УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕКУПЕРАЦИИ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ СО СРЕДСТВАМИ УСИЛЕНИЯ ТЕПЛООБМЕНА
DEVICE FOR RECUPERATION OF HYDRAULIC POWER WITH HEAT EXCHANGE INTENSIFICATION

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для рекуперации гидравлической энергии в гидросистемах с широким диапазоном скоростей нагнетания и вытеснения жидкости, в том числе, в гидравлических гибридных автомобилях, а также в строительном, дорожном и подъемно-транспортном оборудовании.
Уровень техники.
Известные устройства для рекуперации гидравлической энергии включают по меньшей мере один гидропневматический аккумулятор (далее -аккумулятор), содержащий газовый резервуар переменного объема, заполняемый сжатым газом через газовый порт, а также жидкостный резервуар переменного объема, заполняемый жидкостью через жидкостный порт, причем указанные газовый и жидкостный резервуары отделены друг от друга подвижным разделителем. Как правило, аккумулятор заряжают азотом до начального давления от единиц до десятков МПа.
Для рекуперации гидравлической энергии применяют аккумуляторы как с твердым разделителем в виде поршня, так и с эластичными разделителями, например, в виде полимерных мембран или баллонов [1], а также в виде металлических сильфонов [2].
Как правило, аккумулятор содержит один газовый и один жидкостный резервуар переменного объема, давления газа и жидкости в которых равны. Аккумулятор [3] содержит один газовый и несколько жидкостных резервуаров переменного объема, коммутацией которых меняют соотношение между давлением газа в газовом резервуаре и давлением жидкости в гидросистеме. Помимо аккумуляторов устройства для рекуперации гидравлической энергии могут включать также один или несколько газовых резервуаров постоянного объема (газовых сосудов или ресиверов), соединяемых с газовыми резервуарами аккумуляторов [4].
Для рекуперации гидравлической энергии аккумулятор устройства рекуперации соединяют через жидкостный порт с гидросистемой. При передаче энергии от гидросистемы в устройство рекуперации жидкость нагнетается из гидросистемы в жидкостный резервуар аккумулятора, перемещая разделитель и сжимая газ, давление которого повышается. При возврате аккумулированной энергии в гидросистему сжатый газ расширяется, перемещая разделитель с уменьшением объема жидкостного резервуара и вытеснением из него жидкости в гидросистему. Давление газа при этом понижается.
Эффективность рекуперации с обычными аккумуляторами может приближаться к 100% в режимах, близких к идеальным, а именно к изотермическому или адиабатическому.
Для типичных аккумуляторов объемом в единицы или десятки литров расстояние между стенками газового резервуара достаточно велико (десятки и сотни миллиметров). При таких расстояниях и малых разницах температур теплообмен газа со стенками незначителен. Поэтому процессы сжатия/расширения с изменением давления в 2-3 раза приближаются к изотермическим только при очень больших временах (десятки минут и более), что практически неприменимо. Во многих приложениях (например, при торможении, стоянке и разгоне гидравлического гибридного автомобиля или при опускании, переносе и поднимании грузов гидравлическими подъемниками, экскаваторами и т.п.) длительность циклов рекуперации может изменяться в широком диапазоне, от единиц до десятков и сотен секунд, причем возможны длительные стадии хранения аккумулированной энергии. При этом сжатие и расширение существенно неизотермичны, с большими температурными градиентами в газовом резервуаре. При повышении давления газа в 2-4 раза температура газа повышается на десятки и сотни градусов, после чего в газовом резервуаре возникает свободная конвекция, ускоряющая потерю тепла газа, нагретого при сжатии.
При очень коротких циклах рекуперации (со временами сжатия или расширения порядка секунды или менее) потери тепла газа на свободную конвекцию относительно малы и рекуперация приближается к адиабатическому режиму с эффективностью, близкой к 100%. Однако удлинение цикла рекуперации, а особенно хранение аккумулированной энергии даже в течение нескольких секунд, приводит к заметному падению эффективности рекуперации [5]. Чем дольше цикл рекуперации, тем больше он отличается от адиабатического, тем сильнее остывает нагретый при сжатии газ, что приводит к большему снижению его давления и росту потерь запасенной энергии, особенно при относительно быстром сжатии и длительном хранении запасенной энергии в аккумуляторе. При больших перепадах температур теплопередача необратима, т.е. большая часть тепла, отданного от сжатого газа стенкам аккумулятора, не может быть возвращена газу при расширении. Поэтому в гидросистему возвращается существенно меньшее количество гидравлической энергии при расширении газа, чем было получено при его сжатии, а эффективность рекуперации падает до 70-80% при степени сжатия около 2 (сжатие/расширение - единицы секунд, хранение - от десятков секунд до единиц минут [5]) или даже до 66% при степени сжатия около 3 [6].
Устройства для рекуперации гидравлической энергии, в которых газовый резервуар аккумулятора через газовый порт соединен с газовым резервуаром постоянного объема (далее - ресивером) [4], позволяют использовать меньшие степени сжатия. Перенос части газа между газовыми резервуарами аккумулятора и ресивера несколько усиливают теплообмен с поверхностями газовых портов и соединительных коммуникаций, что, наряду с дополнительными газодинамическими потерями, уменьшает эффективность рекуперации при коротких циклах. Однако интенсивность этого теплообмена недостаточна для того, чтобы сместить изотермический диапазон времен сжатия и расширения в область практически применимых времен. Теплообмен газа со стенками ресивера также мал, как и со стенками газового резервуара аккумулятора. Поэтому и при использовании ресивера процессы сжатия и расширения остаются существенно неизотермичными, а тепловые потери при рекуперации - значительными.
В [7] предложено увеличивать количество энергии, возвращаемой в гидросистему, путем превращения цикла рекуперации в цикл тепловой машины, использующей тепло внешнего источника. Описанные в [7] средства нагрева и охлаждения ресиверов и газа в них с помощью поочередного переключения потоков внешних теплоносителей (выхлопных газов для нагрева, воздуха или воды для охлаждения) обеспечивают циклический подвод тепла извне к ресиверам и отвод тепла от них вовне. Однако эти средства не изменяют существенно интенсивность внутреннего теплообмена газа со стенками ресиверов. Для типичных объемов ресиверов в единицы и десятки литров процесс сжатия (так же, как и расширения) газа остается существенно неизотермическим до времен в сотни и более секунд. Часть тепла газа, нагретого при сжатии, необратимо теряется при неравновесном теплообмене с более холодной стенкой ресивера, приводя к рассеянию части энергии, затраченной на сжатие газа. Увеличение количества гидравлической энергии, возвращаемой устройством по [7] достигается последующим изохорным нагревом теплообменников, ресиверов и газа в них. Однако необходимость циклически охлаждать и нагревать массивные стенки ресиверов, теплоемкость которых значительно (в сотни раз) превосходит теплоемкости внешних теплоносителей, прокачиваемых через теплообменники за секунду, приводит к низкой эффективности использования внешнего тепла и огромной тепловой инерции устройства, усугубляемой слабым теплообменом нагреваемых стенок ресиверов с газом в них. Заметный прирост гидравлической энергии, возвращаемой в гидросистему, а тем более переход в режим тепловой машины, генерирующей полезную работу, может быть достигнут только при очень длинных циклах (сотни и даже тысячи секунд), что существенно ограничивает применимость предложенного решения. На более коротких циклах с более быстрыми процессами сжатия и расширения использование устройства [7] в режиме тепловой машины невозможно, а в режиме рекуперации оно имеет мало преимуществ перед более простым устройством [4].
Для уменьшения тепловых потерь в [3], [8], [9] предложено уменьшать степень нагрева газа и уменьшать потери аккумулированного тепла за счет помещения в газовый резервуар гибкого пористого наполнителя (полимерной пены), который при сжатии отбирает часть тепла у газа и уменьшает степень его нагрева, а при расширении возвращает тепло газу и уменьшает степень его охлаждения. Малые (порядка 1 мм) размеры пор гибкого пористого наполнителя в сотни раз снижают температурные градиенты при теплообмене между газом и регенератором и значительно повышают обратимость теплообмена при сжатии и расширении газа. Пористая структура пены затрудняет возникновение свободной конвекции, замедляя остывание газа и пены при хранении аккумулированной энергии. Однако теплоемкость пены, сравнимая с теплоемкостью сжатого газа при его давлениях более 10 МПа, недостаточна для того, чтобы уменьшить нагрев газа и пены больше, чем в 1,5-2 раза. Поэтому при повышении давления газа в 2-3 раза газ и пена нагреваются на десятки градусов. В результате, при временах хранения более 20 сек эффективность падает до 80-85% [6, 10]. Следует также учитывать, что упругие свойства вспененных эластомеров ухудшаются как при высоких (более 100-150 С), так и при очень низких температурах, которые могут возникать в газовом резервуаре при высоких степенях сжатия/расширения и экстремальных температурах окружающей среды.
Устройство [11], выбранное нами за ближайший аналог, содержит газохранилище, включающее по меньшей мере один газовый резервуар переменного объема в составе гидропневматического аккумулятора. Газохранилище может также содержать газовый резервуар постоянного объема (ресивер), соединенный с газовым резервуаром переменного объема. В аккумуляторе газовый резервуар переменного объема отделен подвижным разделителем по меньшей мере от одного жидкостного резервуара переменного объема с возможностью сжатия газа в газовом резервуаре переменного объема (а также в других резервуарах газохранилища, сообщающихся с этим газовым резервуаром) при нагнетании жидкости в жидкостной резервуар и расширении газа при вытеснении жидкости из жидкостного резервуара, а также средства усиления теплообмена, усиливающие отвод тепла от газа при сжатии и подвод тепла к газу при расширении.
Средства усиления теплообмена в прототипе выполнены в виде сжимаемого регенератора из листовых элементов, расположенных поперечно направлению движения разделителя и разделяющих газовый резервуар на сообщающиеся газовые слои переменной толщины. Листовые элементы регенератора кинематически связаны с разделителем с возможностью увеличения толщины разделяемых ими газовых слоев при увеличении объема газового резервуара и уменьшения - при его уменьшении. Таким образом, средние расстояния до теплообменных поверхностей уменьшены до долей миллиметров, а площади теплообменных поверхностей увеличены в десятки и сотни раз, что в тысячи раз усиливает теплообмен между газом и листами регенератора и снижает температурные перепады, повышая обратимость процессов сжатия и расширения газа в газовом резервуаре, а значит и эффективность рекуперации. Теплоемкость металлического листового регенератора значительно выше теплоемкости газа, сжатого до 10-20 МПа. Поэтому при использовании металлического листового регенератора газ нагревается при сжатии значительно слабее, чем при использовании полимерной пены. Соответственно, и эффективность рекуперации, особенно при длительном хранении запасенной энергии, оказывается заметно выше. При зазорах порядка 1 мм и средней плотности около 2,2 кг/л листовой регенератор из нержавеющей стали обеспечил эффективность рекуперации 96-99% при временах сжатия/расширения от 4 сек и более, а также при временах хранения до 900 сек [5, 10].
Такой регенератор в виде многослойной листовой металлической пружины обладает хорошей надежностью и легко применим в поршневых аккумуляторах, в том числе в соединении с газовыми ресиверами, однако плохо совместим с эластичными разделителями баллонных или мембранных аккумуляторов, что ограничивает возможности по снижению массы и стоимости устройства.
Кроме того, при временах сжатия/расширения порядка 1 сек и менее (и при нулевом времени хранения) аккумулятор с вышеописанным регенератором, имеющим зазоры порядка 1 мм, несколько проигрывает по эффективности рекуперации (92% против 95-97%, [5]) обычному аккумулятору, который в этом случае работает практически в адиабатическом режиме. Повышение эффективности регенератора для таких ускоренных циклов рекуперации с уменьшением длительностей сжатия/расширения до долей секунды требует увеличения количества листов и уменьшения зазоров между ними до долей миллиметра, что увеличивает производственные затраты, а также повышает газодинамические потери в случае, когда аккумулятор с таким регенератором используется в соединении с газовым ресивером.
Дополнительным недостатком вышеописанных средств усиления теплообмена по [11] является невозможность использования внешнего тепла для увеличения количества гидравлической энергии, возвращаемой в гидросистему.
Сущность изобретения.
Задачей настоящего изобретения является создание устройства для рекуперации гидравлической энергии с высокой эффективностью в широком диапазоне длительностей циклов рекуперации.
Задачей настоящего изобретения также является уменьшение массы и стоимости высокоэффективного устройства для рекуперации гидравлической энергии.
Задачей настоящего изобретения также является создание устройства с возможностью использования внешнего тепла для дополнительного увеличения количества гидравлической энергии, возвращаемой устройством в цикле рекуперации.
Для решения поставленной задачи предлагается устройство для рекуперации гидравлической энергии со средствами усиления теплообмена, содержащее газохранилище, включающее по меньшей мере один газовый резервуар переменного объема, отделенный подвижным разделителем от по меньшей мере одного жидкостного резервуара переменного объема с возможностью сжатия газа в указанном газовом резервуаре при нагнетании жидкости в указанный жидкостный резервуар и расширения газа при вытеснении жидкости из указанного жидкостного резервуара, а также средства усиления теплообмена, выполненные с возможностью усиливать отвод тепла от газа при сжатии его по меньшей мере в одном газовом резервуаре переменного объема и усиливать подвод тепла к газу при расширении его в этом газовом резервуаре, причем средства усиления теплообмена включают по меньшей мере одну газодувку, установленную с возможностью создания вынужденной циркуляции газа по меньшей мере в одном газовом резервуаре переменного объема.
Под газохранилищем здесь и далее понимается совокупная емкость газовых резервуаров (одного или более) и соединяющих их газовых линий, причем как минимум один из этих газовых резервуаров является газовым резервуаром переменного объема (в составе гидропневматического аккумулятора).
Вынужденная циркуляция многократно усиливает теплообмен газа с поверхностями, которые обдуваются газом посредством газодувки, в том числе со стенками газового резервуара аккумулятора. Таким образом, при сжатии тепло более интенсивно отводится от газа к этим поверхностям, а при расширении - более интенсивно подводится от них к газу, что снижает температурные градиенты в газе и степень его нагрева при сжатии, а также степень его охлаждения при расширении.
При медленных и средних циклах рекуперации газодувка обеспечивает приближение процессов сжатия/расширения газа к изотермическим при относительно малых затратах мощности на привод газодувки. Отключение газодувки при быстрых циклах рекуперации позволяет использовать высокую эффективность адиабатического режима. Таким образом, предложенное решение обеспечивает высокую эффективность рекуперации как при длинных, так и при коротких циклах рекуперации.
Предложенное решение предполагает использование аккумуляторов как с поршневыми, так и с эластичными (мембранными, баллонными) разделителями, что позволяет уменьшить массу и стоимость устройства.
В предпочтительном по компактности исполнении средства усиления теплообмена включают по меньшей мере одну газодувку, установленную в газовом резервуаре переменного объема. В исполнении, предпочтительном по простоте интеграции с разными аккумуляторами, средства усиления теплообмена включают по меньшей мере две газовые линии, через которые по меньшей мере одна газодувка сообщается по меньшей мере с одним газовым резервуаром переменного объема с возможностью создания газодувкой циркуляции газа между ней и этим газовым резервуаром по указанным газовым линиям.
Для увеличения количества аккумулируемой энергии предлагается исполнение, в котором газохранилище включает по меньшей мере один газовый резервуар постоянного объема (далее - ресивер), сообщающийся с газовым резервуаром переменного объема, причем средства усиления теплообмена выполнены с возможностью создания вынужденной циркуляции газа по меньшей мере в одном газовом резервуаре постоянного объема. Предлагается два варианта создания вынужденной циркуляции в ресивере. В первом, предпочтительном по простоте использования разных ресиверов варианте, средства усиления теплообмена включают по меньшей мере две газовые линии, через которые по меньшей мере одна газодувка сообщается по меньшей мере с одним газовым резервуаром переменного объема и по меньшей мере с одним ресивером с возможностью создания газодувкой циркуляции газа между этими газовыми резервуарами по указанным газовым линиям. Во втором, предпочтительном по компактности исполнении, средства усиления теплообмена включают по меньшей мере одну газодувку, установленную в газовом резервуаре переменного объема, и по меньшей мере одну газодувку, установленную в ресивере.
Массивные металлические стенки газовых резервуаров поршневых или мембранных аккумуляторов, а также ресиверов обладают высокой теплоемкостью и теплопроводностью и выполняют функцию регенерирующего теплообменника, отбирая тепло у газа при сжатии и отдавая тепло газу при расширении. При использовании аккумулятора с баллонным разделителем из полимерного материала, теплопроводность которого значительно меньше, чем у металла, аккумулятор предпочтительно устанавливают так, чтобы резервуар внутри баллона был жидкостным, а резервуар между баллоном и металлическими стенками - газовым, что дает возможность обдувать газом металлические стенки. Площадь металлических стенок вышеупомянутых газовых резервуаров и интенсивность теплообмена газа с ними при обдуве достаточна для того, чтобы существенно (в несколько раз и более) снизить тепловые потери для времен сжатия или расширения в десятки секунд и более.
Для дальнейшего усиления теплообмена средства усиления теплообмена включают по меньшей мере один теплообменник, установленный с возможностью обдува его поверхности газодувкой. Такой дополнительный теплообменник может быть установлен внутри газового резервуара, например, как элемент поддержки внутри баллона в баллонном аккумуляторе (в этом случае газовый резервуар выполняется внутри баллона) как радиатор на крышке поршневого аккумулятора. В исполнениях, включающих газовый резервуар постоянного объема (ресивер), последний может содержать регенерирующий теплообменник, выполненный как радиатор или как регенерирующий наполнитель (например, в виде металлической фольги или сетки) в ресивере. В исполнениях, в которых газодувка установлена вне газового резервуара аккумулятора и соединена с ним газовыми линиями, теплообменник может также устанавливаться вне аккумулятора и сообщаться с его газовым резервуаром посредством газовых линий. Теплообменник, обдуваемый газом, отбирает у него тепло при сжатии и отдает тепло газу при его расширении. Площадь обдуваемых газом поверхностей теплообменника превышает площадь обдуваемых газом поверхностей стенок газового резервуар (или резервуаров), предпочтительно, превышает в 2 раза и более. Увеличение площади теплообменных поверхностей усиливает теплообмен газа с ними и позволяет существенно (в несколько раз и более) снизить тепловые потери даже при сокращении времен сжатия или расширения до единиц секунд.
Для того чтобы выключение газодувки при коротких циклах (единицы секунд) приближало режим рекуперации к адиабатическому, теплообменник предпочтительно выполняют так, чтобы объем газа в теплообменнике не превышал 10% от объема газового резервуара аккумулятора (или суммарного объема газовых резервуаров аккумулятора и соединенного с ним ресивера).
Для отвода тепла от газа к внешнему теплоносителю (или для подвода тепла к газу от внешнего теплоносителя) по меньшей мере один из теплообменников выполнен с возможностью теплообмена между газом и внешним теплоносителем. Такой теплообменник выполнен, например, с внешним радиатором или с каналами для внешнего теплоносителя. Это позволяет не только повысить эффективность рекуперации, но и управлять тепловым режимом устройства, а также чередовать прокачку через теплообменник более холодного теплоносителя при сжатии и более горячего при расширении, усиливая теплообмен за счет использования внешнего тепла. Для дальнейшего усиления теплообмена возможно исполнение с двумя (или более) теплообменниками, один из которых служит для отвода тепла от газа к более холодному теплоносителю, а другой - для подвода тепла к газу от более горячего теплоносителя. Это позволяет дополнительно преобразовывать часть тепла, получаемого газом от горячего теплоносителя, в гидравлическую энергию и еще более увеличить количество гидравлической энергии, возвращаемой устройством в цикле рекуперации, эффективность которой в этом случае может быть выше 100%.
Газодувка может быть выполнена в виде центробежного или осевого вентилятора или в виде газового насоса объемного вытеснения, например шестеренного, винтового, пластинчатого, поршневого и т.п. Газодувка может приводиться в движение электрическими, гидравлическими или иными моторами через вал или иное кинематическое звено привода, снабженное уплотнением, предотвращающим утечки сжатого газа. Для уменьшения потерь на утечки и трение в уплотнениях кинематических звеньев привода газодувки газодувка выполнена с приводом от мотора, находящегося под близким давлением (отличающимся от давлений газа в газодувке не более чем на единицы бар). В исполнении, предпочтительном по компактности, газодувка выполнена с приводом от высокооборотного электромотора, установленного в полости, сообщающейся с газовым резервуаром переменного объема. В исполнении, предпочтительном по надежности, газодувка выполнена с приводом от гидромотора, установленного с возможностью соединения с жидкостным резервуаром переменного объема этого же аккумулятора и приведения в движение рабочей жидкостью, нагнетаемой в аккумулятор или вытесняемой из него.
Для большего усиления теплообмена при ускорении изменения объема (сжатия или расширения) газа, а также для уменьшения затрат энергии на привод газодувки при замедлении сжатия или расширения газа, средства усиления теплообмена выполнены с возможностью увеличивать скорость циркуляции газа при увеличении скорости изменения объема газового резервуара переменного объема, а также уменьшать скорость циркуляции газа при уменьшении указанной скорости изменения объема. Изменение скорости вращения газодувки и скорости создаваемой ею циркуляции позволяет поддерживать близкий к изотермическому режим рекуперации с малыми потерями на привод газодувки в широком диапазоне скоростей изменения объема газа (сжатия или расширения) и длительностей циклов рекуперации.
Детали предпочтительных исполнений изобретения показаны в нижеприведенных примерах, иллюстрируемых фигурами, на которых схематически представлены:
Фиг.1 - устройство с аккумулятором и газодувкой в его газовом резервуаре.
Фиг.2 - устройство с внешней газодувкой и теплообменником.
Фиг.3 - устройство с дополнительным ресивером и внешней газодувкой и теплообменником.
Фиг.4 - устройство с дополнительным ресивером, внешней газодувкой с приводом от гидромотора и с регенерирующим теплообменником в ресивере.
Фиг.5 - устройство с баллонным аккумулятором, с газодувкой и регенерирующим теплообменником в его газовом резервуаре.
Фиг.6 - устройство с баллонным аккумулятором, с двумя внешними газодувками с приводом от электромоторов и с двумя теплообменниками, охлаждающим и нагревающим.
Устройство по Фиг.1 включает аккумулятор 1, в котором жидкостный резервуар переменного объема 2, сообщающийся с жидкостным портом 3, отделен подвижным разделителем 4 от газового резервуара переменного объема 5, сообщающегося с газовым портом 6. Средства усиления теплообмена включают газодувку 7, установленную в газовом резервуаре переменного объема 5 с возможностью создания в нем вынужденной циркуляции газа, а также средства привода 8 газодувки 7. В исполнениях с баллонным аккумулятором предпочтительно устанавливают аккумулятор так, чтобы резервуар внутри баллона был жидкостным, а резервуар между баллоном и металлическими стенками - газовым, в котором и устанавливается газодувка с возможностью обдувать газом металлические стенки. Для аккумуляторов емкостью единицы или десятки литров интенсивность теплообмена при обдуве газом металлических стенок газовых резервуаров достаточна для того, чтобы существенно (более 3-5 раз) снизить тепловые потери для времен сжатия или расширения в десятки или более секунд при изменении давления в 2-3 раза.
Средства усиления теплообмена по Фиг.2 включают газовые линии 9, через которые газодувка 7 сообщается с газовым резервуаром переменного объема 5 и теплообменником 10 с возможностью создания газодувкой 7 циркуляции газа между ней и этим газовым резервуаром через газовые порты 6 по газовым линиям 9 через теплообменник 10. Газовые линии 9 могут быть выполнены коаксиальными, с вводом и выводом газа через один газовый порт 6 аккумулятора 1. При циркуляции газ обдувает поверхности теплообменника 10 и газового резервуара 5, в котором таким образом создается вынужденная циркуляция. Теплообменник 10 выполнен с большой площадью теплообменных поверхностей, предпочтительно, в 2 и более раз превышающей площадь металлических стенок газового резервуара 5. Увеличение площади теплообменных поверхностей за счет введения в устройство теплообменника 10 усиливает теплообмен и повышает эффективность рекуперации при более коротких временах сжатия или расширения. В других исполнениях, не предназначенных для быстрых циклов рекуперации, теплообменник 10 может отсутствовать.
Устройство по Фиг.3 включает аккумулятор 1, газовый резервуар 5 которого соединен с ресивером 11. Средства усиления теплообмена по Фиг.3 включают газовые линии 9, через которые газодувка 7 сообщается с газовым резервуаром переменного объема 5 и с ресивером 11 с возможностью создания циркуляции газа между этими газовыми резервуарами 5 и 11 по указанным газовым линиям. Одна из газовых линий 9 на Фиг.3 глубоко проникает внутрь ресивера 11 с возможностью обдува его стенок, которые обладают высокой теплоемкостью и теплопроводностью и могут выполнять функцию регенерирующего теплообменника, отбирая у газа тепло при сжатии и возвращая газу тепло при расширении. В другом исполнении устройства с ресивером (на фигурах не показано) средства усиления теплообмена могут включать две газодувки (или больше), одна из которых установлена в газовом резервуаре 5 аккумулятора 1, а другая - в ресивере 11. В таком исполнении вынужденная циркуляция газа в газовом резервуаре 5 аккумулятора 1 и в ресивере 11 осуществляется без дополнительной циркуляции газа между ними, что снижает газодинамические потери давления на газовых линиях 9. Площадь металлических стенок газовых резервуаров аккумулятора 1 и ресивера 11 и интенсивность теплообмена газа с ними при обдуве достаточна для того, чтобы для режимов рекуперации, близких к изотермическим, времена сжатия или расширения могли быть сокращены до десятков секунд.
Для дальнейшего сокращения времен сжатия или расширения с сохранением режимов рекуперации, близких к изотермическим, средства усиления теплообмена могут содержать также дополнительный теплообменник, врезаемый в газовые линии 9 или выполненный внутри одного из газовых резервуаров 5 или 11.
В исполнении по Фиг.4 ресивер 11 содержит дополнительный регенерирующий теплообменник 10 с большой площадью поверхности, обдуваемой газом. Выполнение регенерирующего теплообменника 10 по Фиг.4 из металлической фольги, свернутой в рулон с зазорами между слоями, или из тонкой проволоки (металлической ваты), или из металлической стружки (например, токарной) обеспечивает увеличение площади теплообмена при вынужденной циркуляции на порядок и более без заметного увеличения газодинамического сопротивления ввиду большой площади поперечного сечения ресивера 11. В результате даже при сокращении времени сжатия и расширения до единиц секунд рекуперация гидравлической энергии происходит с высокой эффективностью в режиме, приближенном к изотермическому. В исполнениях, предназначенных также для переключения в адиабатический режим рекуперации, теплообменник 10 выполняется с малым внутренним объемом, предпочтительно, объем газа в теплообменнике 10 занимает менее 10% от суммарного объема газового резервуара 5 аккумулятора 1 и ресивера 11. Поэтому при выключении газодувки во время коротких (единицы секунд и менее) циклов рекуперации процессы сжатия и расширения большей части газа близки к адиабатическим.
Устройство по Фиг.5 включает аккумулятор 1 с баллонным разделителем 4. В газовом резервуаре 5 аккумулятора 1 установлена газодувка 7. В этом же газовом резервуаре 5 установлен теплообменник 10 с возможностью обдува его поверхности газодувкой 7. В исполнении по Фиг.4 теплообменник 10 выполнен регенерирующим, например, в виде обдуваемого радиатора или пористой металлической губки с высокой проницаемостью для газа. Его теплоемкость превышает (предпочтительно, в 5 и более раз) теплоемкость газа в газовом резервуаре 5, а площадь теплообменных поверхностей превышает (предпочтительно, в 2 и более раз) площадь поверхностей стенок корпуса аккумулятора 1. При сжатии газа он отбирает тепло от газа, а при расширении - возвращает газу отобранное тепло. В других исполнениях теплообменник 10 (внутренний, как по Фиг.5, или внешний, как по Фиг.2) может содержать каналы для внешнего теплоносителя и при сжатии газа передавать тепло от газа к внешнему теплоносителю, а при расширении передавать тепло от внешнего теплоносителя к газу.
Объем газа в теплообменниках 10 (а также 19) по Фиг.2, Фиг.4, Фиг.5 и Фиг.6 занимает менее 10% от объема газового резервуара 5 аккумулятора 1 (для исполнения по Фиг.4 - от суммарного объема газового резервуара 5 аккумулятора 1 и ресивера 11). Поэтому при выключении газодувки во время коротких (единицы секунд и менее) циклов рекуперации процессы сжатия и расширения большей части газа близки к адиабатическим, а дальнейшее сокращение длительности циклов при выключенной газодувке приводит к росту эффективности рекуперации.
В исполнении по Фиг.6 средства усиления теплообмена включают две газодувки 7 и 18 и два теплообменника 10 и 19, выполненных с возможностью теплообмена между газом и внешним теплоносителем. Один из них (10) подключается к потоку более холодного теплоносителя 20 (например, протекающего от выхода радиатора охлаждения к двигателю внутреннего сгорания (ДВС) и служит для отвода тепла от газа к более холодному теплоносителю. Другой теплообменник (19) подключается к потоку более горячего теплоносителя 21 (например, протекающего от ДВС к входу радиатора охлаждения) и служит для подвода тепла к газу от более горячего теплоносителя. Обдувание газодувкой 7 более холодных поверхностей теплообменника 10 при сжатии (а также в промежутке между расширением и сжатием), а также обдувание газодувкой 18 более горячих поверхностей теплообменника 19 при расширении (а также в промежутке между сжатием и расширением), приводит к тому, что средняя температура и давление газа при расширении выше, чем при сжатии. Таким образом, часть тепла, получаемого газом от горячего теплоносителя, преобразуется в дополнительную гидравлическую энергию. В результате эффективность рекуперации в этом случае может превысить 100%.
Средства привода 8 газодувок 7 и 18 по Фиг.6 включают высокооборотные электромоторы 12, электрический преобразователь 14 и электрические кабели 13. Электромоторы 12 установлены в полости (полость на Фиг.6 не показана), сообщающейся с газовым резервуаром переменного объема 5 аккумулятора 1. В таком исполнении исключены динамические уплотнения между электромоторами 12 и газодувками 7 и 18, а герметизированы только выводы электрических кабелей 13, соединяющих электромоторы 12 с преобразователем 14, расположенном снаружи при атмосферном давлении.
Электрический преобразователь 14 выполнен с возможностью переключать газодувки 7 и 18, включая на стадии сжатия только газодувку 7, которая направляет газ в охлаждающий теплообменник 10, а на стадии расширения только газодувку 18, которая направляет газ в нагревающий теплообменник 19. Высокооборотные электромоторы 12 позволяют использовать более компактные и дешевые динамические газодувки 7 и 18, например, осевые или центробежные. Электрический преобразователь 14 выполнен также с возможностью изменять скорость вращения газодувок 7 или 18, увеличивая скорость при повышении скорости сжатия или расширения соответственно.
Средства привода 8 газодувки 7 по Фиг.4 включают гидромотор 15, связанный валом с газодувкой 7, а также распределительный клапан 16 и жидкостные линии 17. Гидромотор 15 установлен с возможностью соединения с жидкостным резервуаром переменного объема 2 аккумулятора 1. В таком исполнении газодувка 7 предпочтительно выполнена в виде газового насоса объемного вытеснения, например, шестеренного, винтового или пластинчатого. Для обеспечения большой кратности прокачки газа газодувкой 7 при сжатии или расширении газа подача газодувки 7 на один оборот в несколько раз (предпочтительно, в 5 и более раз) больше, чем подача на один оборот гидромотора 15. В других исполнениях для повышения кратности прокачки газа между гидромотором 15 и газодувкой 7 может быть установлен редуктор, повышающий обороты газодувки 7. Клапан 16 и жидкостные линии 17 позволяют пропускать через гидромотор 15 поток жидкости, нагнетаемой в аккумулятор 1 или вытесняемой из него, а также отключать гидромотор 15 от потока жидкости и останавливать газодувку 7 при коротких циклах рекуперации. В исполнении по Фиг.4 клапан 16 позволяет поддерживать одно и то же направление потока жидкости через гидромотор 15 как при нагнетании, так и при вытеснении рабочей жидкости из аккумулятора 1, что обеспечивает постоянство направления газового потока, создаваемого воздуходувкой 7. При увеличении скорости сжатия или расширения газа растет скорость потока жидкости, приводящей в движение гидромотор 15, что увеличивает объемную подачу газодувки 7.
Для рекуперации гидравлической энергии аккумулятор 1 устройства (по Фиг.1 - фиг.6), предварительно заполненный газом через газовый порт 6, соединяют через жидкостный порт 3 с гидросистемой (на фигурах не показана).
При передаче энергии из гидросистемы в устройство жидкость из гидросистемы через жидкостный порт 3 аккумулятора нагнетается в его жидкостный резервуар 2, разделитель 4 перемещается, уменьшая объем газового резервуара 5 и повышая давление и температуру газа в нем. При этом газодувка 7 создает вынужденную циркуляцию газа в газовом резервуаре 5 (а также в ресивере 11 устройства по Фиг.3 и Фиг.4). Газ обдувает теплообменные поверхности, в том числе стенки газового резервуара 5, ресивера 11, газовых линий 9 и теплообменника 10, эффективно отдавая им тепло, что снижает степень нагрева газа при сжатии, причем теплообмен газа с поверхностями указанных элементов происходит обратимо, при малой разности температур. При хранении аккумулированной гидравлической энергии тепловые потери малы в силу малости остаточного превышения температуры газа над температурой упомянутых поверхностей и отсутствия вынужденной циркуляции при выключении газодувки в режиме хранения.
При возврате энергии от устройства в гидросистему сжатый газ расширяется и разделитель 4 перемещается, уменьшая объем жидкостного резервуара 2 и вытесняя жидкость из него через жидкостный порт 3 в гидросистему. При этом газодувка 7 создает вынужденную циркуляцию газа в газовом резервуаре 5 (а также в ресивере 11 устройства по Фиг.3 и Фиг.4). Газ обдувает теплообменные поверхности, в том числе стенки газового резервуара 5, ресивера 11, газовых линий 9 и теплообменника 10, эффективно отводя от них тепло, что снижает степень охлаждения газа при расширении. Теплообмен газа с поверхностями указанных элементов происходит при малой разности температур, т.е. обратимо, поэтому газ получает обратно большую часть тепла, отданного при сжатии. Таким образом, аккумулятор практически без потерь возвращает в гидросистему полученную от нее гидравлическую энергию.
В исполнении по Фиг.6 теплообменник 10 подключают к потоку более холодного внешнего теплоносителя 20, а теплообменник 19 - к потоку более горячего внешнего теплоносителя 21. При сжатии (а также в промежутке между расширением и сжатием) газодувка 7 обдувает газом более холодные теплообменные поверхности теплообменника 10, а при расширении (а также в промежутке между сжатием и расширением) газодувка 18 обдувает газом более горячие теплообменные поверхности теплообменника 19. В этом случае газ получает при расширении больше тепла, чем отдал при сжатии. В результате температура и давление газа при расширении выше, чем при сжатии, т.е. работа расширения больше, чем работа сжатия, а количество гидравлической энергии, возвращаемой в гидросистему, дополнительно увеличивается за счет преобразования части внешнего тепла.
При увеличении скорости нагнетания или вытеснения жидкости и, соответственно, скорости сжатия или расширения газа, средства привода 8 увеличивают скорость вращения газодувок 7 (или 18) и скорость потоков газа, обдувающих теплообменные поверхности упомянутых элементов. Таким образом, с ростом гидравлической мощности растет и мощность отвода тепла от газа при сжатии и подвода тепла к газу при расширении, что приближает режимы сжатия и расширения к изотермическим и позволяет поддерживать высокую эффективность рекуперации в широком диапазоне длительностей циклов рекуперации и скоростей сжатия и расширения газа.
В режиме коротких циклов рекуперации (например, единицы или доли секунд) средства привода 8 выключают газодувки 7 (и 18), что приближает режимы рекуперации к адиабатическим, также характеризующимся высокой эффективностью.
Таким образом, предложенные решения позволяют создать устройство для рекуперации гидравлической энергии со следующими качествами:
- высокой эффективностью рекуперации гидравлической энергии при средней и большой длительности циклов рекуперации (от единиц секунд до десятков минут) за счет приближения процессов сжатия и расширения газа к изотермическим при интенсивной вынужденной циркуляции усиливающей теплообмен с поверхностями газовых резервуаров, теплообменников и газовых линий;
- высокой эффективностью рекуперации гидравлической энергии при малой длительности циклов рекуперации (от долей секунд до единиц секунд) за счет приближения процессов сжатия и расширения газа к адиабатическим при отключенной вынужденной циркуляции;
- уменьшенной массой и стоимостью при использовании эластичных разделителей в аккумуляторах устройства;
- возможностью увеличения количества гидравлической энергии, возвращаемой устройством, за счет преобразования внешнего тепла при обдувании газом более холодных теплообменных поверхностей после расширения и при сжатии и более горячих теплообменных поверхностей после сжатия и при расширении.
Специалистам понятно, что данное подробное описание приведено в качестве примера, и может быть предложено множество других вариантов, не выходящих за пределы настоящего изобретения, включая, (но не ограничиваясь), не описанные здесь подробно: исполнения устройства, отличающиеся количеством и исполнениями аккумуляторов, газодувок и средств их привода, теплообменников, ресиверов, газовых портов и сопряжений их с газовыми линиями, и других компонентов устройства, а также варианты интегрального исполнения компонентов устройства.
Список цитируемой литературы
1. Л.С.Столбов, А.Д.Петрова, О.В.Ложкин. Основы гидравлики и гидропривод станков. - М.: Машиностроение, 1988, с.172.
2. Патент US 6405760.
3. Патент US 5971027.
4. Х.Экснер, Р.Фрейтаг, Д-р X.Гайс, Р.Ланг, Й.Оппольцер, П.Шваб, Е.Зумпф, У.Остендорфф, М.Райк. «Гидропривод. Основы и компоненты», издание 2-е на русском яз., Бош Рексрот АГ, Сервис Автоматизация Дидактика, Эрбах, Германия, 2003, с.156.
5. A.Stroganov, A.Sheshin L, "Efficient, Safe and Reliable Recuperation: Regenerative Accumulator in Honeycomb Receiver", Proceedings of the Seventh International Fluid Power Conference, Aachen, Germany, March 22-24, 2010, Volume 3, p.177.
6. Pourmovahed A., "Durability Testing of an Elastomeric Foam for Use in Hydraulic Accumulators", Proceedings of the Twenty-third Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Denver, CO, July 31 - Aug. 5, 1988. Volume 2 (A89-15176 04-44).
7. Патент US 557964.
8. Патент US 7108016.
9. Патент RU 2382913.
10. Stroganov A., Sheshin L. "Accumulator efficiency improvement; heat insulation or heat regeneration?". Proceedings of the 11th Scandinavian International Conference on Fluid Power, SICFP' 09, June 2-4, 2009, Linkoping, Sweden.
11. Патент RU 2383785.