсеки сообщаются через текучую среду друг с другом, но все же они задерживают смешивание рабочей среды, выходящей из подсистемы 4100 к сосудам 4200L, 4200R давления, и рабочей среды, входящей в подсистему 4100 после выполнения ее процесса теплообмена. Такое устройство может обеспечить более эффективную конфигурацию генератора.
Обратимся теперь к фиг. от 49A до 49H, где показан сосуд 4200' давления, длина L которого намного больше его диаметра D. Сосуд давления 4200' также содержит узлы 4920' поддержки, описанные ранее в связи с фиг. от 41A до 41D, однако, в противоположность этому, в настоящем примере каждый сердечник 4220' представляет собой не цельный сердечник, а выполненный в виде сегментов. Каждые два последовательных сегмента примыкают друг к другу на расположенном между ними узле 4290' поддержки.
Для соединения двух сегментов сердечников вставка введена между сегментами и соответственно получена внутри сердечников для обеспечения сообщения через текучую среду между ними. По фиг.49B также видно, что сегменты сердечников полностью размещены внутри сосуда давления и что на концах сосуда давления выступают только вставки. Сама вставка 4299' может быть выполнена из материала, не требующего высокого значения коэффициента теплопереноса, например, пластика.
При соединении сегментов на узле 4290' поддержки посредством вставки два последовательных сегмента сердечника обладают определенной степенью свободы перемещения относительно друг друга. Для уменьшения смещения сердечников относительно друг друга узел 4290' поддержки содержит подшипники 4293', позволяющие устройствам вентилятора сердечников выполнять свободный поворот относительно собственной оси.
Обратим теперь внимание на фиг.49D, где подшипники 4293' представляют собой самоцентрующиеся подшипники, в которых корпус 4294' для шариков 4295' подшипника имеет искривленную форму, предоставляя сердечникам и установленным на них конструкциям вентилятора некоторую, но все же управляемую, степень свободы.
На фиг.49F и 49G узел 4290' поддержки показан более ясным образом, причем видно, что он имеет форму диска, выполненного с несколькими отверстиями, количество которых соответствует количеству сердечников, и с ведущим валом DS.
S
S
Обратим теперь внимание на фиг.49H, где показан элемент 4200', соединенный с узлом сердечника болтами 4285, пропущенными через отверстие 4287. Видно, что отверстие 4287 выполнено не круговым, а слегка вытянутым. Следует иметь в виду, что заключенный в кожух узел сердечников сначала вводят в сосуд 4200' давления, и только затем сосуд давления подвергают воздействию предварительной нагрузки высоким давлением (например, 6000 атмосфер). Под таким давлением сосуд давления может проявить небольшое удлинение, и следовательно, содержащие болты отверстия должны обеспечивать определенный люфт. Эта конструкция использована не только для болтов элемента 4200' муфты, но и для других сболченных элементов внутри сосуда давления.
Кроме того, по меньшей мере для большинства болтовых соединений внутри сосуда давления (то есть, соединений, содержащих болт или винт, ввинченный в отверстие с резьбой), может быть выгодно образовать отверстие внутри витка резьбы, которое обеспечивает возможность сообщения через текучую среду между частью отверстия с резьбой, не занятой болтом, для выравнивания нагрузки с обеих сторон болта (его головки и его конца) с целью уменьшения сил сдвига.
Относительно всех вышеупомянутых примеров, конфигураций и схем расположения генератора согласно настоящей заявке, могут быть выполнены следующие расчеты:
Исходные данные:
OUTPUT
INPUT
INPUT
INPUT
INPUT
- в целом, генератор 4000 может быть выполнен с возможностью получения мощности, примерно в 2,24 раза большей впускной мощности, то есть, W=2,24 W; естественно, если часть мощности на выходе использована для работы генератора, суммарная мощность на выходе примерно равна 1,24 W=(2.24 W-W);
OUTPUT
INPUT
INPUT
- средний кпд стандартных тепловых насосов может быть в диапазоне 50 - 70%, то есть при равном 10 коэффициенте эффективности, который в теории дает W=10 W, реальная мощность на выходе находится в диапазоне 5-7 W. В этих расчетах кпд принят равным 55%;
- выбранное для данных расчетов значение коэффициента эффективности равно 8, а разность температур между рабочей средой с высокой температурой и рабочей средой с низкой температурой составляет примерно 40°C;
- генератор может преобразовать примерно 30% теплоты, подаваемой к среде под давлением, в выпускную энергию через узел двигателя, то есть, при количестве теплоты Q, подаваемой в среду под давлением, примерно 0,3Q преобразовано в реальную выпускную мощность (основано на свойствах бромистого этила при предварительной нагрузке примерно в 6000 атмосфер);
- устройство рекуперации энергии обеспечивает возможность рекуперации примерно 50-66% от остатка теплоты внутри среды под давлением.
При вышеуказанных значениях параметров генератор может работать следующим образом:
Подача 1,00 кВтч электроэнергии в тепловой насос генератора (для образования разности в 40°C между резервуарами высокой и низкой температуры) дает возможность получения 4,40 кВтч тепловой энергии, что равно количеству теплоты, подаваемой в среду под давлением. Теоретически разность температур в 40°C при соответствующих значениях температур и коэффициенте эффективности, равном 8, должна давать больше энергии, однако, при кпд теплового насоса в 55% мощность на выходе равна 1 кВтч×8×55%=4,40 кВтч.
Поскольку только 30% теплоты, поданной в среду под давлением, в конечном счете переходят в энергию на выходе, вышеупомянутый расчет дает примерно 1,32 кВтч электроэнергии. Это означает, что остаток теплоты внутри среды под давлением примерно равен 4,40-1,40=3,00 кВтч (значение 1,4 использовано вместо 1,32 для учета различных теплопотерь внутри системы).
Рекуперация 60% от остального количества теплоты внутри среды под давлением дает рекуперацию в размере 1,80 кВтч (3,00×0,6=1,80 кВтч). Следовательно, из 4,40 кВтч, поданных в среду под давлением, 1,80 кВтч подвержено рекуперации, что означает, что дополнительная теплота, подаваемая в среду под давлением в каждом рабочем цикле генератора, равна 4,40-0,80=2,60 кВтч.
Другими словами, в каждом цикле количество теплоты, примерно равное 2,60 кВтч, созданное модулем перепада температур, и количество теплоты, примерно равное 1,80 кВтч, созданное устройством рекуперации, дает в сумме 4,40 кВтч теплоты, необходимые для работы генератора при выработке 1,32 кВтч.
В этой конфигурации для поставки требуемых 2,60 кВтч теплоты тепловой насос модуля перепада температур теперь требует только 0,59 кВтч (а не 1 кВтч) при принятом выше значении коэффициента эффективности 8. Это означает, что в начале работы генератора, то есть, в течение первых циклов его работы, 1 кВтч необходим в качестве впускной мощности, но это значение быстро падает до 0,59 кВтч во время непрерывной работы генератора после начала работы устройства рекуперации.
Таким образом, при непрерывной работе генератора (после его запуска) для получения на выходе энергии 1,32 кВтч генератор требует постоянного питания в 0,59 кВтч, что дает отношение вход/выход, равное 1,32/0,59=2,24:1.
Следует иметь в виду, что допустима работа генератора при меньшей температуре, например, при 30°C, а не 40°C, возможно увеличивая тем самым суммарную выпускную мощность для каждого рабочего цикла генератора (1,67 кВтч вместо 1,32 кВтч). Однако, это может также приводить к меньшему количеству циклов в час, уменьшая, тем самым полную выработку электроэнергии генератором.
Вышеупомянутые расчеты проведены с учетом значений конкретных параметров, зависящих от материалов, коэффициента эффективности, интервала значений температуры и т.д., и принимая во внимание различные потери, утечки теплоты, коэффициенты компенсации и т.д. Эти параметры могут быть различными для достижения различных конечных результатов в результате действия генератора, которые могут превышать представленные выше результаты (а также, возможно, быть хуже их).
Специалисты в данной области техники, разбирающиеся в предмете настоящей заявки, могут легко определить, что многочисленные изменения, вариации и модификации могут быть внесены с необходимыми поправками без выхода за пределы объема настоящей заявки.