Устройство преобразования тепловой энергии в электрическую

Полезная модель относится к области теплоэнергетики, в частности к устройствам преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использована для создания устройств преобразования тепловой энергии в механическую (электрическую).
В наиболее распространенных поршневых преобразователях тепловой энергии в механическую (электрическую) энергию работа совершается при расширении рабочего тела и создании усилия на свободно перемещающийся поршень. При этом поршень совершает поступательное движение. После цикла расширения и совершения работы, отработанное рабочее тело удаляется из расширительной камеры, что происходит при открытии выпускного клапана и возвратном движении поршня, например, под воздействием возвратной пружины.
Известно одно из таких устройств [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 с 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°С, что является характерным для солнечной или геотермальной энергетики.
К известным относится и 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 с 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 с 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 с 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 с входом подачи горячего рабочего тела первого электроклапана.
Недостатком этого известного устройства 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°С, что является характерным для солнечной или геотермальной энергетики.
Наиболее близким по своей технической сущности к предложенному является устройство преобразования тепловой энергии в электрическую [RU 180663, U1, H02S 10/00, F16K 13/00, 20.06.2018], содержащее насос, нормально открытый и обратный клапаны, испаритель, охладитель-конденсатор и блок управления, размещенные в расширительной камере поршень со штоком и датчик левой мертвой очки 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 с входом нормально открытого клапана и выходом охладителя-конденсатора, второй управляющий выход блока управления соединен с управляющим входом нормально открытого клапана, выход обратного клапана соединен с входом испарителя, а вход обратного клапана соединен с выходами насоса и нормально открытого клапана.
Достоинством наиболее близкого технического решения является возможность получения значительного давления нагнетания рабочего тела в расширительную камеру, получаемого в результате испарения рабочего тела в минимальном замкнутом объеме испарителя.
Однако наличие возвратной пружины не позволяет достичь более значительного КПД преобразователя и его эффективности относительно его массогабаритных характеристик.
Это связано с тем, что КПД устройства и его мощность напрямую связан с коэффициентом расширения рабочего тела, который снижается при возрастании действия внешних сил. К внешним силам относится и сила, возникающая при сжатии возвратной пружины.
Задача, которая решается в предложенной полезной модели, является создание устройства, обладающего большим КПД.
Требуемый технический результат заключается в повышении КПД преобразователя.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, устройство преобразования тепловой энергии в электрическую, содержащее первую расширительную камеру с первым клапаном подачи рабочего тела, выполненным с возможностью подачи рабочего тела в первую расширительную камеру от первого теплообменника-испарителя рабочего тела, находящегося в контакте с источником тепла, и первым выпускным клапаном, выполненным с возможностью подачи отработанного рабочего тела из первой расширительной камеры в охладитель рабочего тела, а также линейный генератор, выполненный с возможностью преобразования возвратно-поступательного движения его подвижных частей в электрическую энергию, согласно полезной модели, введена вторая расширительная камера, установленная оппозитно первой расширительной камере и снабженная вторым клапаном подачи рабочего тела, выполненным с возможностью подачи рабочего тела во вторую расширительную камеру от второго теплообменника-испарителя рабочего тела, находящегося в контакте с источником тепла, и вторым выпускным клапаном, выполненным с возможностью подачи отработанного рабочего тела из второй расширительной камеры в охладитель рабочего тела, а также первая мембрана, установленная в первой расширительной камере, и вторая мембрана, установленная во второй расширительной камере, соединенные с соответствующими подвижными частями линейного генератора, обеспечивающими противофазное воздействие на первую и вторую мембраны, при этом, подвижные части линейного генератора снабжены датчиками «мертвых точек», сигнал от которых используют для управления работой первого и второго выпускных клапанов.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, первая и вторая мембраны снабжены, соответственно, жесткой накладкой на первую мембрану и жесткой накладкой на вторую мембрану.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, подача электрического сигнала от линейного генератора во внешнюю нагрузку и формирование сигнала управления работой первого и второго выпускных клапанов по сигналам датчиков «мертвых точек» производится внешним блоком управления.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, устройство преобразования тепловой энергии в электрическую размещено в герметичном корпусе, в котором создан вакуум.
На чертеже представлены:
на фиг. 1 - функциональная схема устройства преобразования тепловой энергии в электрическую совместно с охладителем рабочего тела;
на фиг. 2 - пример выполнения соединения мембраны с жесткой накладкой.
На чертеже обозначены:
1 - блок управления;
2 - первый нагнетатель рабочего тела;
3 - второй нагнетатель рабочего тела;
4 - первый выпускной клапан;
5 - второй выпускной клапан;
6 - первый клапан подачи рабочего тела в расширительную камеру;
7 - второй клапан подачи рабочего тела в расширительную камеру;
8 - первая расширительная камера;
9 - вторая расширительная камера.
10 - первый теплообменник-испаритель рабочего тела;
11 - второй теплообменник-испаритель рабочего тела;
12 - первая мембрана;
13 - вторая мембрана;
14 - жесткая накладка на первую мембрану;
15 - жесткая накладка на вторую мембрану;
16 - линейный генератор электрической энергии (на подвижной части линейного генератора установлены датчики мертвых точек положения первой 12 и второй 13 мембран, сигналы с которых поступают в блок 1 управления);
17 - охладитель рабочего тела;
18 - тонкая прокладка в виде шайбы.
Устройство преобразования тепловой энергии в электрическую, содержащее устройство преобразования тепловой энергии в электрическую, содержит первую расширительную камеру 8 с первым клапаном 6 подачи рабочего тела, выполненным с возможностью подачи рабочего тела в первую расширительную камеру 8 от первого теплообменника-испарителя 10 рабочего тела, находящегося в контакте с источником тепла, и первым выпускным клапаном 4, выполненным с возможностью подачи отработанного рабочего тела из первой расширительной камеры 8 в охладитель 17 рабочего тела.
Устройство преобразования тепловой энергии в электрическую содержит также линейный генератор 16, выполненный с возможностью преобразования возвратно-поступательного движения его подвижных частей в электрическую энергию.
Кроме того, устройство преобразования тепловой энергии в электрическую содержит вторую расширительную камеру 9, установленную оппозитно первой расширительной камере 8 и снабженная вторым клапаном 7 подачи рабочего тела, выполненным с возможностью подачи рабочего тела во вторую расширительную камеру 9 от второго теплообменника-испарителя 11 рабочего тела, находящегося в контакте с источником тепла, и вторым выпускным клапаном 5, выполненным с возможностью подачи отработанного рабочего тела из второй расширительной камеры 9 в охладитель 17 рабочего тела.
В устройстве преобразования тепловой энергии в электрическую имеется также первая мембрана 12, установленная в первой расширительной камере 8, и вторая мембрана 13, установленная во второй расширительной камере 9, соединенные с соответствующими подвижными частями линейного генератора 16, обеспечивающими противофазное воздействие на первую 12 и вторую 13 мембраны.
При этом подвижные части линейного генератора 16 снабжены датчиками «мертвых точек» (на чертеже не показаны), сигнал от которых используют для управления работой первого 4 и второго 5 выпускных клапанов.
Особенностью устройства является то, что, первая 12 и вторая 13 мембраны снабжены, соответственно жесткой накладкой 14 на первую и жесткой накладкой 15 на вторую мембраны. Кроме того, подача электрического сигнала от линейного генератора 16 во внешнюю нагрузку и формирование сигнала управления работой первого 4 и второго 5 выпускных клапанов по сигналам датчиков «мертвых точек» производится внешним блоком 1 управления. При этом устройство преобразования тепловой энергии в электрическую размещено в герметичном корпусе, в котором создано разряжение (вакуум).
Преобразователь имеет симметричную структуру. Первая 12 и вторая 13 мембраны в первой 8 и второй 9 расширительных камерах включены оппозитно и работают в противофазе. Расширение рабочего тела происходит в зону вакуума. Такая структура позволяет исключить возвратную пружину, повысить коэффициент полезного действия за счет снижения противодействия внешних сил.
В качестве подвижных элементов применены мембраны. Такой выбор обусловлен двумя причинами.
Во-первых, предполагается, что при высокой частоте возвратно-поступательных движений их амплитуда имеет небольшое значение (1-2 см), что позволяет снизить динамические нагрузки на материал мембран.
Во-вторых, применение поршней не исключает попадание части рабочего тела в область, где создан вакуум. Попадание рабочего тела в зону вакуума вызывает необходимость введения в конструкцию преобразователя дополнительного вакуумного насоса, поддерживающего разряжение на требуемом уровне, что значительно усложняет конструкцию преобразователя.
Первая 12 и вторая 13 мембраны снабжены жесткой накладкой 14 на первую и жесткой накладкой 15 на вторую мембраны, соответственно. Жесткая накладка 14 на первую и жесткая накладка 15 на вторую мембраны имеют форму, обеспечивающую снижение динамических нагрузок на мембраны и придачи им дополнительной гибкости. Жесткие накладки 14 (15) соединены с мембранами 12 (13) через тонкие шайбы 18. Способ их соединения представлен на фиг.2. Такое соединение позволяет при незначительном растяжении мембран (10-15%) получить требуемое смещение подвижной части линейного генератора, что обеспечивает повышение ресурса материала мембран. Наличие жестких накладок 14 (15) улучшает управляемость устройством и обеспечивает оперативную передачу управляющих воздействий на мембраны, что также ведет к повышению КПД.
Предложенный преобразователь заключен в герметичный корпус. В области корпуса, где расположен линейный генератор 16 электрической энергии, создано разряжение. На подвижной части линейного генератора 16 установлены датчики мертвых точек положения первой 12 и второй 13 мембран, сигналы с которых поступают в блок 1 управления. Информацию о положении мембран можно получить по характеру изменения напряжения с выхода линейного генератора.
Работает устройство преобразования тепловой энергии в электрическую следующим образом.
Предположим, что в некоторый момент времени в первой расширительной камере 8 (левой по чертежу) происходит расширение рабочего тела и совершается полезная работа, а во второй расширительной камере 9 (правой по чертежу) второй выпускной клапан 5 открыт и происходит выпуск отработанного рабочего тела в охладитель 17 рабочего тела.
На некотором малом расстоянии от жесткой накладки 15 на вторую мембрану до правой по чертежу стенки второй расширительной камеры 9 происходит закрытие накладкой второго выпускного клапана 7 и открытие выступом на жесткой накладке 15 на вторую мембрану второго 7. Возникающий при этом импульс давления рабочего тела демпфирует вторую мембрану 13, предотвращая ее соударение с правой по чертежу стенкой второй расширительной камеры 9. Первый 6 и второй 7 могут быть выполнены в виде клапанов золотникового типа, поэтому для их открытия не требуется значительных усилий. В блоке 1 управления формируется сигнал о максимальном расширении рабочего тела в первой 8 расширительной камере (левой по чертежу) и импульсом из блока 1 управления производится открытие первого выпускного клапана 4.
В первой расширительной камере 8 (правой по чертежу) начинается процесс расширения рабочего тела. Поскольку после открытия второго выпускного клапана 7 он остается в открытом положении некоторый короткий интервал времени, то расчетное количество рабочего тела из второго теплообменника-испарителя 11 поступает в расширительную камеру 17. Во втором теплообменнике-испарителе 11, как и в первом теплообменнике-испарителе 10, остается небольшое количество рабочего тела под некоторым небольшим давлением, которое продолжает нагреваться от источника тепла.
При подаче рабочего тела во вторую расширительную камеру 9 приводится в действие привод второго нагнетателя 3 рабочего тела (плунжерного насоса - компрессора). Под воздействием давления на плунжер холодное рабочее тело нагнетается в первый теплообменник-испаритель 10. Создаваемое при этом давление холодного рабочего тела должно быть выше, чем остаточное давление в первом теплообменнике-испарителе 10. Нагрев и испарение порции холодного и остатков рабочего тела в первом теплообменнике-испарителе 10 происходит в течение периода времени выпуска отработанного рабочего тела в первой расширительной камере 8.
Важным для достижения требуемого технического результата и обеспечения устойчивой работы устройство является обеспечение условий того, что, холодное рабочее тело первой расширительной камеры нагнетается в испаритель второй расширительной камеры и наоборот.
Описанный процесс повторяется в первой расширительной камере 8 (левой по чертежу) и далее поочередно.
Таким образом, благодаря усовершенствованию известного устройства достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышении КПД устройства. Это, в частности, достигается тем, что вторая расширительная камера установлена оппозитно первой расширительной камере и снабженная вторым клапаном подачи рабочего тела, выполненным с возможностью подачи рабочего тела во вторую расширительную камеру от второго теплообменника-испарителя рабочего тела, находящегося в контакте с источником тепла, и вторым выпускным клапаном, выполненным с возможностью подачи отработанного рабочего тела из второй расширительной камеры в охладитель рабочего тела, а также тем, что, первая мембрана, установлена в первой расширительной камере, вторая мембрана, установлена во второй расширительной камере, мембраны соединены с соответствующими подвижными частями линейного генератора, обеспечивающими противофазное воздействие на первую и вторую мембраны, при этом, подвижные части линейного генератора снабжены датчиками «мертвых точек», сигнал от которых используют для управления работой первого и второго выпускных клапанов, а расширение рабочего тела происходит в зону вакуума.