ТЕРМОКИНЕТИЧЕСКАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

Настоящее устройство относится к области энергетики, предназначено для выработки электроэнергии из источников тепла широкого температурного диапазона, работая на основе термокинетического цикла (фиг. 1), использует в качестве рабочего тела жидкость без изменения агрегатного состояния, а в качестве вспомогательного вещества углеводороды, не растворяющиеся в воде, протекает в вертикальном, замкнутом, теплоизолированном, циркуляционном контуре, преобразует кинетическую и потенциальную энергии рабочей жидкости в электрическую энергию с помощью гидротурбины, соединенной с генератором.
Из предшествующего уровня техники известно устройство, состоящие из циркуляционного контура, в котором происходит испарение и конденсация всей однокомпонентной рабочей жидкости с последующей ее конденсацией и протеканием через гидротурбину и выработкой электроэнергии (патент Республики Казахстан № WO/2015/016693 от 05.02.2015, МПК F01K 25/04, F01K 27/005, аналог).
Недостатком данного аналога является низкий коэффициент преобразования теплоты в работу из-за необходимости периодического испарения и конденсации рабочей жидкости, что сопряжено с большими потерями теплоты. Это обуславливает большую энергоемкость выработки электроэнергии и в следствии фазовых переходов рабочей жидкости, из жидкости в пар, из пара в жидкость - снижение КПД работы устройства.
Наиболее близким к заявленному техническому решению известно устройство, что предназначено для преобразования тепловой энергии воды в электрическую энергию. Гидроэлектростанция содержит электрогенератор, испаритель рабочей низкокипящей жидкости, помещаемый в водоем, конденсаторную установку с холодильным агрегатом и нагнетательный насос для подачи сконденсированной рабочей жидкости в испаритель, (патент РФ № 2002128409/06 от 23.10.2002, МПК F03G 007/04, F01K 025/00, прототип).
Недостатками данного прототипа являются верхнее расположение гидротурбины, что не дает возможность использовать потенциальную энергию столба жидкости. Гидротурбину вращает парогазовая смесь, незначительное изменение объема или напора паров приводит к снижению КПД устройства. Использование в устройстве аммиака и диметилового эфира, растворимых в воде, выброс смешанной жидкости в водоем не дает возможность называть эту установку экологичной. Все тепло, переданное рабочей жидкостью воде из водоема, не используется повторно, а выбрасывается в водоем, что не дает возможности создать замкнутый в изолированном контуре цикл. Устройство монтируется стационарно в водоеме, что не предполагает его мобильного перемещения. Турбину, вырабатывающую электричество, приводит в движение газожидкостная смесь, содержащая пузыри пара, это приводит к их схлопыванию - эффекту кавитации, что существенно снижает ресурс эксплуатации гидротурбины.
Данные прототип и аналог металлоемки, сложны в изготовлении, экологически не безопасны, имеют низкий КПД, а также отсутствует возможность их мобильного перемещения.
Данная полезная модель устраняет недостатки аналога и прототипа.
Задачей полезной модели является разработка конструкции термокинетической гидроэлектростанции для выработки экологически чистой электроэнергии без расходования не возобновляемых источников энергии,  а также снижение металлоемкости, трудоемкости изготовления, улучшения условий эксплуатации, уменьшение энергоемкости выработки электроэнергии, повышение КПД электростанции, повышение экологической безопасности, возможность мобильного перемещения, возможность использовать во всех климатических зонах, универсальность применения как для индивидуального, так и для промышленного использования.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройстве, содержащем замкнутый контур, используются взаимно нерастворимые, с разной температурой кипения жидкости, рабочая жидкость [РЖ] - без изменения агрегатного состояния и вспомогательная/низкокипящая жидкость [ВНЖ] - с изменением агрегатного состояния. Генерация электроэнергии осуществляется путем преобразования кинетической и потенциальной энергий РЖ в электрическую энергию с помощью гидротурбины, соединенной с генератором электрической энергии. В процессе протекания термокинетического цикла температура РЖ превышает температуру кипения ВНЖ. Тепловая энергия, затраченная на парообразование ВНЖ, за исключением естественных потерь, происходящих через стенки корпуса циркуляционного контура, может возвращаться обратно в РЖ для повторного использования. В качестве ВНЖ используется углеводород, не растворимый в воде. Последовательность осуществления термокинетического цикла изображена на фиг. 1: 0-1 - нагрев вспомогательного вещества до температуры кипения; 1-2 - изотермическое расширение паров вспомогательного вещества при понижении давления; 2-3 - охлаждение паров вспомогательного вещества до температуры конденсации; 3-4 - конденсация паров вспомогательного вещества; 4-0 - подача сконденсированного вспомогательного вещества в контур.
Техническим результатом полезной модели является: возможность перемещения электростанции на базе мобильной платформы, исключение контакта рабочей среды с окружающей средой, повышение экологичности производства, малая энергоемкость выработки электроэнергии, термостатичность цикла и понижение тепловых потерь, что достигается за счет протекания термокинетического цикла в замкнутом теплоизолированном циркуляционном контуре. Встроенный в контур теплообменник позволяет повторно использовать тепло от конденсации вспомогательной низкокипящей жидкости предыдущего цикла. Нижнее расположение турбины в контуре позволяет повысить КПД работы устройства, что достигается использованием кинетической и потенциальной энергий рабочей жидкости, преобразуя в электрическую энергию с помощью гидротурбины. Однофазное состояние рабочей жидкости повышает ресурс использования гидротурбины и стабильность работы устройства. Возможность использовать устройство во всех климатических зонах земного шара как на суше, так и на воде, в качестве индивидуальных и промышленных электростанций. Эффективность устройства в большей степени зависит от высоты столба (напора) рабочей жидкости и в меньшей степени зависит от температуры источника тепла. Малый перепад изменения температуры рабочей жидкости положительно влияет на экономичность устройства. Устройство обладает возможностью осуществлять возврат части отработавшего тепла обратно в рабочую жидкость, сокращая объем тепла, затраченного на генерацию электроэнергии, соответственно расширить область применения устройства, использующего низкотемпературные источники тепла, в результате сократить негативные экологические последствия процесса производства электроэнергии, сделать производство электроэнергии более доступной.
Протекание термокинетического цикла организуют в устройстве, изображенном на фиг. 2. На фиг. 3 изображены узлы устройства.
Устройство включает в себя: устроенный по принципу сообщающихся сосудов, содержащий РЖ, замкнутый вертикальный теплоизолированный циркуляционный контур 1, дозирующий подачу ВНЖ в контур насос 2, форсунки 3 для распыления ВНЖ, сепарационный узел 4 для разделения газожидкостной смеси РЖ и ВНЖ, паропровод 5 для транспортировки газообразной ВНЖ, конденсатор 6 для конденсации паров ВНЖ, трубопровод 7 для транспортировки конденсата ВНЖ, сборник сконденсированной ВНЖ 8, гидротурбину, соединенную с электрогенератором 13, соединенный с внешним источником тепла теплообменник 14 для нагрева РЖ, теплонасос 9, теплообменник 10 для обмена и переноса тепла от паров ВНЖ в РЖ, сборник 11 конденсата РЖ, насос 12 возврата РЖ в контур.
Устройство работает следующим образом: (фиг. 2) внешним источником тепла, через теплообменник 14, РЖ в левой ветке контура 1 доводят до температуры, превышающей температуру кипения ВНЖ не более чем на 50%, например температура кипения ВНЖ равна +10°C, соответственно температуру РЖ в контуре доводят до +15°C , после чего, используя насос 2, через форсунки 3 дозировано направляют ВНЖ в контур 1. ВНЖ попадая в РЖ, температура которой выше температуры кипения ВНЖ, отбирая от РЖ часть тепла, меняет агрегатное состояние и превращается в отдельные пузырьки с паром. Пузырьки с паром по мере движения вверх в левой ветке контура 1 увеличиваются в объеме, плотность смеси РЖ и пузырьков пара ВНЖ в левой ветке контура 1 понижается и становится меньше плотности РЖ в правой ветке контура 1, вследствие чего возникшая природная неравновестность, на основании закона сообщающихся сосудов, приводит в движение РЖ. Движение РЖ происходит по часовой стрелке, из правой ветки в левую, через нижнее соединение контура 1, при этом часть кинетической и потенциальной энергий РЖ преобразуются в электрическую энергию с помощью гидротурбины с электрогенератором 13. Регулирование плотности смеси РЖ и пузырьков пара ВНЖ в левой ветке контура 1 осуществляют насосом 2 путем дозирования ввода в контур объема ВНЖ. В левой ветке контура, пары ВНЖ, достигнув уровня свободной поверхности смеси, проходят через узел сепарации 4, высвобождаются из смеси и покидают контур 1. Пары ВНЖ по паропроводу 5 направляют в конденсатор 6, в котором их охлаждают и сжижают. Из конденсатора 6 ВНЖ по трубопроводу 7, поступает в сборник 8. Из сборника конденсата ВНЖ направляют к насосу 2. Отбор и перенос тепла от паров ВНЖ обратно в РЖ осуществляют из конденсатора 6 теплонасосом 9 посредством теплообменника 10. РЖ, свободную от паров ВНЖ из верхней части левой ветки контура 1, направляют в правую ветку контура 1 на гидротурбину 13 и далее в левую ветку контура 1. Весь цикл завершен. Для повторения цикла из внешнего источника тепла посредством теплообменника 14 восполняют только тепловые потери РЖ в объеме, необходимом для поддержания в левой ветке контура 1, требуемой температуры РЖ. Конденсат РЖ, собранный в сборнике 11, насосом 12 направляют обратно в правую ветку контура 1.