Замкнутый энергетический цикл и тепловой двигатель для его осуществления
CLOSED ENERGY CYCLE AND HEAT ENGINE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области преобразования тепловой энергии в механическую с использованием в качестве рабочих тел веществ, находящихся в равновесии в жидкой и газовой фазах.
Известен замкнутый энергетический цикл (по патенту RU2304722), в котором в качестве рабочего тела используется смесь веществ, состоящая из нескольких компонентов, находящихся в равновесии в жидкой и газовой фазах. В первой рабочей фазе при первоначальной температуре и первоначальном давлении рабочее тело расширяется с совершением работы и последующим отводом тепла. Расширение рабочего тела и последующий отвод тепла проводят до температуры, при которой рабочее тело разделяется на газовую фазу и жидкую фазу. Жидкую фазу рабочего тела отделяют от газовой фазы и раздельно сжимают. После сжатия жидкую фазу нагревают путем подвода тепла и смешивают с газовой фазой с образованием рабочего тела при первоначальной температуре.
Известен замкнутый энергетический цикл (по патенту RU2114999) в котором, в рабочую жидкость, помещенную в резервуар, добавляют газ, молекулярная масса которого не превышает молекулярную массу рабочей жидкости, и сообщают этой жидкости тепловую энергию от устройства для нагрева рабочей жидкости до приведения ее в пар. Затем подают рабочую жидкость в парообразной фазе в устройство для преобразования энергии в механическую работу, с расширением рабочей жидкости и снижением температуры. Выделяют из расширенной и охлажденной рабочей жидкости газ. Циклически возвращают расширенную и охлажденную жидкость в жидкой фазе и выделенный газ в резервуар. В качестве рабочей жидкости используют воду, в которую в резервуаре нагревают до получения пара и добавляют в нее в количестве от 0,1 до 9 мас.% водород или гелий для образования смеси газа с паром, имеющей повышенные значения энтальпии и коэффициента сжимаемости.
Общим недостатком известных решения является низкий термический КПД, связанный с тем, что сжатие двух рабочих тел происходит раздельно и не используется теплота, выделяющаяся при сжатии газа.
Известен незамкнутый энергетический цикл (по заявке US2005172623) в котором используется нагретый газ-носитель, который адиабатически сжимают, выделяющееся от сжатия тепло поглощается впрыскиваемой из резервуара закипающей жидкостью, которая расходуется в процессе работы. Нагнетают жидкость в постоянный объем газа-носителя, при этом, часть жидкости переходит в газовую фазу. Затем, выравнивают температуру смеси газов перед этапом быстрого расширения при постоянном объеме. Происходит передача тепловой энергии от газа-носителя к нагнетаемой жидкости. Если существует достаточная разница температур для передачи тепла, произойдет дальнейшее испарение жидкости. Затем, происходит адиабатическое расширение смеси в расширителе. Происходит истощение смеси, которая собирается в конденсатор для разделения смеси на компоненты. Затем, газ-носитель возвращается в начало цикла. Жидкость в процессе цикла расходуется и не может быть возвращена в его начало
Известен замкнутый энергетический цикл (по патенту RU2148722), в котором, в качестве рабочего вещества используется газожидкостный раствор бутана и азота, обладающий обратной растворимостью по температуре. В первой рабочей фазе объем камеры расширяется, давление падает, при расширении выполняется механическая работа, при увеличении объема и падении давления происходит выделение газовой фазы, которое сопровождается выделением тепла. При сжатии происходит растворение газа в жидкости, которое сопровождается поглощением тепла, поэтому работа сжатия уменьшается. Из-за ограниченной растворимости азота в бутане, требуется нагревать раствор на этапе сжатия, кроме того, бутан не меняет фазовое состояние в цикле. Оба этих фактора также снижают термический КПД цикла.
Известен замкнутый энергетический цикл, в котором в качестве рабочего тела используется смесь инертного газа и жидкости, находящейся в начале цикла в жидкой фазе (по патенту RU2747894, раскрытые в нем замкнутый энергетический цикл и тепловой двигатель выбраны в качестве прототипов настоящей группы изобретений). Рабочее тело подают в компрессор на фазу сжатия в соотношении, при котором происходит испарение жидкости за счет разогрева сжимаемого инертного газа, затем рабочее тело, находящееся в газовой фазе, нагревают в нагревателе и направляют в расширитель (детандер) для совершения работы, после чего, в конденсаторе рабочее тело посредством теплообмена доводится до первоначальной температуры и возвращается в начало цикла. Производят измерение температуры рабочего тела в конце фазы сжатия и, в зависимости от температуры регулируют соотношение инертного газа и жидкости при их подаче на фазу сжатия. В качестве инертного газа используют аргон, в качестве жидкости используют бутан. Недостатком технических решений прототипов является нестабильность фазы сжатия смеси инертного газа и жидкости в компрессоре: в смеси с изменением температуры и давления происходят неравновесные (хаотические) процессы, не обеспечивающие полного теплопереноса между жидкой и газообразной компонентами смеси, из-за чего, снижается КПД
Технической задачей группы изобретений является обеспечение стабильности энергетических характеристик замкнутого энергетического цикла. Техническим результатом является повышение термического КПД замкнутого энергетического цикла и теплового двигателя.
Технический результат достигается в замкнутом энергетическом цикле, в котором используют первое рабочее тело - инертный газ и второе рабочее тело - жидкость, находящаяся в начале цикла в жидкой фазе, первое и второе рабочие тела подают на фазу сжатия, при которой происходит испарение жидкости за счет сжатия инертного газа при теплообмене между ними через стенки теплообменника, затем, первое рабочее тело сжимают, направляют первое и второе рабочие тела на совершение работы, второе рабочее тело охлаждают до первоначальной температуры, первое и второе рабочие тела возвращаются в начало цикла. Производят измерение температур первого и второго рабочих тел в конце фазы сжатия и, в зависимости от измеренных температур, регулируют соотношение инертного газа и жидкости при их подаче на фазу сжатия. В качестве инертного газа используют аргон, в качестве жидкости используют фторкетон или фреон.
Технический результат достигается в тепловом двигателе, при работе которого используется описанный выше замкнутый энергетический цикл, содержащем контур первого рабочего тела, образованный воздушным насосом, межконтурным теплообменником, нагревателем, первым детандером, и контур второго рабочего тела, образованный  насосом, межконтурным теплообменником, вторым детандером, холодильником. В качестве первого рабочего тела используют аргон в качестве второго рабочего тела используют фторкетон. На входе и на выходе нагревателя установлены клапаны. Часть воздушного насоса является стенкой межконтурного теплообменника (используется в качестве стенки межконтурного теплообменника), например, воздушный насос может быть выполнен в виде поршневого насоса и включает цилиндр и поршень, стенкой межконтурного теплообменника является цилиндр.
Изобретение поясняется рисунками:
фиг.1 – схема телового двигателя, реализующего замкнутый энергетический цикл;
фиг.2 – схема воздушного насоса;
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
2
2
фиг.3 – фазовые диаграммы T – P для пары аргон – фторкетон. Красный цвет – аргон: А-В – изотермическое сжатие аргона; В-С – изохорный нагрев аргона; С-А – адиабатное расширение аргона. Синий цвет – фторкетон (novec 649): А-В – работа насоса 5 в цикле Ренкина; В-С – испарение; С-D – адиабатное расширение фторкетона; D-А – конденсация.
Работа теплового двигателя по описанному ниже замкнутому энергетическому циклу, схожа с известными циклами Ренкина и Карно, одновременно, в одном процессе. Конструкция двигателя сходна с двигателем Стирлинга, работающего по замкнутому циклу, его схема приведена на фиг.1. Тепловой двигатель содержит контур первого рабочего тела, образованный последовательно соединенными: воздушным насосом 1, межконтурным теплообменником 2, нагревателем 3, первым детандером 4 (первый расширитель 4), и контур второго рабочего тела, образованный насосом 5, межконтурным теплообменником 2, вторым детандером 6 (второй расширитель 6), холодильником 7. На входе и на выходе нагревателя 3 установлены клапаны 8, 9. В качестве первого рабочего тела используется инертный газ, например, аргон в качестве второго рабочего тела используют жидкость, находящаяся в начале цикла в жидкой фазе, например, фторкетон (novec 649).
Воздушный насос 1 может быть выполнен в виде мембранного компрессора или поршневого насоса открытого типа (схема показана на фиг.2). Ниже описана работа поршнегого воздушного насоса 1. Во время начала всоса аргона поршень 10 находится в левой крайней точке (ЛКТ) и начинает двигаться в право. Работа не совершается. Камера заполняется аргоном под давлением 0,5 бар. Внешнее давление за поршнем так же 0,5 бар. Достигнув правой крайней точки (ПКТ), поршень начинает двигаться влево и сжимает аргон, происходит изотермическое сжатие. При этом клапан со стороны 0,5 бар закроется и откроется клапан со стороны 1 бар при достижении поршнем давления в камере сжатия больше чем с наружи. Такая конструкция воздушного насоса 1 обеспечивает порционную подачу первого рабочего тела. Детандер 4 и воздушный насос 1 могут быть установлены на одном валу, для обеспечения одинаковой частоты вращения. На этом же валу может быть установлен стартёр-генератор для принудительного запуска теплового двигателя. Тепловой двигатель выполняется в газонепроницаемой оболочке.
Далее в тексте приведен пример рассчёта для аргона массой 1 кг. Указаны абсолютные давления и температура в градусах Цельсия, °С. Поток тепла между нагревателем 3 и холодильником 7 переводится в механическую энергию. Второе рабочее тело является охладителем для возушного насоса 1.
1
2
2
2
1
1
В замкнутом энергетическом цикле используется первое рабочее тело – инертный газ, и второе рабочее тело - жидкость, находящаяся в начале цикла (точки А, А на фазовых диаграммах) в жидкой фазе. Первое и второе рабочие тела подают по двум не сообщающимся контурам описанного выше теплового двигателя на фазу сжатия, при которой происходит испарение жидкости (участок B-C), за счет изотермического сжатия инертного газа (участок A-B) при теплообмене между ними через стенки межконтурного теплообменника 2. Для этого фторкетан накачивают насосом 5 в межконтурный теплообменник 2.
Начало процесса охлаждение инертного газа может начинается и до межконтурного теплообменника 2, непосредственно в камере сжатия воздушного насоса 1, через стенку цилиндра 11. Для этого, часть воздушного насоса 1 является стенкой межконтурного теплообменника 2, например, воздушный насос может быть выполнен в виде поршневого насоса и включает цилиндр 11 и поршень 10, стенкой межконтурного теплообменника 2 при этом является цилиндр 11. Межконтурный теплообменник 2 может быть встроен в камеру сжатия воздушного насоса 1, иначе, межконтурный теплообменник 1 может быть выполнен как неотъемлимая часть воздушного насоса 1 или может быть расположен на наружной поверхности цилиндра 11. Таким образом, при сжатии аргона не происходит его нагрев: аргон сжимается политропно, близко к изотермическому процессу. Сам воздушный насос 1 может находится в жидкости - фторкетане (novec 649) с температурой кипения 60°С, двигающейся по второму контуру теплового насоса, в полости воздцушного насоса 1 фторкетан вскипает, переходя в парообразное состояние, и охлаждает воздушный насос 1.
1
1
Затем, первое рабочее тело сжимают в нагревателе 3: после заполнения нагревателя 3, клапаны 8 и 9 закрываются (изохорный нагрев B-C). При достижении заданной температуры в нагревателе 3, клапан 9 открывается.
1
1
2
2
1
2
Направляют первое и второе рабочие тела на совершение работы, аргон адиабатно расширяется в первом детандере 4 (С-А). Далее, второе рабочее тело охлаждают (D-A) до первоначальной температуры, пар фторкетана поступает на во второй детандер 6, где происходит его адиабатное расширение и производится работа. Затем пары фторкетана поступают в холодильник 7, где они переходят в жидкое состояние. Первое и второе рабочие тела возвращаются в начало цикла (A, A).
Дополнительно, может производится измерение температур первого и второго рабочих тел в конце фазы сжатия (например, датчики температуры могут быть установлены в нагревателе 3, где измеряют температуру жидкости?) и, в зависимости от измеренных температур, регулируют соотношение инертного газа и жидкости при их подаче на фазу сжатия. Таким образом, возможно повысить КПД за счет точной настройки параметров работы теплового двигателя, отличных, из-за различных потерь и неидеальности происходящих процессов, от рассчетных.
Пример расчёта КПД двигателя (при КПД детандера 1 - 85%, КПД воздушного насоса 1 - 80% для пары аргон-фторкетон.
Таблица 1.
Место
р Бар
Т °С
H кДж/кг
S кДж/кг*К
Кг/м<sup>3</sup>
Перед воздушным насосом 1
0,5
30
157,64
4,0289
0,79628
После воздушного насоса 1
1,1391
60
173,16
3,9064
1,6434
В нагревателе 3
1,6873
220
256,49
4,0289
1,6434
После детандера 1
0,5
30
157,64
4,0289
0,79628
дет1
Из таблицы 1 рассчитаем работу первого детандера 4 А=256,49-157,64=98,85 кДж. С учётом КПД детандера 85% механическая работа первого детандера 4 составит 84 кДж. Фактические затраты воздушного насоса 1 на сжатие -  25,843 кДж. Зная изменение внутренней энергии при нагреве, затраты на нагрев в нагревателе 3 составят 62,466 кДж.
3
3
2
2
В самом начале пути на поршень 10 воздушного насоса 1 не действует сила до тех пор пока в камере сжатия не появляется давление превышающее внешнее давление 0,5 бар. В конце пути поршня 10 давление в камере составит 1.1391 бар. И сила действующая на дно поршня 10 составит 1,1391-0,5=0,6391 бар. Рассчитаем объём аргона для 0,5 бар 30°С, он составит 1,2558 м. Тот же объём для аргона при 1,1391 бар 60°С составит 0,6 м (табл. 1). Из условия что площадь поршня 1 м. Путь поршня из ПКТ в ЛКТ составил 0,647 м. В конце пути на поршень 10 площадью 1 м будет действовать сила в 63910 Ньютона. Сила действует не на всём протяжении пути а постепенно нарастает и только в ЛКТ становится 63910 Н. Нарастание силы определяется формулой:
Посчитаем работу воздушного насоса 1. Без учёта логарифма. А = (63910 (Па)/2)*0,647 = 20,647 кДж. Деление 63910 на 2 в формуле происходит из-за того, что давление в 63910 Паскалей действует на поршень только в конце пути. Соответственно средняя сила F будет F=63910/2. С учётом КПД воздушного насоса 80%, затраты на сжатие составят 25,843 кДж.
Рассчитаем КПД теплового двигателя. Первый детандер 4 вырабатывает 84 кДж энергии и часть энергии 25,843 кДж отдаёт на работу воздушного насоса 1. В итоге на валу остаётся 84-25,843=58,157 кДж. Затраты тепловой энергии составили 64,466 кДж. Механический КПД тепловой машины составит 58,157/64,466=90%.
Так же можно преобразовать тепло в результате сжатия. Пары фторкетона могут совершить работу. КПД этого цикла составит около 5% от выделяемого тепла. И цикл фторкетона можно преобразовать в термосифон. Нагреваемая часть термосифона – насос 5. Охлаждаемая часть термосифона – холодильник 7.
Ниже приведены параметры замкнутого энергетического цикла для нагрева до 220°С. Параметры приведены для КПД воздушного насоса 1 и первого детандера 4 - 100%. Теоретическое КПД теплового двигателя составит 75% (без учёта цикла фторкетона со вторым  детандером 6). Расчёт произведен на расход аргона - 1 кг*сек. Мощность теплового двигателя 45,6 кВт.
Таблица 2
Место
Р бар (абс)
T °С
H кДж/кг
S кДж/кг*°С
Кг/м<sup>3</sup>
C<sub>v</sub> кДж/кг*°С
Перед воздушным насосом 1
0,5
30
157,64
4,0289
После воздушного насоса 1
1,0363
30
157,54
3,8769
1,6434
0,31238
В нагревателе 3 после нагрева
1,6873
220
256,49
4,0289
1,6434
0,31238
После детандера 1
0,5
30
157,64
4,0289
В качестве инертного газа очевидно могут использоваться газы: аргон, криптон, ксенон, гелий, неон, и их смеси, имеющие сходные физические и физические свойства. Выбор аргона, как приоритетного инертного газа обсуловлен его низкой стоимостью и высокой теплопроводностью. В качестве жидкости может использоваться любая легкокипящая при нормальных условиях жидкость. Выбор фторкетона (Novec 649), как приоритетной жидкости обусловлен тем, что он имеет очень малую скрытую теплоту парообразования (80 кДж/кг). Из-за чего можно получить больший КПД в цикле жидкости. Кроме того, термический распад фторкетона начинается с 450°С. Многие подобные жидкости имеют скрытую теплоту парообразования 150-300 кДж/кг и температуру термического разложения 150-250°С, что делает их менее подходящими для работы в описанном замкнутом энергетическом цикле. Наиболее подходящими жидкостями являются легкокипящие вещества (вещества с малой удельной теплотой парообразования), к ним, например, можно отнести, но не ограничивая только ими, все фреоны и предельные углеводороды. Очевидно, что таких веществ очень много и невозможно описать особенности энергетического цикла для всех пар инертный газ – жидкость. В качестве примеров, в таблице приведены параметры энергетического цикла для разных пар.
Таблица 3.
Первое рабочее тело
Второе рабочее тело
Параметры газа на выходе из компрессора Т - °С и P -бар
Температура нагревателя °С
Температура и давление в холодильнике Т - °С и P - бар
кпд%
гелий
фреон R12
60°С 1.1391 Бар
220
30°С 7,46 Бар
92
неон
фреон R124
60°С 1.1391 Бар
220
30°С 4,45 Бар
93
аргон
фреон R142
60°С 1.1391 Бар
220
30°С 3,92 Бар
92
аргон
фреон R11
60°С 1.1391 Бар
220
30°С 1.26 Бар
94
аргон
фторкетон novec 649
60°С 1.1391 Бар
220
30°С 0,5Бар
97