СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
METHOD FOR CONVERSION OF LOW-GRADE HEAT ENERGY

Изобретение относится к комбинированным системам для нагрева и охлаждения, а именно к компрессионным машинам и системам, в которых рабочим телом является воздух. Способ может быть использован в различных системах автономного энергоснабжения (отопление, горячее водоснабжение, хладоснабжение, кондиционирование, вентиляция, электроснабжение), в том числе в нескольких системам одновременно.
Известен способ термотрансформации, включающий испарение рабочей среды при пониженном давлении, сопровождаемый поглощением тепловой энергии низкотемпературного источника, сжатие рабочей среды в парообразном состоянии с помощью компрессора, охлаждение и конденсацию рабочей среды с передачей выделяющейся при этом тепловой энергии высокотемпературному приемнику и понижение давления рабочей среды перед испарением [RU 2161759 C2, МПК7 F25B 9/08, F25B 30/02, опубл. 10.01.2001]. Недостатками этого способа термотрансформации являются высокая стоимость парожидкостного рабочего тела и в большинстве случаев его опасность для окружающей среды, невозможность получения полезной внешней механической работы при понижении давления рабочей среды, а также применение компрессоров для сжатия рабочего тела с приводом от электродвигателей или двигателей внутреннего сгорания, использующих невозобновляемое углеводородное сырье, необходимое для их работы.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ преобразования тепла в газовых циклах путем расширения газа с последующим подводом к нему тепла при постоянном давлении и адиабатного сжатия до первоначального давления [RU 2062413 C1, МПК6 F25B 30/02, F01K 25/00, опубл. 20.06.1996]. Данный способ не предполагает изменения фазового состояния рабочего тела в замкнутом термодинамическом цикле при изменении его температуры и давления. Недостатком данного способа является применение воздушных компрессоров с приводом от внешних источников энергии, не связанных с источником низкопотенциального тепла. Как правило, это внешняя электрическая энергия. Другим недостатком данного способа является невозможность получения полезной механической работы при расширении газа в детандере с последующим ее преобразованием, например, в электрическую, так как детандер сообщен с компрессором, а произведенная при расширении воздуха в нем работа используется для дожатия рабочего тела в компрессоре.
Технической задачей, стоящей перед данным изобретением, является создание несложного способа преобразования низкопотенциальной тепловой энергии окружающей среды в высокопотенциальную с использованием в процессе реализации замкнутого воздушного термодинамического цикла (в процессе сжатия воздуха) механической энергии низконапорных водотоков, являющихся одновременно источниками низкопотенциального тепла.
Согласно изобретению техническая задача решается следующим образом. Способ преобразования низкопотенциальной тепловой энергии включает генератор пневматической энергии, необходимой для осуществления замкнутого воздушного термодинамического цикла, и источник низкопотенциального тепла. Способ отличается тем, что генератор пневматической энергии приводят в действие механической энергией источника низкопотенциального тепла, выполняют генератор в виде гидроагрегата, преобразовывающего кинетическую энергию потока воды в потенциальную энергию гидравлического удара, с последующим совершением механической работы по возвратно-поступательному перемещению подвижных частей стенок водовода гидроагрегата и сжатию воздуха в камерах сжатия, установленных над подвижными в радиальном направлении стенками водовода гидроагрегата.
Способ преобразования низкопотенциальной тепловой энергии (см. чертеж) реализуется следующим образом. Гидроагрегаты-генераторы пневматической энергии выполняют в виде водоводов 1 с установкой на конце водоводов ударных клапанов 2, подвижных в радиальном направлении стенок водовода (мембран), являющихся рабочими органами камер сжатия 3, снабженных всасывающими и нагнетательными патрубками с обратными клапанами. За счет энергии периодического гидравлического удара, инициированного автоматически действующими ударными клапанами 2, происходит возвратно-поступательное движение рабочих органов (мембран) в камерах сжатия 3, вследствие чего происходит всасывание в полость камер сжатия воздуха по всасывающей линии 4 через всасывающие патрубки, его последующее сжатие и выталкивание в нагнетательную линию 5. Сжатый воздух поступает в теплообменный аппарат - охладитель воздуха 7, в котором осуществляется перенос теплоты от рабочего тела - воздуха, циркулирующего в замкнутом контуре, к теплоносителю, циркулирующему в системе отопления по обратным 8 и прямым 9 трубопроводам. Далее сжатый воздух поступает в регенератор 10, где происходит теплообмен между потоками воздуха, поступающего из теплообменного аппарата 7 и источника низкопотенциального тепла 16. Регенератор 10 предназначен для повышения температуры рабочего тела перед его подачей в камеры сжатия 3 и, в конечном счете, для увеличения теплопроизводительности. Охлажденный сжатый воздух после регенератора 10 поступает в детандер 11, где происходит его расширение, производится внешняя механическая работа и дальнейшее охлаждение воздуха. Произведенная внешняя механическая работа используется для привода электрогенератора 12. После расширения в детандере 1 холодный воздух направляют в теплообменный аппарат 13 с подводом тепла от охлаждаемого объекта, то есть осуществляется перенос теплоты от хладагента, циркулирующего по обратным 14 и прямым 15 трубопроводам, к рабочему телу - воздуху. Затем подогретый в теплообменном аппарате 13 воздух последовательно направляют в источник низкопотенциального тепла 16 и регенератор 10, после чего подогретый воздух по всасывающей линии 4 подают на вход камер сжатия 3.
В предложенном способе пневматическая энергия (энергия сжатого атмосферного воздуха), необходимая для получения тепловой и электрической энергии, генерируется путем преобразования кинетической энергии воды, движущейся в водоводе 1, сначала в потенциальную энергию упругой деформации воды и стенок водовода при резком закрытии ударных клапанов 2, а затем в энергию сжатого воздуха. Под действием потенциальной энергии совершается механическая работа по радиальному возвратно-поступательному перемещению подвижных частей стенок водовода (мембран), являющихся рабочими органами камер сжатия 3, вследствие которой происходит всасывание, сжатие и последующее выталкивание подаваемого к камерам сжатия 3 воздуха.
В предложенном способе кинетическая энергия начинает накапливаться в водоводах гидроагрегатов при открытии ударных клапанов 2, работающих автоматически за счет энергии потока воды [Овсепян В.М. Гидравлический таран и таранные установки. - М.: Машиностроение. 1968. - 124 с.], накопление кинетической энергии и время ее накопления в водоводе гидроагрегата зависит от массы воды, то есть от геометрических размеров водовода. Известно, что масса является мерой инерции. При увеличении длины водовода, при неизменных размерах его поперечного сечения, потребуется больший промежуток времени для накопления кинетической энергии, но при этом будет и большая ее отдача при преобразовании гидроагрегатом в энергию сжатого воздуха. Накопление кинетической энергии происходит при возрастании скорости движения воды от нуля до значения, соответствующего установившемуся движению жидкости в водоводе 1 с известными значениями гидравлических сопротивлений и напора на входе в водовод 1 при открытых ударных клапанах 2. Количеством ударных клапанов 2 регулируются гидравлические сопротивления в водоводе 1. Размеры гидроагрегата, площадь и радиальный ход подвижных стенок водовода (мембран), а также их количество выбирают исходя из гидрологических параметров природных или техногенных водотоков, источников низкопотенциального тепла. Водоводы 1 устанавливают в створе водотока параллельно скорости движения жидкости в нем. Срабатывание автоматических ударных клапанов всех установленных в створе водотока гидроагрегатов осуществляют не одновременно, а со сдвигом во времени, обеспечивая непрерывность накопления энергии, первичное сглаживание пульсационных воздействий и устранение неравномерности в подаче воздуха. Кроме того, параллельно установленные друг другу гидроагрегаты в створе водотока являются для последнего гидравлическими сопротивлениями, поэтому создают перед собой необходимый подпор для работы гидроагрегатов генераторов пневматической энергии. В случае недостаточности этого подпора при малом продольном уклоне водотока в его створе сооружают дополнительный водослив, обеспечивающий необходимый подпор воды перед гидроагрегатом.
В предложенном способе преобразования низкопотенциальной тепловой энергии в процессе эксплуатации возможны утечки, сброс небольшого объема воздуха совместно с образовавшимся конденсатом, поэтому камеры сжатия 3 оборудованы воздухоприемниками 6, в состав которых входят фильтры очистки воздуха с осушителями.
В предложенном способе преобразования низкопотенциальной тепловой энергии регенератор 10 предназначен для увеличения теплопроизводительности установки. Его применение обосновано в случае использования способа в высоко- и среднетемпературных системах автономного отопления. Применение установки с регенератором в низкотемпературных системах отопления (с температурой теплоносителя ниже 40°C), например в системах воздушного отопления, нецелесообразно. В этом случае сообщаемое потоку воздуха, движущемуся из источника низкопотенциального тепла 16, количество теплоты будет незначительным и применение регенератора вызовет необоснованное увеличение затрат на возведение энергостанции. Кроме того, температура воздуха на входе в детандер 11 будет ниже в схеме с применением регенератора. Это сказывается на величине механической работы, совершаемой детандером 11, которая с уменьшением входной температуры рабочего тела также уменьшается.
В случае, когда за счет подводимой теплоты в теплообменном аппарате 13 происходит нагрев циркулирующего в системе воздуха до температуры, превышающей температуру в низкопотенциальном источнике тепловой энергии, отпадает необходимость в этом источнике и его функцию полностью выполняет потребитель энергии холода.
Заявленное техническое решение позволяет преобразовывать практически даровую гидравлическую энергию многочисленных в мире низконапорных природных и техногенных водотоков в энергию сжатого воздуха с последующим преобразованием ее в замкнутом термодинамическом цикле в высокопотенциальную тепловую энергию, механическую работу расширения сжатого воздуха в детандере и энергию для производства холода. При этом для реализации замкнутого воздушного термодинамического цикла используется механическая энергия источника низкопотенциального тепла (водотока). Техническое решение может быть применено в системах автономного энергообеспечения объектов различного назначения.