УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В МЕХАНИЧЕСКУЮ И ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ

Область применения
Полезная модель относится к энергомашиностроению, и устройствам преобразования низкопотенциальной тепловой энергии окружающей среды и/или техногенных процессов за счет использования разности их температур, при воздействии разности температур на низкотемпературную кипящую жидкость (например, фреон), и использование ее переходов в агрегатные состояния из жидкой в газообразную фазы для экологически чистого преобразования энергии расширения газообразной фазы низкотемпературной кипящей жидкости в механическую энергию мембраны воздушного компрессора, и механическую энергию вращения воздушной турбины в электрическую.
Уровень техники
Известен способ получения механической энергии вращения за счет комплексного использования разности температур морской воды на разных ее уровнях и гравитационного взаимодействия без расходования топливо-энергетических ресурсов. Сущностью данного изобретения является: равномерно по окружности частично погруженного в воду ротора установлены теплочувствительные элементы (ТЭ), связанные с грузом, выполненным в виде массивного обода, с возможностью его радиального перемещения при изменении температуры окружающей среды, что обеспечивается созданием в верхней и нижней частях ротора соответственно зон нагрева и охлаждения, первой из которых является окружающий воздух, а вторая образована емкостью в виде лотка, который сообщается с верхней частью трубопровода, поднимающему вверх, как по сообщающемуся сосуду, холодную воду из глубинных ее слоев. Ротор снабжен лопатками для перемешивания воды по лотку от верхней части трубопровода. Вращение ротора осуществляется за счет момента сил тяжести F, создаваемых грумами при разных расстояниях Р2 и Р1 боковых частей обода от оси в зависимости от нагрева и охлаждения ТЭ. (См. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ВРАЩЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Б.Ф.КОЧЕТКОВА) МПК 6 F03G 7/05, F03G 7/06).
Однако, этот способ позволяет использовать тепловую энергию только в узком диапазоне температур, также он обладает значительной инерционностью и не может обеспечивать высокий КПД преобразования низкопотенциальной энергии окружающей среды (воды и воздуха) в механическую энергию.
Известен также парокомпрессионные способы термотрансформации, включающие испарение рабочей среды при пониженном давлении, сопровождаемое поглощением тепловой энергии низкотемпературного источника, сжатие рабочей среды в парообразном состоянии с помощью компрессора, охлаждение и конденсацию рабочей среды с передачей, выделяющейся при этом тепловой энергии более высокотемпературному приемнику, и понижение давления рабочей среды (как правило, дросселированием) перед испарением. (См. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. - М.. Энергия, 1968, с.185 - 212., а также изобретение СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРАНСФОРМАЦИИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ, RU 2161759, МПК 7 F25B 9/08, F25B 30/02).
Однако, энергетическая эффективность такого рода устройств сравнительно мала и уступает по эффективности способам на основе низкотемпературных кипящих жидкостей, поскольку требует применения устройства для трансформации тепловой энергии (холодильник или тепловой насос), включающее циркуляционный контур с установленными в нем последовательно испарителем, струйным аппаратом, охладителем (конденсатором), дросселем или детандером, и дополнительный циркуляционный контур (коммуникации), содержащий насос и испаритель высокого давления и подключенный к основному контуру со стороны насоса между охладителем и дросселем, а со стороны испарителя высокого давления - к струйному аппарату. Известна теплосиловая установка, содержащая высокопотенциальный источник тепла, замкнутый контур с промежуточным теплоносителем, силовую турбину, теплообменники для нагрева и охлаждения рабочего тела. (См. изобретение ТЕПЛОТРУБНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, RU2287709, МПК F01K 25/00) Основные недостатки такой установки:
- сложность конструкции, потребность в источниках высоких температур, невозможность использования низкопотенциального тепла в широком диапазоне температур от -50 градусов по Цельсию до +150 градусов по Цельсию, например, от естественных и/или техногенных источников;
- невысокий КПД из-за непроизводительных потерь тепла на образование и конденсацию пара легкокипящей жидкости, который используется для вытеснения вспомогательной жидкости из камеры, а также невозможность использования в цикле низкопотенциального тепла для производства, например, электроэнергии и образования экологически чистой системы преобразования тепла.
Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности и достигаемому результату является способ преобразования тепловой энергии в механическую и электрическую энергию - теплосиловая установка, содержащая блок высокопотенциального источника тепла, замкнутый контур с промежуточным теплоносителем, силовую турбину, теплообменники для нагрева и охлаждения рабочего тела для преобразования энергии жидкой и газовой фаз в механическую и электрическую энергию. (См. изобретение «ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА И СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЕЕ РАБОЧЕГО ТЕЛА», RU 2013572, МПК 5 F01K 25/00).
Основные недостатки такой установки - необходимость и сложность технологии приготовления ее рабочего тела и, как результат, сложность конструкции, потребность в источниках высоких температур, невозможность использования низкопотенциального тепла, например, от естественных или техногенных источников, невысокий КПД.
Целью полезной модели является создание устройства преобразования низкопотенциальной тепловой энергии окружающей среды и/или техногенных процессов за счет использования разности их температур, при воздействии разности температур на низкотемпературную кипящую жидкость (например, фреон), и использование ее переходов в агрегатные состояния из жидкой в газообразную фазы для экологически чистого преобразования энергии расширения газообразной фазы низкотемпературной кипящей жидкости в механическую энергию мембраны воздушного компрессора, и механическую энергию вращения воздушной турбины в электрическую.
Реализация полезной модели
Указанная цель достигается за счет того, что устройство преобразования низкопотенциальной тепловой энергии окружающей среды в механическую и электрическую энергию, содержащее блок высокопотенциального источника тепла, замкнутый контур с промежуточным теплоносителем, силовую турбину, теплообменники для нагрева и охлаждения рабочего тела для преобразования энергии жидкой и газовой фаз в механическую и электрическую энергию за счет использования разности температуры окружающей среды, при воздействии на низкокипящую жидкость, отличающееся тем, что накопитель тепловой энергии блока источника тепла соединен с теплообменником корпуса теплового компрессора через разделительные шаровые краны, мембрана в корпусе теплового компрессора соединена с всасывающим и нагнетательным клапанами воздушной среды, патрубки газообразной и жидкой фаз низкотемпературной кипящей жидкости корпуса теплового компрессора соединены с камерой охлаждения через разделительные клапаны газообразной и жидкой фаз низкотемпературной кипящей жидкости, контур охлаждения камеры охлаждения соединен с блоком охлаждения, цепи управления разделительными клапанами газообразной и жидко фаз низкотемпературной кипящей жидкости соединены с блоком усиления мощности, который соединен цепью управления клапанами с устройством управления, который соединен цепью питания с блоком контроля и управления, а к блоку контроля и управления присоединен вход от внешнего источника электрической энергии (стационарная промышленная сеть и/или внешний независимый источник) для первичного пуска устройства управления, также содержит цепь генератора тока, цепь выхода электрического тока, причем блок контроля и управления снабжен кнопкой включения устройства управления, кнопкой переключения устройства управления в автономный режим и кнопкой выключения, а воздушная турбина соединена с валом генератора тока, и соединена через пневмомагистраль с нагнетательным клапаном мембраны корпуса теплового компрессора.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показана конструктивная схема преобразователя низкопотенциальной энергии окружающей среды и/или техногенных процессов, где 1 - Блок источника тепла, 2 - Блок теплового компрессора, 3 - Блок источника холода, 4 - Блок генератора тока, 5 - Накопитель тепловой энергии, 6 - Контур теплового нагрева, 7 - Шаровые краны, 8 - Заливной патрубок, 9 - Корпус теплового компрессора, 10 - Фреон, 11 - Теплообменник, 12 - Мембрана, 13 - Клапан всасывания, 14 - Клапан нагнетания, 15 - Патрубок для газообразной фазы фреона, 16 - Патрубок для жидкой фазы фреона, 17 - Устройство управления, 18 - Цепь управления клапанами, 19 - Блок усиления мощности, 20 - Цепь управления разделительным клапаном газообразной фазы фреона, 21 - Цепь управления разделительным клапаном жидкой фазы фреона, 22 - Клапан разделительный газообразной фазы фреона, 23 - Клапан разделительный жидкой фазы фреона, 24 - Камера охлаждения, 25 - Контур охлаждения, 26 - Блок охлаждения, 27 -Пневмомагистраль, 28 - Воздушная турбина, 29 - Генератор тока, 30 - Блок контроля и управления, 31 - Цепь генератора тока, 32 - Вход от внешнего источника электрического тока, 33 - Выход электрического тока агрегата, 34 - Цепь питания устройства управления 17, 35 - Кнопка включения устройства управления 17, 36 - Кнопка переключения устройства управления в автономный режим от цепи 31, 37 - Кнопка выключения. На Фиг.2. показана диаграмма работы клапана 21 слива жидкой фазы фреона из камеры охлаждения 24 в корпус теплового компрессора 9.
На Фиг.3. показана диаграмма работы клапана 22 удаления газообразной фазы фреона из корпуса теплового компрессора 9 в камеру охлаждения 24.
На Фиг.4. показана диаграмма изменение давления фреона в корпусе теплового компрессора 9, воздействующего на мембрану 12.
На диаграммах:
Трк - время работы теплового компрессора в режиме нагнетания воздуха,
Тсп - время совмещенного открытия клапанов 22 и 23, Ти - время длительности импульса управления клапанами (одинаково для клапанов 22 и 23), Тп - время длительности периода сигнала управления (одинаково для клапанов 22 и 23), Тсф - время слива фреона через клапан 23 из камеры охлаждения 24 в корпус теплового насоса 9, ΔT - время фазы задержки сигнала управления клапаном 23 слива жидкой фазы фреона из камеры охлаждения 24, по отношению к сигналу управления клапаном 22 для удаления газообразной фазы фреона из корпуса теплового насоса 9.
Осуществление полезной модели
Устройство может быть реализовано на основе преобразователя низкопотенциальной энергии окружающей среды и/или техногенных процессов.
Посредством использования низкопотенциальной тепловой энергии окружающей среды и/или техногенных процессов, а именно: разности их температур, путем воздействия на низкотемпературную кипящую жидкость (например, фреон), происходит изменение ее агрегатного состояния - переход из жидкой в газообразную фазы и наоборот, выполняется экологически чистое преобразование энергии расширения газообразной фазы низкотемпературной кипящей жидкости в механическую энергию мембраны воздушного компрессора, и далее в механическую энергию вращения воздушной турбины в электрическую.
Принцип работы устройства основан на преобразовании низкопотенциальной тепловой энергии окружающей среды и/или техногенных процессов за счет использования разности их температур, при воздействии разности температур на низкотемпературную кипящую жидкость (например, фреон), и использование ее переходов в агрегатные состояния из жидкой в газообразную фазы для экологически чистого преобразования энергии расширения газообразной фазы низкотемпературной кипящей жидкости в механическую энергию мембраны воздушного компрессора, и механическую энергию вращения воздушной турбины в электрическую. Устройство реализуется применением блока высокопотенциального источника тепла, замкнутый контур с промежуточным теплоносителем, силовую турбину, теплообменники для нагрева и охлаждения рабочего тела для преобразования энергии жидкой и газовой фаз в механическую и электрическую энергию. Отличием устройства является накопитель тепловой энергии блока источника тепла соединен с теплообменником корпуса теплового компрессора через разделительные шаровые краны, мембрана в корпусе теплового компрессора соединена с всасывающим и нагнетательным клапанами воздушной среды, патрубки газообразной и жидкой фаз низкотемпературной кипящей жидкости корпуса теплового компрессора соединены с камерой охлаждения через разделительные клапаны газообразной и жидкой фаз низкотемпературной кипящей жидкости, контур охлаждения камеры охлаждения соединен с блоком охлаждения, цепи управления разделительными клапанами газообразной и жидкой фаз низкотемпературной кипящей жидкости соединены с блоком усиления мощности, который соединен цепью управления клапанами с устройством управления, который соединен цепью питания с блоком контроля и управления, к блоку контроля и управления присоединен вход от внешнего источника электрической энергии (стационарная промышленная сеть и/или внешний независимый источник) для первичного пуска устройства управления, цепь генератора тока, цепь выхода электрического тока, блок контроля и управления снабжен кнопкой включения устройства управления, кнопкой переключения устройства управления в автономный режим и кнопкой выключения, воздушная турбина соединена с валом генератора тока, и соединена через пневмомагистраль с нагнетательным клапаном мембраны корпуса теплового компрессора.
Принцип работы преобразователя низкопотенциальной энергии окружающей среды и/или техногенных процессов основан на следующем.
Начальное состояние устройства. Шаровые клапаны - 7 закрыты. Низкотемпературная кипящая жидкость (например, фреон) - 10 залит в корпус теплового компрессора - 9, через заливной патрубок 8. Кнопкой - 36 запускается по цепи - 34 устройство управление 17 и по цепи 18 через блок усиления мощности 19 по цепям управления 20 и 21 поступают сигналы управления клапанами 22 и 23. Диаграмма работы клапанов представлена на Фиг.2 и Фиг.3.
Работа устройства. Открываются шаровые клапаны - 7, и через контур теплового нагрева - 6 от накопителя тепловой энергии 5 в теплообменник - 11, размещенный в корпусе теплового компрессора - 9, подается тепловая энергия, которая приводит к фазовому переходу от жидкой фазы низкотемпературной кипящей жидкости - 10 в фазу газообразного состояния, и давление в корпусе теплового насоса - 9 возрастает (см. Фиг.4).
В соответствии с Фиг.2, Фиг.3, диаграммы работы клапанов - 22 и 23, и цикл работы теплового компрессора - 9, происходит в соответствии с процессами, представленными на Фиг.4, которые могут быть представлены в виде следующих фаз, определяемых через временные параметры работы клапанов 22 и 23.
Фаза 1. Вскипание фреона и возрастание давления в корпусе теплового компрессора - 9 и выпуск воздуха из клапана - 14 (Трк). Клапаны 22 и 23 закрыты. Фаза 2. Открытие клапана - 22 и поступление в камеру охлаждения - 24 газообразной фазы низкотемпературной кипящей жидкости, резкое падение давления в камере охлаждения - 24, и, как результат, дальнейшее всасывание газообразной фазы низкотемпературной кипящей жидкости в камеру охлаждения - 24, и конденсация ее в жидкость в нижней части камеры охлаждения - 24 (Tсп).
Фаза 3. Открытие клапана - 23 со временем совмещенного открытия клапанов 22 и 23 (Tсп). За счет избыточного давления жидкой фазы низкотемпературной кипящей жидкости в камере охлаждения - 24, последняя поступает в патрубок 16 и за тем в корпус теплового компрессора - 9. Транспортное запаздывание жидкой фазы низкотемпературной кипящей жидкости при движении в патрубке - 16 и времени совместного открытия клапанов 22 и 23 - Tсп, обеспечивается синхронизация процессов фазовых переходов жидкость - газ и наоборот.
Фаза 4. Закрытие клапана - 22 и клапана - 23 (Трк). Переход к Фазе 1. Далее цикл работы теплового компрессора повторяется.
Изменение давления в корпусе теплового компрессора - 9 нагнетает воздух в мембрану через клапан 13 и через клапан - 14 по воздушной магистрали - 27 воздух поступает на воздушную турбину - 28, вращающую генератор тока - 29, выход которого соединен цепью 31 с блоком контроля и управления - 30.
При выходе на рабочий режим генератора тока - 29, выполняется переключение кнопкой 36 перевод устройства в автономный режим работы и подключение выхода электрического тока - 33 к цепи - 31 генератора тока - 29.