ПРОИЗВОДСТВО ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЖИДКОСТЕЙ С РАЗЛИЧНЫМИ ДАВЛЕНИЯМИ ПАРА
POWER GENERATION USING LIQUIDS WITH DIFFERENT STEAM PRESSURE

Настоящее изобретение относится к установкам и способам для производства электроэнергии, в которых используется поток пара между двумя или многими массивами жидкостей, имеющих различные давления пара. Электроэнергия генерируется в результате течения пара от массива жидкости, имеющей более высокое давление пара, к массиву жидкости, имеющей более низкое давление пара.
3
Энергия выделяется, когда две жидкости с различными уровнями солености смешиваются друг с другом. Например, разность осмотических давлений между пресной водой и морской водой составляет приблизительно 20 атм (2 МПа) при температуре 20°С. При величине расхода потока 1 м/сек это представляет теоретическую мощность почти 3 МВт. Тем самым это выделение энергии может быть использовано для производства электроэнергии, например, в устье реки, где она впадает в море.
+
-
Большинство способов добычи этой энергии основывается на осмосе с фильтрацией воды сквозь полупроницаемые мембраны. Одним таким способом является задержанный давлением осмос (PRO). В технологии PRO соленый раствор содержится внутри камеры высокого давления и отделен от пресной воды полупроницаемой мембраной. Полупроницаемая мембрана является проницаемой для воды, но непроницаемой для растворенных ионов соли (Na и Cl). Проникновение воды сквозь полупроницаемую мембрану со стороны пресной воды на сторону солевого раствора вызывает повышение давления в камере. Тогда это повышение давление используется для генерирования электроэнергии, например, сбросом давления через турбину для производства электроэнергии.
Еще одним способом производства электроэнергии с использованием градиентов солености является обратный электродиализ. В обратном электродиализе солевой раствор и пресную воду пропускают через ионообменные мембраны. Разность химических потенциалов между солевым раствором и пресной водой генерирует напряжение между мембранами, тем самым создавая электроэнергию.
Оба этих способа основываются на применении полупроницаемых мембран, и в результате этого имеют многочисленные недостатки. Неблагоприятные обстоятельства применения полупроницаемых мембран включают их высокую стоимость, их чувствительность к засорению, разложению, поляризации, значительной потере напора, которая происходит, когда жидкость протекает сквозь мембрану, и в необходимости фильтрации и предварительной обработки растворов.
Salinity Gradient Power: Utilizing Vapor Pressure Differences
Salinity-Gradient Vapor-Pressure Power Conversion
Альтернативный способ генерирования электроэнергии с использованием градиентов солености состоит в использовании свободной поверхности самих жидкостей в качестве мембраны. Поскольку солевой раствор имеет более низкое давление пара, чем давление пара пресной воды, водяной пар в замкнутой камере будет переноситься от пресной воды к солевому раствору. В работах  («Мощность из градиента солености: использование разности давлений пара»), Science, том 206, стр. 452-454 (1979), и  («Преобразование энергии давления пара при градиенте солености»), Energy, том 7 (№ 3), стр. 237-246 (1982), описаны конструкции, в которых турбина встроена в поток пара между пресной водой и солевым раствором в эвакуированной камере, и предполагается, что поток пара через турбину мог бы быть использован для генерирования электроэнергии. В этих конструкциях испарение и конденсация пара обусловливает теплоперенос от пресной воды к солевому раствору. Поэтому необходима обратная теплопередача от солевого раствора к раствору пресной воды, так как в противном случае скорость парообразования будет снижаться, и в конечном итоге оно прекратится.
Хотя указанные выше способы с использованием давления пара преодолевают некоторые из недостатков применения полупроницаемых мембран, с использованием такого подхода связаны другие недостатки. Один недостаток этих конструкций состоит в том, что необходимо сначала откачивать атмосферный воздух из камеры для создания вакуума, чтобы этот поток пара мог приводить в движение турбину, размещенную в потоке пара. Для этого требуется дополнительное подведение энергии в систему, а также необходимо, чтобы жидкости были дегазированы во избежание выделения газов в вакуумированную камеру.
Еще одним недостатком этого подхода согласно прототипу является то, что перепад давлений в пределах турбины скорее всего будет очень малым, приблизительно 0,4 мм рт.ст. (53 Па), когда пар переносится между пресной водой и морской водой при температуре 20°С. Это делает непрактичным извлечение энергии с использованием газовой турбины. Абсолютное давление пара также является низким, приблизительно 18 мм рт.ст. (2,4 кПа), чем подразумевается, что действующая на турбину сила является малой, тем самым снижая количество энергии, которое может быть генерировано турбиной.
Цель настоящего изобретения состоит в создании усовершенствованных установок и способов для генерирования электроэнергии, в которых используется поток пара между двумя или более жидкостями, имеющими различные давления пара.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения, представлен способ генерирования электроэнергии, включающий:
перенос жидкости через паровую фазу из массива донорной жидкости в массив акцепторной жидкости, и
генерирование электроэнергии выпусканием жидкости из массива акцепторной жидкости,
причем давление пара массива донорной жидкости является более высоким, чем давление пара массива акцепторной жидкости, и
причем массив донорной жидкости и массив акцепторной жидкости не находятся в физическом контакте.
Этим путем электроэнергия производится в результате течения пара из массива жидкости, имеющей более высокое давление пара, к массиву жидкости, имеющей более низкое давление пара, но без необходимости в полупроницаемых мембранах.
Перенос жидкости через паровую фазу из массива донорной жидкости в массив акцепторной жидкости может вызывать возрастание гидростатического давления в массиве акцепторной жидкости. Максимально возможный гидростатический напор, который мог бы быть достигнут с использованием этого способа, составляет около 300 м. Однако установка может действовать таким образом, что достигается меньший гидростатический напор, чем эта высота, например, 100 м или менее.
Стадия генерирования электроэнергии может включать пропускание жидкости, выходящей из массива акцепторной жидкости, через первое устройство для генерирования электроэнергии. Как правило, возрастание гидростатического давления в массиве акцепторной жидкости может быть использовано для вытеснения жидкости через первое устройство для генерирования электроэнергии. Как правило, первое устройство для генерирования электроэнергии представляет собой турбину, предпочтительно водяную турбину. Также предусматриваются альтернативные устройства для выработки электроэнергии, например, такие, в которых применяются поршни, шнеки или лопасти.
В альтернативном варианте, выпуск жидкости из массива акцепторной жидкости может вызывать вращение массива акцепторной жидкости вокруг оси вращения, причем ось вращения не совпадает с любой частью массива акцепторной жидкости, и причем электроэнергия вырабатывается вращением массива акцепторной жидкости. Тем самым ось вращения находится вне массива акцепторной жидкости.
В способах, в которых массив акцепторной жидкости вращается вокруг оси вращения, электроэнергия предпочтительно вырабатывается с использованием электрического альтернатора или генератора.
В способах, в которых массив акцепторной жидкости вращается вокруг оси вращения, ось вращения может совпадать по меньшей мере с частью массива донорной жидкости. В альтернативном варианте, ось вращения может быть отдалена от массива донорной жидкости так, что она не совпадает с любой частью массива донорной жидкости, и выведение жидкости из массива акцепторной жидкости может вызывать вращение массива донорной жидкости вокруг оси вращения. В способах, в которых ось вращения не совпадает с любой частью массива донорной жидкости, кратчайшее расстояние между массивом донорной жидкости и осью вращения предпочтительно является бóльшим, чем кратчайшее расстояние между массивом акцепторной жидкости и осью вращения. Способ согласно первому аспекту может включать дополнительную стадию генерирования электроэнергии пропусканием пара от массива донорной жидкости через второе устройство для генерирования электроэнергии во время стадии переноса жидкости через паровую фазу из массива донорной жидкости к массиву акцепторной жидкости. Второе устройство для генерирования электроэнергии может представлять собой турбину, предпочтительно газовую турбину. Также рассматриваются альтернативные устройства для генерирования электроэнергии, например, такие, в которых применяются поршни, шнеки или лопасти.
Для теплопереноса от массива акцепторной жидкости к массиву донорной жидкости предпочтительно применяется тепловой насос. Испарение из массива донорной жидкости и конденсация пара в массиве акцепторной жидкости могут обусловливать перенос тепла от массива донорной жидкости к массиву акцепторной жидкости. Этот теплоперенос может вызывать снижение разности давлений пара между массивом донорной жидкости и массивом акцепторной жидкости. Сокращение градиента давления пара между массивом донорной жидкости и массивом акцепторной жидкости будет проявляться в снижении скорости переноса пара, и в итоге может полностью остановить перенос пара. Поэтому желательно переносить тепло обратно от массива акцепторной жидкости к массиву донорной жидкости. Это может быть достигнуто с использованием теплового насоса. Альтернативно или дополнительно, тепло может быть передано от массива акцепторной жидкости к массиву донорной жидкости с использованием теплообменника.
1
2
1
2
1
2
Разность между давлением пара массива донорной жидкости и давлением пара массива акцепторной жидкости может быть создана или увеличена повышением температуры массива донорной жидкости, снижением температуры массива акцепторной жидкости, или, предпочтительно, комбинацией их обоих. Это может быть достигнуто применением теплового насоса, который переносит тепло от массива акцепторной жидкости к массиву донорной жидкости, так, что T>T, где Т представляет температуру массива донорной жидкости, и Т представляет температуру массива акцепторной жидкости. Применение теплового насоса является благоприятным в этой ситуации, когда разность между Т и Т невелика, и перенос тепла тем самым будет эффективным. Альтернативно или дополнительно, массив донорной жидкости может быть нагрет другими средствами, например, с использованием солнечной энергии, электрической энергии, или процессом горения.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения, представлен способ выработки электроэнергии, включающий:
перенос жидкости через паровую фазу из массива донорной жидкости в массив акцепторной жидкости, и
генерирование электроэнергии пропусканием пара из массива донорной жидкости через устройство для генерирования электроэнергии, когда он переносится от массива донорной жидкости к массиву акцепторной жидкости,
причем используется тепловой насос для теплопередачи от массива акцепторной жидкости к массиву донорной жидкости,
причем давление пара массива донорной жидкости является более высоким, чем давление пара массива акцепторной жидкости, и
причем массив донорной жидкости и массив акцепторной жидкости не находятся в физическом контакте.
В способе согласно второму аспекту устройство для генерирования электроэнергии может представлять собой турбину, предпочтительно газовую турбину. Также предусматриваются альтернативные устройства для генерирования электроэнергии, например, такие, в которых применяются поршни, шнеки или лопасти.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
1
2
Разность между давлением пара массива донорной жидкости и давлением пара массива акцепторной жидкости увеличивается повышением температуры массива донорной жидкости, снижением температуры массива акцепторной жидкости, или, предпочтительно, комбинацией их обоих. Это достигается применением теплового насоса, который переносит тепло от массива акцепторной жидкости к массиву донорной жидкости, так, что T>T, где Т представляет температуру массива донорной жидкости, и Т представляет температуру массива акцепторной жидкости. Применение теплового насоса является особенно благоприятным в ситуациях, где разность между Т и Т невелика, и перенос тепла тем самым будет эффективным. В альтернативном варианте, большая разность температур между Т и Т может быть создана переносом тепла от массива акцепторной жидкости к массиву донорной жидкости тепловым насосом так, что T>>T. Т может быть повышена в любой степени вплоть до температуры кипения донорной жидкости. Например, Т может быть более высокой, чем T, на величину 10°С, 20°С, 30°С, 40°С, 50°С, 60°С или более. Это имеет преимущество в создании более существенной разности между давлением пара в донорной камере и давлением пара в акцепторной камере, которая может сделать более практичной выработку электроэнергии с использованием газовых турбин и других устройств. Массив донорной жидкости может быть дополнительно нагрет другими средствами, например, с использованием солнечной энергии, электрической энергии или в процессе горения.
В любом из раскрытых здесь способов может быть более чем один массив донорной жидкости. Альтернативно или в дополнение, может быть более чем один массив акцепторной жидкости.
Во всех раскрытых здесь способах давление пара массива донорной жидкости является более высоким, чем давление пара массива акцепторной жидкости. Это обусловливает создание градиента давления пара между массивом донорной жидкости и массивом акцепторной жидкости, причем давление пара над массивом донорной жидкости является более высоким, чем давление пара над массивом акцепторной жидкости. Этот градиент давления пара обеспечивает перенос пара (также описываемый как «течение пара») от массива донорной жидкости к массиву акцепторной жидкости, где он конденсируется. Более высокая разность между давлениями пара массива донорной жидкости и массива акцепторной жидкости будет иметь результатом более высокую скорость переноса жидкости от массива донорной жидкости к массиву акцепторной жидкости.
В любом из описываемых здесь способов массив донорной жидкости и массив акцепторной жидкости могут представлять собой водные растворы. Массив донорной жидкости предпочтительно имеет иную соленость, нежели массив акцепторной жидкости. Массив донорной жидкости более предпочтительно имеет более низкую соленость, чем массив акцепторной жидкости. Массив донорной жидкости может быть получен из массива пресной воды, и массив акцепторной жидкости может быть получен из массива солевого раствора. Например, массив пресной воды может представлять собой реку или пресноводное озеро, и массив солевого раствора может быть морем, океаном или озером, имеющим более высокую соленость, чем пресноводное озеро.
В любом из описываемых здесь способов они могут включать дополнительную стадию повышения солености массива акцепторной жидкости добавлением соли. Стадия добавления соли к массиву акцепторной жидкости является полезной в отношении повышения разности между давлениями пара массива донорной жидкости и массива акцепторной жидкости. Соль предпочтительно представляет собой хлорид натрия.
В любом из описываемых здесь способов массив донорной жидкости и массив акцепторной жидкости могут быть в термическом контакте.
В любом из описываемых здесь способов массив донорной жидкости, массив акцепторной жидкости и паровая фаза могут содержаться по существу внутри по меньшей мере одной камеры. По меньшей мере одна камера может быть закрыта так, что она может быть изолирована от окружающей атмосферы. Давление, которое существует внутри камеры, может регулироваться.
В конфигурациях, где камера может быть герметизирована, способ может дополнительно включать стадию откачивания атмосферного воздуха изнутри по меньшей мере одной камеры перед выработкой электроэнергии. Предпочтительно, когда камера является вакуумированной, способ дополнительно включает стадию дегазирования по меньшей мере одного из массива донорной жидкости и массива акцепторной жидкости. Дегазирование массива донорной жидкости и массива акцепторной жидкости может быть выполнено либо до, либо после того, как жидкости поступили в камеру.
Атмосферный воздух внутри камеры предпочтительно откачивается до такой степени, что в газовой фазе внутри установки или камеры остается по существу только пар из массива донорной жидкости и/или массива акцепторной жидкости. Это имеет то преимущество, что повышается скорость течения пара из массива донорной жидкости к массиву акцепторной жидкости, но требуется подведение дополнительной энергии, чтобы вакуумировать камеру. Когда способ исполняется в герметизируемой камере, причем камера может быть изолирована от окружающей атмосферы, способ предпочтительно включает единственную стадию откачивания атмосферного воздуха из камеры, поскольку воздухонепроницаемый характер камеры способен предотвратить возвращение атмосферного газа. Где камера не является полностью воздухонепроницаемой, или где происходит выделение газа из жидкостей, могут потребоваться многочисленные стадии вакуумирования атмосферного воздуха из камеры.
В любом из описываемых здесь способов массив акцепторной жидкости может иметь объем, который значительно превышает объем массива донорной жидкости. Массив акцепторной жидкости предпочтительно имеет достаточно большой объем так, чтобы перенос жидкости из массива донорной жидкости в массив акцепторной жидкости через паровую фазу не обусловливал заметного снижения разности между давлениями пара массива донорной жидкости и массива акцепторной жидкости до уровня, где существенно снижается скорость переноса пара. Например, в аспектах, в которых массив акцепторной жидкости представляет собой солевой раствор, и массив донорной жидкости представляет собой солевой раствор, имеющий более низкую соленость, чем соленость массива акцепторной жидкости, такой как пресная вода, перенос жидкости из массива донорной жидкости в массив акцепторной жидкости через паровую фазу будет постепенно снижать соленость массива акцепторной жидкости. Такое снижение солености массива акцепторной жидкости будет сокращать разность между давлениями пара массива донорной жидкости и массива акцепторной жидкости до уровня, где снижается скорость переноса пара, и потенциально в конечном итоге перенос прекращается.
В любом из описываемых здесь способов, во время исполнения способа стадия выработки электроэнергии может осуществляться однократным выведением жидкости из массива акцепторной жидкости. В альтернативном варианте, стадия выработки электроэнергии высвобождением жидкости из массива акцепторной жидкости может многократно повторяться. Стадия выработки электроэнергии высвобождением жидкости из массива акцепторной жидкости предпочтительно выполняется циклически. В альтернативном варианте, стадия выработки электроэнергии высвобождением жидкости из массива акцепторной жидкости выполняется по существу непрерывно во время исполнения способа.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения, представлена установка для генерирования электроэнергии, включающая донорную камеру и акцепторную камеру, в которой:
донорная камера и акцепторная камера соединены паропроточным отверстием;
донорная камера включает отверстие для соединения с источником первой жидкости;
акцепторная камера включает отверстие для соединения с источником второй жидкости;
отверстие акцепторной камеры может закрываться;
донорная камера и акцепторная камера конфигурированы так, что жидкость, содержащаяся внутри донорной камеры, и жидкость, содержащаяся внутри акцепторной камеры, физически разделены;
и
установка включает первое устройство для генерирования электроэнергии с использованием течения жидкости через отверстие акцепторной камеры.
Установка включает устройство для закрывания отверстия акцепторной камеры. Устройство для закрывания отверстия акцепторной камеры предпочтительно включает вентиль или состоит из него. Вентиль может включать барабан или поршень.
Первое устройство для генерирования электроэнергии может представлять собой турбину, предпочтительно водяную турбину. Также предусматриваются альтернативные устройства для выработки электроэнергии, например, такие, в которых применяются поршни, шнеки или лопасти.
Кроме того, установка может включать второе устройство для генерирования электроэнергии с использованием течения пара через паропроточное отверстие. Второе устройство для генерирования электроэнергии может представлять собой турбину, предпочтительно газовую турбину. Также рассматриваются альтернативные устройства для выработки электроэнергии, например, такие, в которых применяются поршни, шнеки или лопасти.
Установка может включать тепловой насос, конфигурированный для теплопереноса от акцепторной камеры к донорной камере. Как было описано выше в отношении способов согласно настоящему изобретению, преимущество теплового насоса состоит в том, что он может обеспечивать увеличение разности между давлением пара жидкости в донорной камере и давлением пара жидкости в акцепторной камере повышением температуры жидкости в донорной камере и/или снижением температуры жидкости в акцепторной камере, как описано выше в отношении способов согласно настоящему изобретению. Альтернативно тепло может передаваться от массива акцепторной жидкости к массиву донорной жидкости с использованием теплообменника.
Кроме того, установка может включать клапан сброса давления, конфигурированный так, чтобы сжатый газ мог выходить изнутри установки. Клапан сброса давления может дополнительно включать устройство для генерирования электроэнергии с использованием течения пара через клапан сброса давления.
Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения, представлена установка для генерирования электроэнергии, включающая донорную камеру и акцепторную камеру,
в которой:
донорная камера и акцепторная камера соединены паропроточным отверстием;
установка включает устройство для генерирования электроэнергии с использованием течения пара через паропроточное отверстие;
донорная камера включает отверстие для соединения с источником первой жидкости;
акцепторная камера включает отверстие для соединения с источником второй жидкости;
донорная камера и акцепторная камера конфигурированы так, что жидкость, содержащаяся внутри донорной камеры, и жидкость, содержащаяся внутри акцепторной камеры, физически разделены;
и
установка включает тепловой насос, который предназначен для переноса тепла от акцепторной камеры к донорной камере.
Устройство для генерирования электроэнергии может представлять собой турбину, предпочтительно газовую турбину. Также предусматриваются альтернативные устройства для выработки электроэнергии, например, такие, в которых применяются поршни, шнеки или лопасти.
В любой из установок согласно третьему или четвертому аспекту изобретения, акцепторная камера может иметь объем, который значительно превышает объем донорной камеры. Акцепторная камера предпочтительно имеет достаточно большой объем так, чтобы перенос жидкости из донорной камеры в акцепторную камеру через паровую фазу не снижал разность между давлениями пара массива донорной жидкости и массива акцепторной жидкости до уровня, где существенно снижается скорость переноса пара. Например, в аспектах, в которых массив акцепторной жидкости представляет собой солевой раствор, и массив донорной жидкости представляет собой солевой раствор, имеющий более низкую соленость, чем соленость массива акцепторной жидкости, такой как пресная вода, перенос жидкости из донорной камеры в акцепторную камеру через паровую фазу будет постепенно снижать соленость жидкости в акцепторной камере. Такое снижение солености жидкости в акцепторной камере будет сокращать разность между давлениями пара жидкости в донорной камере и жидкости в акцепторной камере до уровня, где снижается скорость переноса пара, и в конечном итоге перенос прекращается.
В любой из установок согласно третьему или четвертому аспекту изобретения донорная камера может закрываться так, что она может быть изолирована от окружающей атмосферы.
В любой из установок согласно третьему или четвертому аспекту изобретения донорная камера и акцепторная камера могут быть конфигурированы так, чтобы массив жидкости, содержащийся внутри донорной камеры, и массив жидкости, содержащийся внутри акцепторной камеры, находились в термическом контакте.
Согласно пятому аспекту настоящего изобретения, представлена установка для генерирования электроэнергии, включающая камеру,
в которой:
камера включает участок донорной жидкости и участок акцепторной жидкости;
участок акцепторной жидкости может вращаться вокруг оси вращения;
ось вращения не совпадает с любой частью участка акцепторной жидкости;
участок акцепторной жидкости включает выпускной канал;
выпускной канал участка акцепторной жидкости размещен так, что высвобождение жидкости через выпускной канал участка акцепторной жидкости вызывает вращение участка акцепторной жидкости вокруг оси вращения;
участок донорной жидкости включает впускной канал для соединения с источником первой жидкости;
участок акцепторной жидкости включает впускной канал для соединения с источником второй жидкости;
и
установка включает первое устройство для генерирования электроэнергии с использованием вращения участка акцепторной жидкости вокруг оси вращения.
Первое устройство для генерирования электроэнергии может представлять собой электрический альтернатор или генератор.
Участок донорной жидкости может вращаться вокруг оси вращения.
Как правило, камера, включающая участок донорной жидкости и участок акцепторной жидкости, может вращаться вокруг оси вращения.
Участок донорной жидкости и участок акцепторной жидкости могут быть конфигурированы содержащими жидкость, когда камера вращается вокруг оси вращения.
Участок акцепторной жидкости может быть конфигурирован содержащим жидкость, когда камера не вращается вокруг оси вращения.
Участок донорной жидкости может быть конфигурирован содержащим жидкость, когда камера не вращается вокруг оси вращения.
Камера может включать первую консоль, причем первая консоль включает дальний конец, причем дальний конец представляет собой конец первой консоли, который находится дальше всего от оси вращения, и причем участок акцепторной жидкости размещается на дальнем конце первой консоли.
Ось вращения может находиться в отдалении от участка донорной жидкости так, что она не совпадает с любой частью участка донорной жидкости. В установке, в которой ось вращения не совпадает с любой частью участка донорной жидкости, камера может включать вторую консоль, причем вторая консоль имеет дальний конец, причем дальний конец представляет собой конец второй консоли, который находится дальше всего от оси вращения, и причем участок донорной жидкости размещен у дальнего конца второй консоли. Дополнительно или альтернативно, в установке, в которой ось вращения не совпадает с любой частью участка донорной жидкости, кратчайшее расстояние между участком донорной жидкости и осью вращения предпочтительно является бóльшим, чем кратчайшее расстояние между участком акцепторной жидкости и осью вращения.
В вариантах исполнения, где камера имеет первую консоль, включающую участок акцепторной жидкости, и вторую консоль, включающую участок донорной жидкости, консоли могут быть конфигурированы так, что первая консоль не параллельна второй консоли. Например, первая консоль или вторая консоль, или обе из первой консоли и второй консоли, могут быть конфигурированы так, что, когда камера не вращается, дальний конец консоли размещается ниже участка консоли, ближайшей к оси вращения. Первая и вторая консоли могут быть размещены так, что первая консоль и вторая консоль являются по существу параллельными, когда камера вращается.
В альтернативном варианте, ось вращения может совпадать по меньшей мере с частью участка донорной жидкости.
Кроме того, установка предпочтительно включает второе устройство для генерирования электроэнергии с использованием течения пара между участком донорной жидкости и участком акцепторной жидкости. Второе устройство для генерирования электроэнергии может представлять собой турбину, предпочтительно газовую турбину. Также предусматриваются альтернативные устройства для выработки электроэнергии, например, такие, в которых применяются поршни, шнеки или лопасти.
Установка может включать тепловой насос, предназначенный для переноса тепла от участка акцепторной жидкости к участку донорной жидкости.
Установка может включать теплообменник, предназначенный для теплопередачи между участком акцепторной жидкости и участком донорной жидкости.
Участок донорной жидкости и участок акцепторной жидкости могут быть конфигурированы так, что жидкость, содержащаяся внутри участка донорной жидкости, и жидкость, содержащаяся внутри участка акцепторной жидкости, физически разделены. Как правило, отделение жидкости в участке донорной жидкости от жидкости в участке акцепторной жидкости достигается вращением акцепторной камеры вокруг оси вращения. Однако основное назначение вращения камеры состоит в создании повышенного давления в массиве акцепторной жидкости, и рассматриваются другие средства ограничения массивов жидкостей, содержащихся внутри участка донорной жидкости и участка акцепторной жидкости, которые не основываются на вращении камеры, но, вместо этого, базируются на конфигурации установки.
Участок донорной жидкости и участок акцепторной жидкости могут быть конфигурированы так, что массив жидкости, содержащийся внутри участка донорной жидкости, и массив жидкости, содержащийся внутри участка акцепторной жидкости, находятся в термическом контакте.
В любой из описываемых здесь установок камера может быть герметизирована так, что она может быть изолирована от окружающей атмосферы. Установка может включать устройство для откачивания внутреннего атмосферного воздуха из установки.
Участок акцепторной жидкости может иметь объем, который значительно превышает объем участка донорной жидкости. Участок акцепторной жидкости предпочтительно имеет достаточно большой объем так, чтобы перенос жидкости от участка донорной жидкости к участку акцепторной жидкости через паровую фазу не сокращал разность между давлениями пара массива донорной жидкости и массива акцепторной жидкости до уровня, где существенно снижается скорость переноса пара. Например, в аспектах, в которых массив акцепторной жидкости содержит солевой раствор, и массив донорной жидкости содержит солевой раствор, имеющий более низкую соленость, чем соленость массива акцепторной жидкости, такой как пресная вода, перенос жидкости от участка донорной жидкости к участку акцепторной жидкости через паровую фазу будет постепенно снижать соленость жидкости в участке акцепторной жидкости. Такое снижение солености жидкости в участке акцепторной жидкости будет сокращать разность между давлениями пара жидкости в участке донорной жидкости и жидкости в участке акцепторной жидкости до уровня, где снижается скорость переноса пара, и в конечном итоге перенос прекращается.
В любой из описываемых здесь установок источник первой жидкости и источник второй жидкости могут быть водными растворами. Источник первой жидкости может иметь иную соленость, нежели источник второй жидкости. Как правило, источник первой жидкости имеет более низкую соленость, чем источник второй жидкости. Источник первой жидкости может быть получен из массива пресной воды, и источник второй жидкости может быть получен из массива солевого раствора. Например, массив пресной воды может представлять собой реку или пресноводное озеро, и массив солевого раствора может быть морем, океаном или озером, имеющим более высокую соленость, чем пресноводное озеро.
Нижеследующие признаки применимы к каждому из описываемых здесь способов и установок.
Донорная жидкость и/или акцепторная жидкость могут быть подвергнуты обработке перед поступлением в установку. Такая обработка может включать отфильтровывание взвешенных твердых частиц и/или крупных организмов из жидкости.
Донорная жидкость и/или акцепторная жидкость могут быть нагреты до повышенной температуры (выше температуры окружающей среды). Нагревание донорной жидкости является предпочтительным, чтобы повысить разности давлений пара между донорной жидкостью и акцепторной жидкостью, и тем самым увеличить скорость переноса пара.
В аспектах изобретения, где источник первой жидкости представляет собой источник пресной воды, такой как река, и источник второй воды представляет собой солевой раствор, такой как океан или море, может быть полезным сооружение трубопровода или канала для подачи пресной воды отдельно от моря. Альтернативно или в дополнение, может быть выгодным подведение неразбавленной морской воды к устью реки и генерировать электроэнергию на оконечности трубопровода или канала, тем самым доводя до максимума разницу в солености между пресной водой и солевым раствором. Также может быть благоприятным отбирать соленую акцепторную жидкость из глубины. Отбор соленой акцепторной жидкости из глубины имел бы преимущество в том отношении, что глубинная вода с меньшей вероятностью разбавляется пресной водой, и что глубинная вода обычно является более холодной, чем поверхностная вода, тем самым увеличивая разности давлений пара между акцепторной жидкостью и донорной жидкостью.
Поскольку каждые из раскрытых здесь способов и устройств основываются на испарении и конденсации пара, предпочтительным является увеличение площадей поверхности жидкостей, чтобы повысить скорости этих процессов. Также предпочтительным является увеличение площади внутренней поверхности акцепторной камеры, чтобы имелась увеличенная площадь поверхности, на которой пар может конденсироваться.
В аспектах изобретения, где атмосферный воздух внутри установки не откачивается, полезно делать установку полностью воздухонепроницаемой во время работы, но это не является необходимым условием. В то время как полная воздухонепроницаемость установки может быть полезной, градиент давлений пара между донорной жидкостью и акцепторной жидкостью внутри установки все же может поддерживаться даже в случае ограниченного обмена газом между внутренней атмосферой установки и наружной атмосферой.
Признаки, описываемые здесь в связи с конкретным аспектом или примером изобретения, должны пониматься как применимые к любому другому аспекту, варианту исполнения или примеру, описываемым здесь, за исключением несовместимости с ними. Как используемое здесь, единственное число понимается как включающее множественное число, если контекст не оговаривает иное.
например
например
Термин «содержащий» охватывает «включающий», а также «состоящий» или «состоящий по существу из», , композиция, «содержащая» Х, может состоять исключительно из Х, или может включать некоторый дополнительный компонент, , X+Y.
Термин «водный раствор», как применяемый здесь в отношении любого из описываемых способов или устройств, включает пресную воду.
Термин «избыточное давление», как применяемый здесь в отношении любого из описываемых способов или устройств, подразумевает давление внутри системы, которое является более высоким, чем в среде, которая окружает эту систему.
Термин «фаза», как применяемый здесь в отношении любого из описываемых способов или устройств, означает физически отдельную однородную часть неоднородной системы.
Термин «донорная жидкость», как применяемый здесь в отношении любого из описываемых способов или устройств, включает жидкость, которая содержится внутри источника первой жидкости, или которая содержится внутри камеры/участка/резервуара/массива донорной жидкости.
Термин «акцепторная жидкость», как применяемый здесь в отношении любого из описываемых способов или устройств, включает жидкость, которая содержится внутри источника второй жидкости, или которая содержится внутри камеры/участка/резервуара/массива акцепторной жидкости.
Термин «массив донорной жидкости», как применяемый здесь в отношении любого из описываемых способов или устройств, не включает любую жидкость, содержащуюся внутри или протекающую через впускные каналы, выпускные каналы, или другие отверстия, используемые для подачи или выведения жидкости из массива донорной жидкости.
Термин «массив акцепторной жидкости», как применяемый здесь в отношении любого из описываемых способов или устройств, не включает любую жидкость, содержащуюся внутри или протекающую через впускные каналы, выпускные каналы, или другие отверстия, используемые для подачи или выведения жидкости из массива акцепторной жидкости.
Термин «кратчайшее расстояние», как применяемый здесь в отношении любого из описываемых способов или устройств, означает расстояние между частями максимально сближенных в пространстве двух деталей или элементов.
Далее изобретение иллюстрируется со ссылкой на нижеследующие чертежи, в которых:
Фигура 1 показывает схематический вид сбоку в разрезе первой установки согласно настоящему изобретению;
Фигура 2 показывает схематический вид сбоку в разрезе второй установки согласно настоящему изобретению;
Фигура 3 показывает схематический вид сверху второй установки из Фигуры 2;
Фигура 4 показывает схематический вид сбоку в разрезе третьей установки согласно настоящему изобретению;
Фигура 5 показывает схематический вид сбоку в разрезе четвертой установки согласно настоящему изобретению; и
Фигура 6 показывает схематический вид сверху четвертой установки из Фигуры 5.
Со ссылкой на Фигуру 1, иллюстрирована установка согласно настоящему изобретению. Установка может быть использована в способе согласно настоящему изобретению, и может быть описана как «гравитационный способ». Установка 10 включает донорную камеру 12 и акцепторную камеру 14. Донорная камера 12 и акцепторная камера 14 соединены паропроточным отверстием 16. Паропроточное отверстие 16 размещено выше максимального уровня, достигаемого жидкостью внутри установки во время работы, показанного линией 18, так, что жидкость не проходит через паропроточное отверстие 16 во время применения установки.
Донорная камера 12 имеет отверстие 20, через которое первая жидкость 22 (также описываемая здесь как «донорная жидкость») может поступать в источник 24 первой жидкости или из него.
Акцепторная камера 14 имеет отверстие 26, через которое вторая жидкость 28 (также описываемая здесь как «акцепторная жидкость») может поступать в источник 30 второй жидкости или из него.
Отверстие 26 акцепторной камеры содержит вентиль 32, позволяющий закрывать или герметизировать отверстие 26.
Отверстие 26 акцепторной камеры также включает первое устройство 34 для генерирования электроэнергии, такое как турбина, которая может быть использована для выработки электроэнергии.
Донорная жидкость 22 отделена от акцепторной жидкости 28, например, стенкой 60.
Электроэнергия может вырабатываться следующим образом:
1) донорная жидкость 22 вводится в донорную камеру 12 из источника 24 первой жидкости через отверстие 20 донорной камеры, и акцепторная жидкость 28 вводится в акцепторную камеру 14 из источника 30 второй жидкости через отверстие 26 акцепторной камеры.
2) Вентиль 32 отверстия акцепторной камеры закрывается.
3) Жидкость переносится через паровую фазу из донорной жидкости 22 в донорной камере 12 в акцепторную жидкость 28 в акцепторной камере 14 вследствие разности давлений пара донорной жидкости 22 и акцепторной жидкости 28.
4) Перенос жидкости через паровую фазу в стадии 3 вызывает повышение уровня акцепторной жидкости 28 в акцепторной камере 14, приводя к нарастанию гидростатического давления в акцепторной жидкости 28 в акцепторной камере 14.
5) Вентиль 32 отверстия акцепторной камеры открывается.
6) Акцепторная жидкость 28 под гидростатическим давлением вытекает через отверстие 26 акцепторной камеры и турбину 34, тем самым вырабатывая электроэнергию.
7) Процесс может повторяться от стадии 2, и включительно, в циклическом режиме.
Отверстие 20 донорной камеры необязательно может включать вентиль 36 так, что отверстие может быть закрыто. Если он присутствует, то, необязательно, вентиль 36 отверстия донорной камеры может быть закрыт во время стадии 2 из перечисленной выше последовательности.
В случае, что вентиль 36 отверстия донорной камеры не закрывается во время стадии 2, предпочтительно, чтобы отверстие 20 донорной камеры полностью размещалось ниже уровня (обозначенного линией 58) источника 24 первой жидкости так, что газ не может проходить в установку 10 во время работы.
Установка 10 также может включать клапан 38 сброса давления. Клапан 38 сброса давления может быть использован для сброса давления изнутри установки 10, обеспечивая газу возможность выходить изнутри установки 10 в окружающую среду 40. Повышение давления внутри установки 10 может быть обусловлено переносом жидкости через паровую фазу из донорной камеры 12 в акцепторную камеру 14, когда вентиль отверстия 20 донорной камеры остается открытым во время применения, и когда атмосферный воздух внутри установки не откачивался. Достигнутое повышение уровня акцепторной жидкости 28 сокращает объем, занимаемый газовой фазой внутри установки 10, что приводит к повышению давления внутри установки 10. Клапан 38 сброса давления может содержать турбину 42 так, что может вырабатываться электроэнергия, когда газ при избыточном давлении выходит изнутри установки 10.
Необязательно, паропроточное отверстие 16 может включать второе устройство 44 для генерирования электроэнергии, такое как турбина, так, что поток пара через турбину 44 может быть использован для генерирования электроэнергии.
Необязательно, отверстие 20 донорной камеры может включать турбину 46 так, что поток жидкости через турбину может быть использован для генерирования электроэнергии.
Установка 10 необязательно может включать тепловой насос 50, предназначенный для переноса тепла от акцепторной камеры 14 к донорной камере 12.
После выпуска акцепторной жидкости 28 через отверстие 26 акцепторной камеры в стадии 6 может быть полезной замена жидкости, остающейся в акцепторной камере, свежей жидкостью из источника 30 второй жидкости. Это позволяет удалить донорную жидкость 22, которая была перенесена через паровую фазу в акцепторную жидкость 28 во время стадии 3, перед следующим технологическим циклом, и не оказывать вредного влияния на градиент давления пара между донорной камерой 12 и акцепторной камерой 14.
Необязательно, паропроточное отверстие 16 может включать клапан 48 так, что паропроточное отверстие 16 может быть закрыто, что может быть полезным, например, для технического обслуживания установки.
Со ссылкой на Фигуры 2 и 3 иллюстрирована вторая установка согласно настоящему изобретению. Установка может быть использована в способе согласно настоящему изобретению, который может быть описан как «первый ротационный способ». Первый ротационный способ может быть исполнен с использованием установки 100, включающей камеру 102.
Камера 102 включает консоль 106, протяженную наружу от оси 104 вращения. Конец консоли камеры, наиболее отдаленный от оси 104 вращения, называется дальним концом 108.
Консоль камеры конфигурирована так, что она может вращаться вокруг оси вращения.
Консоль 106 включает участок 144 акцепторной жидкости, размещенный на стороне дальнего конца 108 консоли 106.
Участок 144 акцепторной жидкости включает выпускной канал 110.
Выпускной канал 110 участка акцепторной жидкости размещен и направлен так, что выход жидкости через выпускной канал 110 участка акцепторной жидкости создает силу, которая вызывает вращательное движение камеры 102 вокруг оси 104 вращения.
Кроме того, камера включает участок 112 донорной жидкости.
Участок 112 донорной жидкости может быть конфигурирован так, что он может вращаться вокруг оси вращения. В альтернативном варианте, участок донорной жидкости может быть зафиксирован так, что он не может вращаться вокруг оси вращения.
Участок 112 донорной жидкости включает впускной канал 114, далее называемый впускным каналом 114 участка донорной жидкости, через который первая жидкость 116, также называемая донорной жидкостью, может поступать в источник 118 первой жидкости или из него.
Участок 144 акцепторной жидкости включает впускной канал 120, далее называемый впускным каналом 120 участка акцепторной жидкости, через который вторая жидкость 122, также называемая акцепторной жидкостью, может поступать в источник 124 второй жидкости или из него.
Электроэнергия вырабатывается следующим образом:
1) донорная жидкость 116 вводится в участок 112 донорной жидкости через впускной канал 114 участка донорной жидкости из источника 118 первой жидкости. Донорная жидкость 116 заключена внутри участка 112 донорной жидкости, и поверхность 126 донорной жидкости открыта внутрь камеры 102 так, что донорная жидкость 116 может испаряться внутрь атмосферы камеры 102.
2) Камера 102 вращается вокруг оси 104 вращения.
3) Акцепторная жидкость 122 подается в участок 144 акцепторной жидкости через впускной канал 120 участка акцепторной жидкости из источника 124 второй жидкости.
4) Акцепторная жидкость 122 выходит из камеры 102 под избыточным давлением, обусловленным вращением камеры 102, через выпускной канал 110 участка акцепторной жидкости, создавая реактивную силу, которая обусловливает вращение камеры 102 вокруг оси 104 вращения.
5) Жидкость переносится через паровую фазу из донорной жидкости 116 в участке 112 донорной жидкости в акцепторную жидкость 122 в участке 144 акцепторной жидкости вследствие разности между давлениями пара донорной жидкости 116 и акцепторной жидкости 122.
6) Перенос жидкости через паровую фазу в стадии 5 возмещает потерю акцепторной жидкости 122 через выпускной канал 110 участка акцепторной жидкости.
7) Электроэнергия вырабатывается в результате вращения камеры 102 вокруг оси 104 вращения.
Стадии 1-3 могут выполняться в любом порядке. Стадии 4-7 проводятся одновременно и непрерывно, как только были завершены стадии 1-3. Вращение камеры 102 тем самым стимулируется переносом пара из донорной жидкости 116 к акцепторной жидкости 122 через паровую фазу.
1
Со ссылкой на Фигуру 4, иллюстрирована дополнительная установка согласно настоящему изобретению. Установка может быть использована в способе согласно настоящему изобретению, который может быть описан как способ «теплового насоса». Способ теплового насоса может исполняться с использованием установки 200, включающей донорную камеру 212 и акцепторную камеру 214. Донорная камера 212 и акцепторная камера 214 соединены паропроточным отверстием 216. Паропроточное отверстие 216 размещено выше максимального уровня, L, достигаемого жидкостью внутри установки (показанного линией 218), так, что жидкость не может проходить через паропроточное отверстие 216.
Донорная камера 212 включает отверстие 220, через которое первая жидкость 222, также описываемая как донорная жидкость, может проходить в источник 224 первой жидкости или из него.
Акцепторная камера 214 включает отверстие 226, через которое вторая жидкость 228, также описываемая как акцепторная жидкость, может проходить в источник 230 второй жидкости или из него.
Первая жидкость 222 отделена от акцепторной жидкости 228, например, стенкой 260.
Установка 200 включает тепловой насос 250, который используется для теплопередачи от акцепторной камеры 214 к донорной камере 212.
Кроме того, установка 200 включает устройство 252 для генерирования электроэнергии, такое как турбина, размещенное между донорной камерой 212 и акцепторной камерой 214.
Электроэнергия вырабатывается следующим образом:
1) донорная жидкость 222 вводится в донорную камеру 212 из источника 224 первой жидкости через отверстие 220 донорной камеры, и акцепторная жидкость 228 вводится в акцепторную камеру 214 из источника 230 второй жидкости через отверстие 226 акцепторной камеры.
2) Жидкость переносится через паровую фазу из донорной жидкости 222 в донорной камере 212 в акцепторную жидкость 228 в акцепторной камере 214 вследствие разности давлений пара донорной жидкости 222 и акцепторной жидкости 228.
3) Электроэнергия вырабатывается в результате течения пара через турбину 252.
В дополнение к стадиям 1-3, тепловой насос 250 используется для переноса тепловой энергии от акцепторной жидкости 228 к донорной жидкости 222. Испарение из донорной жидкости 222 и конденсация пара в акцепторной камере 214 обусловливает перенос тепла от донорной жидкости 222 к акцепторной жидкости 228. Этот теплоперенос создает снижение разности между давлениями пара донорной жидкости 222 и акцепторной жидкости 228. Сокращение градиента разности давлений между донорной камерой 212 и акцепторной камерой 214 проявляется в снижении скорости переноса пара, и в конечном итоге приведет к полному прекращению переноса пара. Применение теплового насоса 250 противодействует этому эффекту. В дополнение, тепло может переноситься от массива акцепторной жидкости к массиву донорной жидкости с использованием теплообменника.
Тепловой насос 250 может быть использован для выравнивания температур донорной жидкости 222 и акцепторной жидкости 228.
1
2
1
2
Разность между давлениями пара донорной жидкости 222 и акцепторной жидкости 228 может быть создана или увеличена повышением температуры донорной жидкости 222, снижением температуры акцепторной жидкости 228, или, предпочтительно комбинацией их обоих. Это может быть достигнуто применением теплового насоса 250, который переносит тепло от акцепторной жидкости 228 к донорной жидкости 222, так, что T>T, где Т представляет температуру донорной жидкости 222, и Т представляет температуру акцепторной жидкости 228. Альтернативно или дополнительно, массив донорной жидкости может быть нагрет другими средствами, например, с использованием солнечной энергии, электрической энергии или процессом горения.
Отверстие 220 донорной камеры необязательно может включать вентиль 236, который позволяет закрывать отверстие 220 донорной камеры. Необязательно, если он присутствует, впускной вентиль 236 донорной камеры закрывается после стадии 1 перечисленной выше последовательности.
Отверстие 226 акцепторной камеры необязательно может включать вентиль 232, который позволяет закрывать отверстие акцепторной камеры. Необязательно, если он присутствует, вентиль 232 отверстия акцепторной камеры закрывается после стадии 1 перечисленной выше последовательности.
Когда впускной вентиль 236 донорной камеры не закрывается во время стадии 2, то предпочтительно, чтобы отверстие 220 донорной камеры полностью находилось ниже уровня источника 224 первой жидкости так, что газ не может проходить в установку 200 во время работы.
В то время как атмосферный воздух откачан изнутри установки 200, и впускной вентиль 236 донорной камеры не закрывается во время работы, важно, чтобы газ не проходил в установку 200 через отверстие 220 донорной камеры во время работы. Подобным образом, где атмосферный воздух откачан изнутри установки 200, и вентиль 232 отверстия акцепторной камеры не закрыт во время работы, важно, чтобы газ не проходил в установку 200 через вентиль 232 отверстия акцепторной камеры во время работы.
Когда вентиль 232 отверстия акцепторной камеры закрывается после стадии 1, акцепторная камера 214 предпочтительно имеет достаточно большой объем так, чтобы перенос жидкости из донорной жидкости 222 в акцепторную жидкость 228 не снижал разность между давлениями пара донорной жидкости 222 и акцепторной жидкости 228 до уровня, где существенно снижается скорость переноса пара. Например, в аспектах, в которых акцепторная жидкость 228 представляет собой солевой раствор, и донорная жидкость 222 представляет собой жидкость или раствор, имеющие более низкую соленость, чем соленость акцепторной жидкости 228, такие как пресная вода, перенос жидкости из донорной жидкости 222 в акцепторную жидкость 228 будет постепенно снижать соленость акцепторной жидкости 228. Такое снижение солености акцепторной жидкости 228 будет сокращать разность между давлениями пара донорной жидкости 222 и акцепторной жидкости 228 до уровня, где снижается скорость переноса пара, или даже прекращается перенос.
Когда как вентиль 232 отверстия акцепторной камеры, так и впускной вентиль 236 донорной камеры закрываются после стадии 1, акцепторная камера 214 предпочтительно имеет значительно больший объем, чем объем донорной камеры 212.
Необязательно, паропроточное отверстие 216 может включать клапан 248 так, что он может быть закрыт.
Со ссылкой на Фигуры 5 и 6 иллюстрирована четвертая установка согласно настоящему изобретению. Установка может быть использована в способе согласно настоящему изобретению, который может быть описан как «второй ротационный способ». Второй ротационный способ может быть исполнен с использованием установки 300, включающей камеру 302, которая конфигурирована так, что она может вращаться вокруг оси 304 вращения.
Камера 302 включает первую консоль 306, протяженную наружу от оси 304 вращения. Конец первой консоли 306, наиболее отдаленный от оси 304 вращения, называется дальним концом 308.
Первая консоль 306 включает участок 344 акцепторной жидкости, размещенный у дальнего конца 308 первой консоли 306.
Участок 344 акцепторной жидкости включает выпускной канал 310.
Выпускной канал 310 участка акцепторной жидкости размещен и направлен так, что выход жидкости через выпускной канал 310 участка акцепторной жидкости создает силу, которая вызывает вращательное движение камеры 302 вокруг оси 304 вращения.
Кроме того, камера 302 включает вторую консоль 346, протяженную наружу от оси 304 вращения. Конец второй консоли 346, наиболее отдаленный от оси 304 вращения, называется дальним концом 348.
Вторая консоль 346 включает участок 312 донорной жидкости, размещенный у дальнего конца 348 второй консоли 346.
Участок 312 донорной жидкости включает впускной канал 314, далее называемый впускным каналом 314 участка донорной жидкости, через который первая жидкость 316, также называемая донорной жидкостью, может поступать в источник 318 первой жидкости или из него.
Участок 344 акцепторной жидкости включает впускной канал 320, далее называемый впускным каналом 320 участка акцепторной жидкости, через который вторая жидкость 322, также называемая акцепторной жидкостью, может поступать в источник 324 второй жидкости или из него.
Электроэнергия вырабатывается следующим образом:
1) донорная жидкость 316 вводится в участок 312 донорной жидкости через впускной канал 314 участка донорной жидкости из источника 318 первой жидкости. Донорная жидкость 316 заключена внутри участка 312 донорной жидкости, и поверхность 326 донорной жидкости 326 открыта внутрь камеры 302 так, что донорная жидкость 316 может испаряться внутрь атмосферы камеры 302.
2) Камера 302 вращается вокруг оси 304 вращения.
3) Акцепторная жидкость 322 подается в участок 344 акцепторной жидкости через впускной канал 320 участка акцепторной жидкости из источника 324 второй жидкости.
4) Акцепторная жидкость 322 выходит из камеры 302 под избыточным давлением, обусловленным вращением камеры 302, через выпускной канал 310 участка акцепторной жидкости, создавая реактивную силу, которая обусловливает вращение камеры 302 вокруг оси 304 вращения.
5) Жидкость переносится через паровую фазу из донорной жидкости 316 в участке 312 донорной жидкости в акцепторную жидкость 322 в участке 344 акцепторной жидкости вследствие разности между давлениями пара донорной жидкости 316 и акцепторной жидкости 322.
6) Перенос жидкости через паровую фазу в стадии 5 возмещает потерю акцепторной жидкости 322 через выпускной канал 310 участка акцепторной жидкости.
7) Электроэнергия вырабатывается в результате вращения камеры 302 вокруг оси 304 вращения.
Стадии 1-3 могут выполняться в любом порядке. Стадии 4-7 проводятся одновременно и непрерывно, как только были завершены стадии 1-3. Вращение камеры 302 тем самым стимулируется переносом пара из донорной жидкости 316 к акцепторной жидкости 322 через паровую фазу.
Нижеследующие признаки применимы ко второй и четвертой установкам согласно настоящему изобретению.
Камера 102/302 предпочтительно может быть связана с электрическим альтернатором или генератором 140/340 так, что вращательное движение камеры может быть использовано для генерирования электрической энергии.
Впускной канал 120/320 участка акцепторной жидкости может включать вентиль 128/328 так, что течение жидкости через впускной канал 120/320 участка акцепторной жидкости может регулироваться или прекращаться.
Впускной канал 120/320 участка акцепторной жидкости может включать турбину 138/338. Течение жидкости через турбину может быть использовано для генерирования электроэнергии. Также рассматриваются альтернативные устройства для выработки электроэнергии, например, такие, в которых применяются поршни, шнеки или лопасти.
Впускной канал 120/320 участка акцепторной жидкости может включать насос (не показан) так, что жидкость может активно нагнетаться в участок 144/344 акцепторной жидкости из источника 124/324 второй жидкости.
Впускной канал 114/314 участка донорной жидкости может включать вентиль 130/330 так, что течение жидкости через впускной канал 114/314 участка донорной жидкости может регулироваться или прекращаться.
Впускной канал 114/314 участка донорной жидкости может включать турбину 136/336. Течение жидкости через турбину 136/336 может быть использовано для генерирования электроэнергии. Также рассматриваются альтернативные устройства для выработки электроэнергии, например, такие, в которых применяются поршни, шнеки или лопасти.
Впускной канал 114/314 участка донорной жидкости насос (не показан) так, что жидкость может активно нагнетаться в участок 112/312 донорной жидкости из источника 112/312 первой жидкости.
Потеря объема акцепторной жидкости 122/322 из установки 100/300 через выпускной канал 110/310 участка акцепторной жидкости дополнительно замещается количеством акцепторной жидкости 122/322, подводимой из источника 124/324 второй жидкости через впускной канал 120/320 участка акцепторной жидкости. Добавление дополнительной акцепторной жидкости 122/322 во время стадий 4-7 сокращает и стабилизирует степень, до которой акцепторная жидкость 122/322 разбавляется в результате переноса жидкости через паровую фазу из донорной жидкости 116/316 в акцепторную жидкость 122/322. В противном случае разбавление акцепторной жидкости 122/322 донорной жидкостью 116/316 сокращало бы разность между давлениями пара донорной жидкости 116/316 и акцепторной жидкости 122/322, что замедляло бы скорость переноса пара. Например, где акцепторная жидкость 122/322 представляет собой солевой раствор, и донорная жидкость 116/316 представляет собой жидкость или раствор, имеющие более низкую соленость, чем соленость акцепторной жидкости, такие как пресная вода, перенос пара из донорной жидкости в акцепторную жидкость 122/322 будет постепенно снижать соленость акцепторной жидкости 122/322.
Выпускной канал 110/310 участка акцепторной жидкости необязательно может включать вентиль 132/332, который может быть закрыт, или который может регулировать течение жидкости через выпускной канал 110/310 участка акцепторной жидкости.
Вентиль 132/332 выпускного канала участка акцепторной жидкости может быть закрыт во время стадий 1-3, и открыт только после завершения стадии 3. Это является полезным в том плане, что акцепторная жидкость 122/322 не теряется из установки 100/300 через выпускной канал 110/310 участка акцепторной жидкости, как введенная в установку 100/300 в стадии 3. Выпускной канал 110/310 участка акцепторной жидкости может включать сопло (не показано) так, что течение жидкости через выпускной канал 110/310 участка акцепторной жидкости может направляться, как это требуется.
Когда камера 102/302 вращается вокруг оси 104/304 вращения, ее движение будет затрудняться сопротивлением воздуха. Поэтому полезно придавать камере 102/302 аэродинамическую форму, чтобы минимизировать сопротивление воздуха и тем самым повысить эффективность выработки электроэнергии.
Установка может включать турбину 134/334, размещенную между участком 112/312 донорной жидкости и участком 144/344 акцепторной жидкости. Течение пара через турбину 134/334 может быть использовано для выработки электроэнергии.
1
2
1
2
1
2
Разности между давлениями пара донорной жидкости 116/316 и акцепторной жидкости 122/322 могут быть созданы или увеличены повышением температуры донорной жидкости 116/316, снижением температуры акцепторной жидкости 122/322, или, предпочтительно, комбинацией их обоих. Это может быть достигнуто применением теплового насоса 142/342, который переносит тепло от акцепторной жидкости 122/322 к донорной жидкости 116/316, так, что T>T, где Т представляет температуру донорной жидкости 116/316, и Т представляет температуру массива акцепторной жидкости 122/322. Применение теплового насоса является благоприятным в этой ситуации, когда разность между Т и Т невелика, и перенос тепла тем самым будет эффективным. Альтернативно или дополнительно, массив донорной жидкости может быть нагрет другими средствами, например, с использованием солнечной энергии, электрической энергии или процессом горения.
Математические модели
Ниже представлены некоторые математические соображения относительно пятого аспекта настоящего изобретения.
Во вращающейся установке, такой как иллюстрированная в Фигурах 2 и 3, общее дифференциальное уравнение центробежной силы представляет собой
ρ
r
ω
P
где  представляет плотность,  представляет радиус от оси вращения,  представляет угловую частоту, и  представляет давление.
ρ
ρ
ρ
Для акцепторной жидкости  является постоянной, тогда как для паровой фазы  варьирует. Для паровой фазы  задается выражением
n
μ
V
где  представляет число молей газа,  представляет молярную массу молекул в паровой фазе, и  представляет объем. Подстановка Уравнения 2 в Уравнение 1 дает
V
Для идеального газа  задается уравнением идеального газа:
n
R
Т
К
где  представляет число молей газа,  представляет газовую постоянную идеального газа, и  представляет температуру в . Подстановка Уравнения 4 в Уравнение 3 дает
Интегрирование обеих сторон Уравнения 5 дает
P
P
A
0
где, со ссылкой на Фигуру 2,  представляет давление пара на радиусе А (поверхность акцепторной жидкости 122), и  представляет давление пара у оси 104 вращения.
ρ
Для вращающейся акцепторной жидкости Уравнение 1 может быть проинтегрировано непосредственно, так как  является постоянной для жидкости. Это дает
P
P
ρ
A
В
где, со ссылкой на Фигуру 2,  представляет давление пара на радиусе А (поверхность акцепторной жидкости 122),  представляет давление акцепторной жидкости на радиусе В (радиус, на котором находится выпускной канал 110 участка акцепторной жидкости), и  представляет плотность акцепторной жидкости 122.
P
В
Подстановкой Уравнения 7 в Уравнение 9 и перестановкой давления () акцепторной жидкости 122, выходящей из выпускного канала 110 участка акцепторной жидкости, может быть рассчитано согласно Уравнению 10:
Пример 1 - первый ротационный способ
2
Установка, включающая камеру, содержащую участок акцепторной жидкости, конфигурирована так, что участок акцепторной жидкости может вращаться в горизонтальной плоскости вокруг оси вращения. Камера включает консоль, которая является протяженной на 5 м от оси вращения в горизонтальной плоскости. Участок акцепторной жидкости размещен на конце консоли, который является самым отдаленным от оси вращения. Консоль является квадратной в поперечном сечении, если рассматривать вдоль ее продольной оси, с соответствующей площадью поперечного сечения 4 м. Участок акцепторной жидкости включает выпускной канал в форме сопла. Выпускной канал участка акцепторной жидкости находится на самом дальнем конце консоли и ориентирован так, что жидкость выходит из участка акцепторной жидкости камеры через выпускной канал участка акцепторной жидкости в горизонтальной плоскости. Выпускной канал участка акцепторной жидкости также включает вентиль, который может быть закрыт, или который может регулировать течение жидкости через выпускной канал участка акцепторной жидкости. Участок акцепторной жидкости соединен впускным каналом с источником соленой воды с соленостью приблизительно 35 г/л. Впускной канал участка акцепторной жидкости включает вентиль, который может быть закрыт, или который может регулировать течение жидкости через впускной канал участка акцепторной жидкости. Впускной канал участка акцепторной жидкости также включает насос так, что жидкость может нагнетаться в участок акцепторной жидкости. Кроме того, камера включает участок донорной жидкости. Участок донорной жидкости включает цилиндрический донорный резервуар диаметром 2 м. Донорный резервуар соединен с источником пресной воды через впускной канал.
За исключением выпускного канала участка акцепторной жидкости, впускного канала участка акцепторной жидкости и впускного канала участка донорной жидкости, или донорного резервуара, установка является воздухонепроницаемой.
Установка включает вал, который выставлен вдоль оси вращения и прочно соединен у ее самой нижней части с верхней поверхностью камеры. Вал проходит в генератор, который используется для преобразования вращательного движения акцепторной камеры в электричество.
Установка работает следующим образом:
1) обеспечивается возможность поступления пресной воды в участок донорной жидкости, или донорный резервуар, через впускной канал участка донорной жидкости.
2) Вентиль выпускного канала участка акцепторной жидкости закрывается.
3) Консоль, включающая участок акцепторной жидкости на ее дальнем конце, приводится во вращение со скоростью 60 об/мин с приводом от генератора в реверсном режиме, и вращение поддерживается с этой частотой.
3
4) 10 м соленой воды нагнетаются в участок акцепторной жидкости через впускной канал участка акцепторной жидкости и сосредоточиваются на дальнем конце консоли вращательным движением консоли.
3
5) Вентиль выпускного канала участка акцепторной жидкости открывается для создания потока с расходом 10 м/мин через него.
3
6) Когда жидкость проходит через выпускной канал участка акцепторной жидкости, количество жидкости, заключенной в дальнем конце консоли, поддерживается постоянным на уровне 10 м в результате переноса пресной воды из донорного резервуара через паровую фазу и переноса соленой воды через впускной канал участка акцепторной жидкости.
7) Равновесие достигается, когда соленость жидкости, заключенной в дальнем конце консоли, является постоянной при 20 г/л.
Вращательное движение участка акцепторной жидкости поддерживается течением жидкости через выпускной канал участка акцепторной жидкости, и генератор используется для генерирования электроэнергии от вращательного движения участка акцепторной жидкости.