Устройство преобразования тепловой энергии в электрическую

Полезная модель относится к области теплоэнергетики, в частности к поршневым устройствам преобразования тепловой энергии в электрическую, и может быть использована для создания устройств преобразования тепловой энергии в механическую (электрическую).
Независимо от типа преобразователя - турбинного или поршневого - достижение наибольшего КПД преобразования тепловой энергии в механическую (электрическую), возможно при наибольшем возможном давлении нагнетания используемого рабочего тела.
Давление нагнетания определяется термодинамическими свойствами используемого рабочего тела и достижимой температурой его нагрева. Так при температуре нагрева 150°C, например, от низкопотенциального источника тепла и при использовании в качестве рабочего тела бутана достижение наибольшего КПД возможно при давлении нагнетания рабочего тела около 30 бар. В случае использовании воды для более высоких температур источника нагрева давление нагнетания должно достигать 50 бар и более.
Однако, в отличие от турбинных преобразователей, у которых рабочее тело поступает в зону расширения непрерывно, у поршневых рабочее тело в расширительную камеру поступает отдельными порциями.
Задача создания подобных систем нагнетания (насосов или компрессоров для парожидкостной фазы рабочего тела) для турбинных теплоэнергетических систем в настоящее время решается достаточно эффективно.
Однако для малогабаритных маломощных поршневых преобразователей это достаточно сложная задача. Это связано с тем, что системы сжатия для получения высоких давлений состоят из нескольких ступеней, каждая из которых содержит уплотнения, клапаны и т.д. И если в термодинамическом смысле затрат энергии на сжатие требуется немного, то в реальности в техническом устройстве затраты гораздо больше, что снижает технический КПД устройства.
Известно устройство [RU 2335643, C1, F01K 13/00, 10.10.2008], содержащее котел с горелкой, связанный паропроводом острого пара с турбиной, которая соединена паропроводом отработавшего пара с конденсатором, питательный насос котла, систему смазки и охлаждения подшипников питательного насоса, включающую в себя циркуляционный масляный насос и маслоохладитель, выполненный в виде бесконтактного поверхностного маслогазового теплообменника, включенного по охлаждающей среде в газопровод природного газа между устройством для понижения давления газа и горелкой котла, причем, устройство для понижения давления газа выполнено в виде турбодетандера, а газопровод, соединяющий турбодетандер с газовым маслоохладителем, покрыт тепловой изоляцией.
Недостатком устройства является относительно узкие функциональные возможности, что не позволяет использовать его для получения электрической энергии из низкопотенциальной теплоты.
Известно также устройство [US 7096665, F01K 25/08, F01K 25/00, 22.01.2004], содержащее последовательно соединенные турбодетандер, компрессор и теплообменник, выход которого соединен с входом турбодетандера, а также электрогенератор, вход которого соединен с выходом турбодетандера.
Недостатком этого устройства является относительно низкая эффективность преобразования низкопотенциальной теплоты в электрическую энергию.
Кроме того, известно устройство преобразования низкопотенциальной теплоты в электрическую энергию [RU 91487, U1, H02N 11/00, 10.02.2010], содержащее последовательно соединенные турбодетандер и электрогенератор, первый абсорбер и второй абсорбер, первые входы которого соединены с выходами первого абсорбера, насос, вход которого соединен с первым выходом второго абсорбера, дроссель, выход которого соединен с первым входом первого абсорбера, рекуперативный теплообменник, первый вход которого соединен с выходом насоса, десорбер, первый вход которого соединен с первым выходом рекуперативного теплообменника, второй выход которого соединен со входом дросселя, а второй вход соединен с первым выходом десорбера, а также дефлегматор, первый выход которого соединен с входом турбодетандера, второй выход соединен со вторым входом десорбера, второй выход которого соединен с входом дефлегматора, при этом второй выход турбодетандера соединен со вторым входом второго абсорбера, второй выход которого соединен со вторым входом первого абсорбера.
Недостатком этого устройства также является относительно низкая эффективность преобразования низкопотенциальной теплоты в электрическую энергию.
Помимо указанных выше, известно устройство [RU 82962, U1, H02N 11/00, 10.05.2009], содержащее последовательно соединенные турбодетандер и компрессор, а также теплообменник, выход которого соединен с входом турбодетандера, электрогенератор, вход которого соединен с выходом турбодетандера, и капиллярный насос, вход которого соединен с выходом компрессора, а выход - соединен с входом теплообменника.
Недостатком этого технического решения является относительно низкая эффективность преобразования низкопотенциальной теплоты в электрическую энергию в условиях, когда источник тепловой энергии, которая преобразуется в электрическую, имеет температуру, в пределах 120-180°C, что является характерным для солнечной или геотермальной энергетики.
Наиболее близким по своей технической сущности и получаемому результату к предложенному является устройство преобразования низкопотенциальной энергии фотоэлементов солнечных электростанций в электрическую энергию [RU 161607, U1, H02S 10/00, 24.07.2016], содержащее электрогенератор, насос, нагреватель, вход подачи рабочего тела которого соединен с выходом насоса, конденсатор-охладитель, блок управления, причем, электрогенератор выполнен в виде герметичного цилиндра, в основании которого выполнены отверстие для подачи рабочего тела и отверстие для вывода рабочего тела, которое через второй электроклапан соединено со входом рабочего тела конденсатора-охладителя, а в стенке выполнены клемма заземления и клемма подачи электрической энергии в нагрузку, которая соединена с входной клеммой контроля тока нагрузки блока управления, входная клемма контроля температуры нагрева и входная клемма контроля температуры охлаждения которого соединены с выходными клеммами датчика температуры нагревателя и датчика температуры охлаждения конденсатора-охладителя соответственно, выходы управления насосом и первым и вторым электроклапанами соединены со входами управления насоса и первого и второго электроклапанов соответственно, при этом, герметичный цилиндр содержит поршень, рабочая поверхность которого обращена в сторону основания герметичного цилиндра, на стенке которого закреплен постоянный магнит цилиндрической формы, имеющий центральное отверстие, а также центрирующую ось, закрепленную в герметичном цилиндре и частично введенную в центральное отверстие постоянного магнита цилиндрической формы, электрогенератор выполнен с возможностью преобразования возвратно-поступательного движения поршня в электрическую энергию, подаваемую в нагрузку через клемму подачи электрической энергии, а устройство дополнительно содержит микроаккумулятор горячего рабочего тела, снабженный датчиком давления горячего рабочего тела, выход которого соединен со входом блока управления, а также микроаккумулятор жидкого рабочего тела, первый вход которого соединен с выходом подачи жидкого рабочего тела конденсатора-охладителя, второй вход - соединен с полостью за поршнем электрогенератора, а выход соединен со входом подачи рабочего тела насоса, причем вход микроаккумулятора горячего рабочего тела соединен с выходом нагревателя, расположенного непосредственно у батареи фотоэлементов солнечной электростанции, а выход соединен со входом подачи горячего рабочего тела первого электроклапана.
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно низкая эффективность преобразования низкопотенциальной теплоты в электрическую энергию в условиях, когда источник тепловой энергии которая преобразуется в электрическую, имеет температуру, например, 120-180°C, что является характерным для солнечной или геотермальной энергетики.
Действительно, при использовании в качестве преобразователя тепловой энергии в механическую (электрическую) в наиболее близком техническом решении реализуется цикл Карно или Ренкина, а в качестве рабочего тела (РТ) используется бутан и при температуре нагрева 60оС при давлении нагнетания около 10 бар. Однако, если есть источник тепловой энергии имеет температуру порядка 150°C, то для получения большего кпд давление нагнетания рабочего тела надо поднимать до 50 бар. Создание подобных систем нагнетания (насосов или компрессоров для парожидкостной фазы рабочего тела) особенно для малогабаритных преобразователей, достаточно сложная задача, а системы сжатия для получения таких давлений состоят из нескольких ступеней, что снижает технический кпд реального устройства.
Задача, которая решается в предложенной полезной модели, является создание устройства, обладающего большим кпд преобразования тепловой энергии, как для высокотемпературных, так низкопотенциаьных источников тепловой энергии.
Требуемый технический результат заключается в повышении кпд устройства.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее насос, нормально открытый и обратный клапаны, испаритель, охладитель-конденсатор и блок управления, согласно полезной модели, введены размещенные в расширительной камере поршень со штоком и датчик левой мертвой точки положения поршня, выход которого соединен с синхронизирующим входом блока управления, выпускной бистабильный клапан рабочего тела, включенный между выпускным входом расширительной камеры и входом охладителя-конденсатора и управляющий вход которого соединен с первым управляющим выходом блока управления, входной бистабильный клапан рабочего тела, включенный между выходом испарителя и входом рабочего тела расширительной камеры, при этом, вход насоса включен со входом нормально открытого клапана и выходом охладителя-конденсатора, второй управляющий выход блока управления соединен с управляющим входом нормально открытого клапана, выход обратного клапана соединен со входом испарителя, а вход обратного клапана соединен с выходами насоса и нормально открытого клапана.
На чертеже показаны функциональная схема устройства преобразования тепловой энергии в электрическую. На чертеже обозначены:
1 - датчик левой мертвой точки положения поршня;
2 - поршень со штоком;
3 - выпускной бистабильный клапан рабочего тела;
4 - входной бистабильный клапан рабочего тела;
5 - охладитель-конденсатор (аккумулятор охлажденного рабочего тела);
6 - циркуляционный насос;
7 - нормально открытый клапан;
8 - обратный клапан;
9 - испаритель;
10 - блок управления;
11 - расширительная камера.
В устройстве преобразования тепловой энергии в электрическую содержащее поршень 2 со штоком и датчик 1 левой мертвой точки положения поршня размещены в расширительной камере 11, выход датчика 1 левой мертвой точки положения поршня соединен с синхронизирующим входом блока 10 управления, выпускной бистабильный клапан 3 рабочего тела включен между выпускным входом расширительной камеры 11 и входом охладителя-конденсатора 5, а управляющий вход соединен с первым управляющим выходом блока 10 управления, входной бистабильный клапан 4 рабочего тела включен между выходом испарителя 9 и входом рабочего тела расширительной камеры 11.
Кроме того, вход насоса 6 включен со входом нормально открытого клапана 7 и выходом охладителя-конденсатора 5, второй управляющий выход блока 10 управления соединен с управляющим входом нормально открытого клапана 7, выход обратного клапана 8 соединен со входом испарителя 9, а вход обратного клапана 8 соединен с выходами насоса 6 и нормально открытого клапана 7.
Работает устройство преобразования тепловой энергии в электрическую следующим образом.
Поршень 2 со штоком совершает возвратно-поступательное движение под действием возвратной пружины (на схеме не показана) от правой (по чертежу) стенки расширительно камеры 11, где расположены бистабильный выпускной клапан 3 рабочего тела и входной клапан 4 рабочего тела, до левой «мертвой точки», где расположен датчик 1.
Шток поршня 2 механически связан с подвижной частью линейного генератора, поэтому возвратно-поступательное движение поршня 2 наводит в обмотках линейного генератора переменное магнитное поле и на концах обмотки возникает эдс.
При достижении правой стенки расширительной камеры поршень 2 закрывает выпускной бистабильный клапан 3 рабочего тела и открывает входной бистабильный клапан 4 рабочего тела.
Из испарителя 9 однократная доза горячего рабочего тела поступает в расширительную камеру 11 и начинается движение поршня 2 в левую (по чертежу) сторону.
Действие возвратной пружины компенсируется силой давления рабочего тела. При расширении рабочего тела давление падает и, следовательно, уменьшается сила давления и при некотором заданном давлении подача рабочего тела в расширительную камеру прекращается.
Насос 6 постоянно находится во включенном состоянии. Холодное рабочее тело через нормально открытый клапан 7 циркулирует с выхода насоса на его вход. Обратный клапан 8 закрыт.При достижении левой мертвой точки поршнем 2 со ш током срабатывает датчик 1 и в блоке управления 10 формируется сигнал, переводящий выпускной бистабильный клапан 3 в устойчивое открытое состояние и временно закрывающий входной бистабильный клапан 7.
Отработанное рабочее тело, в течение полупериода движения поршня 2 со штоком (от левой «мертвой точки» до правой (по чертежу) стенки расширительной камеры 11) через выпускной бистабильный клапан 3 поступает в охладитель-конденсатор 5.
Временное закрытие нормально открытого клапана 7 (время закрытия меньше 10-15% от времени полупериода) обеспечивает формирование импульса порции холодного рабочего тела в испаритель 9 под давлением большем, чем давление небольшого остаточного количества рабочего тела в испарителе 9. Нагрев рабочего тела происходит в течение всего полупериода движения поршня к правой стенке и до момента закрытия клапана 4.
Поршень 2 со штоком начинает движение в левую (по чертежу) сторону расширительной камеры 11 и весь процесс повторяется.
Таким образом, благодаря усовершенствованию известного устройства достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышении эффективности преобразования теплоты в электрическую энергию, поскольку требуемое высокое давление нагнетания рабочего тела достигается за счет нагрева его отдельной порции в замкнутом объеме испарителя в течение заданного времени и только после этого подачи в расширительную камеру. Это повышает КПД устройства.