ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к теплотехнике и, в частности к мобильным паровым установкам для приведения в действие генераторов электричества и систем отопления от природных источников тепла в непрерывном и периодическом режимах без использования посторонних источников энергии с использованием преимущественно воды в качестве теплоносителя.
Известна теплоэнергетическая установка [1], содержащая паровой котел, трубопровод питания паропотребителя, конденсатор пара с теплоотводом и трубопровод питания парового котла конденсатом, снабженный средством подачи конденсата в паровой котел, отличающаяся тем, что средство подачи конденсата в паровой котел выполнено в виде гидроаккумулятора, подключенного входом к конденсатору пара через первый обратный клапан и выходом к паровому котлу через второй обратный клапан, при этом паровой котел выполнен с возможностью периодического нагрева для выдачи пара паропотребителю и остывания для приема конденсата из гидроаккумулятора.
Обратный клапан пропускает воду в одном направлении при прямом перепаде давления, близком к нулю. В решении [1] отсутствуют цилиндры и поршни, что является преимуществом. Однако излишняя сложность ограничит возможности мобильных решений.
Прототипом предлагаемого решения служит действующая модель пароводяного насоса [2], показанная на фигуре 1, где 1-силовая трубка; 2-выпускной обратный клапан; 3-впускной обратный клапан; 4- выпускная трубка; 5-сосуд с водой; 6-источник тепла. Изначально силовая трубка заполняется водой. Область силовой трубки, к которой прилагается источник тепла, является ее накальной частью, где в процессе работы поддерживается давление близкое к атмосферному. Внутри накальной части под воздействием тепла образуется пар, который вытесняет воду из трубки в направлении клапана 2 и поднимает ее по выпускной трубке. При попадании пара в область, погруженную в воду, происходит конденсация пара, сопровождаемая падением давления в силовой трубке, что приводит к засасыванию новой порции воды через клапан 3 и повторению процесса. Эффективность незначительна из-за плохой теплопередачи пузырьков пара, образующегося внутри накальной части, рассеяния тепла в сосуде с водой и бесполезного выхода пара через выпускную трубку.
В предлагаемом решении эффективность повышается за счет того, что на месте обратного клапана на выходе из силовой трубки смонтирован предохранительный клапан, а между накальной частью и выпускным предохранительным клапаном силовой трубки предусмотрен поршневой участок, в котором исключается прямой контакт с источником тепла, в выпускной трубке смонтирован узел отбора мощности потока, выпускная трубка своим свободным концом подключена ко впускному обратному клапану силовой трубки, образуя, таким образом, контур, а на выпускной трубке смонтирован расширительный сосуд. Схема решения показана на фигуре 2, где 1 - накальная часть силовой трубки; 2 - поршневой участок; 3 - предохранительный клапан, срабатывающий на открытие по достижении заданного перепада давления на нем, далекого от нуля; 4 - обратный впускной клапан; 5 - узел отбора мощности, например, крыльчатка с приводом на электрогенератор, турбина или радиатор отопления; 6 - выпускная трубка; 7 - расширительный сосуд; 8 - источник тепла.
Работа схемы фигуры 2 отличается тем, что предохранительный клапан 3 при нагреве накальной части выдерживает повышение давления в силовой трубке сверх изначального, исключая образование пузырьков пара и поддерживая достаточный уровень теплопередачи, в поршневом участке вода не подвержена непосредственному нагреву. При достижении давлением в силовой трубке уровня срабатывания клапана 3, происходит его открытие, давление в силовой трубке резко падает, перегретая вода в накальной части 1 взрывным образом превращается в пар, который выталкивает воду из поршневого участка 2 в выпускную трубку 6 через узел отбора мощности 5, излишки воды переходят из поршневой трубки 2 в расширительный сосуд 7, клапан 4 надежно закрывается. Совершая полезную работу пар теряет свою энергию, конденсируется в поршневом участке, давление в силовой трубке падает, предохранительный клапан 3 закрывается, изолируя силовую трубку, открывается клапан 4, вода из выпускной трубки 6 и расширительного сосуда 7 всасывается в силовую трубку. Цикл повторяется.
Решение можно исполнить так, что силовая трубка снабжается датчиком, подключенным к автоматическому блоку управления клапанами и источником тепла, а клапана снабжаются приводами, как показано на фигуре 3, где 1-накальная часть силовой трубки; 2-поршневой участок; 3-выпускной клапан с приводом; 4- впускной клапан с приводом; 5- узел отбора мощности; 6- выпускная трубка; 7-расширительный сосуд; 8- блок управления; 9- управляемый источник тепла; 10- датчик. Давление в силовой трубке непосредственно или косвенно (через значение температуры, например) контролируется с помощью датчика 9 в блоке управления 8, который, используя модель процесса, регулирует моменты включения и выключения клапанов 3 и 4 и интенсивность подачи тепла нагревателем 10.
Предполагается, что система за пределами силовой трубки может сообщаться с атмосферой, а применение воды в качестве теплоносителя в предлагаемом решении требует высокотемпературного источника тепла, например, открытого пламени для поддержания процесса перегрева воды сверх 100 °С. Стоит задача снизить рабочую температуру накальной части. Использование легкокипящей жидкости, как правило, влечет за собой дополнительные технические проблемы. Для снижения рабочей температуры накальной части предлагается после заполнения системы рабочим объемом обезгаженной воды полость замкнутого контура, включая силовую трубку, выпускную трубку, расширительный сосуд и узел отбора мощности после заполнения жидкостью вакуумировать и герметизировать.
Литература
1. Описание полезной модели к патенту. Теплоэнергетическая установка. Заявка № 2015120013/06, 27.05.2015.
2. https://www.youtube.com/watch?v=TuogHrHH1Cs. Видеопрезентация действующих моделей водяных насосов. Белецкий Игорь. 16.10.2018.