ДВИГАТЕЛЬ
MOTOR

Настоящее изобретение относится к термодинамическому двигателю, в частности, к термодинамическому двигателю с внешним нагревом, содержащему замкнутый контур рабочей текучей среды.
Обычный двигатель с циклом Ренкина содержит:
термодинамический детандер для извлечения работы из испаренной органической рабочей текучей среды, подведенной для этого к подающему устройству,
конденсатор, расположенный ниже по потоку относительно детандера, для конденсации расширившейся испаренной рабочей текучей среды, выходящей из детандера,
бак для жидкости, расположенный ниже по потоку относительно конденсатора,
насос, расположенный ниже по потоку относительно бака для жидкости, для выкачивания из него сконденсированной рабочей текучей среды и
нагреватель для испарения рабочей текучей среды, которую качают к нему от насоса, и подачи испаренной рабочей текучей среды в детандер,
причем нагреватель содержит впускное отверстие для качаемой к нему рабочей текучей среды, и выходное отверстие, из которого рабочая текучая среда подается к детандеру.
В патенте Великобритании № GB2528522B, описано и заявлено следующее:
термодинамический двигатель, содержащий:
термодинамический детандер для расширения рабочей текучей среды, объединенной со второй текучей средой;
сепаратор, соединенный с выхлопным элементом детандера, для отделения второй текучей среды от рабочей текучей среды;
устройство для пропускания второй текучей среды к
его нагревателю и оттуда
в область испарения;
конденсатор для конденсации рабочей текучей среды из газообразной формы в форму летучей жидкости и
устройство для пропускания конденсированной рабочей текучей среды в форме жидкости в область испарения для контакта с повторно нагретой второй текучей средой для испарения рабочей текучей среды для ее расширения с выполнением работы в детандере.
Реферат заявки на патент США № 2012/279,220 представлен ниже.
Способ (400, 1100) и устройство (500, 1200) для получения работы из теплоты содержит котел (510), выполненный с возможностью нагрева потока под давлением первой рабочей текучей среды (F1), для образования первого пара. Компрессор (502) сжимает вторую рабочую текучую среду (F2) в форме второго пара. Смесительная камера (504) получает первый и второй пар и передает тепловую энергию непосредственно от первого пара ко второму пару. Тепловая энергия, передаваемая от первого пара второму пару, как правило обычно содержит по меньшей мере часть скрытой теплоты испарения первой рабочей текучей среды. Детандер (506) выполнен с возможностью расширения смеси первого и второго пара, полученных из смесительной камеры, и благодаря этому выполнения полезной работы после или во время операции передачи. Процесс замкнутый и обеспечивает возможность рециркуляции и благодаря этому повторного использования тепловой энергии, которая обычно не используется в обычных подходах к циклу.
Целью настоящего изобретения является предоставление усовершенствованного термодинамического двигателя.
В соответствии с изобретением предлагается термодинамический двигатель с внешним подогревом, содержащий замкнутый контур рабочей текучей среды, причем двигатель содержит:
термодинамический детандер для извлечения работы из испаренной рабочей текучей среды, подведенной для этого к подающему устройству,
конденсатор, расположенный ниже по потоку относительно детандера, для конденсации расширившейся испаренной рабочей текучей среды, выходящей из детандера,
бак для жидкости, расположенный ниже по потоку относительно конденсатора,
насосное устройство, расположенное ниже по потоку относительно бака для жидкости, для выкачивания из него сконденсированной рабочей текучей среды и
устройство для нагрева внешним теплом и по меньшей мере частичного испарения рабочей текучей среды, накачанной в него из насосного устройства, и подачи нагретой рабочей текучей среды к детандеру,
причем нагревательное устройство содержит по меньшей мере одно впускное отверстие для качаемой к нему рабочей текучей среды, и по меньшей мере одно выходное отверстие, из которого рабочая текучая среда подается к детандеру;
при этом:
двигатель выполнен с возможностью и приспособлен для работы с рабочей текучей средой, содержащей по меньшей мере две составляющие текучие среды с разной температурой кипения, и
насосное устройство выполнено с возможностью перекачивания из бака для жидкости к нагревательному устройству двух составляющих текучих сред с разной температурой кипения с определенным соотношением в виде жидкостей,
причем во время использования, при подаче рабочей текучей среды к детандеру в по меньшей мере частично испаренном состоянии:
пар и/или жидкость жидкости с более высокой температурой кипения выделяет энергию в детандере на пар составляющей текучей среды с более низкой температурой кипения для получения работы в детандере.
Обычно, во время работы двигателя, первая составляющая текучая среда с более низкой температурой кипения будет полностью испаренной в результате нагревания в нагревательном устройстве, в отличие от составляющей с более высокой температурой кипения, как указано в заявке GB2528522B авторов настоящего изобретения, как на подаче в детандер, так и на выхлопном элементе из него. Вторая составляющая текучая среда с более высокой температурой кипения будет либо жидкостью, либо испарившейся в подающем устройстве в детандер, и жидкостью на выхлопном элементе из него. Во время прохождения через детандер вторая текучая среда передает тепловую энергию первого либо без фазового перехода, либо в результате сохранения своей температуры, когда первая текучая среда охлаждается при расширении, либо с фазовым переходом второй текучей среды из пара в жидкость. Последний упомянутый механизм, т. е. высвобождение скрытой теплоты конденсации, имеет потенциал высвобождения большего количества энергии при по существу постоянной температуре для первой составляющей рабочей текучей среды и существенно повышает КПД по сравнению с двигателем с циклом Ренкина на органическом рабочем теле. Следует отметить, что когда проводились эксперименты, связанные с этим изобретением, не было возможности количественно определить улучшение КПД.
В двигателе для составляющих текучих сред с разной температурой кипения, которые способны смешиваться в виде жидкостей и перекачиваются к нагревательному устройству в пропорции к их пропорциям составляющих в двигателе с определенным соотношением, насос может представлять собой однокамерный насос, выполненный с возможностью:
откачивать из одного выпускного отверстия из бака для жидкости и
перекачивать к одному впускному отверстию к нагревательному устройству.
В двигателе для составляющих текучих сред с разной температурой кипения, которые не способны смешиваться в виде жидкостей, насос может представлять собой однокамерный насос, выполненный с возможностью:
перекачивать к одному или нескольким впускным отверстиям к нагревательному устройству и
откачивать из двух выпускных отверстий из бака для жидкости или двух соответствующих баков для жидкости:
выпускные отверстия или линии из них к насосу содержат соответствующие регулирующие устройства, причем регулирующие устройства такие, что составляющие текучие среды перекачиваются в виде жидкостей в пропорции соответственно определенному соотношению.
Кроме того, в другом двигателе для составляющих текучих сред с разной температурой кипения, которые неспособны смешиваться в виде жидкостей, насос может представлять собой двухкамерный насос или пару насосов, выполненных с возможностью:
перекачивать к одному или нескольким впускным отверстиям к нагревательному устройству и
откачивать из двух выпускных отверстий из бака для жидкости или двух соответствующих баков для жидкости:
выпускные отверстия или линии из них к насосу, или линии от насосов к одному или каждому впускному отверстию, или каждое впускное отверстие, там, где их два, содержат соответствующие регулирующие устройства, причем регулирующие устройства такие, что составляющие текучие среды перекачиваются в виде жидкостей в пропорции соответственно определенному соотношению.
В каждом таком двигателе регулирующие устройства могут быть фиксированными для фиксации определенного соотношения; либо регулирующие устройства могут быть регулируемыми для регулировки определенного соотношения.
В еще одном другом двигателе для составляющих текучих сред с разной температурой кипения, которые неспособны смешиваться в виде жидкостей, насос может представлять собой двухкамерный насос или пару насосов, выполненных с возможностью:
перекачивать к одному или нескольким впускным отверстиям к нагревательному устройству,
откачивать из двух выпускных отверстий из бака для жидкости или двух соответствующих баков для жидкости и
откачивать с положительным сдвигом в пропорции к определенному соотношению.
В двигателях, в которых составляющие текучие среды с разной температурой кипения, которые неспособны смешиваться в виде жидкостей, могут проходить через конденсатор вместе, когда сконденсирована только составляющая текучая среда с более низкой температурой кипения. Они проходят в один бак, содержащий два выпускных отверстия для жидкостей обеих текучих сред. Несмешиваемые среды образуют в баке для жидкости слои в соответствии с их плотностью. Два выпускных отверстия расположены на разных уровнях в баках для жидкости, чтобы у насоса была возможность откачивать составляющие текучие среды с разной температурой кипения из бака через соответствующие выпускные отверстия.
Выше по потоку относительно конденсатора может быть предусмотрен сепаратор. Обычно это будет циклонный сепаратор. Он отделяет составляющую текучую среду с более высокой температурой кипения в виде жидкости от текучей среды с более низкой температурой кипения в виде пара. Может быть предоставлен бак для отделенной жидкости. В случае этих двигателей два соответствующих бака для жидкости содержат два выпускных отверстия.
Предусмотрено, что отделенные и сконденсированные жидкости могли бы поступать в один и тот же бак отдельно, а затем могли бы быть извлечены через два выпускных отверстия на разных уровнях в соответствии с их плотностями, как в двигателе без сепаратора.
Обычно первая текучая среда с более низкой температурой кипения, как правило алкан или хладагент, будет в виде жидкости менее плотной, чем вторая текучая среда с более высокой температурой кипения также в виде жидкости, как правило, вода. Это приводит к тому, что жидкость с более низкой температурой кипения обычно плавает на жидкости с большей температурой кипения, и выпускное отверстие на верхнем уровне предусмотрено для первой жидкости, а выходное отверстие на нижнем уровне предусмотрено для второй жидкости. Однако если, например, жидкость с более низкой температурой кипения представляет собой хладагент, она может быть более плотной. В этом случае жидкости и их выпускные отверстия поменяются местами.
Нагревательное устройство может содержать одну секцию от одного впускного отверстия до одного выходного отверстия к детандеру, нагревательное устройство приспособлено нагревать две составляющие текучие среды до одинаковых температуры и давления, причем составляющая текучая среда с более высокой температурой кипения находится на выходном отверстии на подающее устройство к детандеру по меньшей мере частично или полностью в состоянии пара, а составляющая текучая среда с более низкой температурой кипения находится на выходном отверстии на подающее устройство частично или полностью в жидком состоянии.
Альтернативно, нагревательное устройство может содержать две секции, одну для одной составляющей текучей среды, перекачиваемой к одному впускному отверстию нагревательного устройства для вывода в подающее устройство в детандер, и другую, для другой составляющей текучей среды, перекачиваемой к другому впускному отверстию нагревательного устройства для вывода в подающее устройство в детандер, причем нагревательное устройство приспособлено нагревать составляющие текучие среды до разных температур, причем они по меньшей мере частично испарены на выходном отверстии при по существу одинаковом давлении от нагревательного устройства и подаются на подающее устройство детандера. Удобно в этом альтернативном варианте, чтобы две секции нагревательного устройства представляли собой включенные последовательно теплообменники для использования общего циркулирующего снаружи теплоносителя, проходящего от первой секции ко второй, причем первая предназначена для приема составляющей текучей среды с более высокой температурой кипения и нагревания ее до первой температуры, а вторая предназначена для приема составляющей текучей среды с более низкой температурой кипения и нагревания ее до второй, более низкой температуры.
Кроме того, предусмотрено, что нагревательное устройство может:
содержать две секции, одну для одной составляющей текучей среды, перекачиваемой к одному впускному отверстию нагревательного устройства для выхода в подающее устройство в детандер, и другую для другой составляющей текучей среды, перекачиваемой к другому впускному отверстию нагревательного устройства для выхода в другое подающее устройство в детандер, и
быть приспособленным нагревать две составляющие текучие среды до разных температуры и давлений, причем по меньшей мере составляющая текучая среда с более низкой температурой кипения по меньшей мере частично испарена на выходном отверстии из нагревательного устройства в подающее устройство в зону высокого давления детандера, а составляющая текучая среда с более низкой температурой кипения в виде пара или жидкости при промежуточном давлении поступает в детандер.
В предпочтительных вариантах осуществления добавлен теплообменник, действующий как регенератор, между рабочей текучей средой, проходящей от детандера к конденсатору, и рабочей текучей средой, проходящей от конденсатора к нагревательному устройству.
Для лучшего понимания изобретения теперь будет описан частный вариант его осуществления на примере и со ссылкой на прилагаемые графические материалы, на которых:
фиг. 1 — схематический вид известного технического решения двигателя с циклом Ренкина на органическом рабочем теле,
фиг. 2 — похожий вид термодинамического двигателя согласно настоящему изобретению,
фиг. 3 — схематический вид другого термодинамического двигателя согласно настоящему изобретению,
фиг. 4 — первый вариант двигателя согласно фиг. 3,
фиг. 5 — второй вариант двигателя согласно фиг. 3,
фиг. 6 — похожий вид третьего термодинамического двигателя согласно настоящему изобретению,
фиг. 7 — схема четвертого двигателя согласно настоящему изобретению,
фиг. 8 — вариант двигателя согласно фиг. 4.
На фиг. 1, представляющий известное техническое решение двигатель с циклом Ренкина на органическом рабочем теле содержит в замкнутом цикле:
термодинамический детандер 1 для извлечения работы из испаренной органической рабочей текучей среды 2, подводимой для этого к подающему устройству 3, и выпускаемой из выхлопного элемента 4 все еще в виде пара 5,
конденсатор 6 с воздушным охлаждением, расположенный ниже по потоку относительно детандера, для конденсации в виде конденсата 7 расширившейся испаренной рабочей текучей среды, выходящей из детандера,
бак 8 для жидкости, расположенный ниже по потоку относительно конденсатора,
насос 9, расположенный ниже по потоку относительно бака для жидкости, для выкачивания из него сконденсированной рабочей текучей среды 7 и
нагреватель 10 для испарения рабочей текучей среды, которую качают к нему от насоса, и подачи испаренной рабочей текучей среды 2 в детандер,
причем нагреватель 11 содержит впускное отверстие для качаемой к нему рабочей текучей среды, и выходное отверстие 12, из которого рабочая текучая среда подается к детандеру, и
регенератор 13 для передачи тепла от выходящего потока 5 перекачиваемой жидкой рабочей текучей среды выше по потоку относительно нагревателя.
Обычно нагреватель представляет собой теплообменник 14 с циркулирующим в нем в противотечении к органической рабочей текучей среде подогреваемым снаружи теплоносителем 15. Поскольку двигатель с циклом Ренкина на органическом рабочем теле известен, его более подробное описание не приводится.
Возвращаясь к фиг. 2, показанный здесь двигатель по сути аналогичен показанному на фиг. 1. Он отличается в соответствии с настоящим изобретением тем, что рабочая текучая среда не является ни единственным алканом, ни другой единственной органической жидкостью. Она представляет собой смесь способных смешиваться жидкостей, обычно смесь метанола и воды. Жидкости обладают разными температурами кипения: метанол: 65 °C и вода: 100 °C.
При подаче в нагреватель 30 внешнего теплоносителя 35 с температурой более 100 °C, например, в виде потока воздуха, нагретого выхлопным элементом двигателя внутреннего сгорания (не показан), можно ожидать, что испаренная подача 22 будет содержать пар метанола, а также смесь воды и водяного пара. Точное соотношение парообразной и жидкой (в форме капель) фаз воды зависит от температуры, до которой нагрета подача. На подаче в детандер 21 пар метанола расширяется и охлаждается, производя работу. Водяной пар действует аналогичным образом. Когда водяной пар охлаждается до 100 °C, или несколько выше, если местное давление значительно выше атмосферного, он имеет тенденцию конденсироваться. Когда это происходит, он освобождает скрытую теплоту конденсации. Освобождение воздействует на пар метанола, удерживая его температуру от падения с той скоростью, которая была бы в отсутствие конденсирующегося водяного пара. Таким образом, поддерживается энергия пара метанола и его возможность выполнять большую работу.
С внешним теплоносителем в области 100 °C, например, из системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания, можно ожидать, что испаренная подача 22 будет содержать пар метанола и капельки воды. Это все еще удерживает пар метанола от такого быстрого падения температуры, какое было бы в отсутствие воды. Этот эффект имеется в случае предыдущего параграфа, а также когда весь водяной пар сконденсировался.
Эти эффекты, согласно настоящему изобретению, возникают, когда рабочая текучая среда проходит через детандер 21.
Выхлопной элемент 25 из детандера будет содержать пар 36 метанола и капельки 37 воды. В конденсаторе 26 пар метанола конденсируется и поток из него содержит смешанные капельки 38 метанола и воды, хотя для иллюстрации на фиг. 2 показаны отдельные капельки воды и метанола. Они собираются в виде конденсата 27 в баке 28. Насос 29 перекачивает конденсат с пропорцией воды и метанола в двигателе. Обычно она будет иметь порядок 1:10. Ожидается, что доля воды от 5 % до 15 % в оставшейся части метанола будет удовлетворительно функционировать в двигателе. Можно ожидать, что будут полезными другие смеси способных смешиваться жидкостей, например, этанола, температура кипения в нормальных условиях: 78 °C, и воды.
Возвращаясь теперь к фиг. 3, показанный на нем двигатель также похож, с двумя отличиями, связанными друг с другом. Рабочая текучая среда состоит из 90 % пентана и 10 % воды. Поскольку они неспособны смешиваться, они образуют отдельные слои 56, 57 в баке 48 для жидкости. Насос 49 представляет собой однокамерный насос, откачивающий из двух выпускных отверстий 58, 59 из бака для жидкости. Относительный расход из выпускных отверстий для двух несмешиваемых слоев определяется регулирующими устройствами в выпускных отверстиях. Они могут быть фиксированными регулирующими устройствами, такими как пластины с отверстиями, или регулируемыми регулирующими устройствами в форме клапанов 581, 591. Их настраивают так, чтобы откачивались пентан и вода в соотношении 10:1, таком же, как соотношение их объемов в жидком виде в двигателе.
Две жидкости подают вместе к нагревателю 50. Пентан имеет значительно более низкую температуру кипения, чем метанол, т. е. 36 °C. В связи с этим можно ожидать приложения достаточного давления в подающем устройстве от нагревателя к детандеру 41, чтобы удерживать воду в состоянии жидкости, если только температура в подающем устройстве не будет значительно превышать 100 °C, так что вода достаточно перегреется, чтобы испариться, несмотря на давление пентана.
Действие изобретения, т е. поддержание энергии в пентане с более низкой температурой кипения благодаря передаче тепла от воды, с выделением скрытой теплоты и без него, происходит в детандере способом, указанным для варианта осуществления по фиг. 2.
В варианте согласно фиг. 4 однокамерный насос 49 заменен двумя насосами 491, 492 для пентана и воды соответственно. Соответствующие регулирующие устройства 582, 592 показаны выше по потоку относительно насосов на стороне бака для жидкости, однако они могут быть аналогичным образом расположены на стороне ниже по потоку. Впускное отверстие 51 в нагревателе заменено двумя такими впускными отверстиями 511, 512. Аналогичным образом насосы могут подавать в Y-образную деталь, соединенную соответственно с двумя насосами и одним впускным отверстием 51.
Если насосы согласно фиг. 3 и 4 имеют регулируемый объем подачи, их расход регулируется их регулирующими устройствами. Как показано на фиг. 5, насосы 493, 494, приводимые в движение общим двигателем 495, представляют собой насосы объемного действия и их производительности пропорциональны их рабочему объему. Им не нужны регулирующие устройства, чтобы обеспечить их производительности, пропорциональные их перемещению.
На фиг. 6 показан вариант осуществления, содержащий один насос с двумя камерами 69 объемного действия, с нагревателем 70 из двух частей, с частями 701, 702. Части снабжаются последовательно одним потоком 75 теплоносителя. Он поступает в часть 701 при повышенной температуре и нагревает составляющую рабочей текучей среды с более высокой температурой кипения, например, воду, которая выходит, чтобы питать детандер 61, по единственному подающему устройству 63. Затем это нагревают близко ко входной температуре теплоносителя. Температура потока 751 из части 701 уменьшается и он поступает во вторую часть, нагревая составляющую текучую среду с более низкой температурой кипения, например, пентан, до своей несколько сниженной температуры. Эта составляющая также подается в единственное подающее устройство 63.
При таком нагреве двух составляющих рабочей текучей среды до разных температур, но при одинаковом давлении, когда они входят вместе в детандер, составляющая с более высокой температурой кипения испаряется и не подвергается давлению, чтобы оставаться жидкостью, тогда как составляющая с более низкой температурой кипения все еще находится в испаренном состоянии. В детандере составляющая с более высокой температурой кипения может расширяться, давая полезную работу и нагревая составляющую с более низкой температурой кипения, при этом также обеспечивая полезную работу. Когда составляющая с более высокой температурой кипения охладилась и конденсируется, она отдает энергию составляющей с более низкой температурой кипения, позволяя ей производить работу в соответствии с изобретением, как описано выше.
Вариант осуществления согласно фиг. 7 отличается тем, что имеется две части 901, 902 нагревателя, питаемые параллельно одним и тем же потоком теплоносителя. Таким образом, две составляющие рабочей текучей среды нагреваются до одинаковой температуры. Давление составляющей с более низкой температурой кипения возрастает выше давления составляющей с более высокой температурой кипения, в основном потому, что нагревание выполнялось при большей разнице температур выше ее температуры кипения. Эта составляющая под большим давлением подается в подающее устройство 83 высокого давления детандера. Вторая составляющая под более низким давлением подается в промежуточную точку 831 в детандере, где составляющая под более высоким давлением расширилась до соответствующего более низкого давления. Введенная здесь составляющая с более низкой температурой кипения расширяется и передает тепло способом, описанным выше.
Не предусмотрено ограничение изобретения подробными сведениями описанного выше варианта осуществления. Например, как показано на фиг. 8, в варианте двигателя согласно фиг. 4, сепаратор 59 предусмотрен ниже по потоку относительно детандера 412 и выше по потоку относительно конденсатора 462, для отделения составляющей жидкости 572 с более высокой температурой кипения. Она проходит через выпускное отверстие 592 сепаратора непосредственно в отдельный бак 482, откуда ее можно качать обратно к нагревателю из выпускного отверстия 5911 в отдельном баке насосом 494. Такая конфигурация сокращает количество тепла, которое требуется убрать в конденсаторе. Для удобства сепаратор представляет собой циклонный сепаратор. Составляющая жидкость 562 с более низкой температурой кипения проходит из конденсатора 462 к баку 481 для конденсата, для перекачивания через выпускное отверстие 5811 насосом 493.
Нужно отметить, что бак для жидкости, принимающий поток двух жидкостей из конденсатора, сам является сепаратором, поскольку в нем обеспечивается возможность разделения жидкостей.
Выше не комментировался тот факт, что в вариантах осуществления согласно фиг. 2 и 3 обе жидкости проходят через нагреватель вместе в одном и том же канале, тогда как в других вариантах осуществления показаны отдельные каналы. Это нужно в вариантах осуществления согласно фиг. 6 и 7, но не нужно в таком виде в двигателях согласно фиг. 4 и 5, где возможны одиночные нагревательные каналы в соответствующих нагревателях.
Можно снабжать нагреватель его теплом другими средствами, отличными от потока жидкости или газа. Например, его можно нагревать непосредственно с применением теплопроводности, например, прикрепив его к выхлопному элементу двигателя внутреннего сгорания. Альтернативно его можно нагревать непосредственно излучением, например, рядом с выхлопным элементом. Для снабжения энергией можно использовать другие источники отбросного тепла, такие как солнечная энергия.
Составляющие рабочих текучих сред могут меняться. Например, поддающиеся смешиванию воду и метанол или этанол можно заменить пентаном или изопропиловым спиртом, с соответствующими температурами кипения при нормальных условиях окружающей среды 36 °C и 97 °C.